臭氧胁迫对不同敏感型水稻生长和产量形成的影响

删除或更新信息，请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

邵在胜, 沈士博, 贾一磊, 穆海蓉, 王云霞, 杨连新, 王余龙. 臭氧胁迫对不同敏感型水稻生长和产量形成的影响[J]. , 2016, 49(17): 3319-3331 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.17.007
SHAO Zai-sheng, SHEN Shi-bo, JIA Yi-lei, MU Hai-rong, WANG Yun-xia, YANG Lian-xin, WANG Yu-long. Impact of Ozone Stress on Growth and Yield Formation of Rice Genotypes with Different Ozone Sensitivity[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2016, 49(17): 3319-3331 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2016.17.007

0 引言

【研究意义】臭氧（O₃）是一种强氧化剂,可以对植物产生氧化伤害。近地层臭氧是目前最主要的大气污染物,对大多数植物和农业生产都有明显的负作用^[1]。近年来,随着中国工业的快速发展和人类活动的加强,低层大气中的氮氧化物（NO_X）和有机挥发物（VOC_S）等臭氧前体物排放量的剧增,导致中国大部分地区大气背景中臭氧浓度已达50—60 nL·L^{-1 [2-3]},已经超过敏感作物臭氧伤害阀值AOT40（accumulated dose over the threshold values of 40 nL·L^-1）的25%以上^[4],且还在以每年0.5%—2%的速度增加^[5]。整合分析已经表明^[6],与干净空气相比,40 nL·L^-1的臭氧浓度使主要粮食作物（水稻、小麦、大豆等）减产10%左右,且未来这种负影响将更大^[7]。长江三角洲地区是中国重要的粮食生产区,早在21世纪初报道因臭氧胁迫导致该地区每年农业产值损失达14.8亿元^[8],臭氧污染已成为当地较为突出的生态环境问题^[9]。水稻是长江三角洲地区夏季主要的种植作物,其生长发育季节与臭氧浓度高峰期同步,特别是7—9月水稻生殖生长的关键时期正是高浓度臭氧污染频现期^[10],预测2020年水稻因臭氧减产可高达9.2%^[11]。因此,筛选和推广抗性水稻品种,降低臭氧污染的农业损失,对保障中国粮食安全具有重要意义。【前人研究进展】目前,臭氧熏蒸平台主要包括封闭式气室^[12]、开顶室气室（open top chambers,OTCs）^[13]和大田开放式气体浓度增高平台（free air gas concentration enrichment,FACE）^[14]。FACE系统提供了更接近自然环境和更具大小区面积的试验空间^[15],但控制精度和试验成本不如封闭和半封闭气室。利用这些熏蒸平台,前人已对臭氧胁迫下水稻生长发育和产量形成的影响已有很多报道^[16-18]。ARIYAPHANPHITAK等^[12]对4个泰国水稻品种的封闭式气室研究发现,臭氧胁迫对水稻生长的影响因品种、生育期和生长参数而异,但该文没有报道最终产量、穗数和每穗粒数的结果。SAWADA等^[19]OTC试验表明,与过滤空气相比,两倍于环境空气的臭氧浓度使水稻kirara397和Takanari籽粒产量和结实能力显著下降,但Koshihikari没有变化,这种基因型差异在穗数、总粒数、株高、总生物量以及叶片SPAD值上表现不尽相同。AINSWORTH^[18]对气室研究的整合分析发现,62 nL·L^-1臭氧浓度使水稻产量平均下降14%左右（n=18）,这主要与总粒数和单粒重显著下降有关,但总穗数无显著变化。近期FACE研究发现,开放稻田条件下臭氧胁迫对杂交稻株高、生物量和籽粒产量的影响大于常规水稻,表现出明显的基因型差异^[20-22],但栽培措施（如密度）对臭氧伤害的调节效应相对较小^[23-24]。【本研究切入点】臭氧胁迫对水稻生长和产量的影响存在基因型差异,但已有研究一般只局限于少数几个供试品种。另一方面,臭氧胁迫下水稻哪些表型变化（如株高、分蘖和产量性状）适宜指示水稻对臭氧胁迫的敏感性?其生理原因是什么?仍鲜见报道^[25]。【拟解决的关键问题】本试验依托比较接近自然稻田环境的自然光气体熏蒸平台^[26],采用的23个供试材料亲本为野生稻抗臭氧品种Kasalath和对臭氧较敏感水稻品种Nipponbare,通过杂交自交得到一系列具有相似遗传背景但对臭氧耐性不同的株系。本研究根据供试材料地上部最终生物量对臭氧胁迫的响应分为不同敏感类型,分析不同类型水稻生长动态和产量性状响应的相同点和不同点,旨在通过水稻的表观性状特征,为地表臭氧浓度升高情形下中国水稻耐性品种的选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地背景和试验平台控制

试验于2013年在扬州大学农学院（119.42°E,32.39°N）自然光气体熏蒸平台上进行。土壤类型为砂姜土,所在地年均降水量为1 000 mm左右,年均蒸发量在940 mm左右,年平均温度15℃,年日照时间大于2 100 h,年平均无霜期220 d。土壤理化性质为有机质24.3 g·kg^-1,全氮1.5 g·kg^-1,碱解氮126.1 mg·kg^-1,全磷0.66 g·kg^-1,速效磷13.4 mg·kg^-1,速效钾35.2 mg·kg^-1,电导率为0.17 ms·cm^-1,pH7.1,土壤中砂粒（0.02—2 mm）占57.9%,粉砂粒（0.02—0.002 mm）占28.4%,黏粒（<0.002 mm）占13.7%。
实验平台的结构详见文献^[26],简要说明如下：该平台为封闭式气室,采用分布式拓扑结构,通过实时监测由平台附属气象站观测采集到的温度变化,利用温度调控系统实现对外界环境的动态模拟,使气室内的温度与室外的差异维持在最小水平。臭氧是以纯氧为气源,由佳环臭氧发生器（QD-001-3A）产生,通过Model 49i臭氧分析仪对O₃浓度进行即时监测（每分钟采集一次）。本试验共设置2个处理,即对照（CK）和高浓度臭氧（100 nL·L^-1）处理,每处理2个气室,每个气室面积为9 m²,气室中间为过道以便于相关测定,两侧为气体流通的进风口和出风口。本试验在水稻返青后即6月14日开始进行熏气处理,9月10日停止熏气,共90 d。平台运行期间,因设备故障、雷雨天气以及臭氧分析仪校准等原因暂停布气外（6月17日、7月10日、7月17—18日和7月20—21日,共6 d）,其余时间系统运行正常。臭氧熏气时间设定为每天上午9：00至下午5：00结束。相对湿度在7月22日之前设定为78%,后根据室外平均湿度改为65%,9月3日至9月10日又调整为50%。温度、光照和大气压力动态模拟外界环境,控制情况详见图1和表1。运行数据表明,尽管光照强度控制精度稍低,但其他因子如臭氧和温度的控制与目标值接近,满足了试验的要求。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图12013年水稻生长季自然光气体熏蒸平台的臭氧浓度（9:00—17:00）Ambient：室外环境;C-O₃：室内对照;E-O₃：高臭氧浓度。下同
-->Fig. 1The Ozone concentration of greenhouse-type gas fumigation platform in 2013 rice growing seasonAmbient: Outdoor environmemt; C-O₃: Control; E-O₃: Elevated ozone concentration. The same as below
-->

Table 1
表1
表12013年自然光气体熏蒸平台控制状态（9：00—17：00）
Table 1The performance of greenhouse-type gas fumigation platforms in 2013

处理 Treatment	臭氧浓度（TAR值） Ozone conc. (nL·L^-1) (TAR value)	AOT40 (μL·L^-1 h)	温度 Temperature (℃)	湿度 Relative humidity (%)	光照 Illumination (klx)	大气压力 Atmosphere pressure (kPa)
Ambient	67.7	19.8	32.1	65.9	28.0	99.5
C-O₃	10.4	0.0	32.2（0.99）	69.0（0.98）	26.8（1.62）	99.4（1.01）
E-O₃	100.1（1.00）	34.5	32.2（1.00）	69.3（1.01）	29.0（1.56）	99.3（1.00）

TAR (Target Achievement Ratio)：实际测定值/设定目标值;AOT40：小时臭氧浓度高于40 nL·L^-1的累积和;Ambient：室外环境;C-O₃：室内对照;E-O₃：高臭氧浓度。下同TAR: The ratio of the actual measured value to the target value; AOT40: Accumulated dose over the threshold values of 40 nL·L^-1per hour; Ambient: Outdoor environmemt; C-O₃: Control; E-O₃: Elevated ozone concentration. The same as below

新窗口打开

1.2 材料培育

以23个水稻品种或株系为供试材料,分别为L2、L9、L12、L17、L26、L35、L36、L48、L54、L56、L71、L81、L82、L92、L95、L105、L147、L152、L154、L156、Nipponbare、SL41和SL46,其中,SL41和SL46为Nipponbare和野生稻品种Kasalath杂交得到的2个株系,其余均为SL41和SL46杂交再自交得到的株系^[27]。大田旱育秧,5月14日播种,6月5日移栽,9月10日开始收获。密度为27 株/m²,每室3个重复。全生育总施氮量为15 g·m^-2,其中6月4日施基肥（占总施氮量的60%）,7月20日施穗肥（占总施氮量的40%）;磷、钾肥总施用量均为7 g·m^-2,均作为基肥一次性施用。氮、磷和钾肥分别使用尿素（有效成份）、过磷酸钙（有效成份27.5%）和氯化钾（有效成份60%）。水分管理为6月5日—7月15日保持水层（约4 cm）,7月16日—7月25日控水搁田,以轻搁为主,7月26日—8月10日保持水层（约3 cm）,8月10日以后干湿交替,8月25日后断水。在水稻的整个生育期内各室管理方式保持一致,保证水稻正常生长发育,适时进行病虫草害防治,使水肥和病虫草害等不成为限制因子。

1.3 测定内容和方法

自6月15日、6月29日、7月13日、7月27日、8月10日（即移栽后10、24、38、52和66 d）每室普查所有植株的株高和分蘖数,即每个材料重复3次。使用直尺测量植株主茎基部到叶顶的长度,精确至0.1 cm,人工调查分蘖数。
成熟期（即：每穗谷粒颖壳95%以上变黄或95%以上谷粒小穗轴及副护颖变黄）以穴为单位分别测定各个供试材料地上部不同营养器官（叶片和茎鞘）干物重（105℃杀青30 min,80℃烘干72 h）,稻穗部分风干至恒重（约一个月）,使用电子天平称重（精度0.0001）,并计算植株地上部总干重,即,叶片、茎鞘和稻穗之和。稻穗部分以穴为单位,统计总穗数,手工脱粒并区分饱粒和空秕粒,分别进行计数,累加即为总颖花数,然后称量总的饱粒重量和空秕粒重量（含穗轴）。根据以上指标计算产量及其构成因子：单位面积穗数=单株穗数×密度（27）;每穗颖花数=单株颖花数÷穗数;单位面积颖花数=单株颖花数×密度（27）;饱粒重（单粒饱粒重）=饱粒重量（mg）÷饱粒数;饱粒率（%）=饱粒数÷总颖花数;并计算理论产量（g·m^-2）,即单位面积穗数×每穗颖花数×饱粒率×饱粒重（mg）/1000。

1.4 统计分析

采用最小组内平方和动态聚类方法将供试材料按成熟期地上部生物量对臭氧胁迫的响应从低到高依次分为A、B和C 3种类型。该方法能有效地调整初始分组中的个体,使其达到最优的分类,并具有良好的稳健性^[28]。使用Excel软件进行基础统计和作图,应用SPSS19.0软件进行数据标准化处理和方差分析,显著水平设P<0.1、P<0.05、P<0.01和P>0.1,分别用“+”、“*”、“**”和“ns”表示。

2 结果

2.1 臭氧胁迫对不同水稻品种或株系株高动态的影响

臭氧胁迫对23个水稻品种或株系不同测定期株高的影响列于表2。由表可知,臭氧胁迫对供试材料移栽10 d后株高的影响多无显著影响,但随生育进程推移,臭氧胁迫导致株高显著下降的供试材料明显增多。臭氧胁迫下水稻移栽24、38、52和66 d后株高的响应幅度分别为-7.0%—3.3%、-14.6%—-3.6%、-19.0%—-8.0%和-21.7%—-7.3%,平均下降分别为2.0%、9.5%、12.2%和15.0%,均达极显著水平。从全生育期平均看,臭氧胁迫使水稻株高下降9.0%（P<0.01）,降幅区间为4.5%—15.2%。水稻各生育时期株高及其平均值在不同供试材料间存在极显著差异,但臭氧处理与水稻供试材料间没有明显交互作用。
Table 2
表2
表2臭氧胁迫对供试水稻品种或株系不同生育期株高的影响
Table 2Responose of plant height to ozone stress at different growth stages of tested rice cultivars or lines (%)

品种或株系 Cultivars or lines	日期Date					平均 Mean
品种或株系 Cultivars or lines	06/15	06/29	07/13	07/27	08/10	平均 Mean
L147	11.2^ns	2.3^ns	-6.4^**	-8.7^*	-8.6^**	-4.5^*
L12	-0.5^ns	-2.1^ns	-11.8^**	-13.2^**	-20.1^**	-11.8^**
L92	14.5^*	-1.1^ns	-10.0^*	-12.6^ns	-21.1^*	-10.1^*
L136	0.5^ns	-3.9^ns	-3.6^ns	-8.4^ns	-8.6^ns	-5.7^**
L17	-0.5^ns	-1.4^ns	-11.2^*	-12.7^**	-15.2^**	-10.0^**
L48	4.9^ns	2.8^ns	-5.9⁺	-9.6^*	-14.9^**	-6.9^**
L26	6.3^ns	2.9^ns	-9.1^*	-13.8^*	-13.5^**	-8.1^**
L82	6.7^ns	-1.7^ns	-5.7^ns	-8.0^ns	-7.3^ns	-4.8^ns
L81	3.5^ns	-3.2^ns	-6.9⁺	-12.2^*	-11.1^**	-5.7^ns
L35	5.1^ns	0.0^ns	-12.5^**	-12.6^**	-12.5^**	-6.8^ns
L56	8.8^**	-5.7^**	-13.0^**	-11.6^**	-15.6^**	-8.6^ns
L54	1.6^ns	-4.3⁺	-12.4^**	-13.8^**	-18.1^**	-11.7^**
L156	-2.9^ns	-7.0*	-14.0^**	-12.8^**	-19.0^**	-13.0^**
L71	-1.5^ns	-0.8^ns	-8.9^**	-13.7^**	-11.7^**	-7.5^ns
SL46	7.6⁺	-0.2^ns	-8.3^*	-12.1^*	-17.4^**	-9.0^**
L154	2.7^ns	-3.8^ns	-12.2^**	-15.1^**	-19.3^**	-12.0^**
L95	-6.4^*	-4.5^ns	-9.6^**	-11.8^*	-11.9^**	-9.5^**
L152	-1.3^ns	-1.6^ns	-6.2^*	-12.1^*	-15.2^**	-8.9^**
SL41	5.5^ns	3.3^ns	-10.9^**	-10.6^**	-17.1^**	-8.8^**
L2	-3.8^ns	-3.0^ns	-14.6^**	-19.0^**	-21.7^**	-15.2^**
L9	-4.2^ns	-5.6^*	-12.3^**	-12.2^*	-14.8⁺	-11.3^**
Nipponbare	5.4^ns	-5.4^*	-8.1^**	-13.8^**	-16.6^**	-8.5⁺
L105	0.2^ns	-1.5^ns	-5.0^ns	-11.1^**	-13.7^**	-7.7^*

06/15, 06/29, 07/13, 07/27, 08/10 (month/day) were the measurement dates, which refer to 10, 24, 38, 52, 66 days after transplanting, respectively. Numbers in the table refer to the variation between ozone treatment and indoor control. ^ns: No significance, ⁺: P<0.1, ^*: P<0.05, ^**: P<0.01. The same as below06/15、06/29、07/13、07/27、08/10为测定日期（月/日）,分别相当于移栽后10、24、38、52和66 d。表中数据为臭氧处理与室内对照相比的变化量。^ns表示不显著,⁺表示P<0.1,^*表示P<0.05,^**表示P<0.01。下同

新窗口打开

2.2 臭氧胁迫对不同水稻品种或株系分蘖动态的影响

臭氧胁迫对不同测定时期水稻单株分蘖数的影响列于表3。由表可知,臭氧胁迫下供试材料移栽10 d后分蘖数呈增加趋势,但多未达显著水平。随生育进程推移,臭氧胁迫下水稻移栽24、38、52和66 d后分蘖的响应幅度分别为-38.8%—22.9%、-32.2%—14.7%、-31.5%—24.3%和-31.9%—28.0%,平均分别下降22.2%、19.3%、14.9%和17.0%,均达极显著水平。从全生育期平均看,臭氧胁迫下水稻单株分蘖数平均下降16.5%（P<0.01）,变幅为-26.4%—24.0%。水稻各生育时期单株分蘖数及其平均值在不同供试材料间存在极显著差异,但臭氧处理与水稻供试材料间（除移栽后24 d）没有明显交互作用。
Table 3
表3
表3臭氧胁迫对供试水稻品种或株系不同生育期水稻单株分蘖的影响
Table 3Responose of tiller per plant to ozone stress at different growth stages of tested rice cultivars or lines (%)

品种或株系 Cultivars or lines	日期Date					平均 Mean
品种或株系 Cultivars or lines	06/15	06/29	07/13	07/27	08/10	平均 Mean
L147	50.0^**	22.9^ns	14.7^ns	24.3^*	28.0^*	24.0^*
L12	12.5^ns	-32.6^*	-21.3⁺	-18.9^ns	-25.3^ns	-21.6⁺
L92	23.1^ns	-17.1^ns	-16.0^ns	-11.7^ns	-12.8^ns	-12.4^ns
L136	-11.1^ns	-38.0^**	-26.3^*	-6.7^ns	-14.8^ns	-19.4^ns
L17	38.5^**	-13.2^ns	-11.3⁺	-4.1^ns	-6.3^ns	-5.8^ns
L48	18.8⁺	-29.2^*	-12.0^ns	-7.9^ns	-11.3^ns	-11.9^ns
L26	15.4^ns	-23.1^*	-24.0^*	-4.2^ns	-6.8^ns	-12.1^ns
L82	15.0^ns	-37.9^*	-27.1^*	-18.2^ns	-26.7^ns	-24.2^ns
L81	8.3^ns	-22.7^*	-12.4^ns	-8.4^ns	-9.0^ns	-10.8^ns
L35	6.7^ns	-10.0^ns	-4.7^ns	-5.8^ns	-13.9^ns	-6.7^ns
L56	6.2^ns	-19.5^**	-23.6^**	-18.7⁺	-17.9^ns	-18.2⁺
L54	-5.9^ns	-23.9⁺	-12.7^ns	-16.7^*	-20.2^*	-17.1⁺
L156	-7.1^ns	-28.6^*	-19.5⁺	-26.2^**	-23.4*	-23.2⁺
L71	-8.3^ns	-28.3^**	-27.8^**	-22.8^**	-24.7^**	-24.1^*
SL46	14.3^ns	-16.3^ns	-14.5^ns	-10.3^ns	-18.1^ns	-13.3^ns
L154	12.5^ns	-27.1^*	-25.8^*	-25.3^*	-23.7⁺	-23.5^*
L95	-7.1^ns	-18.9⁺	-26.7⁺	-23.5^ns	-31.9^ns	-25.6⁺
L152	19.0^ns	-38.8^**	-29.9^**	-24.8^ns	-21.2^ns	-25.2^ns
SL41	-13.3^ns	-23.8^ns	-20.8*	-24.7^ns	-30.2*	-24.6^**
L2	28.6^ns	-8.7^ns	-22.4^ns	-26.3^ns	-22.5^ns	-20.2⁺
L9	21.4^**	-20.4^ns	-23.3^ns	-17.9^ns	-16.8^ns	-17.9^ns
Nipponbare	13.5^ns	-28.4^**	-24.4^*	-13.1^ns	-14.5^ns	-18.6⁺
L105	29.4^*	-26.2^**	-32.2^**	-31.5^**	-26.3^**	-26.4^**

新窗口打开

2.3 臭氧胁迫对不同水稻品种或株系地上部生物量、籽粒产量及其构成因素的影响

水稻地上部生物量和籽粒产量性状结果列于表4。由表可知,臭氧胁迫下地上部生物量和籽粒产量平均下降39.8%和81.7%,降幅分别为6.4%—63.3%和53.6%—97.8%,均达极显著水平。从产量构成因子看,单位面积穗数、每穗颖花数、单位面积颖花数、饱粒重和饱粒率的响应幅度分别为-30.3%—29.2%、-50.9%—11.3%、-67.6%—11.6%、-10.1%—3.1%和-98.5%—-33.6%,平均分别降幅15.6%、20.4%、32.2%、3.4%和75.8%,均达极显著水平。上述各指标在不同供试材料间均存在显著或极显著差异,但臭氧处理与水稻供试材料间（除单位面积颖花数和饱粒率外）均没有明显交互作用。
Table 4
表4
表4不同水稻品种或株系地上部生物量、产量及其构成因素对臭氧胁迫的响应幅度
Table 4Effects of ozone stress on the above-ground biomass, grain yield and yield components of different rice cultivars or lines (%)

品种或株系 Cultivars or lines	地上部生物量 Above ground biomass	籽粒产量 Grain yield	单位面积穗数 Panicle number per m²	每穗颖花数 Spikelets per panicle	单位面积颖数 Spikelets per m²	饱粒重 Filled grain weight	饱粒率 Filled grain percentage
L147	-6.4^ns	-65.5⁺	29.2^**	-13.5^**	11.6^ns	-6.8^*	-70.3⁺
L12	-24.0^ns	-81.3⁺	-1.9^ns	-19.9⁺	-24.2^ns	-1.5^ns	-74.6^ns
L92	-24.9^ns	-84.3^*	-4.5^ns	-15.1^ns	-18.6^ns	-10.0^ns	-70.8⁺
L136	-31.7^ns	-86.6⁺	-11.0^ns	-12.9^ns	-20.3^ns	-7.0^ns	-78.3^*
L17	-33.6^ns	-54.4^ns	-1.2^ns	-14.3^ns	-13.5^ns	-1.9^ns	-61.2^ns
L48	-35.7^*	-67.0⁺	-10.2^ns	-19.2⁺	-21.3^ns	1.6^*	-82.9^*
L26	-36.0^*	-90.1^*	-5.4^ns	-18.3⁺	-23.3^ns	-1.6^ns	-88.5^**
L82	-36.4^*	-93.3^ns	-25.3⁺	-14.3^ns	-34.4^*	3.5^ns	-90.5⁺
L81	-36.5^**	-82.9^*	-13.9^*	-19.2^*	-30.6^**	-13.3^*	-74.4^*
L35	-36.7^**	-83.7^*	-16.5^*	-18.6^*	-32.6^**	-9.1^*	-74.4^*
L56	-40.2^*	-90.2^**	-20.7^*	-15.3^*	-32.7^**	1.8^ns	-84.6^**
L54	-40.6^**	-99.0^**	-16.9^ns	-31.7^**	-42.7^**	-0.3^*	-98.5^**
L156	-41.5^*	-53.6^ns	-27.0^ns	-11.3^*	-35.5^ns	-4.9⁺	-33.6^ns
L71	-42.2^**	-86.2^**	-13.1^ns	-19.5⁺	-31.0^*	-0.3^ns	-81.5^*
SL46	-42.3⁺	-92.0^**	-29.9^ns	-22.1⁺	-43.3⁺	-1.8^ns	-83.9^*
L154	-44.2^**	-86.3⁺	-15.4^ns	-22.4^**	-34.3^*	-4.1^ns	-83.5⁺
L95	-47.0^*	-62.9⁺	-16.5^ns	-15.9^**	-29.6^ns	-5.5⁺	-44.3⁺
L152	-48.8^**	-96.6^*	-28.2^*	-23.7^**	-45.8^*	-3.9^ns	-94.1^**
SL41	-49.3^**	-97.8^*	-35.1^**	-18.2⁺	-46.9^**	3.5^ns	-96.0^**
L2	-51.1^**	-66.6⁺	-18.8^ns	-26.0^*	-36.5⁺	-0.9^ns	-63.5⁺
L9	-51.1^*	-80.3⁺	-28.9^ns	-14.4^ns	-42.5^*	-0.7^ns	-68.3⁺
Nipponbare	-52.7^**	-86.9^*	-16.9^ns	-32.0^**	-44.2^**	-4.3^ns	-74.2^*
L105	-63.3^**	-91.6^**	-30.3^*	-50.9⁺	-67.6^*	-10.1⁺	-71.7^*

新窗口打开

2.4 臭氧胁迫下不同水稻品种或株系敏感类型划分

表5为23个供试材料所有测定性状对臭氧响应的相关分析。由表可知,臭氧胁迫下地上部生物量的响应与各生育时期平均单株分蘖数、单位面积穗数、每穗颖花数和单位面积颖花数的响应高度相关,相关系数分别为0.74、0.72、0.59和0.85,均达极显著正相关水平,而籽粒产量除了与单位面积颖花数和饱粒重达显著相关水平外,与生长（株高或分蘖）、地上部干物质积累、穗数和每穗颖花数等均无显著相关性。主要是因为本试验供试材料开花和灌浆期（7月底至8月中旬）恰逢高温热害,颖花形成和籽粒灌浆明显受阻,饱粒率大幅降低,因此,导致籽粒产量损失明显,臭氧胁迫下产量损失更为显著（高达81.7%）。而成熟期地上部生物量的积累作为衡量作物逆境条件下生长状况的主要指标,受这种高温的影响较小（平均达39.8%）,能比较准确地反映水稻生长对臭氧胁迫的敏感性,较少受到这种短时间恶劣生长环境的影响。综上所述,本研究以最终地上部生物量对臭氧胁迫响应的大小为聚类因子,分析不同敏感类型水稻生长和产量形成的特征。
Table 5
表5
表5不同水稻品种或株系生长、产量及其构成因子对臭氧胁迫的响应间的相互关系
Table 5Relationships among the ozone-induced changes in growth, yield and yield components of different rice cultivars or lines under ozone stress

指标 Index	株高 Height	分蘖 Tiller	单位面积穗数 Panicle number per m²	每穗颖花数Spikelets per panicle	单位面积颖花数 Spikelets per m²	饱粒重 Filled grain weight	饱粒率 Filled grain percentage	籽粒产量 Grain yield	地上部生物量 Above ground biomass
株高 Height	1.000
分蘖 Tiller	0.384	1.000
单位面积穗数 Panicle number per m²	0.261	0.791^**	1.000
每穗颖花数 Spikelets per panicle	0.112	0.286	0.300	1.000
单位面积颖花数 Spikelets per m²	0.276	0.750^**	0.898^**	0.669^**	1.000
饱粒重 Filled grain weight	-0.321	0.055	0.126	0.215	0.184	1.000
饱粒率 Filled grain percentage	-0.198	-0.258	-0.243	0.186	-0.087	-0.381	1.000
籽粒产量 Grain yield	-0.240	0.332	0.405	0.381	0.508^*	0.835^**	-0.132	1.000
地上部生物量 Above ground biomass	0.336	0.735^**	0.724^**	0.589^**	0.848^**	0.009	-0.128	0.264	1.000

Height and tiller are the mean response of all growth stage株高和分蘖为全生育期平均响应

新窗口打开
根据23个水稻品种或株系成熟期地上部生物量对臭氧胁迫的响应大小,采用组内最小平方和的动态聚类分析方法,从低到高依次分为A、B和C 3个类别。A类包括L147、L12和L92;B类包括L136、L17、L48、L26、L82、L81、L35、L56、L54、L156、L71、SL46和L154;C类包括L95、L152、SL41、L2、L9、Nipponbare和L105。与对照相比,100 nL·L^-1臭氧处理使A、B、C类水稻地上部生物量分别下降9、22和29 g/plant,降幅分别为19.2%、38.5%和51.8%,方差分析各类别之间地上部生物量差异极显著。由于不同类别对臭氧胁迫都有一定程度的敏感性,依据响应程度的大小,将A类株系或品种称为臭氧低度敏感型,B类株系或品种称为臭氧中度敏感型,C类株系或品种称为臭氧高度敏感型。

2.5 不同敏感类型水稻对臭氧响应的特征

通过对23个水稻品种或株系的数据重新按A、B、C分类统计分析（图2、图3和图4）。表明臭氧胁迫对各类型水稻移栽后10和24 d的株高影响较小,但使移栽后38、52和66 d株高均大幅下降,降幅随时间推移明显增加。从不同类型看,臭氧胁迫使A类水稻移栽后38、52和66 d株高分别减少9.4%、11.5%和16.7%,B类水稻对应生育期分别减少9.5%、12.0%和14.2%,C类水稻分别减少9.4%、12.9%和18.5%,不同生育期间差异显著,但同一生育期敏感类型之间无显著差异（图2）,株高的差异不能很好地反映水稻对臭氧响应的敏感程度。

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图2臭氧胁迫对不同类型水稻株高动态的影响ns表示不显著,+表示P<0.1,*表示P<0.05,**表示P<0.01。下同
-->Fig. 2Effects of ozone stress on the plant height of the different types of ricens: no significance, +: P<0.1, *: P<0.05, **: P<0.01. The same as below
-->

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图3臭氧胁迫对不同类型水稻单株分蘖动态的影响
-->Fig. 3Effects of ozone stress on the tiller number per plant of the different types of rice
-->

显示原图|下载原图ZIP|生成PPT
图4臭氧胁迫对不同类型水稻单位面积穗数（a）、每穗颖花数（b）、单位面积颖花数（c）、饱粒重（d）、饱粒率（e）和籽粒产量（f）的影响
-->Fig. 4Effects of ozone stress on the panicles per m² (a), spikelets per pancle (b), spikelets per m² (c), filled grain weight (d), filled grain percentage (e) and grain yield (f) of the different types of rice
-->

臭氧熏蒸对测定始期水稻单株分蘖数有一定刺激作用,但使移栽后24、38、52和66 d分蘖数均呈下降趋势。从不同类型看,臭氧胁迫使A类水稻移栽后24、38、52和66 d单株分蘖数均略降,但未达显著水平,使B类水稻对应生育期分别减少25.2%、19.0%、14.1%和17.1%,C类水稻分别减少26.3%、26.3%、23.6%和23.9%,均达极显著差异（图3）。表明臭氧胁迫下单株分蘖数的变化,尤其是分蘖中后期单株分蘖数的变化,可以用来区分水稻对臭氧的敏感程度。
臭氧浓度升高对不同类型水稻产量及构成因素有一定影响。臭氧胁迫使水稻单位面积穗数平均下降11.6%（P=0.02）,其中A类水稻略增,B类和C类水稻分别极显著下降16.3%和25.5%（图4-a）。表明臭氧胁迫下单位面积穗数的响应不同敏感类型水稻间差异显著,可在一定程度上反映水稻对臭氧的耐受程度。
所有材料平均,臭氧胁迫使水稻每穗颖花数和单位面积颖花数分别下降20.5%和29.2%,均达极显著水平（图4-b—图4-c）。从不同类型看,臭氧胁迫使A、B和C类水稻每穗颖花数分别下降16.2%、18.6%和26.7%,使单位面积颖花数分别下降11.0%、31.0%和45.7%,除A类水稻单位面积颖花数外均达极显著水平。说明臭氧胁迫对水稻颖花形成的影响可在较大程度上反映水稻臭氧抗性的相对大小。
从水稻结实能力看,臭氧胁迫使所有供试材料饱粒重和饱粒率平均分别下降4.1%和75.6%,其中A、B和C类水稻饱粒重的降幅分别为6.2%、2.9%和3.1%,饱粒率的降幅分别为71.5%、80.3%和74.9%,均达极显著水平（图4-d—图4-e）。水稻饱粒重和饱粒率对臭氧胁迫的响应不同类型间均无显著差异,难以反映水稻对臭氧胁迫的敏感性。
从水稻籽粒产量看,臭氧胁迫使所有材料籽粒产量较对照平均下降82.5%,其中A、B和C类水稻分别下降76.8%、85.5%和85.3%,均达极显著水平（图4-f）。籽粒产量对臭氧的响应不同水稻类型间无显著差异,说明本试验籽粒产量的响应差异与水稻敏感程度无明显相关性。

3 讨论

本试验依托的自然光气体熏蒸平台在借鉴传统气室优点的基础上增大了试验空间,采用自然采光特别是土培方式培育水稻植株,并动态追踪室外的空气温度。水稻生长季平台运行数据表明,自然光气体熏蒸平台控制相对准确,满足了试验要求（图1和表1）。
AINSWORTH^[18]对气室研究的整合分析表明,与过滤空气相比,84 nL·L^-1臭氧浓度使水稻地上部生物量平均下降16%,变幅为8%—24%（n=68）。本试验根据水稻成熟期地上部生物量对臭氧的响应大小,通过聚类分析将23个供试材料分为A、B和C 3种敏感类型,结果表明,100 nL·L^-1臭氧浓度使地上部最终生物量平均下降达37%,其中A、B和C类水稻分别下降19%、39%和52%,不同类型间差异均达极显著水平。本试验A类水稻与整合分析结果接近,其他两类水稻明显大于整合分析结果,但与赵轶鹏等^[29]气室和彭斌等^[30]FACE研究中杂交稻对臭氧的响应较为接近。
臭氧主要通过水稻叶片气孔进入植物体,加速叶片老化降低光合速率,本试验亦发现耐性品种或株系可能通过调节气孔对逆境的适应性,提高相关酶的活力耗散过剩光能并保护光合器官等一系列生理作用,进而最终降低臭氧对水稻生长及后期产量构成造成的伤害。赵轶鹏等^[29]最新气室研究发现,77 nL·L^-1臭氧浓度对汕优63生长前期株高没有影响,但后期降幅明显,最大降幅达21%。本研究表明,臭氧处理使供试材料移栽后10和24 d株高略增或没有影响,但使移栽后38、52和66 d株高平均分别下降9%、12%和16%,均达极显著水平（图2）。说明前期臭氧熏蒸对植株伸长影响较小甚至表现出一定程度的刺激作用,但随着时间推移,臭氧伤害的累积效应愈加明显,这在前人的研究中也有类似报道^[31]。从不同敏感类型看,臭氧胁迫对3类水稻各测定期株高的影响没有差异,方差分析（图2）结果证明了这一点。与这一结果相一致,本研究还发现,水稻各测定期株高与地上部最终生物量对臭氧胁迫的响应多无显著相关（表5）。说明,尽管株高变化直观且容易测定,但不太适宜作为评价水稻对臭氧胁迫敏感性的指标。
前人研究表明,臭氧胁迫使水稻单位面积穗数增加、减少或没有影响^[17]。本研究表明,100 nL·L^-1臭氧浓度使水稻最终穗数平均下降12%,其中,对A类水稻没有影响,但使B类和C类水稻分别下降12%（P<0.01）和29%（P<0.01）,臭氧与水稻类型间存在显著的互作效应（图4-a）。水稻最终穗数与分蘖消长动态有关。与株高变化相似,臭氧熏蒸对水稻移栽后10 d的分蘖数略有促进,但使其他测定期分蘖数均下降（14%—21%）,小麦研究亦有类似报道^[31-32]。这可能与短期臭氧熏蒸会增加作物酶的活性,但长期胁迫则对呼吸作用相关酶产生抑制有关^[33]。与穗数相似,各期分蘖数对臭氧胁迫的响应不同水稻类型间存在差异,表现在臭氧与水稻类型间存在微弱的互作,全生育期平均,臭氧胁迫使A、B和C类水稻分蘖数平均分别下降4%、17%和23%,后两者均达极显著水平（图3）。进一步相关性分析发现,地上部生物量对臭氧胁迫的响应与各期平均分蘖数和最终穗数的响应相关密切,相关系数分别为0.74和0.79,均达极显著正相关水平（表5）。可见,在较高臭氧浓度环境下（如100 nL·L^-1）,水稻中后期分蘖数和最终成穗数的响应可在一定程度上反映最终生长量对臭氧处理的敏感性。
大量研究表明,臭氧胁迫使水稻每穗颖花数和单位面积颖花数多呈下降趋势^[17-18],降幅因品种而异^[19-21]。本试验23个供试材料平均,臭氧胁迫使水稻每穗颖花数和单位面积颖花数分别下降21%和29%,降幅略高于AINSWORTH对气室研究整合分析的结果。从不同类型看,敏感水稻这两个参数对臭氧胁迫的响应明显大于钝感水稻。与对照相比,臭氧胁迫使A、B和C类水稻每穗颖花数分别下降16%、19%和27%（图4-b）,单位面积颖花数分别下降11%、31%和46%（图4-c）,臭氧处理与水稻类型间存在微弱的（每穗颖花数）或显著的（总颖花数）互作效应。进一步相关分析发现,臭氧胁迫下两参数的降幅与最终生物量的响应密切相关（表5）,相关系数分别为0.59和0.85,均达极显著正相关水平。以上结果说明,臭氧胁迫对水稻容库形成的影响可在较大程度上反映水稻臭氧抗性的相对大小。
饱粒重和饱粒率的大小反映了水稻的灌浆结实能力。本研究表明,臭氧胁迫使所有材料饱粒重平均下降4%（图4-d）,与前人整合分析的结果接近^[6,18]。与此不同,臭氧胁迫使水稻饱粒率大幅下降,降幅高达76%（图4-e）,这一降幅尽管与ARIYAPHANPHITAK等^[12]气室试验中观察到的最大降幅接近（即78%）,但明显大于其他气室^[19,29]和FACE试验^[20,24,34]的结果。这一突出现象除了与供试材料有关外,可能主要与本季水稻遭遇极端高温有关。统计表明,本试验臭氧熏蒸期间有29 d平均气温超过了35℃,12 d日最高气温超过38℃,这些高温天气多集中在7月下旬至8月中旬期间,对水稻开花和灌浆过程造成了明显的负面影响,表现在臭氧熏蒸水稻的空瘪粒明显增多。尽管饱粒重特别是饱粒率对臭氧胁迫的响应很大,但不同类型水稻之间均无显著差异（表6）,且与地上部生物量的响应无明显关联（表5）。说明,至少在本试验条件下,这两个结实参数难以反映水稻对臭氧胁迫的敏感性。
Table 6
表6
表6不同类型水稻籽粒产量及其构成因子对臭氧胁迫响应的多重比较
Table 6Multiple comparison of grain yield and its components of different types of rice in response to ozone stress

类型 Type	单位面积穗数 Panicle number per m²	每穗颖花数 Spikelets per panicle	单位面积颖花数 Spikelets per m²	饱粒重 Filled grain weight	饱粒率 Filled grain percentage	籽粒产量 Grain yield
A	Aa	Aa	Aa	Aa	Aa	Aa
B	Bb	Aa	Bb	Aa	Aa	Aa
C	Bb	Aa	Bc	Aa	Aa	Aa

Same letter stands for no significance, different letter stands for 0.01 significance (capital letter) or 0.05 significance (small letter)字母相同者表示差异不显著,字母不同者表示差异达0.01（大写字母）或0.05（小写字母）显著水平

新窗口打开
由于臭氧胁迫使供试材料各产量构成因子一致下降（特别是饱实率）,因此,臭氧导致的产量损失非常明显,平均降幅超过80%（图4-f）,这一降幅明显大于AINSWORTH^[18]整合分析的结果。关于臭氧胁迫导致产量损失的原因存在不同观点,有的认为主要与颖花形成明显受阻有关^[20-21,34],亦有认为主要是籽粒结实能力大幅下降所致^[17]。本研究表明,臭氧导致的产量损失主要与结实能力大幅下降有关（特别是饱粒率）,其次亦与库容形成明显受抑有关（表现在单穗或单位面积的颖花量均明显减少）。尽管臭氧胁迫导致水稻大幅减产,但这种降幅不同敏感类型水稻间无显著差异（表6）,且与最终生物量的响应无明显相关（表5）,这些表现均与饱粒率和饱粒重一致。如前所述,本试验水稻生长后期遭遇极端高温,进而导致受精和灌浆过程明显受抑,这可能在一定程度上掩盖了不同敏感类型水稻籽粒产量响应的差异。当然臭氧胁迫与高温之间多大程度上存在交互作用值得深入研究。

4 结论

臭氧胁迫导致水稻植株变矮、分蘖受抑,同时使产量构成因子特别是饱粒率显著下降,进而使水稻大幅减产。不同类型水稻生育中后期分蘖数、最终成穗数、每穗颖花数以及总颖花量对臭氧胁迫的响应差异明显,且与最终生物量的响应关系密切,这些指标可作为抗臭氧品种选育的参考依据。
The authors have declared that no competing interests exist.