水稻（Oryza sativa）是全世界最重要的谷类作物之一，是全世界一半以上人口的主食，我国60%以上的人口以水稻为主粮^[1]。水稻产量的持续稳定增长对保障全球粮食安全具有决定性意义^[2-3]。在过去的农业发展中，传统的移栽种植在粮食产量的提升和农民收入的增长中发挥了十分重要的作用^[4]。而随着国内经济的发展以及产业结构的改变，农村劳动力紧缺，插秧期间对劳动力的高需求阻碍着传统移栽模式的进行。与传统移栽模式相比，直播稻整地用水量少，连续淹水天数少，对灌溉水利用效率高，而且便于机械化操作^[5]。基于此，随着新品种的育成和栽培技术的进步，资源和劳动力节约型的直播稻得到了快速的发展^[6-7]。

出苗率低是水稻直播中面临的一个主要问题。由于土地的不平整或排水后的较强降雨，导致种子被水淹没时，O₂浓度急剧降低，种子有氧呼吸受到严重抑制，使得出苗率显著下降^[8]。因此，直播栽培方式对种子耐低氧萌发能力的要求较高^[9]。在淹水条件下，选择出苗能力好的耐淹性水稻品种将在直播稻安全生产中起到十分重要的作用。已有研究^[9-10]表明，不同水稻品种在淹水萌发时胚芽鞘长度存在着明显的差异，且在低氧条件下萌发的水稻种子胚芽鞘长度与耐淹成苗率呈极显著正相关。因此，常采用胚芽鞘长度作为鉴定评价耐淹水萌发特性的重要指标。

水稻种子在低氧状态下，主要采取2种响应策略：“静止”和“伸长”。“静止”策略通过抑制胚芽鞘的生长，保存能量以维持种子正常生命活动；“伸长”策略则是通过促进胚芽鞘快速伸长，突破水层，使萌发种子迅速脱离低氧环境，以达到有氧环境^[11]。“静止”策略更加适用于短期淹水且退水快的逆境，“伸长”的耐淹策略则更适合应用于田间生产^[11-12]。因此，直播栽培过程中，选择胚芽鞘伸长能力强且伸长速度快的品种，并在直播后保持适宜的水面高度，既可以保证直播稻的齐苗，又能防止杂草的生长，减少除草剂对环境的污染^[13-14]。国内外学者多采用水层隔绝空气营造低氧环境，以5或10 cm淹水深度下的胚芽鞘长度为指标进行耐低氧萌发鉴定^[15-17]。Angaji等^[15]通过10 cm淹水处理对800多份水稻材料进行耐低氧筛选，筛选到19份存活率超过70%的耐低氧水稻材料。陈振挺等^[16]对250份水稻自然变异群体进行淹水试验，结果表明10%的品种具有胚芽鞘延长能力，筛选到4份优异种质资源。前人^[17-18]研究表明，以5 cm水深、萌发7 d的胚芽鞘长度作为筛选指标，对191份粳稻种质资源进行耐淹性鉴定，筛选到12份强萌发水稻种质。

水稻在低氧条件下会发生一系列激素和酶活的变化。缺氧状态下，赤霉素3（gibberellic acid-3，GA₃）和脱落酸（abscisic acid，ABA）的含量会升高，生长素（indole-3-acetic acid，IAA）的含量也会增加^[19-20]。α-淀粉酶（α-amylase，α-AMY）的活性与胚芽鞘的伸长之间存在正相关性，影响胚芽鞘的生长速度^[21]。钱海丰等^[21]研究表明，缺氧状态下，GA₃会大量合成，从而促进α-AMY的合成，促使淀粉水解，进而促进种子的萌发。在种子的萌发过程中，活性氧（reactive oxygen species，ROS）主要通过促进种子合成水解酶从而刺激种子的萌发^[22-23]。在低氧条件下，种子在淹水初期会诱使乙醇脱氢酶基因表达，耐淹品种表现出较高的乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase，ADH）活性^[24]。

综上所述，前人对水稻耐低氧萌发种质的筛选以及耐低氧萌发品种的生理特性做了大量研究，但影响水稻耐低氧萌发能力以及导致籼稻和粳稻耐低氧萌发能力差异的关键生理指标还不明确。为初步探究这一关键问题，本研究采用5.0和10.0 cm淹水条件，首先以胚芽鞘长度为主要指标鉴定和筛选耐低氧萌发种质资源，然后进一步测定耐低氧萌发材料相关酶活性和内源激素含量，探究耐低氧萌发种质间以及籼粳稻间耐低氧能力差异的关键生理指标，为培育耐淹萌发能力强的水稻新品种提供重要理论依据和参考。

供试材料为收集的来自世界各地的213份粳稻和219份籼稻，共432份水稻种质资源。为打破种子休眠，减少种子休眠带来的影响，所有供试材料均置于50 ℃下处理72 h。

每个供试材料挑选健康、饱满和均一的种子100粒，3次重复，在75%的酒精中消毒5 min，再用2% NaClO溶液灭菌15 min，最后用纯水冲洗5次。将供试材料分别放于铺有双层滤纸的培养皿（直径9 cm）中浸种48 h，每个重复挑选25粒露白的种子放于50 mL离心管中（直径2.7 cm，高度11.5 cm），设置0.5、5.0和10.0 cm 3个淹水深度，其中0.5 cm为对照处理（CK）。分别向离心管中注入纯水至0.5、5.0和10.0 cm，每天注水以保持相应淹水处理高度不变。在26±2 ℃、相对湿度75%左右的培养箱中，黑暗培养7 d。统计种子存活率（胚芽鞘继续伸长的种子数量占全部种子数量的比率），随机取10粒种子测量胚芽鞘长度，并计算耐淹指数（淹水处理下胚芽鞘长度与对照处理下胚芽鞘长度的差值/CK处理下胚芽鞘长度）。

黑暗培养7 d后，取胚芽鞘鲜样，采用源桔生物的ELISA试剂盒（中国，上海； https://www.yuanjubio.com/）依操作说明书分别测定ABA、GA₃和IAA含量，以及α-AMY、ADH活性和ROS含量。

使用Microsoft Excel 2021软件进行数据处理，使用SPSS 26.0进行检验方差分析和多重比较。使用GraphPad Prism 8.3.0作图。

5.0和10.0 cm淹水处理下，种子存活率和胚芽鞘长度呈极显著正相关（r=0.75，P<0.0001）。因此，本研究以萌发7 d的胚芽鞘长度为主要指标对432份水稻种质资源进行耐低氧萌发筛选，结果见网络增强出版附加材料附表1。0.5、5.0和10.0 cm淹水处理下，种子存活率的变异系数分别为44.88%、97.93%和74.83%，胚芽鞘长度分别为28.65%、63.99%和46.28%（图1和表1）。在0.5 cm处理下，种子存活率的变幅为13.33%~100.00%，胚芽鞘长度的变幅为0.55~1.93 cm；在5.0 cm淹水处理下，种子存活率的变幅为0.00%~90.00%，胚芽鞘长度的变幅为0.00~3.35 cm；在10.0 cm淹水处理下，种子存活率的变幅为0.00%~96.67%，胚芽鞘长度的变幅为0.00~3.53 cm。以上结果表明，432份水稻种质资源的种子存活率和胚芽鞘长度均表现出广泛的变异，在耐低氧萌发性上具有广泛的遗传多样性，且淹水处理会增大品种间种子存活率和胚芽鞘长度的变异。

根据各材料在淹水处理下的生长状态、种子存活率和胚芽鞘长度，筛选出10个耐低氧萌发的材料，其中粳稻5份（葡萄黄、76-1、农垦58、黄皮糯和辽粳287），籼稻5份（须谷糯、金枝糯、饿死牛、闷加丁2和博B）（表2）。筛选出的10个耐低氧萌发材料表现出较强的耐低氧萌发能力，可作为亲本材料进行萌发耐低氧新品种的培育。其中粳稻品种葡萄黄和黄皮糯，籼稻品种饿死牛和博B在耐低氧萌发中表现更好，10.0 cm淹水处理下胚芽鞘长度分别为2.90、3.25、2.73和2.31 cm，耐淹指数分别为1.13、1.24、0.86和0.69（表2）。

通过对432份种质资源进行筛选鉴定，粳稻品种葡萄黄和黄皮糯，籼稻品种饿死牛和博B在淹水胁迫下表现出较强的耐低氧萌发能力，为了验证该表型，进一步对4个品种进行耐低氧鉴定。对照（0.5 cm）处理下，4个材料的胚芽鞘长度无显著差异，5.0和10.0 cm的淹水处理下，4个材料的胚芽鞘长度都显著高于对照处理，且10.0 cm的淹水处理显著高于5.0 cm淹水处理（图2）。进一步分析发现，4个材料的胚芽鞘长度在对照处理下无显著差异，而在5.0和10.0 cm的淹水处理下葡萄黄和黄皮糯的胚芽鞘长度显著高于饿死牛和博B，特别是在10.0 cm淹水处理下胚芽鞘长度表现出更显著的差异（表3）。以上结果表明，粳稻品种比籼稻品种表现出更强的耐低氧萌发能力。

在5.0 cm淹水处理下，葡萄黄的ADH活性，黄皮糯的α-AMY和ADH活性，饿死牛的α-AMY、ADH活性和ROS含量，博B的ADH活性显著高于0.5 cm处理；而葡萄黄的α-AMY活性和ROS含量，黄皮糯的ROS含量，博B的α-AMY活性和ROS含量与0.5 cm处理无显著差异（图3）。在10.0 cm淹水处理下，除葡萄黄的ROS含量与0.5 cm处理无显著差异外，4个品种的α-AMY和ADH活性都显著高于0.5 cm处理（图3）。在0.5、5.0和10.0 cm淹水处理下，粳稻品种的α-AMY、ADH活性和ROS含量都显著高于籼稻品种（表4）。以上结果表明，α-AMY、ADH活性和ROS含量在水稻耐低氧萌发中发挥重要作用，也是导致籼、粳稻耐低氧萌发能力差异的重要指标。

在5.0 cm淹水处理下，葡萄黄的GA₃、ABA和IAA含量，黄皮糯的GA₃和IAA含量，饿死牛的GA₃和IAA含量，博B的IAA含量显著高于0.5 cm处理；而黄皮糯的ABA含量，饿死牛的ABA含量，博B的GA₃和ABA含量与0.5 cm处理无显著差异（图4）。在10.0 cm淹水处理下，4个品种的GA₃、ABA和IAA含量都显著高于0.5 cm处理（图4）。不同淹水条件下粳稻和籼稻间内源激素差异分析表明，在0.5、5.0和10.0 cm淹水处理下，粳稻品种的GA₃、IAA和ABA含量均显著高于籼稻品种（表5）。以上结果表明，GA₃、IAA和ABA含量在水稻耐低氧萌发以及籼粳稻耐低氧萌发能力差异中同样发挥重要作用。

在5.0 cm淹水处理下，ADH与ABA、GA₃、IAA、ROS、α-AMY，ABA与IAA、ROS、α-AMY，GA₃与IAA、α-AMY，IAA与α-AMY有较好的正相关性（r>0.6）；在10.0 cm淹水处理下，ADH与GA₃、IAA、ROS，ABA与ROS，GA₃与IAA、ROS、α-AMY，IAA与ROS、α-AMY呈正相关（r>0.6）（表6）。而在5.0和10.0 cm淹水处理下，胚芽鞘长度与α-AMY、GA₃、IAA呈正相关（r>0.9）。综上，α-AMY活性、GA₃和IAA含量在水稻耐低氧萌发中发挥更加重要的作用，同时也是导致粳稻和籼稻耐低氧萌发能力差异的主要因素。

水稻直播是一种轻简、高效、节水和省工的栽培方式，但由于田间的不良淹水导致O₂浓度过低，使出苗率急剧下降，严重影响直播稻的发展^[6-7]。研究^[2,25]表明，种子萌发所需的O₂浓度低于10%时，种子出苗率会显著降低。因此，选择耐低氧萌发能力强的水稻品种是解决这一问题的关键措施。研究^[9-10]表明，在淹水萌发时，水稻品种间胚芽鞘长度存在着明显的差异，可将胚芽鞘长度作为耐淹水萌发的指标。Sun等^[26]以10 cm水深处理的胚芽鞘长度为指标进行萌发耐淹性鉴定，在粳型杂草稻中克隆了决定低氧下强萌发的关键基因OsGF14h。王洋等^[27]以5 cm水深下的胚芽鞘长度为指标进行耐低氧萌发测定，在2个水稻定位群体中检测到8个耐缺氧能力的QTL。综上，5或10 cm淹水深度可作为筛选水稻耐低氧萌发的处理条件，胚芽鞘长度可作为耐淹水萌发的指标。本研究通过0.5（CK）、5.0和10.0 cm淹水处理，以胚芽鞘长度和种子存活率为耐淹指标，对432份水稻种质资源进行低氧萌发筛选。种子耐低氧萌发在品种间存在着差异^[10,16,28]。淹水处理下，432份水稻种质资源的胚芽鞘长度和种子存活率表现出广泛的变异，与前人^[28]研究结果一致。本研究中，淹水处理下，胚芽鞘长度与种子存活率有极显著正相关关系。经鉴定和筛选得到10个在低氧条件下萌发状况良好的水稻品种，这些资源可作为亲本材料用来选育耐低氧萌发的水稻品种。综上所述，本研究以5.0和10.0 cm淹水处理下胚芽鞘长度作为耐淹水萌发的指标所筛选出的耐淹水种质材料是可靠的。

淹水胁迫下，GA₃、α-AMY和IAA协同促进胚芽鞘细胞伸长，使胚芽鞘快速生长，从而帮助水稻幼苗尽快突破水面。在水稻种子萌发过程中，α-AMY是催化淀粉水解的关键酶。当水稻种子处于淹水缺氧环境时，α-AMY活性增强，加速分解胚乳中的淀粉，为种子萌发和幼苗生长提供能量和碳源，保证水稻在淹水条件下有足够的营养物质来支持其生命活动，从而提高水稻的耐淹萌发能力^[21]。IAA对水稻种子的萌发和幼苗生长具有重要的调节作用。在淹水条件下，IAA通过调节细胞壁松弛相关基因的表达，使细胞壁松弛，细胞更容易吸水膨胀，进而促进细胞伸长，最终导致胚芽鞘伸长^[19]。GA₃能打破水稻种子的休眠，促进胚的生长和发育，加速种子萌发。在淹水条件下，GA₃可通过提高α-AMY等水解酶的活性，同时通过降解DELLA蛋白促进IAA合成，从而提高水稻种子在淹水逆境下的萌发率^[19-20]。本研究中，耐低氧萌发品种的α-AMY活性、GA₃和IAA含量在5.0和10.0 cm淹水处理下都有较好的相关性（r>0.9），且5.0和10.0 cm淹水处理下α-AMY活性、GA₃和IAA含量均显著提高。综上所述，GA₃作为打破种子缺氧休眠的启动信号，同时协同调节α-AMY活性和IAA含量，与α-AMY活性和IAA含量共同在淹水处理下水稻的萌发中发挥更加重要的作用。

研究^[12,29-31]表明，籼、粳萌发耐淹性存在差异，粳稻可能具有更强的耐低氧萌发能力。侯名语等^[29]通过对359份水稻品种的耐低氧萌发能力进行评价，发现籼稻和粳稻在耐低氧萌发能力方面存在差异，粳稻耐低氧萌发能力优于籼稻。本研究中，在淹水处理下，粳稻品种的胚芽鞘长度、相关酶活和激素含量不同程度高于籼稻品种，尤其是α-AMY活性、GA₃和IAA含量。因此，更高的GA₃含量、α-AMY活性和IAA含量赋予粳稻更强的耐低氧萌发能力。综上所述，GA₃含量、α-AMY活性和IAA含量是筛选耐低氧萌发种质的主要生理指标，也可能是影响粳稻和籼稻耐低氧萌发能力差异的主要因素。本研究结果为进一步挖掘耐低氧萌发基因、培育耐低氧萌发水稻新品种和优良直播稻品种提供了重要的亲本资源和生理依据。虽然本研究在前人的研究基础上初步筛选出GA₃含量、α-AMY活性和IAA含量是影响水稻耐低氧萌发能力的主要原因，但仍需以下试验进一步验证和解析：（1）通过同时测定更多耐低氧萌发能力强和耐低氧萌发能力弱的粳稻和籼稻中激素含量和酶活性，更全面地探究其生理机制；（2）设置更多的淹水梯度，更深入、全面地探究水稻耐低氧萌发的生理规律和机理；（3）结合体外添加试验，进一步分析各激素对水稻耐低氧萌发的影响；（4）联合转录组和代谢组等多组学分析，明确水稻耐低氧萌发的关键调控通路和代谢途径；（5）运用GWAS挖掘各指标的关键调控基因，解析其在水稻耐低氧萌发中的作用机制。

从432份种质资源中筛选获得10份耐低氧萌发能力强的种质资源，其中粳稻品种葡萄黄和黄皮糯、籼稻品种饿死牛和博B表现出更强的耐低氧萌发能力。相对于ABA、ROS含量和ADH活性，α-AMY活性、GA₃和IAA含量在淹水处理下水稻的耐低氧萌发中发挥更加重要的作用，其也可能是影响粳稻和籼稻耐低氧萌发能力差异的主要因素。