高温干旱复合胁迫对夏玉米产量及光合特性的影响

【目的】气候变化导致全球变暖,高温、干旱等极端天气频发,且生产中高温干旱时常相伴发生。本研究旨在探讨不同生育时期高温干旱复合胁迫影响夏玉米产量和光合特性的生理机制。【方法】选用DH605为试验材料,设置不同生育时期高温(T)、干旱(D)以及高温干旱复合(T-D)处理。2019年于三叶期(V3)、拔节期(V6)和抽雄期(VT)进行,2020年于三叶期(V3)、大喇叭口期(V12)和抽雄期(VT)进行,以自然温度和正常水分处理为对照(CK)。研究不同生育时期高温干旱复合处理对夏玉米产量、光合特性以及干物质的积累与分配的影响。【结果】不同生育时期高温干旱复合胁迫处理后,夏玉米LAI和SPAD值均显著降低,光合性能下降,净光合速率(P_(n))显著降低。其中VT时期复合胁迫对P_(n)影响最显著,VT时期的T-D处理的P_(n)较CK平均下降39.0%,且高温干旱复合处理后夏玉米净光合速率的下降幅度大于高温、干旱等单一胁迫。高温干旱复合处理引发夏玉米光合性能降低,导致夏玉米干物质积累能力及向籽粒分配比例的下降,进而导致产量显著降低。2019年V3、V6、VT时期的T-D处理的产量较CK分别降低27.4%、18.3%和66.5%;2020年V3、V12、VT时期的T-D处理的产量较CK分别降低14.5%、14.6%和68.7%。【结论】不同生育时期的高温干旱复合胁迫导致夏玉米叶面积指数和叶绿素含量降低,气体交换受抑制,光合性能下降,导致光合同化物的积累与分配受阻,产量显著降低。其中,抽雄期遭受高温干旱复合胁迫后对夏玉米产量和光合特性的影响最大,且复合胁迫对其影响大于单一胁迫。

利用日光诱导叶绿素荧光估算高温干旱复合胁迫下夏玉米生理生态参数

高温和干旱会对农业生产活动及陆地生态系统产生严重威胁,并最终对经济和社会发展产生不利影响。本研究以夏玉米为研究对象,开展高温干旱复合胁迫田间试验,首先对比分析各胁迫处理下夏玉米形态和生理生态响应特征,之后引入日光诱导叶绿素荧光(SIF),探究各胁迫处理下夏玉米冠层SIF值日变化和不同生育阶段变化特征,最终揭示SIF值与生理生态参数之间的关联性。结果表明,高温、干旱以及高温干旱复合胁迫均会抑制夏玉米株高和叶面积,造成产量下降。在生理生态参数方面,各胁迫处理下夏玉米叶片含水量(LWC)和叶绿素含量的变化规律基本一致,随各胁迫程度的加重总体均呈现逐渐下降趋势。夏玉米冠层SIF值在日尺度上呈现“单峰”型变化特征,在不同生育阶段呈现逐渐下降趋势。基于2/3的冠层SIF值与对应LWC、叶绿素含量之间构建的线性模型的R^(2)值分别为0.837和0.509(P<0.05);且基于上述线性模型和1/3的冠层SIF值估算的LWC和叶绿素含量估算值与实测值之间拟合的R^(2)值分别为0.827和0.726(P<0.05),验证了利用SIF值估算高温干旱复合胁迫下夏玉米生理生态参数(LWC和叶绿素含量)的可靠性。

灌浆前期高温干旱复合胁迫对优质食味粳稻产量与穗后物质生产特征的影响

【目的】研究灌浆前期高温干旱复合胁迫对优质食味粳稻产量与穗后物质生产特征的影响,为优质稻丰产抗逆栽培技术集成创新提供理论参考。【方法】以优质食味软米南粳9108和丰粳1606为试验材料,在抽穗后1~20 d设高温干旱(HD)、高温常规水分管理(HC)、常温干旱(CD)、常温常规水分(CK)4个处理,研究灌浆前期高温干旱复合胁迫对水稻产量、穗部性状及穗后干物重积累、转运特征的影响。【结果】着粒密度、千粒重、结实率、产量及收获指数在各处理间均表现为HD<HC<CD<CK,结实率、产量在各处理间差异极显著(P<0.01,下同),其余指标在HD与HC间差异不显著(P>0.05,下同),但均与CD、CK差异显著(P<0.05,下同)或极显著,除结实率和千粒重外,CD与CK差异不显著。一次或二次枝梗上的实粒数、实粒重、千粒重与结实率在不同处理间均表现为HD<HC<CD<CK,一次枝梗实粒数占比及实粒重占比表现相反趋势且均高于二次枝梗,其中一次、二次枝梗结实率在不同胁迫处理间差异极显著,HD、HC处理的实粒数、实粒重与CD、CK差异显著或极显著,CD与CK大多差异不显著。穗后不同时期各处理间地上部干物质积累量均表现为HD<HC<CD<CK,南粳9108 HD、HC和CD处理下穗后50 d的地上部干物质积累量较CK分别降低12.9%、10.7%和2.4%,2个品种穗后10~20 d干物质积累量增速最快,穗后30~50 d增幅平缓。各处理下单穗干重增速随抽穗后时间段推延而降低,且不同处理间均以HD、HC显著低于CD、CK。穗后干物质转运量、转运率及贡献率在不同处理间均表现为HD<HC<CD<CK,HD、HC间差异不显著,均与CD、CK差异极显著,CD与CK差异极显著。随穗后生育期推移,水稻剑叶SPAD值、净光合速率下降,净光合速率在不同处理间表现为HD<HC<CD<CK,SPAD值变化趋势与之相反。通径分析结果表明,一次枝梗各指标对水稻产量的直接系数和间接系数均大于二次枝梗,其中以一次枝梗实粒重对产量的直接和间接作用最大,其次为结实率。【结论】穗后20 d内高温干旱复合胁迫及单一高温、干旱胁迫主要通过降低结实率造成水稻减产,以一次枝梗实粒重对产量的直接和间接作用最大。相比南粳9108,丰粳1606对高温、干旱较钝感。干旱胁迫主要通过缩短灌浆时间减少穗部充实,高温及高温干旱复合胁迫通过降低灌浆速率与缩短灌浆时间双重影响穗部充实,故高温干复合胁迫、单一高温胁迫对水稻物质生产特性及产量的影响大于单一干旱胁迫。

一氧化氮对高温与干旱复合胁迫下小麦叶片Rca基因表达及Rubisco活性的影响

以小麦(Triticum aestivum L.)品种豫麦49为材料,研究了高温、干旱及高温干旱复合胁迫对小麦叶片Ru BP羧化酶(Rubisco)、Rubisco活化酶(RCA)活性及Rubisco活化酶基因(Rca)表达的影响及外源一氧化氮(NO)的调节效应。结果表明,干旱和高温干旱复合胁迫导致小麦叶片的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)活性降低,而高温胁迫下SOD和CAT活性升高。NO预处理能显著增强干旱及高温干旱复合胁迫下的抗氧化酶活性。编码RCA不同亚基的基因(Rca a和Rca b)对不同逆境胁迫的响应存在差异,干旱、高温和高温干旱复合胁迫导致Rca a基因的表达水平分别降低97%,92.31%和84.93%,Rca b的转录水平则在高温和高温干旱复合胁迫下分别比对照升高了26.14和28.02倍。NO预处理使干旱胁迫下Rca a的表达增加了38.42倍,Rca b的表达增加了32.74倍,使高温干旱复合胁迫下Rca b的表达水平提高了30.39%。遭受干旱、高温及二者复合胁迫后,小麦叶片的RCA活性、Rubisco初始活性、总活性以及Rubisco活化状态明显下降,而采用NO预处理不同程度地提高了干旱、高温及高温干旱复合胁迫下小麦叶片的RCA活性及Rubisco酶的初始活性、总活性与活化状态,使其在逆境下保持较高的叶绿素含量(SPAD值)和光合速率。总之,NO能够通过增强抗氧化酶活性和调节Rca基因表达,提高RCA和Rubisco活性,缓解高温干旱复合胁迫对小麦叶片的光合作用的损伤。

H_2O_2和ABA对干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护基因表达的影响

为确定H2O2和脱落酸(ABA)对干旱高温复合胁迫诱导的苗期玉米(Zea mays L.)叶片抗氧化防护系统的影响,利用玉米ABA缺失突变体vp5及其野生型Vp5为试验材料,在不同胁迫下使用H2O2清除剂KI,ABA抑制剂钨酸钠(T)预处理后,测定了体内4个抗氧化防护基因SOD4,GR1,CAT1和cAPX的表达.结果显示:(1)与对照相比,干旱、高温和干旱高温复合胁迫均显著增加了SOD4,GR1,CAT1和cAPX等4个基因的表达,但除CAT1外,干旱高温复合诱导的增加量最高,其次是高温的;(2)KI和T预处理均明显抑制了干旱、高温和干旱高温复合胁迫诱导的4种抗氧化防护基因的表达;(3)与无ABA处理的vp5植株相比,100μmol ABA预处理均明显提高了干旱、高温和干旱高温复合胁迫诱导的4种抗氧化防护基因的表达水平.结果还表明,在干旱高温复合胁迫条件下,H2O2和ABA参与了抗氧化防护基因表达的调控,表明了H2O2和ABA是干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护系统的重要调控因子.

H_2O_2和ABA对干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片sHSPs表达的影响

以玉米脱落酸(ABA)缺失突变体vp5及其野生型Vp5的叶片为材料,分别采用ABA、碘化钾(H2O2清除剂)、钨酸钠(ABA抑制剂)预先处理,对干旱+高温复合胁迫下玉米叶片小热休克蛋白(sHSPs)基因表达进行研究,以确定H2O2和ABA对干旱+高温复合胁迫诱导的玉米叶片sHSPs基因表达的影响。结果显示:(1)与对照和干旱相比,高温、干旱+高温复合胁迫显著诱导了sHSP16.9、sHSP17.2、sHSP17.4、sHSP17.5、sHSP22和sHSP26等6种sHSPs的表达。(2)H2O2清除剂KI和ABA抑制剂钨酸钠预处理,仅略微抑制高温、干旱+高温复合胁迫诱导的6种sHSPs表达。(3)与未用100μmol/L ABA预处理的vp5相比,100μmol/L ABA预处理仅略微提高了高温、干旱+高温复合胁迫诱导的6种sHSPs的表达水平。研究表明,在干旱+高温复合胁迫条件下H2O2和ABA参与了干旱+高温复合胁迫诱导的玉米叶片sHSPs表达,但并无显著影响,暗示了H2O2和ABA不是干旱+高温复合胁迫诱导sHSPs表达的重要调控因子。

干旱高温复合胁迫下sHSPs基因在不同耐旱性玉米中的表达差异及其对ABA和H_2O_2的响应

以4个玉米(Zea mays L.)品种——‘郑单958’(耐干旱)、‘浚单20’(耐高温)、‘隆玉602’(耐干旱高温复合胁迫)和‘驻玉309’(对3种胁迫均敏感)为实验材料,分别采用脱落酸(ABA)及其抑制剂氟定酮(F)、H2O2及其清除剂碘化钾(I)和丙酮酸钠(P)预处理,探讨干旱高温复合胁迫下小热休克蛋白(sHSPs)在不同耐旱性玉米品种中的表达以及ABA和H2O2对其表达的影响。结果显示:(1)高温、干旱高温复合胁迫诱导的sHSP16.9、sHSP17.2、sHSP17.4、sHSP17.5、sHSP22和sHSP26等6个sHSPs基因表达增加量明显高于干旱和对照。(2)在6个sHSPs中,sHSP17.2基因仅在‘郑单958’中表达;sHSP16.9、sHSP17.4和sHSP26基因在‘隆玉602’中表达增加量最高,在‘驻玉309’中表达增量最低;sHSP17.5和sHSP22基因在‘郑单958’中表达增加量最高,在‘驻玉309’中最低。(3)ABA、F、I和P预处理后,对干旱高温复合胁迫诱导的6个sHSPs基因表达增加量仅有略微影响,但显著影响了sHSP26的蛋白表达。研究表明,sHSPs在不同耐旱性玉米品种中的表达存在显著差异,ABA和H2O2仅稍微提高了sHSPs基因表达,但显著提高了sHSP26蛋白表达,这些结果为进一步研究植物在多胁迫条件下耐逆机理奠定了基础。

高温干旱胁迫下水稻花器官中敏感基因的筛选

以水稻品种N22为材料,通过数据库检索和文献挖掘,筛选出47个在高温胁迫和高温干旱复合胁迫下在花药和授粉雌蕊中均差异表达的敏感基因,并对其进行表达模式分析和生物信息学分析。结果显示:47个敏感基因主要富集到HSP20、HSP70、四肽重复、ClpA/B、DnaJ、FKBP型肽脯氨酰顺反异构酶和EF–hand蛋白结构域,且绝大多数敏感基因在高温胁迫和高温干旱复合胁迫下的花药和授粉雌蕊中表达上调,有利于水稻花器官对抗胁迫诱导的胞内蛋白损伤;47个敏感基因主要参与了与胁迫相关的生物学过程和代谢途径,与类固醇激素受体的HSP90伴侣循环和蛋白质甲基化也有关。通过预测,获得13个敏感基因的28个上游miRNAs,其中osa–miR164、osa–miR156和osa–miR5162可能是水稻生殖期间逆境胁迫下对水稻育性、抽穗、衰老以及磷脂代谢中起关键作用的miRNAs。

干旱高温胁迫下转基因水稻的生理变化(英文)

用PEG-6000、38℃及PEG-6000+38℃胁迫处理携带谷胱甘肽转移酶(GST)和过氧化氢酶(CAT1)的转基因水稻和非转基因水稻(Oryzasativa L.cv中花11),并比较分析了二者在胁迫下的生理指标和抗氧化酶活性变化.结果显示,在单一PEG及PEG和高温复合胁迫下,植株生长、光合参数和相对含水量的降低幅度及H2O2和MDA(malon dialdehyde)的积累量在非转基因水稻与转基因水稻之间都有显著差异.在这2种胁迫下,转基因水稻的可溶性糖含量及CAT和POD(Peroxidase)活性与非转基因水稻也有显著差异.这些结果表明,谷胱甘肽转移酶(GST)和过氧化氢酶(CAT1)的表达减轻了转基因水稻在单一干旱及干旱+高温复合胁迫下的伤害.

转GST和CAT1基因水稻根系抗氧化系统对干旱高温胁迫的响应(英文)

以携带谷胱甘肽转移酶(GST)和过氧化氢酶(CAT1)的转基因水稻和非转基因水稻(Oryza sativa L.)品种‘中花11’的根系为材料,比较分析了二者在PEG6000、38℃及PEG6000和38℃复合胁迫下抗氧化系统特别是抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统的变化。结果显示,6%PEG处理时,转基因水稻的CAT、GST、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶(GR)和脱氢抗坏血酸还原酶(DHAR)的活性都显著高于非转基因水稻;38℃处理时,前者的CAT、GST、SOD和GR的活性则显著低于后者;6%PEG和38℃复合处理时,前者的CAT、GST、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和DHAR的活性也都显著高于后者,但前者的SOD和GR活性则显著低于后者。6%PEG诱导的转基因水稻根系的抗坏血酸氧还状态显著低于非转基因水稻,但二者的谷胱甘肽氧还状态无显著差异;而6%PEG和38℃同时处理时,转基因水稻的谷胱甘肽氧还状态则显著高于非转基因水稻,但二者的抗坏血酸氧还状态差异不显著。研究发现,干旱和高温复合胁迫时,转基因水稻和非转基因水稻的抗氧化组分的变化均不等于这2种单一胁迫的叠加;GST和CAT1基因的转入对水稻抗氧化系统内源功能相关组分尤其是抗坏血酸-谷胱甘肽循环系统产生了一定的影响,两种水稻的根系可能利用不同的抗氧化组分调节机制对这些胁迫做出应答。

高温和干旱对水稻的影响及其机制的研究进展

高温和干旱是影响水稻生长、发育、产量和品质的两个最重要的环境因子,全面理解高温和干旱胁迫对评价气候变化对水稻生产的影响至关重要。概述了高温、干旱及其复合胁迫对水稻生长发育、产量形成和稻米品质的影响;从光合作用、抗氧化系统、内源激素、蔗糖-淀粉代谢途径关键酶活性、分子机制等方面阐述其生理机制;提出减轻水稻高温干旱胁迫的调控措施;对未来深入开展水稻高温干旱逆境的研究提出建议。