四分體期低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗結(jié)實(shí)率及生理特性的影響

王智煜 李迎迎 胡雅倩 張自陽 朱啟迪 劉明久

摘要：為明確四分體期低溫脅迫對小麥結(jié)實(shí)率和生理特性的影響，以百農(nóng)矮抗58和鄭麥366的幼穗為材料，利用人工氣候箱模擬0 ℃低溫脅迫處理，研究低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58和鄭麥366的結(jié)實(shí)性、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性等生理指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，與對照相比，低溫脅迫下，百農(nóng)矮抗58結(jié)實(shí)率下降7.9%;鄭麥366結(jié)實(shí)率顯著下降，比對照下降91.2%。百農(nóng)矮抗的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加，鄭麥366可溶性蛋白含量與對照相比幾乎沒有變化;低溫脅迫處理下，百農(nóng)矮抗58、鄭麥366可溶性糖含量與對照相比均有所增加，但沒有達(dá)到顯著水平;百農(nóng)矮抗58幼穗中SOD、CAT、POD活性與對照相比均呈現(xiàn)顯著增加;鄭麥366幼穗中SOD、CAT活性顯著增加，但POD活性顯著下降;四分體時(shí)期百農(nóng)矮抗58抗春季低溫脅迫能力要顯著高于鄭麥366;低溫脅迫下，百農(nóng)矮抗58積累了較高的可溶性蛋白質(zhì)抵御低溫脅迫的傷害，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗氧化酶活性來抵御活性氧代謝帶來的損傷，這可能是百農(nóng)矮抗58具有耐春季低溫脅迫的原因。

關(guān)鍵詞：小麥;四分體期;幼穗;低溫脅迫;結(jié)實(shí)率;生理特性;小麥春季耐寒性鑒定

中圖分類號： S435.111.3+13;S512.101? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）10-0114-03

小麥春季凍害一直是我國黃淮冬麥區(qū)和長江中下游冬麥區(qū)小麥生產(chǎn)的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一[1-2]。春季低溫指春季氣溫回升后，溫度又突然降低，此時(shí)完成春化階段的小麥生長開始加快，對低溫的抵御能力較弱，完全失去抵御0 ℃低溫的能力，造成小麥植株外部形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷或者死亡，從而影響小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素，降低產(chǎn)量。嚴(yán)重的春季低溫凍害可以導(dǎo)致單位穗數(shù)、穗粒數(shù)明顯下降，減產(chǎn)10%～40%，甚至造成絕收，使小麥生產(chǎn)遭受巨大損失[3-6]。黃淮冬麥區(qū)春季常有極端低溫出現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)2002—2017年間，我國冬麥區(qū)出現(xiàn)了8次不同程度的低溫凍害現(xiàn)象[7-9]，嚴(yán)重影響我國小麥生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)性、豐產(chǎn)性，威脅著我國的糧食安全、穩(wěn)定。小麥的耐寒機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，以往研究春季低溫對小麥的影響大都側(cè)重于一個(gè)生長發(fā)育時(shí)期，但不同品種的抗逆機(jī)制不盡相同[10-13]。低溫脅迫對小麥品種葉片生理生化的影響研究較多，對低溫脅迫下幼穗研究較少，對低溫脅迫下幼穗抗倒春寒機(jī)制研究更少。因此，本研究以低溫敏感和不敏感2個(gè)小麥品種為試驗(yàn)材料，采用盆栽與人工模擬低溫脅迫處理的方法，研究小麥四分體期春季低溫脅迫下小麥幼穗的結(jié)實(shí)特性與生理指標(biāo)變化，為揭示小麥春季抗倒春寒的生理生化機(jī)制以及小麥春季耐寒性鑒定提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為百農(nóng)矮抗58、鄭麥366，由河南科技學(xué)院小麥中心提供。

1.2 方法

試驗(yàn)于2016—2017年在河南省新鄉(xiāng)市河南科技學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行。材料的種植采用盆栽法，盆栽土取大田耕層 0～25 cm深處土壤，土壤平均堿解氮含量為62.1 mg/kg，速效磷含量為11.1 mg/kg，速效鉀含量為130.5 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為1.15 g/kg。盆直徑22 cm，高25 cm，每盆裝土8 kg，盆底部鉆3個(gè)小孔，保證盆內(nèi)土壤與大田土壤的溫度一致，水分和空氣流通。將盆埋入大田后，盆內(nèi)土壤與盆外大田齊平。土壤用水澆透沉實(shí)后于2016年10月10日播種，3葉期定苗，每盆留苗8株。2個(gè)品種分別設(shè)對照和處理2組，每組6桶。同時(shí)，另外播種5盆用于取樣鏡檢跟蹤幼穗發(fā)育進(jìn)程，幼穗發(fā)育進(jìn)程觀察按照崔金梅等的方法[14]進(jìn)行。拔節(jié)期結(jié)合澆水每盆施尿素10 g。

1.2.1 低溫處理 根據(jù)百農(nóng)矮抗58、鄭麥366幼穗發(fā)育進(jìn)程，待小麥生長發(fā)育至四分體期后，分別將5盆材料從大田移入人工氣候箱中（人工氣候箱設(shè)置為白天：溫度0 ℃，濕度70%，時(shí)間12 h，光照強(qiáng)度18 000 lx;夜晚：溫度0 ℃，濕度75%，時(shí)間12 h，光照強(qiáng)度0 lx）處理3 d。以不處理的田間盆栽為對照。對照和處理取幼穗，樣品在冰盒上分幼穗，將幼穗剪成0.5 cm長的小段，混勻，按0.5 g分裝，置于-80 ℃冰箱內(nèi)貯存?zhèn)溆茫瑢Ω黜?xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.2.2 生理指標(biāo)測定方法 可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[15]，可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[16]利用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[17]，氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性[18]，以抑制氮藍(lán)四唑光氧化還原50%的酶量為1個(gè)活性單位（U），用U/（mg·min）表示，丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸顯色法[17]。

1.2.3 單株結(jié)實(shí)率測定 將處理后盆栽的小麥埋于田間自然生長至成熟調(diào)查結(jié)實(shí)率，每個(gè)處理調(diào)查10株，求平均結(jié)實(shí)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗結(jié)實(shí)率的影響

由表1可知，與對照相比，低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58結(jié)實(shí)率下降7.9%，沒有達(dá)到差異顯著水平。鄭麥366結(jié)實(shí)率顯著下降，比對照下降91.2%。表明低溫脅迫顯著影響了鄭麥366的結(jié)實(shí)性。低溫脅迫對百農(nóng)矮抗58結(jié)實(shí)率影響較小。

2.2 四分體期低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由圖1可知，與對照相比，低溫脅迫對2個(gè)小麥品種的可溶性蛋白質(zhì)含量影響不同。低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加。鄭麥366可溶性蛋白質(zhì)含量與對照相比幾乎沒有變化。

2.3 四分體期低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗可溶性糖含量的影響

由圖2可知，低溫脅迫處理下，百農(nóng)矮抗58、鄭麥366可溶性糖含量與對照相比均有所增加，但均沒有達(dá)到顯著水平。

2.4 四分體期低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗SOD活性的影響

由圖3可以看出，低溫脅迫下，2個(gè)小麥品種幼穗中SOD活性均顯著高于對照。低溫處理下的百農(nóng)矮抗58幼穗SOD活性最高，顯著高于其他3個(gè)處理。SOD活性大小順序?yàn)榘俎r(nóng)矮抗58低溫脅迫>鄭麥366低溫脅迫>百農(nóng)矮抗58對 照> 鄭麥366對照。

2.5 四分體期低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗CAT活性的影響

由圖4可知，四分體期低溫處理3 d后，2個(gè)小麥品種幼穗CAT活性與對照相比顯著升高，其中百農(nóng)矮抗58增加幅度最大，顯著高于鄭麥366低溫脅迫處理下幼穗中的CAT活性。百農(nóng)矮抗58對照下CAT活性與低溫脅迫處理下鄭麥366CAT活性差異不大。

2.6 低溫脅迫對2個(gè)小麥品種幼穗POD活性的影響

由圖5可知，低溫脅迫下，2個(gè)小麥品種的幼穗中POD活性與對照相比均發(fā)生顯著變化。百農(nóng)矮抗58低溫脅迫下POD活性顯著高于其對照。然而，低溫脅迫處理下的鄭麥366幼穗中POD活性顯著低于對照。

3 結(jié)論與討論

低溫脅迫處理發(fā)育到四分體期的小麥品種中百農(nóng)矮抗58結(jié)實(shí)率僅下降7.9%，而鄭麥366結(jié)實(shí)率顯著下降，比對照下降了91.2%。說明百農(nóng)矮抗58在四分體期抗低溫能力要好于鄭麥366。

春季低溫逆境下，植物組織內(nèi)部生理生化會(huì)發(fā)生變化。

細(xì)胞內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)具有很強(qiáng)的吸水性，它能降低細(xì)胞內(nèi)束縛水的冰點(diǎn)，減少原生質(zhì)內(nèi)結(jié)冰而導(dǎo)致植物細(xì)胞被傷害的機(jī)會(huì)[19]，低溫脅迫改變了細(xì)胞磷脂雙層膜的空間構(gòu)象和物理狀態(tài)。膜相的改變可顯著抑制細(xì)胞膜正常功能的發(fā)揮，使蛋白質(zhì)從膜上解離，并發(fā)生膜融合，從而造成細(xì)胞組織的破壞。植株在低溫脅迫條件下常誘導(dǎo)產(chǎn)生較多的蛋白質(zhì)，以提高細(xì)胞膜的完整性、穩(wěn)定性來提高抗寒性[20-22]。但是不同的小麥品種在抵御低溫脅迫的過程中會(huì)產(chǎn)生不同含量的可溶性蛋白質(zhì)從而表現(xiàn)出不同的抗寒能力。本研究表明，低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加，而鄭麥366可溶性蛋白質(zhì)含量與對照相比幾乎沒有變化。說明低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58能夠產(chǎn)生較多的可溶性蛋白質(zhì)來抵御低溫脅迫的傷害，不耐低溫的鄭麥366由于產(chǎn)生可溶性蛋白質(zhì)較少而容易受到傷害，從而造成結(jié)實(shí)率顯著下降。

可溶性糖作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其積累可以提高細(xì)胞液濃度，防止原生質(zhì)過度脫水[23]，有助于增強(qiáng)小麥抗寒性[24-25]。但是，本研究結(jié)果表明，低溫脅迫處理下百農(nóng)矮抗58、鄭麥366可溶性糖含量與對照相比均有所增加，但沒有達(dá)到顯著水平。說明可溶性糖在抵御低溫脅迫的過程中沒有起到主要作用，這與鐘秀麗等的研究結(jié)果[26-27]一致。

植物抗寒性的不同與其細(xì)胞內(nèi)具有不同水平的抗氧化酶活性和內(nèi)源抗氧化劑含量相關(guān)，低溫脅迫條件下小麥會(huì)出現(xiàn)活性氧代謝紊亂，過多的活性氧會(huì)對植株造成傷害[28]，低溫脅迫下活性氧所引起的損傷是傷害產(chǎn)生的重要原因之一，抗寒能力強(qiáng)的植物比抗寒能力弱的植物具有更高水平的抗氧化能力。低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58幼穗中SOD、CAT、POD活性與對照相比均呈現(xiàn)顯著上升。說明百農(nóng)矮抗58具有更強(qiáng)的抵御活性氧代謝帶來的損傷。相比之下，低溫脅迫下鄭麥366幼穗中SOD、CAT活性雖然顯著上升，但幼穗中POD活性出現(xiàn)顯著下降。說明鄭麥366的抗氧化酶系統(tǒng)不能及時(shí)清除幼穗內(nèi)部具有危害的氧負(fù)離子和過氧化氫，使小麥幼穗組織細(xì)胞受到傷害。這也是低溫脅迫后鄭麥366結(jié)實(shí)率顯著下降的原因之一。

綜上所述可知，不同的小麥品種抗春季低溫脅迫的能力不同，四分體時(shí)期百農(nóng)矮抗58抗春季低溫脅迫能力要高于鄭麥366。低溫脅迫下，百農(nóng)矮抗58積累了較高的可溶性蛋白質(zhì)抵御低溫脅迫的傷害，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗氧化酶活性來抵御活性氧代謝帶來的損傷，這可能是百農(nóng)矮抗58具有耐春季低溫脅迫的原因。

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