多胺對高溫脅迫下小麥灌漿的影響及生理機(jī)制研究

靖建國，郭 翔，俞 蓉，李衛(wèi)華

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/兵團(tuán)綠洲生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 838202)

小麥(TriticumaestivumL.)屬于喜涼的C 3作物，灌漿過程中能接受的最高溫度為32 ℃[1,2]。籽粒質(zhì)量作為最后形成的產(chǎn)量要素，主要由灌漿時間和灌漿速率決定，但小麥灌漿期常出現(xiàn)持續(xù)高溫天氣，引起小麥體內(nèi)生理代謝紊亂、植株早衰，從而導(dǎo)致灌漿時間減少，灌漿速率降低，最終造成小麥減產(chǎn)，嚴(yán)重時產(chǎn)量只有正常條件的80%[3]。因此，采用有效的調(diào)控措施緩解高溫脅迫對小麥籽粒灌漿的抑制作用，對小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。

多胺是生物體代謝過程中產(chǎn)生的具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿[4,5]，具有調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和增強(qiáng)植物抵御環(huán)境脅迫等多方面的生理功能[6,7]。研究表明，多胺顯著影響禾谷類作物籽粒灌漿，在水稻上，腐胺(Put)對籽粒灌漿有抑制作用，而精胺(Spm)和亞精胺(Spd)顯著促進(jìn)水稻籽粒灌漿[8,9]，在玉米上，正常籽粒中多胺含量明顯高于敗育籽粒[10]，在小麥上，游離Put隨種子成熟脫水過程的變化不明顯，而游離Spd和Spm水平明顯上升[11]，抗旱性強(qiáng)的小麥品種其體內(nèi)較高的Spm和Spd含量能夠拮抗干旱對小麥生長的抑制作用[6]。但有關(guān)高溫脅迫下Spm和Spd對小麥籽粒灌漿的調(diào)控及其生理機(jī)制還缺乏相關(guān)研究。因此，本研究采用田間搭建PVC棚模擬高溫處理，分析外源噴施Spm和Spd對高溫脅迫下小麥籽粒灌漿動態(tài)、旗葉超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性和丙二醛(MDA)含量等指標(biāo)的影響，以期為減輕高溫對小麥生產(chǎn)造成的危害提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料和處理

實(shí)驗(yàn)于2018年3—7月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)站進(jìn)行，土壤含全氮0.76 g·kg-1，堿解氮0.058 g·kg-1，速效磷0.025 g·kg-1，全鉀149 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)12.5 g·kg-1，土壤pH值為7.6。2017年9月基施磷酸二銨(含N量為16.5%，含P2O547.5%)155 kg·hm-2；2018年在小麥3葉期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿前中期(花后14 d左右)隨水分別追施尿素70、150、80、80 kg·hm-2，供試材料為耐熱品種新春6號和熱敏感品種新春31號[11]。實(shí)驗(yàn)材料于3月24日播種，5月28日進(jìn)入開花期。高溫處理前選取生育進(jìn)程與長勢基本一致的植株用毛線進(jìn)行標(biāo)記，花后7 d田間搭建PVC棚對材料進(jìn)行高溫脅迫，連續(xù)處理5 d，每天10：00—18：00時放下塑料布(離地20 cm左右為通風(fēng)區(qū))進(jìn)行棚內(nèi)增溫，其余時間段揭去塑料薄膜。用自動溫度記錄儀(RC-4 HA/C，江蘇精創(chuàng)電氣股份有限公司)記錄處理期間棚內(nèi)、外溫度(溫度計懸掛于小麥冠層上方30 cm處)。圖1為處理期間棚內(nèi)、外溫度變化曲線圖，由圖1可看出，除18：00時外，其余各時間點(diǎn)棚內(nèi)溫度顯著高于棚外溫度，處理期間棚內(nèi)平均溫度為34.92 ℃，棚外平均溫度為30.52 ℃，達(dá)到了熱脅迫的效果。

圖1 處理期間大棚內(nèi)外平均溫度日變化

處理及標(biāo)記方式為：對照(棚外正常生長條件)，記為ck；田間模擬高溫，記為HT；田間模擬高溫+外施精胺(1 mmol·L-1)，記為HT+Spm；田間模擬高溫+外施亞精胺(1 mmol·L-1)，記為HT+Spd。

外源多胺噴施從高溫處理前1 d開始，連續(xù)處理5 d，處理時間為每天20：00時，噴施于旗葉和果穗，每次噴施量為20 mL(ck和HT處理噴清水)。

1.2 測試項(xiàng)目與方法

1.2.1小麥強(qiáng)、弱勢粒粒重

分別于高溫處理0、5、15、20、25 d進(jìn)行取樣，將小麥籽粒按照譚秀山等[13]的分類方法分為強(qiáng)勢粒和弱勢粒，經(jīng)105 ℃殺青后70 ℃烘干稱重。

1.2.2抗氧化酶活性

取冷凍的小麥旗葉，利用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的SOD、POD、CAT測試盒對抗氧化酶活性進(jìn)行測定。

1.2.3丙二醛質(zhì)量摩爾濃度、可溶性糖含量及脯氨酸含量

取冷凍的小麥旗葉，利用南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的可溶性糖和脯氨酸測試盒測定可溶性糖和脯氨酸含量；采用張蜀秋等[14]的方法測定MDA質(zhì)量摩爾濃度。

1.3 數(shù)據(jù)分析

處理數(shù)據(jù)和作圖采用Microsoft Excel 2010軟件，顯著性檢驗(yàn)采用SPSS 22.0軟件。

注：圖中A、B、C、D分別表示強(qiáng)勢粒重、弱勢粒重、強(qiáng)勢粒灌漿速率和弱勢粒灌漿速率，1和2分別表示新春6號和新春31號；不同字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。圖2 不同處理下小麥強(qiáng)、弱勢粒質(zhì)量和籽粒灌漿速率

2 結(jié)果與分析

2.1 外源多胺對高溫脅迫下籽粒灌漿的影響

由圖2可知，高溫脅迫對新春6號和新春31號強(qiáng)、弱勢籽粒灌漿均有顯著抑制作用，從花后13 d開始，HT處理的強(qiáng)、弱勢粒質(zhì)量顯著低于ck，從2個品種強(qiáng)、弱勢終粒重來看，HT處理對弱勢粒(降低17%和16%)的影響大于強(qiáng)勢粒(降低11%和16%)，與ck相比，新春31號(降低16%)的強(qiáng)勢粒質(zhì)量下降幅度大于新春6號(降低11%)，這說明不同品種在耐高溫脅迫方面存在差異，新春6號優(yōu)于新春31號，且維持高溫脅迫下強(qiáng)勢粒的灌漿能力是造成品種差異的主要原因；從花后19 d開始，HT+Spm和HT+Spd處理的強(qiáng)、弱勢粒質(zhì)量均顯著高于HT，但顯著低于ck，這說明外源Spm和Spd顯著緩解高溫脅迫對小麥籽粒灌漿的抑制作用，且從2個品種強(qiáng)、弱勢終種粒質(zhì)量來看，Spm的緩解效果優(yōu)于Spd；從籽粒灌漿速率的曲線可以看出，除新春6號HT處理外，其它處理強(qiáng)弱勢籽粒灌漿基本跟隨灌漿進(jìn)程呈先增大(花后13 d左右達(dá)到峰值)后降低的單峰變化趨勢，HT處理下，新春6號強(qiáng)、弱勢粒灌漿速率呈先增后減又增的變化，這說明新春6號在高溫處理下能及時做出響應(yīng)高溫脅迫的調(diào)整。

由表1可知，HT處理下2個品種強(qiáng)、弱勢籽粒的最大灌漿速率、最終粒質(zhì)量和平均灌漿速率均顯著低于ck，2個品種的活躍灌漿期表現(xiàn)為HT+Spd≥HT+Spm≥HT>ck，但差異均不顯著，說明灌漿前期對小麥進(jìn)行高溫脅迫可能起到熱鍛煉的作用，延長了小麥的生育期，且高溫脅迫主要通過影響籽粒灌漿速率進(jìn)而影響粒質(zhì)量；HT+Spm和HT+Spd處理下2個品種強(qiáng)、弱勢籽粒的最大灌漿速率、最終粒質(zhì)量、平均灌漿速率和活躍灌漿期均高于HT，HT+Spd處理下2個品種的最大灌漿速率大于HT+Spm，但最終粒質(zhì)量和平均灌漿速率低于HT+Spm，這說明高溫脅迫下噴施Spd只有階段的緩解效果，而噴施Spm具有持久的緩解效果。

表1 不同處理下小麥強(qiáng)、弱勢籽粒灌漿參數(shù)

2.2 外源多胺對高溫脅迫下小麥旗葉抗氧化酶活性及丙二醛含量的影響

如圖3所示，花后13 d，2個品種旗葉SOD活性和MDA含量表現(xiàn)為HT處理最高，均顯著高于ck，說明灌漿前期高溫脅迫引起旗葉細(xì)胞膜質(zhì)過氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)受損，同時由于植物自身的抗逆系統(tǒng)存在，高溫誘導(dǎo)旗葉SOD活性升高，減輕高溫傷害；新春31號SOD活性和MDA含量高于新春6號，說明2個品種耐熱性存在差異，新春6號優(yōu)于新春31號；高溫脅迫下噴施外源Spm和Spd的SOD活性和MDA含量低于HT，說明外源噴施Spm和Spd可以減少O2.-的增加，從而緩解細(xì)胞膜的過氧化，減輕細(xì)胞膜受損程度；從SOD活性和MDA含量的降低效果來看，噴施Spd緩解高溫傷害效果優(yōu)于Spm。

圖3 不同處理下小麥旗葉抗氧化酶活性及丙二醛含量變化

花后13 d，2個品種旗葉POD和CAT活性表現(xiàn)為HT處理最低，顯著低于ck，這說明高溫脅迫抑制了POD和CAT的保護(hù)作用，降低了它們清除H2O2的能力；高溫脅迫下噴施外源Spm和Spd的POD和CAT活性高于HT，說明外源噴施Spm和Spd可以緩解高溫脅迫對POD和CAT活性的抑制，從提高高溫脅迫下POD和CAT活性的效果來看，Spd優(yōu)于Spm。

常溫條件下，新春31號的SOD、POD和CAT均高于新春6號，說明品種間抗氧化保護(hù)系統(tǒng)存在差異，結(jié)合花后13 d的粒重和灌漿速率來看，較低的抗氧化酶活性可能是新春6號粒重增加速率大于新春31號的原因。

2.3 外源多胺對高溫脅迫下小麥旗葉可溶性糖和脯氨酸含量的影響

如圖4所示，花后13 d，HT處理下新春6號旗葉可溶性糖含量為11.85 mg·g-1，新春31號旗葉可溶性糖含量為13.89 mg·g-1，與ck相比顯著降低了38%和25%，這與花后13 d HT處理的粒重增加速率及凈光合速率相對應(yīng)，說明高溫脅迫加速了光合產(chǎn)物向籽粒運(yùn)輸，且新春6號運(yùn)輸速率大于新春31號；2個品種高溫處理下噴施外源Spm和Spd的旗葉可溶性糖均顯著高于HT，且外源Spm的可溶性糖含量高于外源Spd，說明高溫脅迫下外源Spm和Spd可以通過提高旗葉細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖含量提高滲透調(diào)節(jié)能力，從而提高籽粒的灌漿速率，且Spd提高灌漿速率效果優(yōu)于Spm。

圖4 不同處理下小麥旗葉可溶性糖含量和脯氨酸含量變化

花后13 d，2個品種HT處理的旗葉脯氨酸含量均顯著高于ck，且新春6號的增加幅度高于新春31號，說明高溫脅迫下小麥可以通過提高脯氨酸含量提高滲透調(diào)節(jié)能力響應(yīng)高溫脅迫，且新春6號這種響應(yīng)高溫脅迫的能力優(yōu)于新春31號；2個品種高溫處理下噴施外源Spm和Spd的旗葉脯氨酸含量顯著高于HT，且外源Spm的脯氨酸含量高于外源Spd，說明高溫脅迫下外源Spm和Spd可以通過提高旗葉細(xì)胞內(nèi)的脯氨酸含量提高滲透調(diào)節(jié)能力，緩解高溫脅迫對旗葉傷害，且Spm緩解效果優(yōu)于Spd。

3 討 論

3.1 外源多胺對高溫脅迫下小麥籽粒灌漿的影響

籽粒質(zhì)量作為最后形成的產(chǎn)量要素，主要由灌漿時間和灌漿速率決定[15]。但近年來由于全球變暖和生態(tài)環(huán)境的變化，小麥在其灌漿期間會受到不同程度高溫脅迫，導(dǎo)致灌漿時間減少，灌漿速率降低造成粒重降低[16]，有研究表明，非生物脅迫顯著影響禾谷類作物籽粒灌漿，干旱脅迫下，小麥、水稻和玉米等作物籽粒灌漿過程均受到顯著抑制[17-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫對小麥籽粒灌漿有顯著抑制作用，且對弱勢粒的抑制作用大于強(qiáng)勢粒，這與楊建昌等[20]研究得出的“強(qiáng)勢粒重在不同環(huán)境條件下相差不大，而弱勢粒重的波動較大”結(jié)論相一致。多胺作為一種新近發(fā)現(xiàn)的植物激素，參與調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和增強(qiáng)植物對環(huán)境脅迫抵抗能力[6,21,22]。外源噴施Spm和Spd能顯著提高高溫脅迫下2個品種強(qiáng)弱勢粒的終粒重和最大灌漿速率，這與張偉楊等[17]和劉凱等[18]的研究結(jié)果一致；另外，高溫脅迫下外源噴施Spd提高灌漿速率和粒重的效果在灌漿前期優(yōu)于外源Spm，外源噴施Spm的提高效果在生育后期優(yōu)于Spd，結(jié)合外源Spm顯著提高2個品種強(qiáng)弱勢粒的平均灌漿速率，而外源Spd雖然使平均灌漿速率提高，但與HT處理差異不顯著。因此，外源Spm對高溫脅迫下小麥籽粒灌漿的提高優(yōu)于Spd。

3.2 外源多胺對高溫脅迫下小麥籽粒灌漿的調(diào)節(jié)與旗葉生理代謝關(guān)系

旗葉作為小麥灌漿期的主要源器官，能否維持正常的生理功能與籽粒灌漿密切相關(guān)，高溫脅迫會影響植物一系列的代謝平衡，導(dǎo)致酶代謝失活[23]，大量積累活性氧，引發(fā)氧化脅迫，進(jìn)而破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，最終造成減產(chǎn)[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下2個品種旗葉SOD活性、脯氨酸和MDA含量均顯著高于ck，旗葉SOD活性和脯氨酸含量的升高，可能與小麥自身調(diào)節(jié)有關(guān)，通過提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸的含量維持相對正常的細(xì)胞滲透壓去適應(yīng)高溫脅迫，膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量的上升，表明高溫對細(xì)胞膜產(chǎn)生了嚴(yán)重?fù)p傷；外源Spm和Spd能有效降低高溫脅迫下MDA的升高，表明外源多胺顯著減輕高溫脅迫對細(xì)胞膜的損傷作用。高溫脅迫導(dǎo)致2個品種旗葉POD和CAT活性與ck相比顯著降低，這與陳慶等[15]和張仁和等[25]的研究結(jié)果一致。高溫處理下，2個品種旗葉可溶性糖含量與ck相比顯著下降。郭洪雪等[26]認(rèn)為，2葉期小麥在高溫脅迫下可溶性糖含量一直呈上升趨勢；這可能是由于研究的生育時期不同，在灌漿期小麥在應(yīng)對高溫逆境加速籽粒灌漿有關(guān)。本研究觀察到，在灌漿初期噴施外源Spm和Spd可以顯著提高高溫脅迫下小麥旗葉的POD、CAT活性、可溶性糖和脯氨酸含量，這說明外源2種多胺可以有效緩解高溫脅迫對小麥葉片造成的傷害，使旗葉維持相對正常的生理功能，從而提高高溫脅迫下小麥籽粒灌漿。高溫處理后，外源Spd對高溫脅迫下小麥旗葉的POD、CAT活性的提高以及MDA含量的降低效果優(yōu)于Spm，外源Spm對高溫脅迫下小麥旗葉可溶性糖的降低以及脯氨酸含量的升高優(yōu)于Spd，這可能與外源多胺被植物吸收后在植物體內(nèi)的代謝途徑有關(guān)，本研究計劃下一步測定小麥籽粒和旗葉內(nèi)源Spm和Spd含量動態(tài)變化，進(jìn)一步分析2種多胺緩解高溫脅迫下小麥灌漿機(jī)制。

4 結(jié) 論

在高溫脅迫下小麥籽粒灌漿被顯著抑制，外源噴施Spm和Spd能顯著促進(jìn)小麥籽粒灌漿，不同類型多胺對高溫脅迫下小麥籽粒灌漿的調(diào)控效果存在時間上差異，外源Spd在噴施前期(花后13 d)對籽粒灌漿的調(diào)節(jié)效果優(yōu)于外源Spm，此后外源Spm的緩解效果始終優(yōu)于Spd；外源多胺可能通過提高旗葉POD、CAT活性、可溶性糖和脯氨酸含量以及抑制MDA含量升高調(diào)控高溫脅迫下小麥籽粒灌漿。