淹水胁迫下水稻种子和胚芽葡萄糖供应差异与胚芽存活的关系.pdf

中国水稻科学(Chin J Rice Sci),2024,38(2):172184 172 http:/ DOI:10.16819/j.1001-7216.2024.230902 淹水胁迫下水稻种子和胚芽葡萄糖供应差异与胚芽存活的关系 郑广杰#叶昌#朱均林 陶怡 肖德顺 徐亚楠 褚光 徐春梅 王丹英*(1中国水稻研究所 水稻生物育种全国重点实验室，杭州 311400；*通信联系人，email：)Relationship Between Embryo Survival and Glucose Supply of Rice Seed and Embryo Under Flooding Stress ZHENG Guangjie#,YE Chang#,ZHU Junlin,TAO Yi,XIAO Deshun,XU Yanan,CHU Guang,XU Chunmei,WANG Danying*(1 State Key Laboratory of Rice Biology and Breeding,China National Rice Research Institute,Hangzhou 311400;*Corresponding author,email:)Abstract:【Objective】To investigate varietal differences in germ glucose supply under flooded conditions and its relationship with rice germ survival.【Method】Germinated seeds of four rice varieties with different flooding tolerance were used as material and subjected to flooding and wet(control)conditions.Dynamic changes of non-structural carbohydrate contents in seed and germ tissue,seed-amylase activities,and germ antioxidant enzyme activities over time were analyzed,along with their correlation with seed survival rates.【Result】Under flooding stress,the glucose content and the activities of SOD and POD in the germs of the flooding-sensitive rice materials,Zhongjiazao 8(S1)and Zhongjiazao 17(S2),decreased significantly after 72 hours of flooding,leading to stagnation of germ growth and death.However,the embryo glucose content and the activities of SOD and POD remained stable in the germs of the flooding-tolerant variety Nipponbare(T1)and Yunliangyoujiu 48(T2)after 96 hours of flooding treatment,allowing the germs to continue growing and elongating.Analysis of seed-amylase activities showed that while short-term flooding(048h)enhanced seed-amylase activities in all four materials,only flooding-tolerant varieties T1 and T2 maintained high-amylase activity under prolonged flooding(7296h),leading to a decline in starch content within their seeds and an increase in glucose content.In contrast,the-amylase activities of flood-sensitive varieties S1 and S2 declined after 48 and 72 hours of flooding treatment,respectively,with relatively stable starch content in the seeds but substantial declines in glucose content of the seeds and the germ.Correlation analysis revealed that germ survival was highly positively correlated with germ and seed glucose content,and POD activity of germ,while highly negatively correlated with seed starch content.【Conclusion】Under flooding stress,the germ tissue consumes a large amount of glucose to maintain its physiological metabolic balance,and the ability of seeds to supply glucose to the embryo is directly related to its survival.Changes in seed-amylase activity play a pivotal role in the glucose supply to the germ,which is crucial for the survival and emergence of the seed under flooding stress.Key words:flooding;rice seeds;embryo survival rate;glucose;-amylase;antioxidant enzyme 摘 要：【目的】为了探明淹水逆境下水稻种子向胚芽供应葡萄糖能力的品种间差异及其与胚芽存活的关系，从而解析水稻芽苗期耐淹机理。【方法】以 4 个淹水耐性不同的品种为试验材料，设置长期淹水和湿润播种(对照)两个处理，分析种子和胚芽组织的非结构性碳水化合物含量，种子-淀粉酶活性、胚芽抗氧化酶活性随时间的动态变化，及其与胚芽存活率的相关性。【结果】淹水胁迫下，淹水敏感材料中嘉 8 号(S1)和中嘉早 17(S2)胚芽的葡萄糖含量、SOD、POD 酶比蛋白活性在淹水 72h 后显著下降，表型上表现为胚芽生长停滞并出现死亡症状；而耐淹材料日本晴(T1)、耘两优玖 48(T2)的胚芽中葡萄糖含量、SOD、POD 的酶比蛋白活性在淹水 96 h 内保持稳定，胚芽持续伸长。对种子-淀粉酶活性的分析表明，虽然短期淹水(048 h)能够增强所有 4 个材料的种子-淀粉酶活性，但随淹水时间的延长(7296h)，仅耐淹的 T1、T2 保持-淀粉酶高活性，其种子内的淀粉含量持续下降而葡萄糖含量不断增加，胚芽葡萄糖含量相对稳定；而淹水敏感材料 S1、S2 种子内的-淀粉酶活性则分别在淹水收稿日期：2023-09-04；修改稿收到日期：2024-01-05。基金项目：浙江省“尖兵”研发攻关计划课题(2023C02002-3-2)；国家水稻产业技术体系资助项目(CARS-01-31)；中国农业科学院科技创新工程资助项目(ASTIP)。郑广杰等：淹水胁迫下水稻种子和胚芽葡萄糖的供应差异与胚芽存活的关系 173 72 h 和 48 h 后下降，种子内淀粉含量相对稳定，但种子和胚芽的葡萄糖含量大幅度下降。相关分析表明，胚芽的存活率与胚芽和种子的葡萄糖含量、胚芽的过氧化物酶(POD)活性极显著正相关，但与种子淀粉含量极显著负相关。【结论】淹水胁迫下胚芽组织消耗大量的葡萄糖维持其生理代谢平衡，种子向胚芽供应葡萄糖的能力直接关系到其存活，种子-淀粉酶活性变化对胚芽葡萄糖的供应有决定性作用，是种子在淹水条件下存活出苗的关键。关键词：淹水逆境；水稻种子；胚芽存活率；葡萄糖；-淀粉酶；抗氧化酶 近年来社会发展迅速，人口转移、生产土地集中、劳动力数量减少且逐渐老龄化成为了制约水稻生产的重要因素，兼备省时、省力、低成本的水稻直播生产方式逐渐又被生产者重视起来，其种植面积与机械化水平也在不断提高1,2。为了促进水稻直播的发展与应用，在生产上亟需解决直播水稻的种子萌发率、出苗率以及成苗率不稳定的难题。影响种子萌发出苗的因素有内在的生理因素和外在的环境因素。生理因素主要指种子自身的活力，种子活力越高，其生理代谢越强，萌发出苗率也就越高3；而外在因素则是复杂的田间环境，即使是同批次的种子，在实验室和大田中的发芽率也存在很大差距4，尤其是播种后遇上连绵阴雨天气，田间积水导致的淹水胁迫会极大降低种子的存活率5。水稻在淹水逆境中有其特殊的抵御方式，存在两种不同的策略，一种是“静止”策略，即通过节约能量和碳水化合物，并维持细胞结构完整，减少伤害来保证其存活6；另一种则是“伸长”策略，通过促使植株迅速伸长，突破水面获取氧气来解除淹水胁迫7。相比之下，直播水稻更契合伸长的策略，前人在此方面做了大量的研究，但仍有必要深入研究种子在淹水逆境中下胚芽的伸长出苗过程及机理。水稻种子在发芽出苗阶段，其胚芽的光合系统并未完全建立，不能通过光合作用来获取糖类物质，也无法合成其他物质，胚芽生长所需的营养物质几乎都来自于胚乳中储藏物质的水解和转移8，而淹水逆境下，胚芽的伸长生长、抗氧化、呼吸等系列代谢活动会消耗比正常状态下更多的葡萄糖，种子向胚芽供应葡萄糖的量对其耐淹性有决定性的影响9，因此，水稻种子内的非结构性碳水化合物(non-structural carbohydrate,NSC)从胚乳向胚芽转运这一过程至关重要，是其能在淹水逆境下顺利出苗的关键10。种子内的淀粉水解成葡萄糖是 NSC由胚乳向胚芽转移的第一步，在此过程中，糊粉层细胞产生的-淀粉酶具有高催化效率而起决定性作用11-13，水解产生的葡萄糖通过盾片扩散到胚中8，来维持胚的正常代谢以及合成蔗糖向胚芽运输14-17，胚芽再将蔗糖水解成葡萄糖进行利用，维持其代谢活动10,16-20。除此之外，淹水胁迫致使植物组织产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)，对细胞造成损伤21，由超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidase,POD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)等组成的酶促抗氧化系统能够清除细胞中的过量 ROS22,23。其中，SOD 是清除 ROS 反应体系中的第一个酶，能够将破坏性强的 ROS 转变成破坏性较弱的 H2O2,而后 H2O2又被 CAT、POD 清除，维持 ROS 产生和清除的平衡，从而保证组织在淹水环境中存活。因此，研究水稻胚芽在水中存活并伸长的生理机理，探讨淹水耐性不同的材料存活情况与胚芽抗氧化酶活性、葡萄糖含量以及种子 NSC 含量的关系，对明确在淹水逆境下直播水稻品种间出苗差异具有重要意义。本研究以 4 个淹水耐性不同的水稻品种为材料，分析发芽种子在长期淹水环境中种子和胚芽间 NSC 含量、-淀粉酶活性以及胚芽抗氧化酶活性的变化，及其与胚芽存活率的关系，以期为直播耐渍水稻品种的筛选和培育提供参考，为直播高产稳产技术的研发提供理论依据。1 材料与方法 1.1 试验材料 本研究以前期筛选出来的耐淹性存在显著差异的 4 个供试品种为材料，包括耐淹品种日本晴(T1，粳稻)、耘两优玖 48(T2，籼稻)和淹水敏感品种中嘉 8 号(S1，粳稻)、中嘉早 17(S2，籼稻)。1.2 试验方法 取上述材料种子各 50 g，用 1%次氯酸钠溶液浸泡消毒 10 min，30下浸种 48 h 再湿催芽 24 h，至种子芽长 34 mm，进行淹水处理(T)，以不淹水为对照(CK)。CK 对照组选择 96 粒种子播于自制水培发芽盒上，加入去离子水并使水层淹没半粒种子但不接触胚芽，避免不同处理含水量引起的误差；T 处理组将 100 粒种子平铺于 250 mL 烧杯底部并注入去离子水。由于淹水深度目前还没有一个准确的标准，参照侯名语24提出的 5 cm 以上静止水层才能达到淹水标准，以及 Sen25提出的至少 46 cm174 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第38卷第2期(2024年3月)水层才具有胁迫作用，同时考虑到烧杯底部的种子堆也有一定厚度，因此保持水面至烧杯底部具有 6 cm 水层深度，使种子的胚芽顶部至水面有 5 cm 以上距离，试验过程中不换水，每隔 8 h 将水补加至刻度线处。每个处理均设置 3 次重复，置于人工气候培养箱中 25下恒温培养(昼、夜光照强度分别为 10000 lx 和 0 lx，时间均为 12 h，湿度为 70%)。1.3 测定项目 1.3.1 胚芽存活率 分别于播种后 0 h(0 hour after seeding,HAS0)、24 h(HAS24)、48 h(HAS48)、72 h(HAS72)、96 h(HAS96)调查胚芽存活率，定义胚芽结构完整且保持挺立的为存活种子，存活率=(存活种子数/播种数)100%。取存活种子于液氮上将其分为胚芽、胚根、种子三部分用于指标测定，各实验均设置 3 次重复。1.3.2 胚芽长度和干物质量 随机选取 20 条完整胚芽，用根系扫描仪(Epson perfection V800,Indonesia)扫描后用 WinRhizo PRO 2016 根系分析软件(Regent Instruments,Canada)来分析胚芽长度，而后将胚芽置于 80下烘箱中烘干48 h，再称量其干物质量。1.3.3 非结构性碳水化合物含量 随机选取 10 粒种子(或 10 个完整胚芽)称重，用 10 mL 80%乙醇研磨成匀浆并转移至 15 mL 离心管中，密封后 80浴煮 30 min，冷却后于离心机4000 r/min 下离心 15 min，将上清液转移至 50 mL离心管中，用 80%乙醇定容至刻度线处，为可溶性糖提取液，震荡混匀后用来测定可溶性总糖、葡萄糖、蔗糖的含量。离心管内的残渣烘干后加 2 mL去离子水，密封后沸水浴 15 min，冷却后再加入 2 mL 9.2 mol/L 高氯酸溶液，沸水浴 30 min，重复操作 2 次，将管内液体过滤至 50 mL 离心管中，即为淀粉提取液。用蒽酮-硫酸比色法26测定可溶性总糖和淀粉含量，间苯二酚比色法27测定蔗糖含量，葡萄糖氧化酶法27测定葡萄糖含量。1.3.4 -淀粉酶活性 随机选取 10 粒种子称重，用 10 mL 去离子水研磨成匀浆至 15 mL 离心管，4000 r/min 下离心 10 min，取上清液并稀释 20 倍，即为淀粉酶稀释液，用 3，5-二硝基水杨酸法26测定淀粉酶活性。1.3.5 可溶性蛋白含量及抗氧化酶活性 随机选取 10 个完整胚芽称重，用 4 mL 0.1 mol/L 的磷酸缓冲液(pH=7.0)研磨成匀浆至 5 mL 离心管，于离心机 12 000 r/min 下离心 10 min，上清液即为粗酶提取液。取粗酶提取液，采用考马斯亮蓝法28测定可溶性蛋白含量；采用氮蓝四唑光还原法29测定 SOD活性，愈创木酚法30测定 POD 活性，紫外吸收法31测定 CAT 活性。1.4 数据统计 采用 Microsoft Excel 2021 及 SAS 9.4 软件对试验数据进行处理与统计分析，采用 Duncan 法进行差异显著性检验(P 0.05)。2 结果与分析 2.1 不同处理下 4 份水稻材料胚芽生长及存活差异 由表 1 和图 1 所示，淹水胁迫促进了胚芽的伸长，在播种后 024 h(HSA024)内，耐淹品种 T1、T2 的芽长是对照(CK)的 2.35、2.31 倍，敏感品种S1、S2 分别是 CK 的 2.1、1.6 倍，而后随时间延长，比值逐渐降低，至播种后 96 h，T1、T2、S1、S2表 1 淹水胁迫对不同水稻材料胚芽长度和干物质量的影响 Table 1.Effects of flooding stress on the embryo length and dry matter accumulation in different rice materials 材料 Material 胚芽长度比值 Germ length ratio(T/CK,%)胚芽干物质量比值 Germ dry weight ratio(T/CK,%)HAS24 HAS48 HAS72 HAS96 HAS24 HAS48 HAS72 HAS96 T1 235.38.7 a 169.82.7 b 128.62.6 c112.04.1 d 70.53.3 a 67.92.3 a 59.22.6 b 50.71.6 c T2 230.88.6 a 142.84.8 b 97.93.5 c81.46.9 d 66.94.8 a 55.02.7 a 44.71.0 b 42.41.4 c S1 210.59.4 a 177.17.9 b 103.88.7 c71.24.4 d 65.44.3 a 59.44.0 b 45.25.3 c 35.21.1 c S2 163.311.6 a 95.58.5 b 62.03.0 c43.13.3 d 50.34.8 a 32.71.8 b 20.40.6 c 16.80.5 c T1 和 T2 为耐淹材料，S1 和 S2 为淹水敏感材料；T1：日本晴；T2：耘两优玖 48；S1；中嘉早 8 号；S2：中嘉早 17。CK：湿润对照；T：淹水处理；HAS24、HAS48、HAS72 和 HAS96 分别表示播种后 24 h、48 h、72 h 和 96 h。数值表示平均值标准差（n=20）。不同的小写字母表示同一品种在不同处理时间在 0.05 水平上存在显著性差异。下同。T1 and T2,Flooding-tolerant materials;S1 and S2,Flooding-sensitive materials;T1,Nipponbare;T2,Yunliangyoujiu 48;S1,Zhongjiazao 8;S2,Zhongjiazao 17.CK,Wet treatment(control)；T,Flooding treatment;HAS24,HAS48,HAS72 and HAS96 indicate 24 h,48 h,72 h and 96 h after sowing,respectively.Data are meansSD(n=20).Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level for data from the same variety under different trentments.The same below.郑广杰等：淹水胁迫下水稻种子和胚芽葡萄糖的供应差异与胚芽存活的关系 175 这 4 个品种的芽长分别为 CK 的 1.1、0.8、0.7 和 0.4倍。相反，胚芽的物质转移和积累受到淹水胁迫的抑制，至播种后 24 h，4 个品种的胚芽干物质量分别为 CK 的 0.72、0.69、0.62、0.50，至播种后 96 h，比值降至 0.51、0.42、0.35、0.17。粳稻材料 T1、S1 的芽长比、芽干质量比分别始终大于籼稻材料T2、S2。由表 2、图 1 所示，试验选用的材料均为发芽后的种子，对照组中 96 h 内的存活率都为 100%。淹水胁迫至 72 h 左右，敏感材料 S1、S2 的胚芽受到不可逆的损伤，其胚芽开始出现死亡现象，至 96 h，S1、S2 的胚芽存活率分别降至 86%、78%，而耐淹材料 T1、T2 在 96 h 内的存活率维持在 100%。2.2 不同处理下 4 份水稻材料非结构性碳水化合物含量变化及差异 2.2.1 种子非结构性碳水化合物含量的变化及差异 种子内的非结构性碳水化合物可分为淀粉和可溶性总糖两部分。由图 2 可见，在对照中，种子的淀粉含量随处理时间延长不断降低，T1、T2、S1、S2 在播种后 96 h 的淀粉含量仅为播种后 0 h 的58.6%、61.4%、68.6%、64.2%，淀粉含量的降幅在4 份材料间无显著差异。而淹水处理种子的淀粉含量随时间的下降速率逐渐变慢，至 HAS48，S1、S2的淀粉含量几乎不再发生变化，而 T1、T2 的淀粉仍可以继续水解。T1、T2、S1、S2 在 HAS96 时的淀粉含量分别为 HAS0 的 74.9%、77.8%、84.9%和85.0%，淹水处理的降幅显著低于 CK，且表现为耐淹材料 T1、T2 降幅大于敏感材料 S1、S2。除此之外，籼稻材料 T2、S2 两处理间的淀粉含量在 HAS48后表现出显著差异，而粳稻材料 T1、S1 在 HAS72后才表现出显著差异，似乎淹水胁迫对籼稻材料淀粉水解的抑制程度要大于粳稻材料。相应地，种子里的可溶性糖随着淀粉的水解而不断增加。由图 2 可见，对照中 HAS96 的平均可溶性糖含量分别是HAS0、HAS24、HAS48和HAS72的 3.4 倍、2.0 倍、1.6 倍和 1.2 倍。由于淹水降低了淀粉的水解效率，进而影响了可溶性糖含量的增幅，淹水处理 HSA24 时平均可溶性总糖含量比 CK低 25.4%。然而，4 份材料间可溶性总糖的含量随时间的变化趋势存在差异，其中耐淹材料 T1、T2的可溶性总糖含量变化趋势与 CK 类似，表现为持续增加，HAS96 的平均含量分别比 HAS48、HAS72增加 24.7%、11.3%，而敏感材料 S1 的可溶性糖含量 HAS4896 间持平并有下降趋势，S2 的可溶性糖含量在 HAS24 开始下降。4 份材料两处理间的可图 1 不同处理下 4 份水稻材料胚芽表型变化及差异 Fig.1.Changes and differences in embryo phenotypes of four rice materials under different treatments 表 2 淹水胁迫对不同水稻材料胚芽存活的影响 Table 2.Effect of flooding on embryo survival of different rice materials 材料 Material 存活率 Survival rate（%）HAS24 HAS48 HAS72 HAS96 T1 1000 a 1000 a 1000 a 1000 a T2 1000 a 1000 a 1000 a 1000 a S1 1000 a 1000 a 932 b 864 c S2 1000 a 991 a 873 c 786 d 数值表示平均值标准差（n=3），不同的小写字母表示同一指标的数据在 0.05 水平上存在显著性差异。Data are means SD(n=3).Different lowercase letters indicate that the data are significantly different at the 0.05 level.176 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第38卷第2期(2024年3月)溶性总糖含量都在 HAS24 后表现出显著差异，而在 HSA2496 期间，籼稻材料 T2、S2 两处理间可溶性糖含量的差值都要比粳稻材料 T1、S1 大，同样验证了上述淹水胁迫对籼稻材料淀粉水解的抑制程度要大于粳稻这一推论。在可溶性总糖中，葡萄糖和蔗糖的占比最大，且葡萄糖和蔗糖是可溶性糖在组织间转移的主要形式。由图 2 可见，CK 中，4 份材料的种子葡萄糖含量在 HAS096 期间持续增加。而淹水处理降低种子葡萄糖含量，淹水处理 HAS24 时的平均含量为 CK 的 87.4%，HAS96 时仅为 42.5%，且 4 份材料间存在显著差异，耐淹材料 T1、T2 的葡萄糖含数值表示平均值标准差（n=3），不同的小写字母表示同一品种、同一处理、不同处理时间的数据在 0.05 水平上存在显著性差异。*和*表示同一品种、同一时间、不同处理的数据在 0.05 和 0.01 水平上存在显著性差异。下同。Data are means SD(n=3).Different lowercase letters indicate significant differences at the 0.05 level for data from the same variety under the sametreatment for different treatment time.*and*indicate that data from the same variety under different treatments for the same treatment time are significantlydifferent at the 0.05 and 0.01 levels.The same below.图 2 不同处理下 4 份材料种子淀粉、可溶性总糖、葡萄糖和蔗糖的含量变化及差异 Fig.2.Changes and differences in seed starch,total soluble sugar,glucose and sucrose contents of 4 rice materials underdifferent treatments 郑广杰等：淹水胁迫下水稻种子和胚芽葡萄糖的供应差异与胚芽存活的关系 177 量在 HAS096 期间持续增加，而敏感材料 S1、S2分别在 HAS72、HAS24 处理下达到最大值，而后不断降低。粳稻材料 T1 两处理在 HAS72 后表现出显著差异，S1 在 HAS96 后表现出显著差异，而籼稻材料 T2、S2 都在 HAS48 后表现出显著差异。由图 2 可见，CK 中，种子蔗糖的含量都表现增加的趋势，但籼稻材料的增幅要比粳稻材料大，而淹水处理中，4 份材料的种子蔗糖含量随时间的变化都不明显，但都显著低于 CK，其平均含量在HAS24 和 HAS96 时仅为 CK 的 60.8%和 43.6%，且各材料的两处理都在 HSA24 后表现出显著差异。2.2.2 胚芽可溶性总糖含量的变化及差异 由图 3 可知，淹水处理胚芽的可溶性总糖含量随时间的变化趋势与 CK 相反。CK 中，4 个品种胚芽内的可溶性总糖含量在 HAS096 期间不断增加，而淹水条件下胚芽的可溶性总糖含量仅在短期内(HAS024)有所提高，随淹水时间的延长，胚芽可溶性总糖含量不断降低，HAS96 时降至 CK 的54.9%，耐淹材料的降幅远低于敏感材料。HAS96时，T1、T2 胚芽可溶性总糖含量分别降为 HAS24的 87.9%和 83.8%，而 S1、S2 降为 HAS24 的 63.5%、62.6%。籼稻、粳稻亚种间并没有明显的规律。种子内的可溶性糖转移至胚芽中后，其存在形式同样以葡萄糖和蔗糖为主。由图 3 可见，HAS096，CK 对照组中的胚芽葡萄糖含量不断增加，而淹水处理的胚芽葡萄糖含量在 HAS0HAS24 期间达到最高值，此后不断降低，HAS96 时耐淹材料 T1、T2 胚芽内葡萄糖含量分别降为 HAS24 的86.3%、82.0%，S1、S2 分别降为 61.6%、49.0%，耐淹材料降幅较小，而且 HAS96 时胚芽葡萄糖含量显著高于敏感品种。对胚芽蔗糖含量的分析表明，无论是 CK 还是淹水处理，其胚芽的蔗糖含量都维持相对稳定，但淹水处理中胚芽中蔗糖的含量要低于 CK，平均含量约为 CK 的 49%，且 4 份材料在 HAS2496 期间，CK 与淹水处理间均存在显著差异。而籼稻、粳稻亚种间同样没有显著的规律。图 3 不同处理下 4 份材料胚芽可溶性总糖、葡萄糖和蔗糖含量变化及差异 Fig.3.Changes and differences in total soluble sugar,glucose and sucrose contents of germ of four rice materials underdifferent treatments 178 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第38卷第2期(2024年3月)2.3 不同处理下 4 份水稻材料种子-淀粉酶活性的变化及差异 处于萌发出苗阶段的水稻种子，淀粉的水解主要由-淀粉酶参与。由图 4 可见，CK 的-淀粉酶活性在 HAS0HAS96 期间均持续增加，淹水胁迫同样对其活性有显著抑制作用，但不同材料间变化趋势存在显著差异，耐淹材料 T1、T2 的-淀粉酶活性随淹水时间延长持续升高，而敏感材料 S1、S2表现出先升后降的趋势，分别在 HAS72 和 HAS48处达到最高，随后下降。不论是 CK，还是淹水处理，同一处理时间籼稻材料的-淀粉酶活性要比粳稻材料高。2.4 不同处理下 4 份水稻材料胚芽抗氧化酶活性的变化及差异 由图 5 可见，对照组中，胚芽的生长过程伴随着蛋白质的大量表达，其可溶性蛋白含量在 HAS096 期间不断增加，而淹水胁迫对胚芽内蛋白质的表达有强烈的抑制作用，处理组 HAS24 的平均可图 4 不同处理下 4 份材料种子-淀粉酶活性变化及差异 Fig.4.Changes and differences in seed-amylase activity of 4 rice materials under different treatments 图 5 不同处理下 4 份材料胚芽可溶性蛋白含量和抗氧化酶比蛋白活性变化及差异 Fig.5.Changes and differences in soluble protein content and specific protein activities of antioxidant enzymes in the germsof 4 rice materials under different treatments郑广杰等：淹水胁迫下水稻种子和胚芽葡萄糖的供应差异与胚芽存活的关系 179 溶性蛋白含量仅为 CK 的 36.3%，至 HAS96，耐淹材料 T1、T2 可溶性蛋白含量维持稳定，敏感材料S1、S2 则不断降低。CK 处理 4 份材料的胚芽的可溶性蛋白含量没有显著差异，而淹水处理下籼稻材料胚芽的可溶性蛋白含量要高于粳稻材料。同样，由图 5 可见，CK 中胚芽的 SOD 和 POD酶比蛋白活性表现为在 HAS096 期间均维持稳定且有降低的趋势。而淹水胁迫使胚芽 SOD 和 POD酶比蛋白活性增强，HAS24 时 4 份材料的淹水处理的活性平均值分别比 CK 增加了 39.3%和 142.3%。而且淹水处理中，耐淹材料 T1、T2 的 SOD 和 POD酶比蛋白活性相对稳定，但敏感材料 S1、S2 的酶活性在 HAS72 左右最高，随后下降。然而，CAT的变化趋势却与 SOD、POD 截然不同，CK 对照组中4份材料的胚芽CAT酶比蛋白活性都表现出先升后降的趋势，最大值在 HAS4872 内，而淹水处理中，其表达被强烈下调，而且活性随时间表现出迅速降低的趋势，在 HAS24 和 HAS96 时，淹水处理的胚芽 CAT 酶比蛋白活性分别为 CK 的 57.3%和 6.1%。SOD、POD、CAT 的酶活在籼、粳稻亚种间没有明显的规律。2.5 长期淹水条件下 4 份水稻材料存活率与生理指标间的相关性分析 对 4 个材料在淹水胁迫下胚芽的存活率与种子和胚芽组织非结构性碳水化合物含量、种子-淀粉酶活性以及胚芽抗氧化酶活性进行相关性分析，发现胚芽存活率与胚芽的葡萄糖(glucose，Glu)含量、POD 活性极显著正相关，与种子的葡萄糖含量极显著正相关，与种子的淀粉含量极显著负相关。其中，POD 活性与胚芽葡萄糖含量、SOD 活性极显著正相关；SOD 与胚芽葡萄糖含量显著正相关；胚芽葡萄糖含量与种子葡萄糖含量极显著正相关，与种子淀粉含量极显著负相关；种子葡萄糖含量与种子淀粉含量极显著负相关。3 讨论 前人的研究结果显示，水稻种子在淹水逆境中出苗的关键是胚芽鞘能迅速伸长突破水面来获取氧气，淹水时其第一片叶和胚根生长发育受到极大抑制32,33，种子的出苗率与中胚轴、胚芽鞘伸长的长度正相关34。但前人在此方面的研究大多处于黑暗环境中，并没有考虑到实际生产中光照的影响。而根据本研究在光照培养箱中模拟昼夜光照试验结果，我们将种子的淹水出苗过程分为以下三个阶段：第一阶段，与黑暗环境中的情况相似，胚根和第一片叶不发育，种子的胚芽鞘迅速伸长，但伸长S：淀粉含量；TSS：可溶性糖含量；Glu：葡萄糖含量；Suc：蔗糖含量；-Amy：-淀粉酶活性；Pro：可溶性蛋白质含量；SOD：超氧化物歧化酶活性；POD：过氧化物酶活性；CAT 过氧化氢酶活性。*表示在 0.05 水平上存在显著性差异，*表示在 0.01 水平上存在显著差异。S,Seed starch;TSS,Total soluble sugars;Glu,Glucose;Suc,Sucrose;-Amy,-amylase;Pro,Protein;SOD,Superoxide dismutase;POD,Peroxidase;CAT,Catalase.*indicate significant difference at the 0.05 level,*indicate significant difference at the 0.01 level.图 6 淹水条件下 4 份材料存活率与生理指标间的相关性 Fig.6.Correlation between survival and physiological indicators in 4 rice materials under flooding treatment 180 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第38卷第2期(2024年3月)速度逐渐降低；第二阶段，胚芽鞘伸长到一定程度后裂开，而后第一片叶代替胚芽鞘伸长至突破水面，根系仍不发育；第三阶段，第一片叶突破水面后，叶和根系开始发育至成苗(图 7)。然而，本研究的 4 份材料只有耐淹材料 T1、T2 能够完成整个过程，而敏感材料 S1、S2 在胚芽鞘转绿、裂开前就表现出了死亡倾向(图 1)，在时间上则为 72 h 左右，与前人的研究结果一致，淹水时间在 72 h 内，基本上不会对材料的出苗率造成显著影响35。因此，本研究仅对淹水出苗过程的第一阶段，即胚芽鞘伸长至裂开前的情况进行研究讨论，由于第一阶段根系几乎不进行生长发育，故本研究不对胚根进行论述分析。非结构性碳水化合物是维持植物生存的能源物质，而萌发出苗阶段的胚芽无法进行光合作用来合成，只能通过胚乳组织内淀粉的水解和转移来获取，这个过程中，胚乳(种