亮点论文 | 低温胁迫对水稻胚芽中葡萄糖和水分状态的影响及其与种子出苗成活间的关系

学术三农 2024-09-23 14:11 北京

郑广杰¹ 叶昌¹ 徐春梅¹ 陈松¹ 褚光¹ 陈里鹏² 章秀福¹ 王丹英^1,*

1 中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，浙江杭州311400；

2 杭州富阳栋山农机服务专业合作社，浙江杭州311400

摘要 Abstract

为了探明低温逆境下水稻种子出苗成活的品种间差异，解析水稻芽苗期耐低温机制，本研究以4个低温耐性不同的品种为试验材料，设置低温和常温两个处理，分析了水稻出苗过程中种子和胚芽组织的碳水化合物含量、含水量，种子的α-淀粉酶、胚芽蔗糖合酶和抗氧化酶活性，胚芽的过氧化氢与丙二醛含量随时间的变化，及其与胚芽存活率的相关性。研究发现，低温下冷敏感品种中嘉8号(S1)、中嘉早17 (S2)胚芽的葡萄糖含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT)比蛋白活性在低温4 d后显著下降，而H₂O₂、MDA含量逐渐增加，其胚芽尖端逐渐枯死卷曲；而耐冷品种日本晴(T1)、耘两优玖48 (T2)的胚芽葡萄糖含量维持在一个较高水平，抗氧化酶(SOD、POD、CAT)比蛋白活性、H₂O₂、MDA含量也都保持不变，其胚芽保持挺立生长状态。分析发现低温抑制了种子的α-淀粉酶活性，但增加了胚芽的蔗糖合酶活性；低温延缓了耐冷品种T1和T2的胚根向种子根发育的进程，却抑制了冷敏感品种S1和S2胚根的发育，低温下冷敏感品种S1、S2的根系活力显著低于耐冷品种T1、T2，冷敏感品种S1、S2种子和胚芽的含水量随低温时间的延长不断降低，而耐冷品种T1、T2相对稳定。相关分析发现，胚芽的存活率与胚芽和种子的葡萄糖含量、含水量和胚根的长度、体积、活力呈极显著地正相关，但与种子中淀粉和胚芽中蔗糖的含量呈极显著地负相关。外源增加S1、S2的水分供应能够显著地提高种子和胚芽在低温下的存活率。上述结果表明，在种子出苗过程中，低温胁迫在抑制种子α-淀粉酶活性的同时，也抑制了胚根的生长发育，降低了根系向种子和胚芽运输水分的能力，导致种子中淀粉和胚芽中蔗糖的分解能力下降，胚芽葡萄糖供应不足，使得胚芽抗氧化代谢失衡、存活率降低，而外源增加水分供应可在一定程度上提高低温下胚芽的存活率。

同行专家评语

该文利用4个低温抗性不同的水稻品种为材料，分析了常温和低温条件下，种子和胚芽组织中的碳水化合物含量、含水量，种子的α-淀粉酶、胚芽蔗糖合酶和抗氧化酶活性，胚芽的过氧化氢与丙二醛含量随时间的变化，及其与胚芽存活率的相关性。文章方法正确，结果准确、可靠，为研究水稻低温胁迫下胚芽的成苗的生理机制奠定了良好的基础。

近年来，随着水稻直播技术的发展和推广，直播水稻的种植面积逐年增加[1-2]。与移栽水稻不同，水稻直播直接将催芽种子播于大田，种子出苗过程中极易遭受大田复杂环境条件影响，其中低温冷害是影响直播早稻芽谷出苗成活的重要障碍因子。低温下，芽谷的胚芽鞘变得畸形且向内卷曲，第一片叶抽出困难，芽谷出苗时间延长[3]、出苗成苗率降低。低温对幼苗的个体生长、群体建成以及最终产量形成均会造成严重的影响[4]，极大地限制了直播早稻的丰产和稳产[5]。

关于低温胁迫对水稻种子萌发与出苗过程的影响及其生理生态特点，前人已有研究报道。水稻种子能够发芽的最低温度是8~14℃ [6]，种子在萌发与出苗阶段，维持其胚芽生长发育所需的糖类物质几乎全部来自于种子胚乳中的淀粉水解[7]。种子中α-淀粉酶作为主要的淀粉水解酶，低温降低α-淀粉酶的活性[7]，减少了蔗糖等碳水化合物从种子(源)向胚芽(库)的转运；在胚芽中，从种子中运输来的蔗糖在转化酶、蔗糖合酶的作用下水解产生葡萄糖供胚芽组织利用，而在低温胁迫下，植物组织会提高蔗糖合酶的活性占比，以更为节能的方式对蔗糖进行水解供能[8-12]。因此有学者认为，种子贮藏淀粉水解所产生的糖类物质能够顺利转移到胚芽组织并被利用是种子萌发出苗的基础[13]。植物组织在低温等非生物胁迫下会产生大量的活性氧，其中，过氧化氢(hydrogen peroxide，H₂O₂)具强渗透能力，且能在细胞内长时间存在，过量的H₂O₂与细胞的膜结构发生反应产生丙二醛(malondialdehyde，MDA)，会影响细胞的代谢与膜的功能，对细胞造成不可逆的损伤[14]，严重时甚至导致植物组织死亡。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ROS [15-16]，维持植株体内活性氧的代谢平衡，以提高植株在逆境下的存活率。此外，低温还会导致水稻植株的水分代谢失衡。低温下细胞膜透性和原生质流动性的改变，引发植物组织产生渗透胁迫，虽然植物在低温胁迫下会通过增加一些渗透调节物质如可溶性糖[17-18]、可溶性蛋白[19-20]的含量来提高细胞液浓度、增加细胞的保水能力，防止组织失水过多而死亡。但这些渗透调节物质对植物组织在失水状态下的水分胁迫的缓解作用是有限的，水稻需要通过根系吸收并向上运输水分才能维持地上部组织在低温胁迫下的水分代谢平衡，然而低温下根系形态的改变[6]和根系活力的下降[21]，会降低根系对水分的吸收和运输能力，引起水稻幼苗地上部的水分代谢失衡[22]。

水稻种子的萌发出苗过程可分为吸胀、萌动、发芽以及幼苗的形态建成，前人从种子碳水化合物供应解析水稻芽期耐冷性时，多把胚和胚乳视为一个整体，以总糖的含量决定耐冷性强弱，却忽略了胚和胚乳间物质的供应和转运关系；从抗氧化系统、渗透调节等方面分析植株的抗寒机制时，研究对象多为3叶以上的水稻秧苗，却鲜少关注低温下幼苗的形态建成，迄今尚不能很好地解析水稻胚芽在低温胁迫下存活、出苗的生理机制。因此，本研究以4个耐冷性不同的水稻品种为材料，观察发芽种子在长期低温环境下出苗的过程；分析种子和胚芽的碳水化合物含量，α-淀粉酶、蔗糖合酶活性和胚芽抗氧化酶活性，H₂O₂和MDA含量，根系活力与形态，组织水分含量的变化，及低温与胚芽存活率的关系。研究结果对明确水稻直播在低温逆境下品种间出苗差异具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以前期筛选出耐冷性存在显著差异的4个供试品种为材料，分别为耐冷品种日本晴(T1，粳稻)、耘两优玖48 (T2，籼稻)和冷敏感品种中嘉8号(S1，粳稻)、中嘉早17 (S2，籼稻)。

1.2 试验方法

取上述4个品种的种子各50 g，用1%次氯酸钠溶液浸泡消毒10 min，30℃浸种48 h再湿催芽24 h，至种子芽长3~4 mm，进行低温(T)和室温(CK)处理，各选择96粒种子播于自制水培发芽盒上，加入去离子水，水面距离发芽板平面下方0.5 cm处，板孔内存在毛细作用，使水层接触胚根但不接触谷粒，每个处理均设置3次重复，将发芽盒置于LED人工气候箱(RND-600C，宁波杨辉仪器(浙江)有限公司)，CK进行昼、夜25℃恒温培养，T处理进行昼、夜14/8℃变温培养[6]，昼、夜光照度分别为200 mmol m⁻² s⁻¹和0 mmol m⁻² s⁻¹，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2 d (2 days after seeding, DAS 2)、4 d (DAS 4)、6 d (DAS 6)、8 d (DAS 8)、14 d (DAS 14)调查种子的存活率，定义低温处理一段时间后的种子，再移至CK环境中恢复4 d后，能够出苗的种子为存活种子，存活率(%)=(存活种子数/种子播种数)×100。取存活种子，用滤纸吸干表面水分后，在液氮冷冻条件下分为胚芽、胚根、种子三部分用于生理生化指标测定，3次重复。

1.3.2 碳水化合物及相关酶

采用蒽酮-硫酸比色法测定可溶性总糖和淀粉含量[23]；间苯二酚比色法测定蔗糖含量[23]；葡萄糖氧化酶法测定葡萄糖含量[23]；3,5-二硝基水杨酸法[7] 测定α-淀粉酶活性；SS活性试剂盒测定蔗糖合酶活性，试剂盒购于北京金智研生物科技有限公司。

1.3.3 过氧化氢、丙二醛及抗氧化酶

采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量[24]；氮蓝四唑光还原法测定SOD活性[25]；愈创木酚法测定POD活性[26]；紫外吸收法测定CAT活性[27]；四氯化钛法测定过氧化氢含量[28]；硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量[28]。

1.3.4 根系活力及根系形态

从发芽盒上随机选取15粒新鲜存活种子，洗净并用滤纸吸干表面水分，取完整的主根采用甲烯蓝吸收法[29]测定根系活力，根系形态指标通过根系扫描仪(Epson perfection V800, 爱普生(中国)有限公司)扫描后用WinRhizo PRO 2016根系分析软件(Regent Instruments)进行分析[30]。

1.3.5 含水量

采用烘干法测定组织的含水量，含水量(%) = (鲜重-干重)/鲜重 × 100。

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2021及SAS 9.4软件对本试验数据进行处理与统计分析，采用Duncan's法进行差异显著性检验(P < 0.05)。

2 结果与分析

2.1 低温下水稻胚芽存活率的品种间差异

本试验所用都是胚根已突破种皮的健壮发芽种子(芽谷)，如表1和图1所示，播种后8 d (DAS 8)，常温处理(CK)的芽谷已长至一叶一心期，存活率100%，而低温胁迫下芽谷生长缓慢，在表型上仍维持胚芽状态，其中耐冷品种T1、T2的胚芽存活率98%，冷敏感品种S1、S2的存活率分别为86%和80%；至DAS 14，T处理中T1、T2的第一片叶突破胚芽鞘，胚芽存活率分别为97%和96%，而S1、S2未见有叶片伸出胚芽鞘，胚芽存活率分别降至42%和35%。

图1 不同温度处理下胚芽表型变化及品种间差异

缩写同表1, CK: 对照处理, T: 低温处理, RD 2和RD 4分别表示低温处理后移至室温恢复2 d、4 d。

2.2 低温下水稻种芽非结构性碳水化合物含量与相关酶活的变化及品种间差异

2.2.1 种子中碳水化合物含量的变化及品种间差异

由图2可见，在DAS 2~DAS 8期间，CK中的4个水稻品种的种子淀粉含量不断降低，而可溶性糖含量不断增加；至DAS 8，T1、T2、S1、S2的种子淀粉含量分别降为DAS 2的53.1%、44.1%、58.7%、44.6%，可溶性糖含量分别升至DAS 2的2.7、4.5、2.5、2.5倍。低温显著降低了DAS 0~8期间4个品种种子的淀粉含量下降幅度与可溶性糖的增加幅度，低温处理中DAS 8的种子平均淀粉含量为CK的194.5%，而平均的可溶性糖含量仅为CK的36.2%；其中耐冷品种T1、T2的种子淀粉含量和可溶性糖含量在DAS 0~8期间的变化趋势同CK，种子淀粉含量在DAS 0~8期间不断降低，而可溶性糖含量持续增加；但冷敏感品种S1、S2的种子淀粉含量仅在DAS 0~4期间呈下降趋势，而在DAS 4~8期间的变化不明显，可溶性糖含量也只在DAS 0~4期间持续增加，而在DAS 4~8期间含量相对稳定。

进一步研究发现，低温显著降低种子中葡萄糖和蔗糖的含量，且低温下葡萄糖和蔗糖的含量均是耐冷品种高于冷敏感品种。由图2可知，耐冷品种T1、T2在DAS 8时的种子葡萄糖含量分别为CK的35.2%和45.2%，蔗糖含量分别为CK的62.0%和59.6%；而冷敏感品种S1、S2的种子中葡萄糖含量分别仅为CK的14.8%和24.5%，蔗糖含量仅为CK的44.0%和44.9%。不同于CK中的4个水稻品种的种子葡萄糖和蔗糖含量不断增加，低温下葡萄糖和蔗糖含量的变化幅度都较小，所有品种在DAS 6和DAS 8时种子葡萄糖含量相近；耐冷品种T1、T2的种子中蔗糖含量是DAS 8 > DAS 6，而冷敏感品种S1、S2则是DAS 6 > DAS 8。表明低温胁迫能够降低淀粉的水解效率和可溶性糖的供应能力，但对耐冷品种的抑制程度要小于敏感品种。

图2 不同温度处理下种子淀粉、可溶性总糖、葡萄糖和蔗糖含量的变化及品种间差异

FW: 样品鲜重。每行编号对应品种依次为T1、S1、T2、S2。不同小写字母表示同一处理的不同时间数据在0.05概率水平差异显著(Duncan’s法); *和**分别表示同一时间的处理间数据在0.05和0.01概率水平差异显著。

2.2.2 胚芽中碳水化合物含量的变化及品种间差异

由图3可见，CK中，4个水稻品种的胚芽中可溶性糖和葡萄糖含量在DAS 0~8期间均呈先增后降的趋势，最大值出现在DAS 4；而胚芽中蔗糖含量在DAS 0~8期间相对稳定。低温处理中，虽然胚芽可溶性糖含量、葡萄糖和蔗糖含量在DAS 0~8期间的变化存在品种间差异，但耐冷品种T1、T2的胚芽中可溶性糖和蔗糖的含量始终低于冷敏感品种S1、S2，而葡萄糖含量却始终高于冷敏感品种S1、S2。表明水稻品种胚芽的蔗糖利用能力也受低温影响，且对耐冷品种的抑制程度同样小于敏感品种。

图3 不同温度处理下胚芽可溶性总糖、蔗糖和葡萄糖含量的变化及品种间差异

2.2.3 低温下α-淀粉酶和蔗糖合酶活性的变化及品种间差异

由图4可见，低温对种子α-淀粉酶活性存在明显的抑制作用，且对冷敏感品种S1、S2的抑制程度明显高于耐冷品种T1、T2。在DAS 8时，低温下种子的α-淀粉酶活性耐冷品种T1、T2为CK的40.5%和33.3%，而冷敏感品种S1和S2仅为CK的17.5%和27.9%。虽然在CK和低温处理中，所有品种的种子α-淀粉酶活性都随时间不断增加，但增幅CK明显高于低温处理，CK在DAS 8种子的平均α-淀粉酶活性是DAS 2的2.1倍，而低温处理中DAS 8仅为DAS 2的1.5倍。

由图4同时可以看出，低温显著增强了胚芽的蔗糖合酶的活性，DAS 0~8期间所有品种的胚芽蔗糖合酶的活性均是低温处理明显高于CK；由于CK中所有品种胚芽蔗糖合酶活性都在不断降低，其DAS 8时的平均蔗糖合酶活性仅分别为DAS 2的29.8%，而低温下所有品种的胚芽蔗糖合酶活性相对稳定；T与CK的胚芽蔗糖合酶活性比值不断增加，从DAS 2时的2.21倍升至DAS 8时的7.81倍。表明低温对耐冷品种与冷敏感品种间种子淀粉和胚芽蔗糖利用能力造成的差异并不完全是由酶活性引起的。

图4 不同温度处理下种子α-淀粉酶和胚芽蔗糖合酶活性的变化及品种间差异

缩写同表1。不同小写字母表示同一处理的不同时间数据在0.05概率水平差异显著(Duncan’s法); *和**分别表示同一时间的处理间数据在0.05和0.01概率水平差异显著。

2.3 低温下水稻胚芽抗氧化代谢平衡的变化及品种间差异

由图5可见，CK中，4个水稻品种的胚芽中可溶性蛋白含量在DAS 2~DAS 4期间逐渐升高，DAS 4~8期间相对稳定；低温下耐冷品种T1、T2的胚芽可溶性蛋白在DAS 0~8期间变化不大，而冷敏感品种S1、S2的胚芽可溶性蛋白含量却不断升高，S2尤其明显，其低温下DAS 6和DAS 8的含量显著高于CK。

图5 不同温度处理下胚芽抗氧化代谢的变化及品种间差异

低温显著增加了4个品种胚芽的SOD和POD酶比蛋白活性，4个品种酶比蛋白活性的平均值在DAS 2时低温处理分别比CK高了41.2%和17.1%，在DAS 8时则分别比CK增加了78.8%和122.4%。在CK中，4个水稻品种的胚芽SOD和POD酶比蛋白活性呈不断下降趋势，而在低温胁迫下其酶比蛋白活性随时间的变化则存在明显的品种间差异，其中耐冷品种T1、T2的SOD和POD酶比蛋白活性相对稳定，随时间变化不大；而冷敏感品种S1的SOD以及S1和S2的POD酶比蛋白活性先升后降，最大值出现在DAS 4，S2的SOD酶比蛋白活性则不断下降。低温下，胚芽CAT酶比蛋白活性初期被抑制，DAS 2~4期间的平均胚芽CAT酶比蛋白活性低温处理比CK低43.9%，但DAS 4~8期间其活性相对稳定；因CK中CAT酶比蛋白活性的不断降低，DAS 8时的CAT酶比蛋白活性反而是低温处理比CK高43.0%。

4个水稻品种的胚芽中H₂O₂含量在CK中呈先升后降趋势，其最高值出现在DAS 4~6期间，而在低温处理中，胚芽H₂O₂含量在耐冷品种T1、T2中基本保持不变，在冷敏感品种S1、S2中则随低温处理时间的延长而逐渐增加；至DAS 8时，冷敏感品种的平均胚芽H₂O₂含量低温处理比CK增加29.3%。胚芽中MDA含量低温处理始终显著高于CK，且不同于CK中MDA含量的持续下降，低温下耐冷品种T1、T2的胚芽MDA含量基本保持不变，而冷敏感品种S1、S2则逐渐增加；耐冷和冷敏感品种的胚芽中平均MDA含量在DAS 2时分别为CK的1.53倍和1.73倍，在DAS 8时则分别升至CK的3.2倍和4.8倍。表明低温胁迫对冷敏感品种的氧化伤害程度远高于耐冷品种。

2.4 低温下水稻根系形态和活力的变化及品种间差异

由表2可见，CK中4个水稻品种的胚根持续生长，根长和根体积不断增大，根系活力不断增强；低温对胚根的生长发育有抑制作用，而且对冷敏感品种S1、S2的抑制程度要明显高于耐冷品种T1、T2。低温下，虽然耐冷品种T1和T2的根长、体积、吸收表面积、活跃吸收表面积都小于CK，但其值仍在不断增加，而敏感品种S1和S2的胚根在低温下生长停滞。低温处理中，DAS 8时耐冷品种的最长根长、体积、吸收表面积、活跃吸收表面积平均值分别是CK的41.2%、82.6%、66.9%和77.4%；而敏感品种仅为CK的13.2%、27.3%、14.6%和21.4%。低温抑制了根系的发育，进而降低根系对水分的吸收和转运能力，而对耐冷品种的抑制程度同样小于冷敏感品种。

2.5 低温下水稻胚芽、种子和根系含水量的变化及品种间差异

由图6可见，低温胁迫显著增加了4个品种的根系含水量，但对种子和胚芽含水量的影响却存在显著的品种间差异。低温处理的种子含水量显著低于CK，且不同于CK中种子含水量的持续升高，耐冷品种T1、T2的种子含水量在DAS 0~8期间相对稳定，而冷敏感材料S1、S2种子含水量不断降低，至DAS 8时，耐冷和敏感品种的平均种子含水量分别为CK的72.8%和52.9%。CK中4个品种的胚芽含水量都不断降低，而在低温胁迫下，仅冷敏感品种的胚芽含水量持续下降，耐冷品种的胚芽含水量在DAS 0~8期间相对稳定，且显著高于CK。表明低温胁迫下，耐冷品种能够维持组织水分含量稳定来保证代谢正常进行，而冷敏感品种的种子和胚芽出现了生理性干旱的现象，其代谢受缺水的影响而失衡。

图6 不同温度处理下胚芽、种子和根系含水量的变化及品种间差异

2.6 低温下胚芽存活率与生理生化指标间的相关性分析

对4个品种低温胁迫下胚芽的存活率与胚芽、种子和胚根的生理或形态指标进行相关性分析发现，低温胁迫下的水稻胚芽存活率与胚芽的含水量、CAT、葡萄糖，种子的含水量、葡萄糖、可溶性糖，胚根的长度、体积和根系活力都呈显著正相关；与胚芽的MDA、可溶性蛋白、蔗糖、可溶性总糖，种子的淀粉都呈显著负相关(图7)。

图7 低温胁迫下4份材料存活率与生理指标间的相关性

L: 根长, V: 根体积, TAA: 根吸收表面积, AAA: 根活跃吸收表面积, MC: 含水量, Sta: 淀粉, TSS: 可溶性总糖, Suc: 蔗糖, Glu: 葡萄糖, α-Amy: α-淀粉酶, SS: 蔗糖合酶, Pro: 可溶性蛋白质, SOD: 超氧化物歧化酶, POD: 过氧化物酶, CAT: 过氧化氢酶, H₂O₂: 过氧化氢, MDA: 丙二醛。*表示在0.05概率水平差异显著, **表示在0.01概率水平差异显著。

3 讨论

在水稻种子的萌发出苗阶段，其光合组织还未建立完全，因此胚芽所需的营养物质完全由种子提供，但种子中的物质仅能够在短时间内支持胚芽的生长，一般为10 d左右[31]，本试验的对照组表型结果也证明，用去离子水对种子进行培养时，4份材料仅依赖种子的营养物质生长到8~10 d时，幼苗叶尖出现了不同程度的枯死症状，因此本试验重点研究分析发芽种子形态建成8 d内的生理指标。

3.1 胚芽葡萄糖供应与存活的关系

前人认为，水稻种子中的淀粉转化成葡萄糖并向胚芽组织转移的这个过程是种子萌发出苗的基础[13]，在这个过程中，胚乳(种子)作为源组织、胚芽作为库器官，二者之间的“流”则由蔗糖承担[32]。葡萄糖是维持组织代谢活动的能源物质，是一切代谢活动的基础，尤其是在非生物胁迫下。本试验结果表明，4个品种胚芽中SOD和POD酶比蛋白活性均显著增强，低温下的平均胚芽SOD和POD酶比蛋白活性在DAS 2时分别比CK增加41.2%和17.1%，在DAS 8时分别增加78.8%和122.4%，而胚芽组织中H2O2含量平均比CK增加了29.3%，MDA含量却是CK的4倍，表明低温下胚芽组织受到严重的氧化损伤，需要消耗大量碳水化合物用于增强抗氧化系统来维持代谢平衡。研究结果同时表明，低温胁迫下，水稻胚芽的存活率与葡萄糖的供应呈显著正相关。在耐冷材料T1、T2中，种子内的淀粉能够持续水解，葡萄糖、蔗糖持续增加，而冷敏感材料S1、S2在DAS 4~8期间种子的淀粉含量几乎不变，其种子中葡萄糖、蔗糖的含量远低于耐冷材料T1、T2，导致运输至胚芽的可溶性糖含量也低于耐冷材料T1、T2，葡萄糖供应不足，使得冷敏感材料S1、S2抗氧化酶比蛋白活性出现不同程度的降低，活性氧的清除代谢平衡被打破，H2O2、MDA含量不断增加，S1、S2的存活率在DAS 14仅剩40%左右，而耐冷材料T1、T2的葡萄糖含量始终维持在一个较高水平，抗氧化酶活性和H2O2、MDA含量都相对稳定，DAS 14的存活率仍在95%以上。

葡萄糖的供应过程即是淀粉水解成葡萄糖，并由胚乳运输至胚芽的过程，涉及到淀粉、葡萄糖和蔗糖的相互转化，在这个过程中α-淀粉酶和蔗糖合酶分别通过水解淀粉和蔗糖来实现对葡萄糖的供应 [33]。本试验中，低温虽然显著抑制了4个品种的种子α-淀粉酶活性，而且对冷敏感品种S1、S2的抑制程度要高于耐冷品种T1、T2，但研究同时发现冷敏感材料S1、S2的α-淀粉酶活性在DAS 4~8期间并没有下降，且胚芽蔗糖含量和蔗糖合酶的活性都显著高于耐冷品种T1、T2，因此低温处理下冷敏感品种S1和S2的胚芽中葡萄糖含量的减少似乎并不是完全由于种子α-淀粉酶活性被低温抑制。

3.2 种子和胚芽的水分供应与胚芽存活的关系

由于低温下冷敏感品种S1和S2种子和胚芽的含水量显著低于耐冷品种T1、T2，而淀粉和蔗糖转化成葡萄糖是其分别在α-淀粉酶和蔗糖合酶作用下发生的水解过程[7,10-11]，水分也是参与糖代谢过程的重要底物，推测胚芽中葡萄糖供应不足极有可能与种子和胚芽中水分供应不足有关。为了明确水分对胚芽存活的影响开展了补充试验(II)，通过增加发芽盒内水层高度，使发芽盒内去离子水的水平面与发芽板平面一致，种子和胚根的交界处与水层接触，使水稻种芽不仅可以通过根系吸水，还能够通过种子的渗透作用吸水。结果如附图1所示，耐冷品种T1和T2的根系、种子和胚芽在DAS 2和DAS 8的含水量与原试验(Ⅰ)无显著差异，而冷敏感品种S1的种子和胚芽含水量由Ⅰ中的29.3%和77.9%增加至38.9%和87.2%，S2由26.4%和72.7%增加至39.1%和88.0%；而冷敏感品种S1、S2在DAS 8的存活率由86%、80%提升至98%、94%，存活率在DAS 14由42%、35%提升至95%、90% (附图1-微信略)。相关性分析表明，胚芽存活率与种子和胚芽的含水量、葡萄糖含量呈极显著正相关，而与种子中淀粉、胚芽中蔗糖含量呈显著负相关，说明低温下冷敏感品种胚芽的死亡与碳水化合物无法被水解利用有关，此研究结果与郁平慧[34]一致。对根系形态与活力进行研究表明，低温抑制了水稻种子根的生长，降低了根系活力。耐冷品种T1、T2的根长和根系活跃吸收面积在DAS 8下降至CK的41%和77.4%，而冷敏感品种S1、S2的下降至CK的13.2%和21.4%，使得根系吸收和运输水分的能力降低，S1、S2在低温下DAS 8时，根系始终浸在水中，其含水量保持不变，但种子和胚芽的含水量分别下降至CK的72.3%~80.1%和83.1%~89.7%，水分的减少引起糖代谢和抗氧化代谢失衡，导致种子胚芽死亡。

前期试验中发现，低温胁迫时仅在水稻幼苗的叶片上喷洒水雾，能在一定程度上减轻冷敏感材料叶片所受到的低温损伤[35]。在前人的研究中也有类似结果，王文霞等[36]在低温胁迫下对水稻幼苗进行部分淹水试验，发现浅层的淹水可以促进幼苗的生长，降低H2O2和MDA的含量，减轻低温对幼苗的损伤；黄奇娜等[22]的试验结果表明，低温抑制幼苗的根系活力，影响根系对水分的吸收和运输能力，是导致低温胁迫后幼苗恢复缓慢的主要原因，而在恢复阶段增加空气的相对湿度能显著提高材料的存活率。综上，低温对萌发种子的影响主要是通过抑制根系对水分的向上运输，使得种子和胚芽组织水分缺乏导致代谢失衡，而增加地上部组织的水分供应是提高种子在低温下存活率的重要措施。

4 结论

在种子出苗过程中，低温胁迫一方面抑制种子α-淀粉酶的活性，降低淀粉的水解速率，减少胚芽葡萄糖供应，延长出苗时间；另一方面影响胚根向种子根的发育进程，降低根系向种子和胚芽运输水分的能力，导致种子和胚芽水分供应不足，影响种子中淀粉和胚芽中蔗糖的水解，导致胚芽葡萄糖供应不足，抗氧化酶活性下降，H₂O₂和MDA积累对组织造成不可逆的损伤，最终胚芽死亡。低温胁迫下，外源增加种子和胚芽水分的供应可显著提高胚芽存活率。

本研究由浙江省“尖兵”研发攻关计划课题(2023C02002-3-2)，财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系建设专项(水稻, CARS-01-31)和中国农业科学院科技创新工程(ASTIP)基金项目资助。

^*通信作者: 王丹英, E-mail: wangdanying@caas.cn

第一作者联系方式: E-mail: 981958946@qq.com

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期刊简介

《作物学报》是中国科学技术协会主管、中国作物学会和中国农业科学院作物科学研究所共同主办、科学出版社出版的有关作物科学的学术期刊。前身可追溯到1919年创办的《中华农学会丛刊》。主要刊载农作物遗传育种、耕作栽培、生理生化、种质资源以及与作物生产有关的生物技术、生物数学等学科具基础理论或实践应用性的原始研究论文、专题评述和研究简报等。《作物学报》从2001年起连续23年被中国科技信息研究所授予“百种中国杰出学术期刊”称号。2013年和2015年被国家新闻出版广电总局评为“百强科技期刊”,2011年和2018年获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。据北京大学图书馆编著的《中文核心期刊要目总览》登载,《作物学报》被列在“农学、农作物类核心期刊表”的首位。2019-2023年获中国科技期刊卓越行动计划梯队项目资助。2020年入选农林领域中国高质量科技期刊分级目录T1类。

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