水分胁迫对水稻剑叶气孔特性的影响

水分胁迫对水稻剑叶气孔特性的影响
赵姝丽;陈温福;徐正进
【摘要】在水分胁迫下水稻剑叶叶片气孔密度明显增加,气孔的长度、宽度明显减小.水分胁迫下气孔密度增加主要是由于叶面积的减小,气孔的行数有所增加.同时研究还表明,秋光的气孔密度与气孔长度呈显著正相关(r=0.989~*),比叶重与气孔长度(r=-0.952~*)、气孔宽度(r=-0.971~*)均呈显著负相关,但相关性都未达到极显著;其余各性状间相关性不显著.沈农265的气孔密度与气孔长度呈显著正相关
(r=0.977~*),比叶重与叶面积之间的相关性达显著负相关(r=-0.976~*),均未达到极显著相关;其余各性状间相关性不显著.随着水分胁迫程度的增加,秋光和沈农265的游离脯氨酸含量也随之增加.除了CDS处理以外,秋光的游离脯氨酸含量基本上都高于沈农265.结果说明,沈农265的抗旱适应性要好于秋光,但是水分胁迫对秋光与沈农265均有负面影响.
【期刊名称】《华北农学报》
【年(卷),期】2010(025)001
【总页数】5页(P170-174)
【关键词】水稻;气孔密度;水分胁迫
【作者】赵姝丽;陈温福;徐正进
【作者单位】沈阳农业大学,水稻研究所,辽宁,沈阳,110866;沈阳农业大学,水稻研究所,辽宁,沈阳,110866;沈阳农业大学,水稻研究所,辽宁,沈阳,110866
【正文语种】中文
【中图分类】S511.01
干旱是一个世界性的问题，已成为21世纪威胁农业生产、限制农业可持续性发展战略的全球焦点问题。

水稻是我国种植面积最大、单产最高、总产最多的粮食作物,也是耗水量最多的农作物。

水分胁迫对禾谷类作物生理功能的影响顺序依次是：细胞扩张、气孔运动、蒸腾作用、光合作用和光合产物的运输与分配。

因此，研究水分控制带来的水稻气孔限制的变化及其对光合速率、蒸腾速率以及叶片水平水分利用效率的影响，有助于揭示水分控制指标的合理性和水稻节水灌溉技术节水高产的机理，为更合理的土壤水分控制指标的确定提供理论依据。

水稻叶片上的气孔是CO2进入水稻体内和水分排出的主要通道，它对水稻的蒸腾作用和光合作用等生理过程有重要的影响。

气孔在水稻叶片上的分布具有很强的规律性，多年来众多学者已经将这一问题研究得比较详细[1,2]。

但是在水稻生长发育的过程中，许多环境因素都会影响叶片气孔密度、气孔大小、叶绿素含量等性状。

有试验证明当水稻受到水分胁迫时，其气孔密度会明显增大[3-5]。

1 材料和方法
1.1 试验材料及处理
试验在沈阳农业大学水稻研究所进行，以沈农265和秋光为试材。

采用营养土保温旱育苗，4月中旬播种，5月底移栽。

使用26 cm×26 cm的塑料盆进行盆栽试验，每盆装土11 kg(旱田土∶农家肥=3∶1)，每盆施尿素1 g，硫酸钾1 g，磷酸二氢铵1.5 g，各盆中土壤条件基本一致。

设置4个水分梯度，即：对照CK(持水量在100%以上)、轻度干旱LDS(持水量为75%～85%)、中度干旱MDS(持水量为65%～75%)、重度干旱CDS(持水量为55%～65%)、极度干旱EDS(持水量为45%～55%)；用负压计测定土壤水分，对应的负压计上的读数分别为0，-35～-50,-50～-61,-61～-78,-78～-90 kPa。

每
个处理3盆，每盆3穴，每穴1株。

每天分别在6：00，12：00，18：00进行
观测，记录读数，用量杯补水，并用称重法监测。

搭建防雨棚，其他管理同大田。

1.2 剑叶气孔密度和气孔大小的观测
在水稻齐穗期，将各处理主茎上的剑叶剪下来，将叶片分成15等份，再将同一处理相同位置的叶片片段混合放入装有FAA固定液的小三角瓶中，采用改良刮制法
制成切片。

将水稻主茎剑叶分成15等份，用改良刮制法制成切片，在16×10倍显微镜下通
过网格尺(0.253 mm2)观测水稻剑叶气孔个数，再换算成单位面积内的气孔个数，每等份取10个观测值，取它们平均值作为该品种的气孔密度。

在16×40倍显微镜下通过网格尺(0.253 mm2)观测气孔的大小，每等份选10个
视野，每视野观测2个气孔。

测量气孔器中哑铃形体的长度为气孔长度，垂直于
哑铃形体气孔器的最宽值为气孔宽度。

1.3 剑叶叶面积、比叶重(SLW)、叶片相对含水量(RWC)的测定
叶面积的测定：在水稻齐穗期，剑叶完全展开后，用CL-203激光叶面积仪活体测量各水稻品种的剑叶叶面积。

比叶重的测定：取样后先在105℃下杀青致死，再
转为80℃烘至恒重，冷却至室温后称量叶干质量，计算出比叶重,即比叶重(SLW)=叶干质量/叶面积。

叶片相对含水量的测定：剑叶用清水洗净吸干叶表水分称鲜质量，然后放入称量瓶中加水浸泡至饱和后称量饱和重，烘干后称量叶干质量，计算叶片相对含水量，其公式为：相对含水量(RWC)=(叶片鲜质量-叶片干质
量)/(叶片饱和重-叶片干质量)。

1.4 剑叶叶绿素含量的测定
采用丙酮乙醇混合液法测定叶绿素含量。

在水稻齐穗期剑叶完全展开后，取剑叶放在湿纱布中带回室内，洗净吸干表面水分，剪成细条(1～2 mm宽)，称取0.1 g，放入有刻度的试管中，加入1∶1的丙酮乙醇混合液10 mL用塑料布封口，静置在
室温下暗处提取，直至材料变白。

取提取液在663和645 nm波长下测定光密度，并计算出叶绿素含量。

叶绿素a(mg/g) =(12.71A663-2.59 A645)/10,叶绿素
b(mg/g)=(22.88 A645-4.67A663)/10，叶绿素总量(mg/g) =(8.04 A663+20.29 A645)/10。

1.5 水稻剑叶游离脯氨酸的测定
根据植物体内游离脯氨酸含量的测定方法[6]，先绘制脯氨酸标准曲线，然后再对
样品进行测定。

2 结果与分析
2.1 剑叶不同部位气孔密度的变化
沈农265在不同干旱胁迫下的剑叶气孔密度变化如图1所示，在轻度干旱胁迫下，沈农265的剑叶气孔密度与对照十分接近；在中度、重度、极度干旱胁迫下，沈
农265剑叶中部、尖部的气孔密度与对照较为接近；在剑叶基部，除了在重度干
旱胁迫下沈农265的气孔密度大于对照以外，其他干旱胁迫条件下沈农265的气孔密度均小于对照。

图1 沈农265在不同干旱胁迫下剑叶气孔密度
Fig.1 Stomatal density of Shennong 265 flag leafunder different drought stress
如图2所示，秋光在轻度干旱(LDS)、中度干旱(MDS)以及极度干旱胁迫(EDS)下，从剑叶基部到尖部，其气孔密度在逐渐增加，但增加的幅度不是十分明显。

与对照条件下相比，秋光在轻度干旱胁迫下的剑叶气孔密度变化不大，而在中度、重度和极度干旱胁迫下的气孔密度变化较大；尤其是在重度干旱胁迫下，秋光剑叶气孔密度的波动较大。

这说明，秋光剑叶在轻度干旱胁迫下的抗逆能力较强，而随着胁迫强度的增加其抗逆能力在迅速下降。

图2 秋光在不同干旱胁迫下剑叶气孔密度
Fig.2 Stomatal density of Akihikari flagleaf under different drought stress 2.2 水分胁迫对剑叶气孔性状的影响
2.2.1 水分胁迫对气孔密度的影响由图3可知，在不同水分胁迫下秋光和沈农265剑叶气孔密度存在明显差异。

在对照(CK)条件下，沈农265的剑叶气孔密度与秋
光的气孔密度较为接近；在轻度干旱胁迫(LDS)下，秋光的剑叶气孔密度明显大于
沈农265；在中度(MDS)、重度(CDS)、极度干旱胁迫(EDS)下，沈农265的气孔
密度均明显大于秋光。

随着干旱胁迫程度的不断增大，秋光和沈农265的剑叶气
孔密度总体上都是呈下降趋势的，只是秋光在轻度(LDS)、重度干旱胁迫(CDS)条
件下存在着转折点；而沈农265则只是在重度干旱胁迫(CDS)下存在着一个转折点。

在极度干旱胁迫(EDS)下，无论是沈农265还是秋光，其剑叶气孔密度均处于最低值。

图3 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶气孔密度
Fig.3 Stomatal density of Akihikari and Shennong 265flag leaf under different drought stress
2.2.2 水分胁迫对气孔长度和宽度的影响如图4所示，在不同干旱胁迫下沈农265的剑叶气孔长度基本上都大于秋光，只是在对照和中度干旱胁迫下秋光与沈农
265的气孔长度才比较接近。

在不同干旱胁迫下气孔宽度的变化如图5，秋光的剑叶气孔宽度在中度、重度、极度干旱胁迫下均明显大于沈农265；在轻度干旱胁迫下沈农265的剑叶气孔宽度
则大于秋光；二者在对照处理时的气孔宽度相近。

图4 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶气孔长度
Fig.4 Stomatal length of Akihikari and Shennong 265flag leaf under different drought stress
图5 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶气孔宽度
Fig.5 Stomatal width of Akihikari and Shennong 265flag leaf under different drought stress
2.3 水分胁迫对剑叶其他性状的影响
2.3.1 水分胁迫对剑叶叶面积、气孔总数、比叶重和相对含水量的影响由于极度干旱胁迫对水稻剑叶的生理指标存在极端的影响，所以在叶面积、气孔总数、叶绿素含量、游离脯氨酸含量等生理指标中不予以讨论。

从图6和表1可以看出，随着干旱胁迫程度的增加秋光与沈农265的剑叶叶面积均有所下降，秋光的叶面积下降30.21%，沈农265下降36.83%。

只是从MDS 处理到CDS处理沈农265的叶面积下降趋势比秋光更为明显。

从CK到MDS处理，秋光的剑叶叶面积远小于沈农265；但在重度干旱胁迫下，沈农265的叶面积迅速下降到低于秋光。

秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶气孔总数的变化如图7所示，秋光剑叶气孔总数随干旱胁迫程度的增加变化幅度较大，虽然从LDS处理到MDS处理气孔总数有所增加，但是总体来看气孔总数仍然是减少的。

而沈农265气孔总数的变化趋势则表现为先缓慢增加后急剧减少。

由此可以看出，两个参试品种对不同程度干旱胁迫的抗逆表现不同，相比较而言，秋光对干旱胁迫较为敏感。

图6 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶叶面积
Fig.6 Leaf area of Akihikari and Shennong 265flag leaf under different drought stress
图7 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶气孔总数
Fig.7 Total stomatal of Akihikari and Shennong 265flag leaf under different drought stress
表1 干旱胁迫下水稻剑叶叶面积、比叶重、相对含水量的变化Tab.1 Changes of leaf area,specific leaf weight,relative water content of flag leaf under
drought stress处理Treatment秋光Akihikari沈农265 Shennong265叶面积
/cm2Leaf area比叶重/(μg/cm2)Specific leaf weight相对含水量Relative watercontent叶面积/cm2Leaf area比叶重/(μg/cm2)Specific leaf weight相对含水量Relative water contentCK32.51 aA3.86 aA0.64 aA38.75 aA4.76
aA0.68 aALDS27.98 aA8.11 cC0.73 aA36.12 aA6.80 aA0.66 aAMDS24.36 bAB6.96 bBC0.71 aA34.53 aA5.90 aA0.64 aACDS22.69 bB7.20 bBC0.64
aA24.48 bB12.23 bB0.67 aAMax changes/%-30.2152.3412.63-36.8361.08-6.32
从表1可知，秋光CK的比叶重与LDS处理、MDS处理、CDS处理的比叶重差
异达极显著水平，LDS处理与MDS处理、CDS处理的比叶重差异显著，MDS处理与CDS处理的比叶重差异不显著。

沈农265CK、LDS处理以及MDS处理都与CDS处理的比叶重达到极显著差异，但CK、LDS处理以及MDS处理之间的差异不显著。

秋光、沈农265各自的相对含水量之间差异不显著。

2.3.2 水分胁迫对叶绿素含量和游离脯氨酸含量的影响由图8可知，随着干旱胁迫程度的增加，秋光和沈农265的游离脯氨酸含量也在随之增加。

在对照下,秋光和
沈农265的游离脯氨酸含量比较接近；在LDS处理与MDS处理下，秋光的游离
脯氨酸含量略高于沈农265；在CDS处理下，沈农265的游离脯氨酸含量小于秋光。

结果说明，除了CDS处理以外，沈农265抗旱适应性要好于秋光，但是干旱胁迫对秋光与沈农265均有负面影响。

如图9所示，秋光与沈农265的叶绿素含量变化趋势均呈单峰曲线，但沈农265
的叶绿素含量始终大于秋光。

干旱处理对秋光和沈农265叶绿素含量的影响主要
体现在叶绿素a含量的变化上。

秋光MDS处理的叶绿素含量与CK、LDS处理、CDS处理的叶绿素含量之间差异达到显著程度，但未达到极显著；CK、LDS处理、CDS处理的叶绿素含量之间差异均未达到显著程度。

沈农265 MDS处理的叶绿
素含量与CK、LDS处理、CDS处理的叶绿素含量之间差异达到显著程度，但未达到极显著；CK、LDS处理、CDS处理的叶绿素含量之间差异均未达到显著程度。

图8 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下游离脯氨酸含量
Fig.8 Dissociative proline concentration of Akihikariand Shennong265 flag leaf under different drought stress
图9 秋光与沈农265在不同干旱胁迫下剑叶叶绿素含量
Fig.9 Chlorophyllose content of Akihikari andShennong 265 flag leaf under different drought stress
2.4 剑叶气孔性状与其他性状的关系
由表2可知，秋光的气孔密度与气孔长度呈显著正相关(r=0.989*)，比叶重与气孔长度(r=-0.952*)、气孔宽度(r=-0.971*)均呈显著负相关，但相关性都未达到极显著；其余各性状间相关性不显著。

沈农265的气孔密度与气孔长度呈显著正相关(r=0.977*)，比叶重与叶面积之间的相关性达显著负相关(r=-0.976*)，均未达到极显著相关；其余各性状间相关性不显著。

表2 中度干旱胁迫下秋光与沈农265剑叶气孔性状的相关分析Tab.2 Analysis of varience of flag leaf stomatal characters of Akihikari and Shennong 265 under MDS秋光沈农265密度Density长度Length宽度Width叶面积Leaf area比叶重Specific Leafweight相对含水量Relatercontent密度Density长度Length宽度Width叶面积Leaf area比叶重Specific Leafweight相对含水量Relater content长度Length0.989∗0.977∗宽度Width0.6580.7600.251 0.052叶面积Leaf area0.6270.6940.8670.787 0.665 0.497比叶重Specific leaf weight-0.845-0.952∗-0.971∗-0.712-0.867 -0.786 -0.327 -0.976∗相对含水量Relative water conten-0.235-0.340-0.602-0.1280.661-0.620 -0.712 0.069 -0.017 0.149 叶绿素Chl0.3250.196-0.477-0.4620.1200.2950.256 0.456 -0.763
-0.305 0.094 -0.696
3 结论与讨论
不同程度的干旱胁迫对气孔性状的影响存在明显的差异，但是从理论上讲，从对照到重度干旱胁迫随着胁迫程度的增加，气孔密度应该呈现逐渐增加的趋势，而不应出现起伏现象。

可实际上，从对照到重度干旱胁迫处理的气孔密度均有明显的起伏。

秋光CK与MDS处理的气孔密度之间差异不显著；CK与LDS处理、CDS处理间的差异达到了极显著水平；MDS处理与LDS处理、CDS处理间的差异也达到了
极显著水平；LDS处理与CDS处理间的差异不显著。

沈农265MDS处理的气孔
密度与其他处理间的差异均达到了显著水平，且与CDS处理达到极显著水平；其
他各处理之间差异不显著。

起伏现象可能是由于试验误差引起的，也可能是水稻对不良环境产生了适应性所致。

MDS处理使气孔密度达到最大值，此后随着干旱胁迫程度的进一步增加，气孔密度显著下降，这说明随着胁迫程度的增加剑叶气孔密度并不是无限制的增加。

当胁迫程度超过气孔的自我调节范围时，气孔密度就会随之下将。

随着干旱胁迫程度的增加秋光与沈农265的剑叶叶面积均有所下降，秋
光的叶面积下降30.21%，沈农265的下降36.83%，只是从MDS处理到CDS
处理沈农265的叶面积下降趋势比秋光更为明显。

然而，秋光与沈农265的气孔总数并没有增加，所以剑叶气孔密度的增加是由于叶面积的减少。

秋光与沈农
265的剑叶气孔密度与气孔长度均呈显著正相关，与气孔宽度相关性不显著，与
叶面积的相关性也不显著，所以气孔密度增加可能与气孔行数的增加有关。

秋光与沈农265的叶绿素含量在一定范围内随着胁迫程度的增加而有所增加，说
明水稻剑叶在一定的干旱胁迫下光合作用受到了促进，这有利于提高光合产物的积累，从而提高水稻产量，这对水稻育种有十分重要的意义。

参考文献：
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