灌漿期矮抗58小麥旗葉響應(yīng)干旱脅迫生理生化特性研究

王沛沛 李靜涵 盧園園 雷志華 李玉華

小麥?zhǔn)俏覈痪拥诙募Z食作物，在我國國民經(jīng)濟(jì)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要意義。冬小麥在我國西北、華北地區(qū)廣泛種植，但該地區(qū)水資源缺乏，降水量較少，且降水時(shí)空分布不均，降雨高峰期往往與冬小麥需水期錯(cuò)位，嚴(yán)重制約小麥生產(chǎn)。冬小麥一般在每年的5月底至6月中下旬成熟，這段時(shí)期我國北方地區(qū)經(jīng)常遭受春旱、初夏旱，有時(shí)甚至伴隨高溫，對(duì)小麥生育后期的發(fā)育和成熟極為不利，嚴(yán)重影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。

矮抗58小麥具有高抗倒伏、抗寒、抗病和高產(chǎn)的特性，在河南省廣泛種植。旗葉是小麥最主要的光合器官，其生理性狀優(yōu)劣對(duì)小麥籽粒的形成及干物質(zhì)的積累具有重要作用。小麥灌漿期是小麥水分臨界期之一，在此時(shí)期，小麥需要大量的水分才能完成受精和種子胚胎的發(fā)育，灌漿期干旱引起光合作用降低，干物質(zhì)積累減少，最終導(dǎo)致小麥減產(chǎn)。本研究以冬小麥矮抗58為對(duì)象，通過防雨棚控水試驗(yàn)，重點(diǎn)研究矮抗58小麥旗葉在灌漿期響應(yīng)干旱脅迫的生理生化特性及高產(chǎn)原因，旨在為河南省旱地高產(chǎn)冬小麥品種的選用和栽培提供理論依據(jù)。

一、材料與方法

（一）材料與處理

試驗(yàn)材料為河南省主推小麥品種矮抗58。試驗(yàn)在鄭州師范學(xué)院科研基地防雨棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)地前茬作物為玉米，收獲后對(duì)棚內(nèi)土地澆足底墑水以保證小麥正常出苗，土地適合翻耕后施足基肥用手扶拖拉機(jī)深翻。土壤質(zhì)地為潮土，0～0.2 m 土層有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.30 g/kg、全氮為0.54 g/kg、速效磷為17.82 mg/kg、速效鉀為657.53 mg/kg、堿解氮為152.10 mg/kg。試驗(yàn)棚內(nèi)劃分A區(qū)和B區(qū)各60 m2，中間5 m間隔帶。A區(qū)為對(duì)照組（CK），B區(qū)為干旱組（DS），在A區(qū)和B區(qū)內(nèi)又劃出3個(gè)小區(qū)作為3 次重復(fù)取樣點(diǎn)。2017年10月5日播種，播種量為 170 kg/hm2，行距為 0.2 m。CK分別在拔節(jié)期（2018年3月11日）、孕穗期（2018年4月15日）各灌水1次，DS是在拔節(jié)期灌水1次，其他除草防蟲害均按照農(nóng)田正常管理。2018年5月13日測(cè)定旗葉光合和熒光，采摘旗葉擦拭干凈后用液氮速凍，儲(chǔ)存于-80 ℃冰箱備用。

（二）測(cè)定項(xiàng)目與方法

利用便攜式光合儀（LI-6400XT，USA）于10：00—11：30選取長勢(shì)相同的小麥旗葉測(cè)定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）和胞間CO2（Ci）濃度。用便攜式可調(diào)熒光儀（PAM-2500，Heinz Walz GmbH，Germany）測(cè)定葉綠素?zé)晒鈪?shù)，包括最小熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、光系統(tǒng)II（PSII）最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、實(shí)際量子產(chǎn)量（Y（II））和電子傳遞速率（ETR）。分別用丙酮和乙醇浸提法測(cè)定葉綠素含量，硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量，電導(dǎo)率儀（DDSJ-308A，Shanghai， China）測(cè)定質(zhì)膜透性，氮藍(lán)四唑法測(cè)定SOD活性，愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性，紫外分光光度計(jì)法測(cè)定CAT活性、APX活性、GSH含量，磺基水楊酸法測(cè)定Proline含量，雙吡啶法測(cè)定AsA含量。上述試驗(yàn)方法均采用李合生的試驗(yàn)指導(dǎo)。

（三）統(tǒng)計(jì)分析

利用 Excel 2010進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理，用SPSS 20進(jìn)行 one way-ANOVA 分析，用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

二、結(jié)果與分析

（一）干旱脅迫對(duì)旗葉光合和熒光特性指標(biāo)的影響

葉綠素?zé)晒馐庆`敏快速、無傷害的研究植物光合作用與環(huán)境關(guān)系的內(nèi)在探針，其參數(shù)可用來描述植物光合作用和光合生理狀況。由表1可知，和CK相比，矮抗58小麥旗葉葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fo、Fm、Fv/Fm、Y（II） 與光合參數(shù)Pn、Tr等差異不顯著，但ETR、Gs和Ci明顯降低，說明在小麥拔節(jié)期澆水后一直到灌漿期，雖然葉綠素含量明顯降低，但矮抗58小麥旗葉的PSII結(jié)構(gòu)受缺水影響不大，能夠正常生長和發(fā)育。葉綠素含量降低，可能是土壤缺水導(dǎo)致葉綠體類囊體膜不穩(wěn)定和色素-蛋白質(zhì)復(fù)合體的光合抑制造成的。本試驗(yàn)中，DS和CK小麥旗葉的Fo和Fm 無明顯差異，但ETR、Gs和Ci明顯降低，氣孔作為CO2和水分進(jìn)出葉肉細(xì)胞的通道，在小麥拔節(jié)期之后干旱處理直至灌漿期，Gs下降，致使細(xì)胞氣孔關(guān)閉，Ci降低，使得旗葉的光合ETR和PSII原初光能轉(zhuǎn)換效率及PSII潛在活性受到抑制，但光合作用Pn和Tr 被抑制程度不顯著。

（二）干旱對(duì)旗葉MDA含量、質(zhì)膜透性和抗氧化酶活性的影響

大量研究表明，干旱等逆境條件會(huì)造成植物組織細(xì)胞內(nèi)ROS積累，進(jìn)而引起膜脂質(zhì)過氧化、膜結(jié)構(gòu)及透性改變。MDA是細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物，其積累量的高低可表示細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化作用的程度，質(zhì)膜透性數(shù)值變化大小可指示細(xì)胞質(zhì)膜受到逆境傷害的程度。由表1可知，干旱脅迫處理使矮抗58小麥旗葉的MDA含量和細(xì)胞膜透性均顯著升高，這說明干旱脅迫導(dǎo)致小麥旗葉細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生了較多的ROS，造成細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度加劇，損傷了細(xì)胞膜的完整性，使細(xì)胞膜透性增大。

研究表明，抗氧化酶系統(tǒng)能夠積極響應(yīng)干旱脅迫，此系統(tǒng)清除ROS的過程被認(rèn)為是作物耐旱機(jī)制的一個(gè)重要方面?？寡趸割愔饕蠸OD、CAT和APX等，其中SOD通過歧化反應(yīng)將O2- 轉(zhuǎn)化為H2O2，POD、CAT 和APX將H2O2轉(zhuǎn)化為O2和H2O，它們?cè)谇宄^量ROS和抵抗氧化損傷過程中發(fā)揮著重要作用。由表1可知，在干旱處理?xiàng)l件下，矮抗58小麥旗葉中SOD活性、POD活性和APX活性均升高，但CAT活性卻下降，這說明矮抗58小麥在干旱脅迫下激活了SOD、POD與APX這些酶蛋白基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯，積極清除細(xì)胞內(nèi)的ROS，從而保護(hù)小麥的組織細(xì)胞。而CAT活性顯著下降，可能是干旱脅迫抑制了CAT基因的表達(dá)或CAT對(duì)干旱脅迫非常敏感，導(dǎo)致其活性下降。

（三）干旱對(duì)旗葉Proline、GSH和AsA含量的影響

Proline是植物細(xì)胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和酶的保護(hù)劑，可調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)氧化還原電勢(shì)。有研究表明，在干旱脅迫下抗旱性強(qiáng)的小麥品種會(huì)積累更多的Proline，并認(rèn)為干旱脅迫下植物體內(nèi)Proline的積累可作為抗旱性的鑒定指標(biāo)?？寡趸镔|(zhì)GSH和AsA與抗氧化酶都可以清除植物體內(nèi)產(chǎn)生的ROS，與植物對(duì)干旱的耐受性有一定的關(guān)系。本研究中，干旱脅迫使矮抗58小麥旗葉中Proline、GSH與AsA的含量顯著升高，這表明矮抗58小麥在干旱脅迫下旗葉通過滲透物質(zhì)的積累來降低細(xì)胞的滲透勢(shì)，組織細(xì)胞的代謝能力大大提高，從而減緩干旱逆境的傷害，矮抗58小麥對(duì)干旱脅迫具有良好的耐性。

基金項(xiàng)目：鄭州師范學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（DCZ2018015）。