镧（LA）在芳族水稻中提高生长，产率形成和2-乙酰基-1-吡咯啉生物合成（栽培稻L.）

背景

镧(La)是影响植物生长发育的稀土元素。然而，La对香稻生长、产量形成和2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP，一种负责水稻香气的关键化合物)生物合成的影响栽培稻l .无性系种群。japonica.加藤)没有报道。因此，本研究通过3个试验研究了La对香稻生长、光合作用、产量形成和2-AP生物合成的影响。

结果

采用2个盆栽试验和2年大田试验，分别以20 ~ 120 LaCl施用量进行试验_3.Mg kg.⁻¹和12 kg ha⁻¹LaCl_3.），没有LA应用的处理用作对照。结果表明LACL的应用_3.在80和100毫克公斤⁻¹在12公斤哈⁻¹与对照相比，芳香水稻幼苗和成熟籽粒中2-AP含量显著提高(提高6.45 ~ 43.03%)。La处理也提高了水稻幼苗叶绿素含量、净光合速率和总地上生物量。La处理的抗氧化酶(超氧化物酶、过氧化物酶和过氧化氢酶)活性均高于对照组。与对照相比，La处理也提高了香稻产量、每穗粒数和结实率。此外，La处理显著降低了籽粒脯氨酸、γ-氨基丁酸含量和甜菜醛脱氢酶活性。施用La可使土壤中脯氨酸脱氢酶活性提高20.62 ~ 56.95%。

结论

La通过增加脯氨酸向2-AP的转化，降低GABald向GABA的转化，促进芳香水稻的生长、产量形成和2-AP含量，促进2-AP的生物合成。

芳香大米(栽培稻L.)以其特有的香气闻名于世，深受消费者的喜爱，在许多国际市场上都吸引了高价[1，2，3.，4]．香米中的芳香族化合物非常复杂，以往研究中在香米中检测到的挥发性物质有200多种[5]．近年来，已经明确确定了2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）是芳族水稻中的关键香料化合物，其赋予其特征性香气[6，7]．

香稻2-AP的生物合成是一个较为明确的过程。以往研究发现，2-AP的形成与脯氨酸和γ-氨基丁酸(GABA)密切相关。2002年，吉桥等人[8]通过同位素示踪试验表明脯氨酸是2-AP的氮源。Mo等人[4]表明，2-AP含量与香米脯氨酸和GABA均呈正相关。陈等人[9]的研究表明，香稻中2-AP的生物合成被抑制BADH2基因;该基因编码甜菜碱醛脱氢酶(BADH)，该酶催化γ-氨基丁基醛(GABald)转化为GABA而不是2-AP。此外，Mo等人的研究。10.]表明，芳香水稻中的2-AP主要由脯氨酸在脯氨酸脱氢酶(PDH)的催化下转化而来。

镧(La)是一种稀土元素，其中包括17种物理化学性质相似的元素[11.]．早期的研究表明，外源La通过降低氧化应激和增加叶绿素含量显著改善了水稻的铜毒性[12.]．梁等人[13.]发现，施用La显著提高了酸雨胁迫下水稻质膜H + - atp酶活性。Liu等人[14.]表示外源性洛杉矶^3＋通过抗氧化系统的诱导调控，影响水稻根系中过氧化氢、超氧阴离子和丙二醛的浓度。Wang等人[15.还证明了lacl的组合_3.酸雨显著提高了水稻植株的净光合速率、气孔导度、Hill反应活性和羧化效率。因此，La对水稻生长发育具有多重影响。

2016年，Mo等人。[10.]的结果表明，在基本培养基中添加La能提高水稻离体芳香穗的PDH活性和2-AP含量体外。LA可能具有增强2-AP生物合成的能力和用于芳香水稻生产的可能性，以培养高度芳族水稻。然而，没有额外的研究La对芳烃生长性能的影响。此外，在外源La申请下2-AP形成调节的机制仍未探索。

因此，本研究以La可以提高香稻籽粒产量和2-AP含量为假设，旨在研究La对香稻2-AP生物合成的影响机制。

镧对芳香水稻幼苗生长性能的影响

LA对土壤的应用显着影响了芳烃幼苗的2-AP含量（图。1)．与CK相比，LA治疗（LA2，LA3和LA4治疗）显着改善了2-AP含量，增长11.10-41.01％和11.10-23.38％美乡广州2和襄祥广州， La3和La4处理的含量最高。此外，我们观察到La5处理的2-AP含量突然下降美乡广州2和襄祥广州与La3、La4处理相比。这可能是由于La5处理土壤中La的含量超出了香稻的适宜范围，造成了金属毒性。在幼苗质量方面，与不含La的土壤相比，在含La土壤中生长的香稻幼苗鲜重、干重和茎粗均有显著提高(表1)1)．与CK相比，La3和La4处理鲜重(6.00 ~ 13.68%)、干重(5.98 ~ 19.45%)和茎粗(5.43 ~ 9.74%)显著提高。

镧对香稻产量及产量相关性状的影响

在第2和第3次试验中，施用La对香稻产量及产量相关性状均有影响2和表3.)．为Meixianghan-2试验2中，与CK相比，La80处理显著提高了籽粒产量(提高了12.22%)，La80和La100处理显著提高了每穗粒数、结实率和总产量。为襄祥广州试验2中，与CK相比，La80和La100处理的籽粒产量和总产量分别提高了9.33 ~ 10.34%和15.16 ~ 17.19%。与CK相比，La100和La80处理也显著提高了每穗粒数和结实率。在大田(第三次试验)，与CK相比，La处理2018年和2019年的籽粒产量均显著提高3.84 ~ 10.73%美乡广州2和襄祥广州。与CK相比，LA治疗也显着增加了每穗的谷物数量，达到9.28-19.48％。此外，在LA处理中记录了略高的种子设定率，而不是CK在两年内和两个品种。然而，CK和LA治疗在任一生韧带数或1000粒重量之间没有显着差异。

La应用对芳烃叶绿素含量的影响

施La显著提高了香稻叶绿素含量(图1)。2＆ 图。3.)．在第2次试验中，分蘖期各处理(包括CK)的SPAD值均无显著差异。在孕穗期、抽穗期和灌浆期，La80和La100处理的SPAD值较CK提高了7.45 ~ 13.57%，成熟期，La80和La100处理的SPAD值略高于CK。第三次试验中，孕穗期、抽穗期和灌浆期，La处理的SPAD值比CK处理高4.32 ~ 18.95%。与CK相比，La处理也略微提高了成熟期的SPAD值。

La应用对芳烃净光合速率的影响

施La显著提高了香稻的净光合速率(图1)。4＆ 图。5)．在第2次试验中，分蘖期各处理(包括CK)的净光合速率均无显著差异。在孕穗期、抽穗期和灌浆期，La80和La100处理的净光合速率较CK提高了7.45 ~ 14.08%，成熟期，La80和La100处理的净光合速率略高于CK。第三次试验中，孕穗期、抽穗期和灌浆期，La处理的净光合速率比CK高4.98 ~ 18.41%。与CK相比，La处理也略微提高了成熟期的净光合速率。

LA应用对芳烃干物质积累的影响

La Application在现场实验中显着增强了芳族水稻中的干物质积累（图。6)．为Meixangzhan-22018年，孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟期，La处理地上总生物量分别比CK高14.33、18.41、17.69和16.83%。为襄祥广州2018年，孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟期，La处理地上生物量总量分别比CK高8.74、11.76、10.79和11.66%。为美乡广州22019年，与CK相比，La处理4个生育阶段的总地上生物量分别显著增加11.69、18.15、21.15和22.14%;为襄祥广州2019年，与CK相比，La处理4个生长期的总地上生物量分别显著增加了18.12、20.53、20.96和19.40%。

洛杉矶应用对芳烃中MDA的SOD，POD和CAT和含量的影响

如图所示。7， La用量影响了MDA含量，诱导调节了抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性。分蘖期SOD、POD、CAT活性及MDA含量CK与La处理无显著差异。与CK相比，La处理从孕穗到成熟期SOD、POD和CAT活性分别提高了10.86 ~ 23.08%、8.89 ~ 24.44%和7.14 ~ 36.37%。从孕穗到成熟期，La处理的MDA含量比CK低8.26 ~ 24.83%。

镧对香稻2-AP含量及2-AP生物合成的影响

在第二实验中，在La的土壤中生长的芳族水稻植物显示出更高的晶粒2-AP含量（图。8,无花果。9,无花果。10.和表格4)．为美乡广州2，LA40，LA80和LA100处理基本上将晶粒2-AP内容物增加12.61,27.53,26.72％与CK中的颗粒;为襄祥广州，28.36,37.62和43.03％较高的2-AP内容物于LA40，LA80和LA100治疗中记录于CK。如图所示。10.La对2-AP生物合成的影响主要表现在脯氨酸、GABA含量、PDH和BADH活性等方面。与CK相比，La80和La100处理显著降低了籽粒中脯氨酸和GABA含量。La80和La100处理的PDH活性均高于对照。La80和La100处理的BADH活性低于CK。

在现场生产（第三实验）中，LA施用对土壤中的2-AP含量增加了芳族水稻颗粒（图。9)．2018年，与CK相比，LA治疗将粒度2-AP含量显着增加31.36和32.85％美乡广州2和襄祥广州,分别。2019年，与CK相比，La处理显著提高了籽粒2-AP含量28.55和23.08%美乡广州2和襄祥广州,分别。如表所示4，与CK相比，LA治疗显着降低了脯氨酸和加巴的含量，以及BADH的活性。在La处理中记录了较高的PDH活性而不是CK。

作物的生长发育受到La的显著影响，这已经在一些植物物种中被报道过，例如小麦(小麦L.），玉米（玉米L.)和大豆(甘氨酸最大(林)。稳定。)16.，17.，18.]．目前的研究表明，La应用在芳烃中2-AP生物合成的土壤的调节作用。在第一次实验中，我们观察到在La含有土壤中生长的芳族水稻幼苗（80和100 LACL_3.Mg kg.⁻¹）不仅具有更高的鲜重，干重，植物高度和茎长，而且还具有更高的2-AP含量，而不是在没有LA的土壤中生长的AP内容。在第二和第三实验中，La治疗也大大增加了籽粒产量芳香水稻品种。由于LA应用引起的谷物产量的增量归因于各穗和种子设定率的晶粒数的改善。我们的结果与[19.)的研究表明，外源La显著提高了水稻产量。作为植物干物质积累的方式，施用La对香稻光合作用的叶绿素含量和净光合速率均有显著影响。研究结果表明，La处理显著提高了芳香水稻品种的SPAD值，提高了净光合速率，美乡广州2和襄祥广州在引导阶段，标题阶段，灌浆阶段和成熟阶段。由于LA应用，引导阶段，标题阶段，籽粒填充阶段和成熟期（总收益率）的总面上生物量也增加。因此，通过调节光合作用和干物质积累，我们推导出芳族水稻的La增强屈服形成。

结果表明，La处理使香米的SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性提高，MDA含量降低。既往研究表明，SOD、POD和CAT在维持细胞结构和功能，猝灭植物组织中的活性氧等方面发挥着重要作用[20.，21]．这些抗氧化活性的增强表明，La可能提高香稻对不同非生物胁迫的抵抗能力。在田间，气候变化，特别是短期极端天气的突然发生，对水稻产量有重大影响[22]．此外，稻田小气候复杂且难以测量，也影响着水稻产量的形成[23]．水稻具有较强的抗氧化系统，保证了水稻产量的稳定。此外，光合作用的叶绿素生物合成和气体交换也受到环境的影响[20.，24而较高的抗氧化酶活性能更好地维持细胞的稳定，保证各种生理活动的进行[25，26]．因此，我们推断，La的施用可能通过提高抗氧化酶的活性来保护香稻叶绿素的生物合成，从而促进光合作用和干物质积累，最终提高产量。

2-AP是香米香气的关键成分，在第2次试验中，La处理提高了籽粒2-AP含量，降低了籽粒脯氨酸含量。在第三个实验中，La处理也观察到了类似的结果。第二和第三次试验结果表明，La处理显著提高了PDH的活性;这一结果与Mo等人的研究结果相似[10.]的研究表明，培养基中添加La增加了香稻离体穗中PDH活性和2-AP含量。PDH的作用是催化脯氨酸的氧化反应转化△1-吡咯啉-5-羧酸，这是2-AP生物合成的重要前体[27，28]．因此，芳族水稻中的晶粒2-AP含量的增加可归因于外源La增强PDH活性，从而导致从脯氨酸转化为2-AP。

此外，本研究表明，在第三和第三实验中，在La治疗中记录了较低的晶粒脯氨酸和GABA含量。在芳香米中的2-AP生物合成中，GABA和2-AP之间存在竞争关系，并从Gabald转换为△1-吡咯啉(形成2-AP的有限底物[6]）或GABA取决于酶BADH催化的反应[9，29，30.]．第二和第三个实验的结果表明，洛杉矶治疗下的BADH的活性下降。因此，我们推导出通过抑制GABA形成，外源性La也将从Gabald到Δ1-吡咯啉的转化率增加，从而增加了芳族水稻中的2-AP含量。通过外源La在芳族水稻中调节谷物2-AP生物合成调节的可能机制如图1所示。11.。

土壤施镧增加了香稻叶绿素含量和抗氧化酶活性。La处理的净光合速率、干物质积累和产量形成均显著增加。La通过上调籽粒中脯氨酸向2-AP的转化，提高了籽粒中2-AP含量。此外，La的施用抑制了芳香水稻2-AP生物合成过程中BADH的活性，从而降低了GABald向GABA的转化。

实验细节和植物材料

为研究镧对香稻2-AP生物合成的影响，以2个香稻品种为试验材料，进行了2个盆栽试验和2年大田试验。美乡广州2（柠檬 × 丰涛宣统） 和襄祥广州（Xiangsimiao126 × Xiangyaruanzhan.)．这些品种广泛种植在华南，由中国华南农业大学农业学院提供，中国广州。可以找到有关品种的详细信息https://ricedata.cn/。三个实验的具体操作如下:

第一项实验于2017年10月至12月在中国广州华南农业大学农学院进行。将香稻种子浸种、发芽后，装入上径14.5 cm、下径10.5 cm、高7.5 cm的水田塑料盆中。la1:20 mg kg为5个处理⁻¹LaCl_3.；La2: 40mg kg⁻¹LaCl_3.；La3: 80mg kg⁻¹LaCl_3.；La4: 100 mg kg⁻¹LaCl_3.；La5: 120mg kg⁻¹LaCl_3.。以不施La的盆栽为对照(CK)。播种后20 d采集幼苗，测定鲜重、干重、株高、茎粗和2-AP含量。

The second experiment was conducted in the greenhouse of the Experimental Research Farm, College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou, China (23°09’N, 113°22’ E and 11 m above the sea level) between March and July 2018. The germinated seeds of aromatic rice were sown in soils contained in plastic nursery trays. When the seedlings were twenty days old, they were transplanted into pots with five hills per pot (32 cm upper diameter, 21 cm lower diameter and 23 cm height) and four seedlings per hill. According to the results of the first experiment, three La treatments were implemented, i.e., La40: 40 mg kg⁻¹LaCl_3.；La80: 80mg kg⁻¹LaCl_3.；La100: 100mg kg⁻¹LaCl_3.。以不施La的盆栽为对照(CK)。在籽粒灌浆和成熟期，收集新鲜穗，在-80℃保存，进行生化和分子分析。对香稻成熟期籽粒产量及相关性状进行了估算。

The third experiment was conducted at the Experimental Research Farm, South China Agricultural University, Ningxi County (23°16’N, 113°22’E and 11 m above sea level), Guangdong Province, China between July and November in 2018 and again in 2019. After germination in the nursery, fifteen-day-old seedlings were mechanically transplanted into paddy fields at a planting distance of 30 cm × 16 cm. According to the results from both the first experiment and the second experiment, the La treatment was set as 12 kg ha⁻¹LaCl_3.，没有La申请的治疗用作对照（CK）。该处理以三重含量为10m×3m的三份的随机完全块设计（RCBD）。在分蘖期（移植后20天），引导阶段（移植后40天），前部阶段（移植后60天），籽粒灌装阶段（移植后75天）和成熟阶段（移植后90天，还为1收获前的一天），收集来自每种图的新鲜标志叶并储存在-80℃。在籽粒灌装阶段和成熟阶段，还收集新鲜圆锥并储存在-80℃以进行生化分析。在成熟期估计芳烃的籽粒产量和产率相关性状。

净光合速率、叶绿素含量和干物质积累的测定

在分蘖期移植后(20天),孕穗期(移植后40天),抽穗期(移植后60天),灌浆阶段(移植后75天)和成熟阶段(移植后90天,也收获前1天)在第二个和第三个实验中,采用便携式光合系统(LI-6400, LI-COR, USA)，按Luo等人(2019)描述的方法测定净光合速率。同时，利用‘SPAD-502’SPAD仪(Konica Minolta，日本)对叶片叶绿素含量进行了精确、快速、无损的估算。第2次试验在香稻成熟期采集各处理3个随机钵上的总地上组织，在80℃下烘干，测定总产量。第三次试验，随机选取分蘖期、孕穗期、抽穗期、灌浆期和成熟期的9个丘陵，在80℃烘干等重，测定地上总生物量。

超氧化物酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)含量测定

根据Kong等人描述的方法测定芳烃叶片中的MDA含量和抗氧化酶的活性。[20.]．在与硫碱尿酸反应后检测MDA含量，同时在532nm，600nm和450nm处读取吸光度。SOD，POD和CAT的活动被确定为U L.⁻¹弗兰克-威廉姆斯。

确定2-AP含量

在成熟时收集的谷物样品中的2-AP含量和幼苗样品的使用同时蒸馏 - 提取方法（SDE）测定，并根据[的方法（Shimadzu Corporation，Japan）分析[31]．

测定脯氨酸和GABA含量及PDH和BADH活性

根据Mo等人描述的方法测定在籽粒填充阶段收集的谷物样品中的脯氨酸和GABA的含量。[4]．与亚硫酸二甲酸反应后测定脯氨酸含量，并在520nm下测量吸光度。使用60％乙醇提取样品中的GABA，并在645nm处读取吸光度。GABA含量表示为μgg⁻¹弗兰克-威廉姆斯。灌浆期籽粒中PDH和BADH活性按Luo等的方法进行估算[2]．对于BADH活性，在450nm处读取吸光度，用U L表示⁻¹。PDH活性在440 nm处吸光度为U L⁻¹。

统计分析

所有数据均使用statisticx 8 (Analytical software, Tallahassee, Florida, USA)进行统计学分析，采用单因素方差分析。均数间的差异采用5%显著水平下的LSD检验进行分离。

本研究中产生或分析的所有数据均包含在这篇发表的文章中。

2-AP：

2-Acetyl -△1-吡咯

BADH:

甜菜碱醛脱氢酶

猫：

催化剂

GABA:

γ-氨基丁酸

拉:

镧

MDA:

丙二醛

PDH:

脯氨酸脱氢酶

圆荚体:

过氧化物酶

SOD:

超氧化物歧化酶

不适用

本研究由中国国家自然科学基金资助的资助于31971843;广东省现代农业产业技术体系授予2019KJ105。

从属关系

1. 2 .华南农业大学农学院，亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广州，510642

   Haouen Luo，Longxin He＆Xiangru Tang

2. 2 .农业农村部华南作物栽培科学观测实验站，广东广州510642

   Haouen Luo，Longxin He＆Xiangru Tang

3. 2 .广州市香稻科学技术重点实验室，广东广州510642

   Haouen Luo，Longxin He＆Xiangru Tang

4. 华南农业大学农业学院自然资源与环境学院，广州510642

   玉林陈

贡献

HL和XT策划设计了研究;YC和LH进行实验;HL写了手稿的第一版。XT在实验和论文写作过程中提供指导。所有作者已阅读并批准最终稿件。

相应的作者

对应于Xiangru唐。

伦理批准并同意参与

不适用。

同意出版

不适用。

相互竞争的利益

提交人声明他们没有竞争利益。

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