油菜素内酯通过维持光合作用与膜稳定性增强生殖期热胁迫下KDML105水稻（Oryza sativa L.）的耐热性

《Journal of Agronomy and Crop Science》：Brassinosteroid Enhances Thermotolerance by Improving Photosynthesis and Membrane Stability Under Reproductive-Stage Heat Stress in KDML105 Rice (Oryza sativa L.)

　　

油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）是一类植物类固醇激素，已知可增强包括热胁迫（heat stress, HT）在内的非生物胁迫耐受性。本研究探讨了叶面喷施不同浓度BRs（0、0.05、0.1和0.5 nM）对热带光敏感水稻品种KDML105在生殖期HT（42°C持续7天）条件下生理表现及产量的影响。试验分别在温室受控HT条件及田间自然HT暴露条件下，于孕穗期和50%开花期进行。热胁迫显著损害了水稻的生理表现，表现为电解质渗漏（electrolyte leakage, EL）和丙二醛（malondialdehyde, MDA）含量升高，表明膜稳定性降低；同时减少了光合色素含量、光系统II（PSII）效率、气孔导度和蒸腾速率，导致同化物产量和籽粒产量下降。喷施油菜素内酯通过维持膜稳定性、保护光合色素、提升PSII效率和CO2气体交换改善了生理表现。这些因素可能与更好的同化物转运和籽粒灌浆有关，从而在HT条件下获得更高产量。油菜素内酯主要增强了生殖性状，包括每穗总粒数、每穗实粒数和籽粒产量。在50%开花期，观察到比孕穗期更高的热敏感性，而0.5 nM BR表现出最佳的生理改善效果。这些结果表明，BRs通过在生殖期保护光合功能和膜稳定性来增强KDML105水稻的耐热性。

一、研究背景与科学问题

全球气候变暖导致平均地表温度预计在2100年前上升3°C–5°C，高温胁迫已成为制约作物生产的关键环境因子。东南亚作为全球主要稻作区和升温最快的区域，预计到2030年将有16%的稻作面积在生殖期暴露于超过生理临界温度至少5天的高温环境，造成水稻产量大幅下降。水稻生殖期对高温极为敏感，热胁迫可导致颖花育性下降、结实率降低和籽粒品质劣变。KDML105是泰国东北部雨养低地生态系统主栽的香稻品种，农户常在非雨季于灌溉稻田种植该品种，其孕穗、开花和灌浆早期恰逢旱季高温峰值期，常遭遇连续数日超过40°C的高温。尽管已有研究报道油菜素内酯（Brassinosteroids, BRs）在部分水稻品种中可诱导耐热性，但BRs介导KDML105耐热的生理机制，尤其是生殖期在温室和田间条件下不同发育阶段的热敏感性差异，仍缺乏系统认识。因此，研究人员开展本研究，旨在探究低纳摩尔浓度BRs叶面喷施对KDML105水稻在孕穗期和50%开花期遭遇HT时生理耐受性（膜稳定性、光合性能、同化物转运和产量形成）的调控效应，并检验两个假设：其一，BRs叶面喷施通过维持膜稳定性和光合功能，在温室受控HT和田间自然HT条件下提高KDML105水稻生殖期耐热性和籽粒产量；其二，KDML105在50%开花期比孕穗期表现出更高的热敏感性。

二、研究设计与关键方法

研究采用温室和田间双场景试验。温室试验于2021年2月至5月在泰国孔敬大学农学大田试验站进行，采用完全随机设计（CRD），设置温度（未加热UH与加热HT）、生育期（孕穗期与50%开花期）和BR浓度（0、0.05、0.1、0.5 nM）三因素组合共16个处理，4次重复。HT处理在温度室中进行，每日最高温度42°C持续4小时共7天。田间试验于2021年1月至4月在泰国孔敬府Ubonrat县进行，采用随机完全区组设计（RCBD），3次重复，设置生育期和BR浓度两因素共8个处理，种植日期设计使生殖期与3至4月旱季高温峰值期重合。主要测定指标包括：光系统II（PSII）效率（最大量子效率F_v/F_m和有效量子效率?F/F_m′，采用Mini-PAM调制叶绿素荧光仪测定）、CO₂气体交换参数（净光合速率A、气孔导度g_s、蒸腾速率E，采用Licor-6400XT便携式光合系统测定）、光合色素含量（总叶绿素TC、叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素Car，采用80%丙酮提取分光光度法）、膜稳定性指标（电解质渗漏EL和丙二醛MDA含量）以及产量构成因子和产量。数据采用SPSS 17.0进行方差分析（ANOVA）和邓肯多重比较（DMRT）。

三、研究结果

3.1 温室受控HT和田间自然HT条件下的气候数据

温室试验期间日均温、最高温、最低温和相对湿度范围分别为20.8°C–32.5°C、25.3°C–42.4°C、15.6°C–27.2°C和40.0%–89.4%。7天HT处理期间温度室维持的最高温（42.4°C）高于温室自然条件（37.4°C）。田间试验期间相应气候参数范围分别为17.1°C–34.4°C、22.4°C–41.4°C、11.0°C–27.7°C和43%–85%，BR喷施后7天内最高温达41.4°C。

3.2 光合性能

HT显著降低PSII效率，尤其在50%开花期。温室条件下，HT使?F/F_m′在孕穗期和50%开花期分别降至0.568和0.495，而BR喷施显著提升该参数，孕穗期以0.5 nM BR最高（0.658），50%开花期以0.05 nM BR最高（0.628）。F_v/F_m在50%开花期受HT轻微非显著降低，BR喷施可显著恢复至0.816–0.817。田间条件下，BR在孕穗期显著提升F_v/F_m至0.829，在50%开花期显著改善?F/F_m′。CO₂气体交换方面，温室50%开花期HT使A降至9.18 μmol CO₂ m^?2 s^?1，0.5 nM BR将其提升至17.18 μmol CO₂ m^?2 s^?1；田间条件下BR使A提升约20%，并在孕穗期显著增加g_s。

3.3 光合色素

HT显著降低TC、Chl a和Car含量。BR喷施在HT下显著提升TC、Chl a和Chl b，温室条件下尤其以50%开花期Car含量提升明显；田间条件下BR显著增加TC和Chl b，0.1和0.5 nM BR可刺激Chl a含量增加。BR有效防止了热诱导的光合色素降解。

3.4 膜稳定性

HT在50%开花期导致EL和MDA含量急剧升高，孕穗期膜稳定性未受显著影响。温室条件下0.05 nM BR在孕穗期显著降低EL和MDA；田间条件下0.05和0.1 nM BR在50%开花期显著降低EL，所有BR处理均显著降低MDA含量，50%开花期MDA降幅达42.12%，孕穗期为35.05%。BR通过下调热诱导的脂质过氧化有效减轻了植株损伤。

3.5 产量构成因子与产量

温室条件下，孕穗期HT使每穗实粒数减少35.37%、产量降低42.69%；50%开花期HT使每穗实粒数减少42.68%、产量降低43.24%，表明该阶段热敏感性更高。所有BR处理均显著增加每穗总粒数、实粒数和产量，0.5 nM BR在50%开花期HT下使产量达到DW处理的2.12倍。田间条件下，0.5 nM BR在孕穗期使每穗总粒数和产量分别较DW增加22.47%和38.79%，在50%开花期通过增加每穗总粒数、实粒数和千粒重实现最高产量提升。

四、讨论与结论

讨论部分指出，KDML105在50%开花期对HT的敏感性高于孕穗期，这与该阶段直接涉及开花授粉和受精过程有关。HT导致膜去稳定化和脂质过氧化，引发过量活性氧（ROS）产生；同时破坏类囊体膜结构和功能，导致光合色素降解、PSII光化学效率下降和卡尔文循环活性受限。气孔限制导致CO₂扩散受阻，进一步降低碳同化能力，最终通过削弱源库关系和同化物转运导致产量下降。BR通过降低EL和MDA含量改善膜热稳定性，可能通过增强抗氧化酶活性减少ROS积累和脂质过氧化，并可能通过调节脂肪酸组成稳定类囊体膜。BR维持光合色素含量、恢复F_v/F_m并提升?F/F_m′，表明其促进叶绿素生物合成、防止叶绿素酶降解并稳定类囊体膜。BR增强的气孔导度有利于CO₂扩散和蒸腾降温。在产量层面，BR显著增加每穗实粒数、千粒重和产量，尤其在50%开花期效果突出，表明BR在保护受精过程和早期籽粒发育免受热损伤方面发挥关键作用。田间试验结果验证了低纳摩尔BR浓度在实际生产条件下的有效性，0.5 nM BR表现最佳。研究结论为：生殖期HT显著降低KDML105水稻的生理表现和籽粒产量，50%开花期损伤更为严重；BR叶面喷施通过减少膜损伤和维持光合性能改善籽粒产量，0.5 nM BR效果最稳定。低纳摩尔BR叶面喷施具有减轻水稻热致产量损失的潜力，尤其适用于50%开花期。