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《华中农业大学》 2012年
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Ecotypic and Genotypic Variation in Rice Yield and Quality in Response to Different Elevated Temperatures

Farooq Shah(法鲁克)  
【摘要】:随着全球气温升高,高温已经成为限制作物产量及其品质提升的一个重要因子之一。同时这也也给水稻生产以及稻米品质相关性状带来了严重的负面影响。目前,高温对水稻产量及品质的相关研究主要集中在人工气候箱中进行,而在大田条件下,有关水稻在高温条件下的农艺性状表现特征以及应对高温环境的相关策略研究则鲜有报道。植物生长调节剂如甜菜碱、水杨酸和抗坏血酸等能够提高作物对非生物胁迫的抗性。因此可以推测植物生长调节剂可以提高水稻对高温的忍受能力,从而提高水稻产量和品质。另外,同一穗上不同粒位的颖花对高温以及植物生长调节剂的响应机制可能不同。基于该假设,本论文基于大田和人工生长箱条件下,研究不同类型水稻品种在不同形式高温处理下的产量和品质变化特点;植物生长调节剂缓解高温胁迫能力以及抗氧化酶响应分析;同一穗上不同粒位颖花对高温和植物生长调节剂的响应机制研究。 大田试验于2009和2010年在华中农业大学校内大田试验基地进行。主要研究高温处理(包括全天高温、高日温、高夜温)对水稻农艺性状(产量及产量构成因子)和稻米品质(粒型、蛋白质含量、直链淀粉含量和垩白度)的影响。供试材料为不同类型的粳稻和籼稻品种。高温处理在水稻孕穗至成熟期进行,加温装置由多个加热器和鼓风机组成,它可以使大田环境温度升高2℃左右。关于生长调节剂缓解高温胁迫以及对产量和品质的影响研究主要在2010年大田实验的基础上进行微区处理,并且本研究将穗子分为上中下三个部位,研究籼粳稻不同粒位对高温和植物生长调节剂的响应机制的异同。同时也在人工气候箱环境条件下验证高夜温与外施抗坏血酸对水稻抗氧化酶系统和养分含量的影响,供试材料为籼稻品种Kasalath和粳稻品种日本晴。主要研究结果如下: (1)与白天高温和夜间高温相比,全天高温对水稻生长的危害最大,它显著地降低了水稻的产量、产量构成因子、生物量和收获指数。在2009年,全天温度升高2℃会导致籼稻和粳稻产量分别下降16.3%和26.6%;而在2010年分别下降了21.3%的40.32%。2009年,高日温分别使籼稻和粳稻品种产量下降4.1%和4.0%,2010年分别下降了3.2%和9.1%。同样,在2009年,高夜温分别使籼稻和粳稻品种产量下降了0%和10.1%,在2010年分别下降了16.9%和45.3%。在2009年高日温处理下生物量减少,减少幅度要比高夜温条件下大;而2010年的高日温和高夜温处理对生物量减少的程度间没有显著差异。在两年里,与高日温相比,高夜温对结实率和收获指数的负面影响更大。从二年的产量和产量构成因子角度考虑,粳稻对高温的响应要比籼稻敏感,并且不同类型水稻品种受高温的影响表现出显著的基因型差异。 (2)从外观品质上看,高温使得大部分水稻品种的粒型变小、垩白增加。不同生态类型水稻品种(籼稻和粳稻)的外观品质受不同温度处理的影响也不相同。两年的平均数据表明,与常温对照相比,全天高温使籼稻的粒长、粒宽和籽粒面积分别下降了0.33,1.82和2.16%,使粳稻的粒长、粒宽和籽粒面积分别下降了1.72,2.23和3.96%。相反,与常温对照相比,全天高温使籼稻和粳稻的平均长宽比分别提高了1.56和0.56%。对于粳稻品种来说,晚间高温对籽粒长宽比的增加幅度大于全天高温处理。而且与常温对照相比,全天高温使籼稻和粳稻的平均垩白粒率分别增加了16.65和17.85%,平均垩白面积分别增加了53.3和63.9%。然而,不同温度处理对不同类型水稻品种的蛋白质含量、直链淀粉含量、消碱值、碾磨品质和整精米率的影响均没有表现出一致的规律。从所考察的指标来看,与籼稻品种相比,粳稻品种热敏感指数(HSI)较高,它对温度更为敏感。 (3)植物生长调节剂明显提高水稻耐高温胁迫能力。并且水杨酸提高水稻耐高温胁迫能力要优于甜菜碱。在高温条年下,与对照相比,水杨酸处理可以减少垩白,增大粒型。而甜菜碱处理对缓解高温胁迫的作用没有表现出一致性,它受不同品种的影响较大,并且在不同高温处理条件下一致性较差。 人工气候箱试验研究表明,Kasalath(籼稻)和日本晴(粳稻)对高夜温和抗坏血酸的响应有很大的相似性。在高夜温处理下,两个品种丙二醛的含量都有所增加,而外施抗坏血酸均可以降低丙二醛的含量,使其达到正常夜温条件下的水平。根和地上部钠离子和钾离子的浓度在高夜温条件下增加,而外施抗坏血酸可以降低钠离子和钾离子的浓度。与对照相比,高夜温提高了过氧化氢酶和过氧化物酶活性,同时外施抗坏血酸也会使这二种抗氧化酶的活性降低。过氧化物酶对高夜温的反应要比过氧化氢酶更敏感,抗坏血酸对过氧化物酶的作用也要比对过氧化氢酶更大。从本研究的结果看,尽管外施抗坏血酸可以缓解高夜温对水稻生长的负面影响,但是关于在高夜温下外施抗坏血酸的作用机理还需要进一步的验证,如有必要对品种间差异、不同抗坏血酸施用量以及不同施用时期作具体的研究。 (4)高温处理下穗长有所增加,尤其是在高日温条件下。在穗中部,籽粒的着生密度最大,占总粒数的40%以上;穗上部和穗下部籽粒的着生密度较少,不足30%,这一特性受温度处理和生长调节剂的影响较小。在不考虑温度处理的情况下,穗上部的籽粒最重、中部次之、下部的最轻。与高日温和常温对照相比,全天高温和高夜温处理使粒重减小。各品种穗上不同部位颖花的育性存在着较大的差异。在所有的高温处理中,两个籼稻品种(DTWX和ZX232)穗上部颖花的育性较高,其次分别是穗中部和穗下部颖花。而对于两个粳稻品种(JWR221和ZH8),结果正好相反,穗下部颖花育性最高,其次分别是穗中部和穗上部。生长调节剂对某些水稻品种穗中部的籽粒重量有较大影响,明显提高穗中部籽粒的粒重,使其达到穗上部优势粒的水平。另外,植物生长调节剂在一定程度上降低了温度处理间的差异。基于高温敏感指数,穗上部籽粒耐高温胁迫的能力要比穗中部和穗下部籽粒强。 综上,本研究重点阐述了高温对水稻产量和稻米品质的负面影响,阐明了不同籼粳稻品种对高温敏感性存在较大差异,同时验证了不同生长调节剂对高温胁迫的缓解作用。将来的研究需要进一步利用基因多样性,并通过不同品种在高温下生理适应机制来维持水稻在气候变暖条件下的生产能力。
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S511

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