开花期高温胁迫下灌溉方式对水稻光温敏核不育系开颖与雌蕊受精障碍的调控作用及其机制

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以水稻光温敏核不育系为代表的“两系法”杂交水稻具有与恢复系配组自由、育种程序简单、杂种优势强等优点,对我国粮食安全发挥着重要的作用。然而,随着近年来全球温室效应的加剧,高温危害频发,且往往发生在水稻开花期,导致水稻光温敏核不育系开颖障碍以及雌蕊无法正常受精,进而导致结实率大幅下降,制种产量严重降低。因此,提出缓解开花期高温胁迫对水稻光温敏核不育系危害的有效调控途径与技术,对于保障“两系法”杂交稻的制种安全具有重要的意义。灌溉方式是水稻生产中的关键栽培调控措施,但关于不同灌溉方式是否对高温胁迫下水稻光温敏核不育系开颖与雌蕊受精障碍有调控作用?相关的生理机制是什么?均不清楚。本研究以2个水稻光温敏核不育系(新安S、荃211S)为材料,以常规籼稻品种扬稻6号作为恢复系(父本)用于授粉,在抽穗开花期设置常温(NT)和高温(HT)处理,每个温度处理下设置供水充足(WW)和轻度土壤落干(MD)2种灌溉方式,探究了不同灌溉方式对高温胁迫下水稻光温敏核不育系开颖与雌蕊受精障碍的调控作用及其生理机制。主要结果如下:1.开花期HT胁迫导致水稻光温敏核不育系受精率与制种产量大幅降低的重要原因是颖花开颖和雌蕊受精障碍;MD处理能够有效缓解开花期HT胁迫下水稻光温敏核不育系开颖和雌蕊受精障碍,进而提高不育系的结实率、受精率和制种产量。2.与WW处理相比,MD处理主要通过改善水稻光温敏核不育系根系与冠层性状进而减轻开花期HT胁迫对水稻光温敏核不育系的危害。具体表现在:(1)MD处理较WW处理显著降低了冠层相对湿度、叶片渗透势以及叶片表面温度;(2)显著提高了叶片光合速率、蒸腾速率、气孔导度、根系活力、根冠比以及根干重。3.在开花期HT胁迫下,MD处理较WW处理显著提高了水稻光温敏核不育系浆片中茉莉酸(JA)、茉莉酸甲酯(MeJA)的含量,进而提高浆片渗透调节能力(浆片中α-淀粉酶活性显著提高,可溶性糖含量与水通道蛋白基因的表达水平显著增加),促进浆片吸水膨胀,提高颖花开颖率和开颖角度,从而提高水稻光温敏核不育系的受精率、结实率和制种产量。4.在开花期HT胁迫下,MD处理较WW处理能显著提高水稻光温敏核不育系柱头的双边外露率和受精率,进而缓解开花期HT胁迫导致的雌蕊受精障碍。其原因主要有:(1)MD处理较WW处理能显著提高雌蕊中还原型谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸(AsA)、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的含量以及AsA/DHA、GSH/GSSG、NADPH/NADP+的比值,进而可及时清除HT胁迫下雌蕊中产生的大量ROS(H2O2);(2)MD处理较WW处理显著提高了雌蕊中琥珀酸脱氢酶(SDH)和细胞色素C氧化酶(CCO)的活性以及三磷酸腺苷(ATP)的含量,进而为雌蕊能够更好地完成受精活动(柱头双边外露率增加)提供较为充足的能量。以上结果表明,MD能够有效改善水稻光温敏核不育系根系与冠层性状、提高浆片或雌蕊中茉莉酸类含量、抗氧化能力、渗透调节以及能量水平等,进而缓解HT胁迫导致的水稻光温敏核不育系开颖与雌蕊受精障碍,提高杂交制种产量。
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