精准控水缓解高温胁迫下水稻弱势粒淀粉合成障碍的机制研究

《Food Chemistry》：Well-controlled soil drying mitigates starch synthesis impairment in inferior spikelets of rice under high-temperature stress

本研究揭示了适度土壤干旱(MD)通过增强根系活性、促进多胺(PA)生物合成(如Spd、Spm)，提高蔗糖-淀粉转化酶(AGPase、SSS、SBE、GBSS)活性，从而有效缓解高温(HT)胁迫对水稻弱势粒(IS)淀粉合成与籽粒灌浆的抑制，为应对气候变化保障稻米产量品质提供了创新灌溉策略。

　　

Keywords

光合产物

多胺

水稻籽粒灌浆

根系活性

淀粉特性

Abbreviations

ADC：精氨酸脱羧酶

AGPase：ADP-葡萄糖焦磷酸化酶

DAO：二胺氧化酶

GBSS：颗粒结合淀粉合成酶

HT：高温

IS：弱势粒

MD：适度土壤干旱

MGBG：甲基乙二醛双胍基腙

NSC：非结构性碳水化合物

NT：常温

ODC：鸟氨酸脱羧酶

PAO：多胺氧化酶

PAs：多胺

Put：腐胺

SAMDC：S-腺苷甲硫氨酸脱羧酶

SBE：淀粉分支酶

Spd：亚精胺

Spm：精胺

SS：强势粒

SSS：可溶性淀粉合成酶

WW：充分灌溉

Plant materials and growth conditions

实验于5月至10月在江苏省扬州大学实验农场（北纬32°30′，东经119°25′）进行。选用两种广泛种植的本地水稻品种，即籼稻扬稻6号(YD-6)和粳稻金香玉1号(JXY-1)。这些品种以高产稳产和品质优良著称。催芽后的秧苗先在稻田生长，28天后移栽至14.7升瓷盆（直径25厘米，高30厘米）中。

Grain yield formation

花后灌浆初期，不同灌溉方式和温度处理下，两个品种的每盆穗数和每穗粒数在各处理间无显著差异。相同灌溉条件下，与NT处理相比，HT处理显著降低了两个品种的籽粒产量。相反，相同温度下，与WW处理相比，MD处理显著提高了两个品种的产量。在NT条件下，MD处理的增产效果尤为明显。

Role of MD regime in alleviating HT stress on IS starch synthesis and physico-chemical properties in rice

在本研究之前，关于HT胁迫和水分亏缺对水稻IS和SS淀粉合成状态的复合影响信息有限。对于籼稻和粳稻，籽粒产量、IS淀粉合成和IS粒重对HT胁迫和/或土壤干旱响应敏感，变化显著，而SS淀粉合成和SS粒重则表现出不敏感、无显著响应的特点（图1；图S5）。此外，普遍认为水分亏缺会加剧高温胁迫的不利影响。然而，本研究发现，与传统的WW措施相比，精心控制的MD策略能更有效地减轻HT胁迫引起的IS淀粉合成障碍，改善淀粉理化特性，这种效应在HT胁迫下更为显著。MD处理通过增强根系吸水能力，改善了植株水分稳态和光合产物积累，进而促进了淀粉合成关键酶活性。更重要的是，MD处理显著提高了游离多胺（特别是Spd和Spm）的生物合成水平及其与Put的比值，这为缓解HT胁迫提供了内在的生理基础。

Conclusion

精心控制的MD策略——而非传统的WW措施——能有效减轻HT胁迫诱导的IS淀粉合成障碍，防止水稻籽粒减产。这种创新灌溉方式通过增强根系活性和水分吸收，改善了HT胁迫下水稻的水分稳态和光合产物积累。此外，MD策略提高了PA（Spd和Spm）生物合成、Spd/Put和Spm/Put比值以及蔗糖-淀粉转化酶活性，从而在分子和生理水平上协同作用，保障了籽粒灌浆和稻米品质。