未来气候变化情景下江苏水稻高温热害模拟研究Ⅱ: 孕穗 - 抽穗期水稻对高温热害的适应性分析

利用经过校准和验证的CERES-Rice模型结合CMIP3数据下的A2和A1B两种方案2020s时段天气数据,通过改变播期(提前6d、12d、18d,推迟6d、12d、18d)和品种耐高温系数G4(G4=1.03、1.06、1.09、1.12、1.15),研究江苏地区孕穗-抽穗期水稻对高温热害的适应性。结果表明:(1)播期提前12d和18d,水稻生育期和开花期延长,与基准期(1961-1990年)相比,其产量增加较多;相反,播期推迟,水稻产量均以降低为主,生育期和开花期缩短。A1B情景下高邮增产最多,达13%,A2情景下吕泗增产最多,为14%。(2)当水稻耐高温系数G4值在1.09~1.15时,所有站点均增产,A1B情景下高邮增产最多,为11%,A2情景下赣榆增产最多,为7%,生育期和开花期均以延长为主。(3)采取播期提前12d同时改变品种参数G4为1.1时,产量增加最明显。可见,将播期适当提前并提高品种的耐高温系数可以提高水稻对高温热害的适应能力,研究结果对未来江苏水稻生产具有一定指导意义。     

胁迫和对照条件下水稻品种铅积累的差异

为选育籽粒中对Pb低积累或低吸收水稻品种提供依据,本研究采用盆栽试验方法,比较了不同类型水稻品种及植株不同部位在胁迫和对照条件下对Pb的吸收积累特性。结果表明,供试品种不同部位中Pb含量的变异系数较高,变幅在18.34%～35.57%。不同部位中Pb的含量差异明显,根系对Pb具有较强的积累能力。胁迫条件下,根系中Pb的平均含量为287.616mg·kg^-1,约是茎叶和糙米含量的58倍和1267倍;对照条件下,根系中Pb的平均含量为9.078mg·kg^-1,约是茎叶和糙米含量的3倍和50倍;胁迫条件下根系中Pb的含量是对照的36.34倍,而茎叶和糙米分别是对照的1.65倍和1.36倍。不同品种对Pb的积累能力存在显著差异,同一品种在胁迫与对照条件下对Pb的含量也存在明显差异,其中,宁54146对Pb胁迫较敏感。相关分析表明,对照和胁迫条件下,植株不同部位中Pb的含量均不存在相关性。     

大麦花药离体诱变及铝胁迫下的培养反应

2份大麦品系的离体麦穗经辐照处理后 ,其花药在铝胁迫培养基上诱导愈伤组织 ,愈伤组织在铝胁迫培养基上进行分化。试验结果表明 ,离体麦穗辐照处理显著降低花药离体培养的愈伤组织诱导率和而后的绿苗分化率 ,诱导培养基中的较高铝浓度胁迫降低愈伤组织诱导率 ,分化培养基中的铝胁迫降低绿苗分化率。辐照处理后花药在铝胁迫培养基上诱导形成愈伤组织并在铝胁迫培养基上分化形成绿苗。     

气候变暖背景下江苏省水稻热害发生规律及其对产量的影响

根据江苏省1960-2009年常规气象资料和1980-2009年水稻生育期观测数据,利用温度距平、气候倾向率和M-K检验法研究江苏省不同区域的气候变暖特征,并分析江苏省水稻热害的时空分布规律及其对产量的影响,探讨气候变暖对江苏省水稻热害发生的影响。结果表明:(1)江苏省水稻热害主要发生在拔节-孕穗期和抽穗-乳熟期,苏南地区发生频次最高,淮北和苏北沿海最少。(2)江苏省水稻热害发生频次有明显的13a和3a周期,前者为主周期,后者为副周期。(3)1960-2009年,江苏省平均气温倾向率为0.2775℃.10a-1(P<0.01),气候变暖明显;20世纪60年代气温开始下降,80年代达最低值,之后开始变暖,21世纪前10a达最高值;江苏省水稻热害发生趋势与气温变化基本一致,80年代发生次数最少,21世纪前10a发生次数最多。(4)7-8月平均气温高的年代,热害发生次数则多,淮北地区20世纪60年代气温最高,热害发生次数也最多,其它地区近10a气温最高,热害次数最多。(5)从年际变化看,气候偏暖的年份,水稻热害多,产量相应低,说明气候变暖是造成水稻热害频次上升、产量下降的重要原因。     

未来气候变化情景下江苏水稻高温热害模拟研究Ⅰ:评估孕穗-抽穗期高温热害对水稻产量的影响

将江苏省气候、土壤、水稻产量、田间试验等相关资料作为CERES-Rice模型的输入文件,通过校准和验证获得江苏水稻品种徐稻2号的遗传参数,利用WCRP耦合模式CMIP3的多模式数据下的A2和A1B两种方案,并结合CERES-Rice模型,模拟分析A2和A1B两种情景下2020s(2011-2040)时段不同高温强度及其持续时间的热害对水稻产量的影响。结果表明,CERES-Rice模型在江苏地区具有较好的模拟能力;A2和A1B两种情景下高温热害会使江苏省水稻产量下降,最高减产率为17%。高温强度一定时,高温持续日数越长,水稻减产率越大。高温持续日数一定时,温度越高对水稻造成的危害越重。可见,未来气候情景下孕穗-抽穗期高温热害将使江苏省水稻减产,研究结果可为合理制定江苏水稻生产防灾减灾措施提供理论支撑。     

优马归甲对水稻高温下结实率降低的减轻效应

频繁和不断加重的高温危害日益成为我国长江流域中稻生产的一大威胁,探讨高温发生时减轻危害程度的方法是水稻高温预防对策的重要组成部分[1-2].发生在水稻花粉母细胞减数分裂期至开花期间的高温危害,通过多方面机制影响水稻正常授粉,导致结实失败和结实率的大幅度降低.高温危害典型表现在早期影响水稻雄性器官的正常分化发育和花粉粒的健康成熟,并进而从保障足量高质量花粉和驱动花药开裂、散粉等后期功能过程影响结实.高温危害在生理上可能表现为一种活性氧介导的细胞膜和酶降解反应[3-5].生产上能否通过在水稻花器官形成前期施用外源活性物质,调节、诱导水稻生理状况,达到抵抗和减轻高温危害程度的效果,是一个十分值得探讨的问题[6-8].世界上仅有极有限试验报道少数生理活性物质具有有效降低水稻高温危害的例子[6].李文彬等[9]报道,硅对调节水稻在高温下开花和授粉效果明显.本研究采用上海优马公司一种含有有机硅和钾的新型制剂"优马归甲",通过叶面喷施,探讨其对水稻温度逆境危害的减轻效果.     

水稻高温热害强度时空变化特征与预报模型构建

构建定量表征水稻高温热害强度的指数,揭示时空变化特征,并建立中长期预报模型,准确预报高温热害发生的强度趋势对提前部署抗高温工作至关重要。该研究充分考虑高温热害累积效应,结合致灾指标,构建了强度指数,并采用Fisher分割法对其进行了客观化分级;根据中长期天气预报原理,基于海温和大气环流指数两类预报因子,利用二维寻优技术,分别构建了水稻高温热害强度指数预报模型,并进行了验证和比较。结果表明：1）2010年以来江苏水稻高温热害年频次增加且强度明显增强,其中2013年、2022年高温热害强度均达最高等级4级,高温热害强度指数存在明显的年代际差异,从20世纪90年代开始江苏省水稻高温热害强度逐年代增强,空间上呈现出高温热害强度指数年代累加值≥10的区域从南向北随年代逐步扩大,至21世纪10年代已扩展至淮北西部,其中淮河以南水稻高温热害强度增强明显,为历年代最强。2）构建的两类水稻高温热害强度指数预报模型可在7月初进行预报,预报提前量均为1～2个月,总体都能较好地模拟出强度指数的年际波动特征,但模拟值波动幅度与实际值存在不同程度的差异。3）通过拟合检验和试报检验,预报因子经过最优化相关技术处理后,能有效增加因变量和自变量的相关度,提高预报模型的模拟效果,其中海温因子经最优化处理后的高温热害强度指数预报模型效果最佳,可在农业气象业务服务中进行应用。研究结果对主动防御高温灾害和保障粮食安全具有重要科学意义和参考价值。     

黑芥与花椰菜体细胞杂种花粉母细胞的减数分裂不同步及染色体行为异常

本研究对黑芥与花椰菜体细胞杂种及其双亲的花粉母细胞减数分裂行为进行了观察和比较,结果表明黑芥与花椰菜的花粉母细胞减数分裂同步性很高,而其体细胞杂种表现出明显的减数分裂不同步,各杂种不同株系间减数分裂不同步的程度与跨度各异。减数分裂不同步发生是由于为部分花粉母细胞在减数分裂某一时期发生停滞或推迟,这一时期(或第一个停滞时期)主要发生在第一次减数分裂的前期。花粉母细胞发育虽不同步,但最后均完成减数分裂形成花粉粒,所形成的花粉粒的活性相差甚远。此外,研究结果还显示,体细胞杂种有着较高的减数分裂染色体行为异常频率,尤其是在中期Ⅰ后。主要表现为减数分裂中期Ⅰ的染色体的早迁、后期Ⅰ和后期Ⅱ的染色体滞后及染色体不均等分离、四分体时期的异常等现象。花粉粒的活性与减数分裂时期染色体行为异常程度有关,染色体行为异常及微核现象出现的频率越高,相对的花粉粒活力也越低。     

西南区域水稻关键生育期界限温度起始期的预测研究

保证作物安全生产是种植制度的根本要求,也是作物稳产、高产的基础。本文基于西南水稻种植区317个气象台站1961-2015年的日平均气温和最高气温资料,分析了近55年来该区域不同保证率下水稻安全播种期、水稻开花期高温热害和低温冷害的最早发生期,并建立了西南区域水稻各关键生育期界限温度起始期预测模型。预测结果表明：80%~95%保证率下,云南南部的水稻育秧安全播种期最早,平均在2月20日左右;云南北部、四川攀西南部和盆地中部、重庆大部和贵州部分地区在3月10日-4月10日;而其余大部地区在4月10日-5月20日。80%~95%保证率下中稻开花期高温热害主要发生在四川盆地、重庆、贵州北部和东南部,大部地区最早出现在7月15日-8月20日。80%~95%保证率下再生稻或晚稻开花期低温冷害最早出现在云南和贵州大部、四川攀西地区,平均在6月20日-7月15日;四川盆地西部、贵州东北部平均为8月1-20日;其余大部地区在8月20日-9月20日。基于纬度、经度和海拔高度建立的西南区域水稻各关键生育期界限温度起始期预测模型,简单实用,可为西南水稻安全生产、防灾减灾等提供理论依据。     

水杨酸对高温胁迫下水稻幼苗抗热性的影响

以"西农优1号"水稻品种为材料,研究了水杨酸(SA)预处理对高温胁迫下水稻幼苗抗热性的影响,结果表明:0.5 mmol·L-1 SA预处理可减缓水稻幼苗的电解质渗出,降低MDA含量和超氧阴离子产生速率,提高高温胁迫下水稻幼苗体内过氧化氢、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质、抗坏血酸和GSH的含量.表明SA预处理可提高高温胁迫下水稻幼苗的抗热性.     

水稻生育后期根系氮代谢生理活性变化的研究

以"两优培九"及其父本"9311"和"汕优63"为材料,测定不同水稻品种花后根系氮代谢相关酶[谷氨酰胺合成酶(GS)、谷-丙转氨酶(GPT)、谷草转氨酶(GOT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)]及蛋白水解酶活性、蛋白质和游离氨基酸含量、根系伤流液量以及伤流液游离氨基酸及糖含量.结果表明,"9311"的GPT和GDH活性高峰出现在开花前,GS和GOT峰值分别出现在花后第1、2周;"两优培九"除GS高峰在开花前,其余3种酶活性高峰均出现在花后1周;"汕优63"的4种酶活性高峰均出现在花后第2周."9311"和"两优培九"根系可溶性蛋白、游离氨基酸含量高峰出现在花后1周左右,"汕优63"的两峰值滞后于前两品种,分别推至花后第2周和第3周,这与3品种根系酶活性的变化趋势基本一致."两优培九"根系伤流液量的最大值出现在花后两周,早于"9311"和"汕优63"1周.伤流液的高峰和根系中游离氨基酸峰值相差1周,且滞后时间在品种间有所差别,"两优培九"相差1周,"9311"相差两周,而"汕优63"二者基本一致.3品种伤流液中"汕优63"糖含量显著高于其他两品种(P<0.01),而"9311"的氨基酸含量显著高于其他两品种(P<0.05).本试验结果表明,"两优培九"根系的氮代谢高峰早于其他两个品种,而峰值低于其他两品种,说明生育后期"两优培九"根系生理活性衰退早于其他两个品种;品种间根系的代谢高峰具有明显的强度和时间性差异;根系组织代谢高峰和伤流液峰值具有时间差,其差值因品种而异.     

不同类型水稻籽粒灌浆过程内源激素含量变化的研究

研究不同类型水稻籽粒灌浆特性及其与内源激素的关系结果表明,籽粒灌浆前期强势粒灌浆速率均高于弱势粒,后期则相反。新株型稻“IR_(65600-85)”强、弱势粒属异步灌浆型,导致弱势粒充实度更差。籽粒灌浆过程中内源激素含量变化为灌浆前期强势粒IAA及ABA含量较高,ABA/IAA、ABA/GA_(1 3)和ABA/(IAA GA_(1 3) ZR_S ABA)值均较高,而弱势粒则相反,尤以“IR_(65600-85)”弱势粒更突出,籽粒充实度最差,结实率较低。     

四川省水稻高温热害风险及灾损评估

高温热害是四川省最主要的农业气象灾害之一,研究高温热害对水稻的影响对于四川省农业可持续发展、保障水稻的安全生产具有重要意义。本文以1981—2015年四川省84个气象台站的逐日气象资料、农业气象观测站水稻生育期资料和县级水稻产量资料为基础,利用水稻高温热害指数,构建四川省水稻关键生育期和全生育期综合高温热害风险模型;分离水稻气象产量,建立高温热害影响下水稻气象产量与高温热害指数间的统计模型,开展1981—2015年四川省水稻高温热害风险和灾损评估。研究结果表明：四川省水稻抽穗扬花期,高温热害较高风险区和高风险区主要集中在盆地东北大部和盆地南部的个别地区,其中达州、广安和泸州的部分地区为高风险区。而低风险区主要分布在盆地西部、南部和川西南的大部地区。灌浆结实期,水稻高温热害较高风险区和高风险区主要集中在盆地东北和盆地南部的大部分地区,其中泸州大部、南充和宜宾的个别地区为高风险区。而低风险区主要分布在盆地北部、西部和川西南的大部地区。水稻全生育阶段高温热害较高风险区和高风险区主要集中在盆地东北和盆地南部的大部分地区,其中泸州、南充和达州的部分地区为高风险区。而低风险区主要分布在盆地北部、西部和川西南的大部地区。构建的水稻高温热害灾损评估模型简单实用,验证结果表明高温热害年水稻统计产量与模拟产量间的相对误差绝对值都小于1.5%,建立的模型能反映四川省高温热害对水稻产量的影响,同时能够较好地评估高温热害下四川省水稻的产量损失。进一步的灾损评估结果表明,高温热害危害下代表站点水稻的减产率为5.6%~10.2%。     

Nitrification of ammonium in different components of a flooded rice soil system

Nitrification associated with the various components [subsurface soil from unplanted and planted (rhizosphere) fields, standing water and surface soil from planted and unplanted fields and leaf sheath suspensions] of submerged rice paddies was examined in incubation experiments with solutions inoculated with soil or water samples. Substantial nitrification occurred in all samples, standing water and surface soil samples in particular, during their 40-day incubation with NH ₄ ⁺ –N. Almost all the NH ₄ ⁺ –N, disappeared during incubation with standing water, was recovered as NO _inf3 ^sup- –N. This, compared to 70–80% from all soil samples and only 29% from leaf sheath suspensions. Significant loss of nitrogen, especially from leaf sheath suspensions, is probably due to nitrification-denitrification as evidenced by its complete recovery in the presence of N-Serve. Nitrification potential of the soil and water samples varied with the crop growth stage and was more pronounced at tillering and panicle inititation stages than at other stages. Nitrification potential of samples from green-manure-amended plots was distinctly less than that of samples from control and urea-amended plots. Most probable number (MPN) estimates of ammonium-oxidizing bacteria were always higher in surface soil in both planted and unplanted plots at all stages of crop growth.Dedicated to Professor J. C. G. Ottow on the occasion of his 60th birthday     

水稻生育后期根系响应氮肥调控的蛋白作用机制分析

以大穗型水稻‘金恢809’为试验材料,设置前氮后移(施氮量的30%作基肥,30%作蘖肥,30%作穗肥,10%作粒肥)及传统氮肥(施氮量的40%作基肥,30%作蘖肥,30%作穗肥)施用两种处理,并采用双向电泳技术分析了水稻生育后期根系对前氮后移调控的蛋白响应机制。通过构建的不同氮肥处理下水稻开花后15 d根系蛋白2-DE电泳图谱,并结合MALDI-TOF/MS分析,共成功鉴定到57个出现差异表达的蛋白,其中40个在前氮后移处理下上调表达,17个下调表达。依据其蛋白功能可以归为12类,主要涉及信号转导,氨同化,胁迫与防御,糖酵解,三羧酸循环,氨基酸代谢、蛋白合成及折叠等代谢途径。研究发现水稻生育后期根系GTP结合的核蛋白、GDP解离抑制因子、液泡型H+-ATP酶亚基C会响应氮肥的调控而出现表达变化,并将信号传递到电压依赖性离子通道蛋白、液泡型ATP酶亚基C以及膜联蛋白p35,进而调节根系细胞间物质运输与信息的传递。本研究结果还表明,前氮后移的施肥方式,通过适当增加水稻生育后期氮肥的施用,调节根系糖类转换、糖酵解及三羧酸循环相关蛋白的表达,增加了根系ATP的供应;通过增强根系中清除过氧化氢系统及防御相关蛋白的表达,延缓了根系的衰老;通过上调谷氨酸脱氢酶、天冬氨酸转氨酶和谷氨酞胺合成酶的表达丰度,促进了根系对土壤中氮元素的吸收与转运。研究结果对于进一步明确水稻根系响应氮素调控的分子生态特性具有重要的理论与实际意义。     

水稻生育后期剑叶氮代谢相关酶活性及动力学变化

以超级杂交稻"两优培九"为试验材料,"汕优63"和"9311"为对照,研究了水稻开花后剑叶叶片中有关氮代谢相关酶类[硝酸还原酶(NR)、谷氨酰氨合成酶(GS)、谷-丙转氨酶(GPT)、谷-草转氨酶(GOT)、谷氨酰氨脱氢酶(GDH)、蛋白水解酶(proteinase)]活性及部分酶动力学变化,同期测定了可溶性蛋白和游离氨基酸含量变化及穗部农艺性状,旨在了解超级杂交稻品种与其常规亲本及对照品种在生育后期与氮代谢相关酶活性及动力学变化的内在规律性,为杂交稻生育后期的氮代谢调控提供科学依据。结果表明,花后1周为3个品种剑叶叶片中有关氮代谢酶活性的高值持续期,接着进入速降期。不同品种间NR、GS、GPT和GDH活性及活性高值期具有显著性差异。花后1周"两优培九"具有较高的GS和GDH活性;花后7~14 d"汕优63"的NR和GS活性显著高于"9311"和"两优培九",灌浆后期其GS、GDH活性和活性高峰,也均高于和迟于其他2个品种;"9311"在开花和灌浆初期具有较高的转氨酶活性和催化活性,其氮代谢的启动早于其他2个品种。生育后期GDH和GOT的活性变化说明氧化脱氨可能是水稻体内的主要脱氨方式。生育后期NR和GS活性与其催化活性呈非线性关系,GPT在花后14 d催化活力表现最低,在灌浆后期3种酶仍具有较高的催化活力。叶片可溶性蛋白及ATPase变化说明,酶蛋白量是制约水稻生育后期有关氮代谢的酶活性和影响后期氮素代谢的重要因素之一,叶片的能量状态是影响生理活性发挥的重要限制因子。从主要酶活性变化、籽粒灌浆速率和穗部性状看,生育后期种间杂交种("汕优63")比亚种间杂交种("两优培九")具有较高的叶生理活性和较强的籽粒灌浆优势。     

结实期土壤水势对水稻籽粒品质及其粒间差异的影响

为探讨结实期土壤水分对水稻籽粒品质的影响, 以中熟籼稻“扬稻6 号”和中熟粳稻“扬粳9538”为材料, 在盆栽条件下, 研究了不同土壤水势(0 kPa、-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa)对水稻籽粒品质的影响, 并进一步探讨了不同粒位间的差异。结果表明, 结实期土壤水分对稻米籽粒品质有较大影响, 且影响程度因品种、粒位不同而异。与对照(0 kPa)相比, 土壤轻度胁迫(土壤水势在-15~-30 kPa 之间)籽粒的精米率、整精米率和崩解值增加, 垩白度和消碱值降低; 不同粒位间比较, 土壤轻度胁迫对水稻穗上二次枝梗或同一枝梗上较迟开花籽粒的影响较大。随土壤水势进一步降低稻米品质变劣。在0 ~ -45 kPa 范围内, 随土壤水势的降低,粗蛋白含量和胶稠度增加。灌浆期土壤轻度落干(土壤水势在-15 ~-30 kPa)有利于稻米品质的改善。     

灌浆期不同光强对水稻不同粒位籽粒品质的影响

为探讨灌浆期光照强度对水稻籽粒品质的影响及在不同品种类型和粒间差异,揭示弱光下水稻籽粒充实不良和米质变劣的生理机制,本文以代表性的超级稻品种"扬两优6号"和"武运粳23"为材料,以穗中部不同粒位籽粒为研究对象,以自然光强为对照,设置3种弱光处理(光强分别为对照的71%、55%和40%),研究了灌浆期不同光照强度对稻米品质的影响。结果表明:1)灌浆期光照强度对稻米品质影响较大,光强减弱稻米品质变劣,光照对米质形成的影响因光照强度大小、品种类型和籽粒着生位置不同而存在差异,同枝梗上迟开花籽粒稳定性较差,早开花籽粒稳定性较好。2)随光照强度降低,整精米率和直链淀粉含量降低,垩白度增加,不同光强下一次枝梗籽粒变化幅度大于二次枝梗籽粒;光强越弱,崩解值越低,消减值和粗蛋白含量越高,稻米蒸煮食味品质变差。3)生产上应因品种类型合理安排播期,通过栽培措施改善稻株受光条件,减轻光照不足对稻米品质形成的影响。