水培水稻根系特征及其与稻米品质的关系

水培水稻根系特征及其与稻米品质的关系

根系与土壤接触，吸收水分和养分，同时向根周围释放各种化合物，导致根间效应，调节或影响植物生长发育。根系分泌物一般由激素、酶、有机酸、氨基酸、糖及各种离子组成。根系向外界环境释放的有机碳量占植物固定总碳量的1%～40%。其中4%～7%通过分泌作用进入土壤。它的合成、释放、在根际的消长动态及其对植物养分吸收、生长发育、土壤环境的影响等都具有重要的理论研究价值和实践意义。多年来,国内外对于影响根系分泌物的环境因素做了大量研究,明确了光照、温度、营养状况及微生物对根系分泌物的影响,但有关结实期水稻根系分泌物的变化及其与稻米品质的关系,未见报道。稻米品质是一个综合性状,涉及碾米、外观、蒸煮食味和营养品质等方面的多项指标。稻米品质主要从蒸煮食味品质(直链淀粉含量、糊化温度、胶稠度和黏滞性等)和外观品质(垩白度和透明度等)进行评价。国内外对稻米品质形成的遗传效应和环境效应进行了研究,初步阐明了稻米品质的遗传表达方式和品质性状的质量—数量遗传模型;基本明确了结实期日均温度是影响稻米品质的最重要气候生态因子,日辐射量和肥水管理对米质均有较大影响。近年来,我们观察到根系化学信号(激素、有机酸等)与稻米的外观和蒸煮食味品质均有密切联系。但有关矿质营养对根系分泌物产生的影响及其与稻米品质的关系未作深入研究。本试验以江苏省大面积推广的两个籼、粳水稻品种为材料,观察了结实期氮素和磷素营养对水稻根系分泌物和稻米品质的调控作用,以进一步明确根系分泌物和稻米品质之间的关系,为水稻的优质高产育种与栽培提供依据。1材料和方法1.1供试水稻品种试验于2005—2006年在扬州大学江苏省高校作物遗传生理国家重点实验室培育基地进行。供试品种为扬稻6号(籼稻)和扬粳9538(粳稻)。5月10日播种,6月4日移栽于水培池。1.2不同品种5.2日生小球水培液按国际水稻研究所标准Espino营养液配方,试验在水泥池中进行,移栽时用海绵固定。自始穗至成熟,设5个处理:(A)全NP(标准的Espino营养液配方中的N、P用量,CK);(B)1/2N(标准营养液配方中1/2的N用量);(C)0N(营养液中不加N);(D)1/2P(标准营养液配方中1/2的P用量);(E)0P(营养液中不加P)。株、行距为15cm×18cm,每穴2苗,每个品种在一个水培池的种植面积为4m2(148穴),重复2次。每天用1molL-1的H2SO4或NaOH调节水培液pH至5.0,每周更换营养液一次。1.3采样和测试1.3.1有机酸浓度的测定分别于抽穗后的10、20和30d,各材料取5穴,用自来水和蒸馏水洗净后,置装有去离子水的烧杯(800mL)中并封上烧杯口,每杯放1穴。在光下(光强为700～800μmolm-2s-1,冠层温度28～30℃)培养4h,收集烧杯中的溶液,用离子色谱分析仪(DIONEXDX-500,IonChromatographySystem,USA)测定溶液中有机酸浓度。标准有机酸(草酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、柠檬酸)购自Sigma公司。1.3.2离子色谱法测定[k+]、[ca2+]、[nh+]、[3.3-3.3-3.3-3,3-3-3.3-3.3-3.3-3.3]是测定要有效的[nh+[3.2+[3.3]是测定要有效的[3.2]是联邦政府k+、[3.2.3.3.3.3.3.3.3.3.3-3.3-3.3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-3-用原子吸收色谱仪测定(VaricaSpectrAA-20AtomicAbsorptionSpectrometer,SouthEastChemicals&InstrumentsLtd.)[K+]、[Ca2+]和[Na+],用离子色谱仪测定(DIONEXDX-500IonChromatographySystem,USA)[NH+4]、[NO-3]和[PO3−443-]。1.3.3衍生剂的测定根系分泌物中氨基酸组分经衍生后用高效液相色谱法(HPLC)测定其浓度。吸取10μL根系分泌物提取液注入衍生小管中,加AccQ·Fluor缓冲液70μL,边混合边加入衍生剂(购自Waters,美国)20μL,于55℃烘箱内保温10min,转入微量进样小瓶中,于HPLC(Waters2695,美国)检测。色谱条件为2695分离单元,2487紫外监测器,Empower色谱管理系统:反相AccQ·Tag分析柱(3.9mm×150mm);流动相A为140mmolL-1乙酸钠-17mmolL-1三乙胺(pH4.95,磷酸调节),B为乙腈(色谱纯),C为超纯水。流速为1.0mLmin-1,柱温37℃,紫外检测波长248nm,进样量10μL。1.3.4raci特性测定成熟期收获稻谷。风干稻谷置室温下3个月后进行加工,用于测定稻米品质。垩白粒率、垩白大小、垩白度、直链淀粉含量和胶稠度按照中华人民共和国国家标准《GB/T17891-1999优质稻谷》测定。用凯氏定氮法测定精米中的含氮量,乘以换算系数5.95。采用澳大利亚NewportScientific仪器公司的Super3型RVA(RapidViscosityAnalyzer)快速测定淀粉谱黏滞特性,用TWC(thermalcycleforwindows)配套软件分析。按照AACC(美国谷物化学家协会)规程(1995-61-02)和RACI标准方法,当米粉含水量为12%时,样品量为3.0000g,蒸馏水为25.0000g。稻米RVA谱特性用最高黏度(peakviscosity)、热浆黏度(hotviscosity)、最终黏度(finalviscosity)、崩解值(breakdown,最高黏度与热浆黏度之差)、消减值(最终黏度与最高黏度之差)等特征值表示,单位为cP(centiPoise)。1.3.5蛋白和谷蛋白的提取参照陈毓荃方法提取与测定精米中蛋白组分(球蛋白、醇溶蛋白、清蛋白和谷蛋白),用水、10%NaCl、75%乙醇、0.2%NaOH溶液作溶剂,分别提取清蛋白、球蛋白、醇蛋白和谷蛋白4种不同组分,加浓硫酸、H2O2作催化剂,消煮,并用陈因方法测定各组分含量。1.3.6氨基酸水解液的制备准确称取试样0.1000g于10mL安碚瓶中,准确加入6molL-1盐酸5mL,将安碚瓶封口,并用胶布包好(防止恒温消化时安碚瓶破裂),置110℃恒温干燥箱消化24h。然后,取出安碚瓶冷却至室温,打开安碚瓶,过滤消化液。最后吸取2mL过滤液到试管中,在冷冻干燥机上进行减压蒸发以去除HCl,残留物用2mL超纯水溶解,稀释液通过0.45μm孔径的滤膜后,即得籽粒氨基酸水解液。取10μL水解液于衍生小管中,经衍生后用HPLC测定稻米氨基酸含量,方法同根系分泌物中氨基酸浓度的测定。因2年的结果趋势一致,文中数据用2年的平均数表示。2结果与分析2.1氮和磷营养液的浓度对水稻品质的影响2.1.1低氮营养条件对水稻品质的影响结实期不同营养条件下稻米外观品质间的差异十分明显,且在品种间有差异(表1)。与对照(标准Espino营养液)相比,在低氮营养(0N和1/2N)条件下,扬稻6号的垩白大小和垩白度显著增加,而扬粳9538的垩白大小和垩白度在缺氮条件下明显的降低。在缺磷(0P)和低磷(1/2P)条件下,两品种的垩白米率和垩白度均显著下降,稻米外观品质有所改善。说明结实期氮素和磷素水平对稻米的外观品质有调节作用,但其调节作用因品种而异。2.1.2氮、磷素对稻米营养品质的影响结实期氮素和磷素营养水平对两个供试品种蒸煮食味与营养品质的影响比较一致(表2)。在缺氮(0N)或缺磷(0P)条件下,两供试品种的蛋白质和氨基酸含量均显著降低,但对胶稠度则无明显影响。在低氮(1/2N)条件下,稻米的直链淀粉含量增加,而在低磷(1/2P)条件下稻米的直链淀粉含量则降低(表2)。结实期氮素和磷素营养水平不仅影响稻米蛋白质含量,而且影响蛋白质组分。由表2可知,缺氮或低氮处理后,籽粒中各种蛋白质含量均显著减少,其减少的比例也大致相同,但扬粳9538下降的幅度要大于扬稻6号;缺磷处理后,清蛋白和谷蛋白含量明显降低,球蛋白和醇溶蛋白的含量无明显变化(表2)。以往研究表明,稻米的谷蛋白和清蛋白中含有较多的赖氨酸、精氨酸、甘氨酸等必需氨基酸,营养价值高,且易消化,是优质蛋白;而醇溶蛋白中甘氨酸等含量较低,与食味呈显著负相关,被认为是较劣质的蛋白。在缺氮特别是缺磷条件下稻米的谷蛋白和清蛋白含量减少,说明结实期缺氮特别是缺磷会降低稻米的营养品质。结实期不同的氮素和磷素水平对水稻的生长及产量也会产生较大影响。由表3可知,在缺氮(0N)或缺磷(0P)条件下,两品种的结实率、千粒重,成熟期的根干重、干物质的积累量以及产量均较对照显著降低(表3)。因氮、磷处理从抽穗才开始,故各处理的单位面积穗数和每穗粒数无显著差异。在缺氮或缺磷条件下产量的下降主要是由于结实率和粒重的降低,这可能与根重和干物质重减少有关。2.1.3rva谱特征与其他指标的关系由图1与表4可以看出,结实期氮素和磷素营养对稻米淀粉黏滞谱(RVA)特征值有明显的影响。与对照相比,缺氮和低氮处理显著提高了RVA谱的崩解值,降低了消解值。而缺磷和低磷处理则显著降低了崩解值,提高了消解值。淀粉RVA谱特征是反映稻米食味性的重要指标,它与直链淀粉与支链淀粉的比例有关。一般而言,淀粉的最高黏度和淀粉粒的崩解值大,消减值小,稻米的食味性较好。表明适当降低结实期氮素的施用量或增加磷素的施用量有利于改善稻米的食味品质。2.2氮和磷营养液的浓度对根系活性和根系分泌物的影响具有影响2.2.1氮素营养对根系活力的影响随着营养液中氮水平的下降,两供试品种根系活力(氧化力)明显下降(图2)。结实期磷素营养对根系活力的影响相对较小,只有在缺磷(0P)条件下根系活力才显著下降。说明结实期缺氮加速了根系的衰老,而缺磷对根系活力的影响相对较小。2.2.2不同营养水平对凝结期间根系氨基酸的影响由表5可知,随着生育进程,根系分泌的各种有机酸显著降低。在结实前中期(花后10d和20d),不同营养水平下根系分泌的有机酸总量和组分均有较大的变化。在缺氮条件下,根系分泌的有机酸总量显著降低,降低的原因主要是酒石酸、乙酸、马来酸和琥珀酸含量的显著减少。在缺磷条件下,根系分泌的有机酸总量则有明显增加,增加的原因主要是草酸、酒石酸和柠檬酸的含量显著提高;而在结实的后期(花后30d),不同营养水平下根系分泌的有机酸总量及各组分的差异较小。说明结实期不同营养条件对根系有机酸的分泌有较大影响,缺氮抑制了有机酸的分泌,而缺磷则促进了有机酸的分泌,并且表现出一定的时期效应。与根系有机酸浓度变化趋势一致,与对照相比,结实前中期(花后10d和20d)不同营养水平下根系分泌的氨基酸含量变化较大,缺氮明显抑制了根系氨基酸的分泌,缺磷则显著促进了根系氨基酸的分泌(图3)。在结实后期(花后30d)根系分泌的氨基酸较少,且在不同营养水平下没有显著差异。2.2.3不同氮营养条件对根系氧化物浓度的影响图4显示了不同氮和磷水平下结实期根系分泌物中的[Ca2+]、[K+]和[Na+]。可以看出,随着灌浆进程,根系分泌的[Ca2+]有所增加,而[K+]和[Na+]则变化较小。此外,结实期氮素营养对根系金属离子分泌的影响也较小,但在缺磷或低磷素条件下,根系分泌的几种金属离子均较对照有显著的增加,两个供试品种的表现趋势一致。结实期根系分泌的[NH+4]和[PO3−443-]随着生育进程显著降低,而[NO-3]的变化较小(图5)。各时期氮营养对根系分泌物中NO-3、NH+4、PO3−443-3种离子浓度的影响,因氮营养的浓度不同而异。在低氮水平下,NO-3、NH+4、PO3−443-离子浓度较对照没有显著差异,但在缺氮情况下,这3种离子浓度显著降低,其中[NH+4]下降最多。在缺磷条件下,[NO-3]与对照相比没有明显变化,[NH+4]则有显著增加,[PO3−443-]则显著降低。说明结实期缺氮降低了根系分泌离子的能力,而低磷或缺磷对根系分泌离子的能力没有显著影响,但改变了根系分泌物中各种离子的浓度。2.3生产产物的理化性质与淀粉谱的消减值的相关性表1根系分泌物中的有机酸浓度和离子浓度与籽粒中有机酸浓度和离子浓度变化趋势一致(数据略)。比较分析根系分泌的各种有机酸及氨基酸浓度与稻米品质的关系,发现结实前中期(花后10d和20d)根系分泌物的有机酸及氨基酸浓度与籽粒垩白度、直链淀粉含量、崩解值和消减值的关系最为密切。相关分析表明(表6),结实前中期根系分泌物的氨基酸浓度与籽粒垩白度、直链淀粉含量及崩解值呈显著或极显著负相关(r=-0.70*～-0.95**),与消减值呈极显著正相关(r=0.75**～0.76**);结实前中期根系分泌的酒石酸、柠檬酸和氨基酸与籽粒垩白度、直链淀粉、崩解值呈显著或极显著负相关(r=-0.69*～-0.96**),与淀粉谱的消减值呈显著或极显著正相关(r=0.72*～0.93**);根系分泌的苹果酸与籽粒垩白度、直链淀粉、崩解值呈极显著正相关(r=0.65*～0.94**),与淀粉谱的消减值呈极显著负相关(r=-0.77**～-0.84**)。根系分泌的有机酸浓度与其他稻米品质指标的相关均不显著。相关分析还表明(表7),结实前期(花后10d)根系分泌的[Ca2+]与稻米的垩白度和直链淀粉含量呈极显著负相关(r=-0.81**～-0.88**);根系分泌的[K+]与稻米的垩白度和直链淀粉含量呈极显著负相关(r=-0.81**～-0.89**);[Na+]与球蛋白含量呈显著正相关(r=0.65*～0.66*);根系分泌的[NO-3]与稻米的直链淀粉含量呈显著或极显著的负相关(r=-0.64*～-0.75**),与谷蛋白含量呈显著正相关(r=0.63*～0.68*);根系分泌的[NH+4]与稻米直链淀粉含量呈显著或极显著负相关(r=-0.73*～-0.76**),与球蛋白和醇溶蛋白含量呈显著或极显著的正相关(r=0.66*～0.83**);根系分泌的[PO3−443-]与稻米的清蛋白呈显著正相关(r=0.70*～0.76**)(表7)。根系分泌的各离子浓度与其他稻米品质指标的相关均不显著。3低磷胁迫对根系也有影响关于不同矿质营养对根系分泌物的研究,目前集中在苗期,而对于结实期矿质营养对根系分泌物及稻米品质的影响研究甚少。本研究表明,结实期不同的氮素和磷素营养水平对于根系分泌物的含量和组成均有较大的影响。结实期低氮或缺氮使根系衰老加快,根系分泌能力明显降低,根系分泌的各种有机酸、氨基酸、离子均有不同程度的减少;而在低磷或缺磷条件下,根系活力没有明显的下降,根系分泌能力增强。前人研究认为,根系分泌物的组成变化反映了植物的新陈代谢和生长发育状况,虽然有关结实期低氮或缺氮对水稻根系分泌物的影响未见报道,但结实期供氮不足会使叶片的叶绿素含量下降、光合速率降低、根系活力下降,从而促进植株的衰老。由此推测,在缺氮或低氮条件下根系分泌能力下降可能与缺氮或低氮促进植株衰老有关。有研究报道,苗期低磷胁迫会促进根系分泌更多的有机酸和酸性氨基酸,降低根际的pH值,从而促进对根际难溶性磷的活化。本研究也得到类似的结果。这可能与植物对低磷胁迫响应的适应性有关。我们还观察到,在缺磷或低磷条件下叶片的光合速率显著降低,生物产量和籽粒产量显著下降。分析其原因,可能是低磷胁迫改变了植株光合产物的分配,优先转移到根部,从而促进了根系的分泌。有关低磷胁迫促进根系分泌的机理有待深入研究。本研究表明,根系分泌的有机酸、氨基酸及各种离子与稻米的外观品质、蒸煮食味品质,淀粉谱特性及蛋白质组分都呈显著或极显著相关。表明结实期水稻的根系分泌物与稻米品质有密切的关系,通过调节结实期的营养供应状况,可以改变根系分泌物的含量和组成,进而调控稻米品质的形成。以往的研究表明,根系分泌的有机酸、氨基酸和离子等各种化学讯号可以通过改变根际物理、化学及其生物学性质,提高根际土壤养分的生物有效性、促进作物的生长。但有关根系分泌物对稻米品质的作用机理,目前尚不清楚。杨建昌等报道,根系