干旱脅迫下不同基因型小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)產(chǎn)量形成的影響

丁彤彤,李樸芳,曹 麗，龍欣源，劉 波，馬永清,2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌 712100；2. 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所,陜西 楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，其產(chǎn)量增加對(duì)我國(guó)糧食安全具有重要意義[1]。小麥籽粒產(chǎn)量的物質(zhì)來源主要有三個(gè)方面：一是花前產(chǎn)生的干物質(zhì)直接轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒中；二是花后光合同化物的直接輸入；三是暫時(shí)貯藏在營(yíng)養(yǎng)器官中的光合同化物的再運(yùn)轉(zhuǎn)。水分脅迫是影響小麥產(chǎn)量形成的重要因素，嚴(yán)重水分脅迫會(huì)造成小麥光合受損，同化物向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量下降。因此，探索干旱條件下小麥同化物轉(zhuǎn)運(yùn)特性及其對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成的影響是旱地小麥栽培的關(guān)鍵性問題。有研究表明，干旱脅迫降低了小麥花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)量，增加了花后干物質(zhì)積累量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率[2]。在水分脅迫下，花后干物質(zhì)積累減少了57%，而花前干物質(zhì)再運(yùn)轉(zhuǎn)提高了36%[3]。小麥籽粒產(chǎn)量高低主要取決于小麥干物質(zhì)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配狀況。由此可見，干旱影響了小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和花后干物質(zhì)積累，進(jìn)而影響小麥產(chǎn)量構(gòu)成。而小麥干物質(zhì)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配受植物體的光合特性、轉(zhuǎn)運(yùn)能力和抗氧化防御能力等的調(diào)控。所以深入研究干旱條件下小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控機(jī)理以及小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特性對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成的作用,可為旱地小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

小麥干物質(zhì)在開花后開始向穗部轉(zhuǎn)移。開花前貯藏物質(zhì)的再轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒產(chǎn)量的貢獻(xiàn)占籽粒干重的3%～30%[4-5]；開花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率達(dá)60%以上[6-8]，而花后生產(chǎn)的暫時(shí)儲(chǔ)藏的干物質(zhì)對(duì)產(chǎn)量的貢獻(xiàn)占籽粒干物質(zhì)的10%～25%。因此，小麥營(yíng)養(yǎng)器官中的干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、分配是小麥籽粒產(chǎn)量的重要來源，干物質(zhì)能否有效運(yùn)轉(zhuǎn)、分配到籽粒，對(duì)籽粒產(chǎn)量的形成十分關(guān)鍵。不同基因型小麥干物質(zhì)生產(chǎn)與轉(zhuǎn)運(yùn)特性存在顯著差異，且這些特性可以通過改變其遺傳體系進(jìn)行改良[9-10]。六倍體小麥的花后干物質(zhì)積累量及其對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均大于二倍體和四倍體小麥[11]。由此可見，深入研究小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、分配特性對(duì)不同倍性小麥籽粒產(chǎn)量形成的影響，有利于進(jìn)一步挖掘干旱條件下小麥生產(chǎn)潛力，為小麥的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。

小麥干物質(zhì)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，需要多種器官、組織生理功能的協(xié)同作用。維管束是小麥植株的輸導(dǎo)組織，承擔(dān)著植株體內(nèi)長(zhǎng)距離運(yùn)輸任務(wù)，在小麥生長(zhǎng)和發(fā)育過程中起著重要的作用。大小維管束數(shù)量和面積與穗粒數(shù)和千粒重有關(guān)，大小維管束數(shù)目與小麥穗粒數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系[12]。水分脅迫會(huì)影響維管束的正常發(fā)育，從而使得同化物的運(yùn)輸受阻，影響干物質(zhì)往穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)，造成小麥產(chǎn)量的降低[13]。小麥生育后期籽粒發(fā)育的同時(shí)伴隨著營(yíng)養(yǎng)器官衰老。葉片的衰老會(huì)導(dǎo)致其葉綠素含量的降低，從而降低小麥的光合作用，影響光合同化物的生產(chǎn)，進(jìn)而限制產(chǎn)量的提高[14]。旗葉作為小麥重要的器官，其葉綠素含量是決定產(chǎn)量潛力的重要組成因子[15]。而在小麥生育后期，干旱脅迫導(dǎo)致活性氧的增加，使得葉綠素生物合成受損或降解加速，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[16]，同時(shí)小麥體內(nèi)形成抗氧化活性酶，使植物可以解除活性氧毒害，減輕活性氧對(duì)細(xì)胞造成傷害，從而表現(xiàn)出對(duì)氧化脅迫的抗性。由此可見，干旱脅迫對(duì)小麥生育后期的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力、抗衰老特性產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。因此, 研究生育后期小麥轉(zhuǎn)運(yùn)能力和抗衰老特性對(duì)提高小麥干物質(zhì)生產(chǎn)、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配具有重要作用。

目前，關(guān)于小麥在水分脅迫條件下的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)已有較多的研究，但大多數(shù)集中在現(xiàn)代品種小麥選育過程中干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累對(duì)產(chǎn)量形成的影響，對(duì)于二倍體和四倍體小麥研究較少。在自然和人工的雙重選擇下，不同基因型小麥品種對(duì)水分脅迫的響應(yīng)程度不同，產(chǎn)量形成過程中光合產(chǎn)物生產(chǎn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和分配的潛在變化也不同。因此，研究小麥從原始品種馴化到現(xiàn)代品種過程中，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的變化以及它們對(duì)產(chǎn)量形成的影響，對(duì)于進(jìn)一步探索小麥的馴化和小麥產(chǎn)量提升機(jī)制具有重要的理論意義。然而，在小麥的馴化研究越來越被重視的情況下，小麥從原始品種馴化到現(xiàn)代品種過程中，小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的演變趨勢(shì)還沒有較為明確的描述，理想株型還沒有真正實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)旱地小麥高產(chǎn)目標(biāo)仍有很多難點(diǎn)需克服，在此情況下，理解不同基因型小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累的變化以及它們對(duì)產(chǎn)量形成的調(diào)控機(jī)制就顯得更為重要。本研究通過對(duì)干旱脅迫下不同基因型小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、抗氧化系統(tǒng)和產(chǎn)量形成等進(jìn)行比較，深入剖析不同倍性小麥在干旱脅迫下的響應(yīng)機(jī)制差異，闡明不同染色體倍數(shù)小麥抗旱能力的差異，以期為進(jìn)一步挖掘小麥干物質(zhì)生產(chǎn)潛力、提高產(chǎn)量奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年10月至2019年6月在陜西楊凌中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所防雨棚內(nèi)(34°33′N, 108°00′E)進(jìn)行。該地區(qū)為暖溫帶季風(fēng)區(qū)半干旱半濕潤(rùn)氣候，年均氣溫為10.7℃～13.7℃，年降水量為526～663.9 mm，全年降水集中在夏秋季節(jié)，春冬季節(jié)多干燥。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，田間持水量為22%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用6個(gè)不同染色體倍性的小麥材料，包括：染色體組為AA的野生一粒小麥、栽培一粒小麥，染色體組型為AABB的野生二粒小麥、栽培二粒小麥，現(xiàn)代六倍體(AABBDD)小麥品種小偃22和長(zhǎng)旱58。挑選大小一致的種子，用1%的次氯酸鈉(NaClO)浸泡消毒，在恒溫培養(yǎng)箱催芽后，播于直徑29 cm、高27 cm的塑料桶中，土壤取自楊凌本地耕層熟土。每盆裝干土10 kg，與5.0 g尿素(CO(NH2)2)和3.0 g磷酸二氫鉀(KH2PO3)混勻裝桶。每盆18粒，五葉期定苗，每盆12株，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)水分處理，充分供水(田間持水量的75%～80%)和中度干旱(田間持水量的50%～55%)，在小麥各拔節(jié)期開始用稱重法控水，每隔一周測(cè)定不同品種小麥總生物量，根據(jù)小麥生物量變化對(duì)供水量進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直至收獲期。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 葉綠素含量測(cè)定 在小麥開花后0、10、20、30、35 d分別選取長(zhǎng)勢(shì)基本相同的植株，每個(gè)處理不同倍性小麥各選取10片不同植株的旗葉，采用SPAD-502 型葉綠素儀(柯尼卡美能達(dá)，日本)測(cè)定旗葉中部的SPAD 值，取其平均值來表示葉綠素含量的相對(duì)值。

1.3.2 活性氧和過氧化氫的測(cè)定 超氧陰離子產(chǎn)生速率測(cè)定參考 Elstner等[17]的方法：在小麥開花后0、10、20、30、35 d分別選取長(zhǎng)勢(shì)基本相同的植株，每個(gè)處理不同品種取0.2 g葉片進(jìn)行酶液提取，做3組重復(fù)，取新鮮樣品用液氮研磨成粉末，按料液比100 mg·mL-1加入預(yù)冷的65 mM 磷酸緩沖液(pH=7.8)，充分勻漿，4℃下5 000 g離心10 min(轉(zhuǎn)速8 500 r·min-1)。取1 mL的上清液加入0.9 mL 65 mM 磷酸緩沖液(pH=7.8)和0.1 mL 10 mM 鹽酸羥胺溶液，混勻，在25℃下保存20 min；然后加入2 mL 17 mM 對(duì)氨基苯磺酸和2 mL 7 mM -萘胺，混合均勻，在30℃下保存30 min;在530 nm下測(cè)定OD值(UV-1700，SHIMADZU，日本)。在530 nm下測(cè)定0～100 g的NaNO2溶液OD值，并作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

過氧化氫含量測(cè)定參考Gay等[18]的方法：在小麥開花后0、10、20、30、35 d分別選取長(zhǎng)勢(shì)基本相同的植株，每個(gè)處理不同品種小麥各選取10株，按照料液比100 mg·mL-1在新鮮樣品中加入預(yù)冷的地甲醇(CH3OH)，冰浴研磨成漿，然后在4℃下，10 000 g離心10 min(轉(zhuǎn)速8 500 r·min-1)；然后將750 μL 1 mM FeNH4SO4和300 μL 250 mM H2SO4溶液加入到300 μL上清液中，混勻，再加入300 μL 1 mM二甲酚橙溶液和 750 μL 去離子水，混合均勻，在室溫下避光放置1 h;在560 nm下測(cè)定OD值。在560 nm下測(cè)定0～50 mM的 H2O2溶液的OD值，并作標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.3 抗氧化酶活性的測(cè)定 在小麥開花當(dāng)天選擇長(zhǎng)勢(shì)相近的小麥植株進(jìn)行標(biāo)記，在小麥開花后0、10、20、30、35 d每個(gè)處理不同品種小麥各選取10株，稱取0.5 g葉片，加入1 ml提取液[5 mmol·L-1PBS(pH=7.8)，0.1 mmol·L-1乙二胺四乙酸二鈉(EDTA-Na2)，1%聚乙烯吡咯烷酮(PVP)]研磨，然后離心。吸取上清液，用于以下抗氧化酶活性的測(cè)定。

SOD活性的測(cè)定參照Giannopolitis等[19]的方法：將50 μL酶提取液加入到3 mL酶反應(yīng)混合物[含有50 mmol·L-1PBS(pH=7.8)、13 mmol·L-1甲硫氨酸、0.1 mmol·L-1EDTA-Na2, 75 μmol·L-1NBT和2 μmol·L-1核黃素]中，用強(qiáng)光照30 min后轉(zhuǎn)移到黑暗處停止反應(yīng)，在560 nm處測(cè)定OD值。

CAT活性的測(cè)定參照孫群等[20]的方法：將100 μL酶提取液加入已配置的3 mL 50mmol·L-1PBS(pH=7.0)的反應(yīng)體系中進(jìn)行孵育，孵育條件為250℃，5 min，最后加入H202(0.05%, 40μL)以啟動(dòng)反應(yīng)。在240 nm處掃描3 min每隔20 s記錄一次數(shù)據(jù)。

APX活性測(cè)定按照沈文飚等[21]的方法:用5 mmol·L-1PBS緩沖液(pH =7. 0) [1 mmol·L-1EDTA-Na2和1 mmol·L-1ASA]研磨小麥葉片，然后離心，將酶液加入溶解有0.5 mmol·L-1ASA的50mmol·L-1PBS(pH =7.0)反應(yīng)體系中，然后用0.05% H2O2啟動(dòng)反應(yīng)。在340 nm處掃描1 min,每15s記錄一次數(shù)據(jù)。

GR活性參照Schaedle等[22]的方法測(cè)定:用提取液[50 mmol·L-1Tris-HCl(pH=7. 5)中溶解了0.1 mmol·L-1EDTA-Na2和0.1% PVP] 將小麥葉進(jìn)行冰浴研磨，然后離心。取上清液加入到配置的反應(yīng)液[50 mmol·L-1Tris-HCl(pH=7.5), 0.5 mmol·L-1GSSG, 0.15 mmol·L-1NADPH和3 mmol·L-1MgC12)]中，進(jìn)行水浴(250C, 5min)。在340 nm處掃描3 min，以30 s為時(shí)間間隔記錄數(shù)據(jù)。

1.3.4 穗下莖稈維管束測(cè)定 在小麥開花當(dāng)天選擇長(zhǎng)勢(shì)相近的小麥植株進(jìn)行標(biāo)記，在小麥開花后2 d每個(gè)處理不同品種小麥各選取10株，取其第2節(jié)中部2～3 cm莖段，帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏。啟動(dòng)冷凍切片機(jī)(Leica CM 1850，Leica,德國(guó))降溫開關(guān)，機(jī)箱溫度調(diào)至-25℃～-30℃，等溫度穩(wěn)定時(shí)，將小麥莖稈(長(zhǎng)約0.1～0.3 cm)樣品放于樣品托頭上，然后用OCT包埋劑包埋，將樣品涂抹均勻深埋其中，再放到速凍架上，迅速冷凍并固定在樣品托頭上。在包埋劑OCT變白時(shí)將樣品托頭移至切片機(jī)的機(jī)頭上進(jìn)行修塊切片。切片厚度設(shè)置為25～100 μm，最后在切片上加1～2滴1%間苯三酚和25%鹽酸染色30 min，在Olympus UTV0.5×C3顯微鏡下拍照，數(shù)出大維管束和小維管束數(shù)目，并計(jì)算橫截面積。

1.3.5 干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特性指標(biāo)測(cè)定 在小麥開花當(dāng)天選取花期一致，長(zhǎng)勢(shì)、株高、穗大小基本相同的植株進(jìn)行標(biāo)記，在開花后0、10、20、30、35 d取樣，每次每個(gè)品種各取長(zhǎng)勢(shì)一致的10個(gè)主莖，然后貼地面剪去根部，并將小麥植株的旗葉、其他葉、葉鞘、莖稈及穗部的穗軸、籽粒分離，在70℃烘48 h至恒重。最后不同器官分別稱取干重。則干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特性指標(biāo)測(cè)定如下：

旗葉花前干物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)量=旗葉開花期干重-旗葉成熟期干重

葉+莖+鞘花前干物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)量=(葉+莖+鞘開花期干重)-(葉+莖+鞘成熟期干重)

旗葉花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率=旗葉花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/旗葉開花期干重×100%

葉+莖+鞘花前干物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)率=(葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量)/(葉+莖+鞘開花期干重)×100%

旗葉花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率=旗葉花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量/成熟期籽粒干重×100%

葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率=(葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量)/成熟期籽粒干重×100%

花后干物質(zhì)積累量=籽粒產(chǎn)量-花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量

花后干物質(zhì)積累對(duì)籽粒貢獻(xiàn)率=花后干物質(zhì)積累量/成熟期籽粒干重×100%

1.3.6 產(chǎn)量性狀測(cè)定 在成熟期，2種水分處理下每種小麥品種各采集20株，從其基部剪斷，取地上部分，在烘箱中80℃下烘干至恒重，測(cè)定每個(gè)處理不同品種小麥單株(包括分蘗)地上生物量、小穗數(shù)、千粒重、籽粒產(chǎn)量并計(jì)算收獲指數(shù)。

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/地上部生物產(chǎn)量

1.3.7 數(shù)據(jù)分析 通過SPSS 23.0軟件對(duì)不同基因型小麥在不同水分處理下的籽粒產(chǎn)量、粒數(shù)、收獲指數(shù)、小穗數(shù)，干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量等分別進(jìn)行單因素方差分析。在LSD 為0.05的水平上反應(yīng)上述指標(biāo)在不同水分處理下的差異性。采用SigmaPlot 12.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱對(duì)不同基因型小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

如表1所示，干旱脅迫對(duì)6個(gè)不同基因型小麥籽粒產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素有顯著影響。在干旱脅迫下，不同基因型小麥籽粒產(chǎn)量均有所降低，二倍體和四倍體小麥籽粒產(chǎn)量顯著低于六倍體小麥。相對(duì)于充分供水條件，干旱脅迫下二倍體和四倍體小麥的小穗數(shù)顯著降低，而六倍體小麥無顯著變化；二倍體小麥野生一粒、栽培一粒小穗數(shù)分別下降了24%、15%，四倍體小麥野生二粒、栽培二粒分別下降了29%、41%，而六倍體小麥小偃22、長(zhǎng)旱58僅下降了6%、1%。對(duì)小麥粒數(shù)而言，所有基因型小麥粒數(shù)在干旱脅迫下均顯著降低，不同基因型小麥下降幅度之間差異顯著，六倍體小麥下降幅度最小，二倍體小麥下降幅度最大。干旱脅迫對(duì)不同基因型小麥千粒重影響也不同，相對(duì)于充分供水條件，干旱脅迫下野生一粒、栽培一粒、野生二粒、栽培二粒、小偃22、長(zhǎng)旱58千粒重分別下降了29%、33%、31%、11%、-4%、15%。在干旱脅迫下，不同基因型小麥品種間收獲指數(shù)存在差異。相對(duì)于充分供水條件，干旱下小麥?zhǔn)斋@指數(shù)降低，四倍體和二倍體小麥?zhǔn)斋@指數(shù)顯著低于六倍體小麥。

2.2 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特性的影響

如表2所示，相比于充分供水條件，干旱脅迫下所有基因型小麥旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量均有所降低，且在干旱脅迫下六倍體旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著高于二倍體和四倍體小麥。2種水分處理下不同基因型小麥間花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率也存在差異。二倍體和四倍體小麥旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率顯著低于六倍體小麥。相比于充分供水條件，干旱脅迫下二倍體和四倍體小麥的旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率顯著降低。同時(shí)，干旱脅迫下不同基因型小麥旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)貢獻(xiàn)率也顯著降低，四倍體和二倍體小麥旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)貢獻(xiàn)率顯著低于六倍體小麥。

表2 兩種水分處理下不同基因型小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率和貢獻(xiàn)率

如表3所示，干旱脅迫顯著影響不同基因型小麥花后干物質(zhì)積累量。相比于充分供水條件，干旱脅迫下不同基因型小麥花后干物質(zhì)積累量顯著降低，且不同品種間存在差異。四倍體和二倍體小麥花后干物質(zhì)積累量顯著低于六倍體小麥。小麥花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率也同樣受干旱脅迫顯著影響。相比于充分供水條件，除栽培一粒外，干旱脅迫下其他小麥花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率均提高，且不同基因型小麥相比，四倍體和二倍體小麥花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率顯著低于六倍體小麥。

表3 兩種水分處理下不同基因型小麥花后干物質(zhì)積累量及貢獻(xiàn)率

2.3 干旱處理對(duì)不同基因型小麥穗下維管束的影響

維管束是整個(gè)小麥植株體內(nèi)的疏導(dǎo)組織，是小麥光合產(chǎn)物、水分和養(yǎng)分的通道，其數(shù)量和面積的大小與小麥體內(nèi)干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量的多少密切相關(guān)。如表4所示，干旱脅迫下所有基因型小麥大維管束數(shù)量沒有發(fā)生顯著變化，但其面積變化顯著。相比于充分供水條件，干旱脅迫下除四倍體小麥栽培二粒外，不同基因型小麥大維管束面積均顯著降低，且不同品種間大維管束面積存在顯著差異，二倍體和四倍體小麥大維管束面積顯著低于六倍體小麥。對(duì)于小維管束而言，相比于充分供水條件，干旱脅迫降低了所有基因型小麥小維管束數(shù)量和面積，且不同品種間差異顯著，二倍體和四倍體小麥維管束數(shù)量和面積顯著低于六倍體小麥。

表4 兩種水分處理下不同基因型小麥維管束數(shù)量和面積

2.4 干旱對(duì)不同基因型小麥葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的必要條件之一,隨著小麥生育期的推進(jìn)，其營(yíng)養(yǎng)器官逐漸衰老，葉片葉綠素含量逐漸降低。由圖1可知，隨著開花時(shí)間的推移，葉綠素含量顯著降低。在充分供水條件下，花后0～10 d小麥葉綠素含量無顯著變化，花后10～35 d所有基因型小麥的葉綠素含量整體呈下降趨勢(shì)。不同基因型小麥相比，在小麥開花10 d后，二倍體和四倍體小麥葉綠素含量顯著高于六倍體小麥。在干旱條件下，花后0～10 d小麥葉綠素含量無顯著變化，在小麥開花10 d后，不同基因型小麥葉綠素含量顯著降低。與同時(shí)期充分供水條件相比，花后10～35 d干旱脅迫下所有基因型小麥葉綠素含量顯著降低，且不同基因型小麥間葉綠素含量存在差異。相比于二倍體和四倍體小麥，六倍體小麥葉綠素含量最高，降低幅度最小。

2.5 干旱對(duì)不同基因型小麥抗氧化酶活性的影響

由圖2可以看出，在2種水分處理下，不同基因型小麥的SOD酶活性表現(xiàn)為先增加后降低的單峰變化規(guī)律。在充分供水條件下，小偃22的SOD酶活性在花后30 d達(dá)到最高隨后逐漸降低，其他小麥SOD酶活性在花后20 d達(dá)到最大值后降低，且在開花20 d后二倍體和四倍體小麥SOD酶活性顯著低于六倍體小麥。與同期充分供水條件相比，除小偃22外，干旱脅迫下其他小麥SOD酶活性增加，且六倍體小麥SOD酶活性顯著高于二倍體和四倍體小麥。同樣的，在2種水分處理下，不同基因型小麥的CAT酶活性表現(xiàn)為先增加后降低的單峰變化規(guī)律。在充分供水條件下，不同品種小麥間0～10 d CAT酶活性無顯著差異。而在花后30 d，栽培二粒、小偃22、長(zhǎng)旱58 CAT酶活性到峰值，其他小麥品種在花后20 d達(dá)到峰值。花后25～30 d，六倍體小麥CAT酶活性顯著高于四倍體和二倍體小麥。與同期充分供水條件相比，干旱脅迫提高了所有基因型小麥CAT酶活，且不同基因型小麥間存在差異。相比于二倍體和四倍體小麥，花后0～10 d六倍體小麥CAT酶活性增幅最大，且在花后0～35 d六倍體小麥CAT酶活性顯著高于二倍體和四倍體小麥。

由圖3可以看出，2種水分處理下，所有基因型小麥在花后0 d開始APX酶活性逐漸提高，在花后30 d達(dá)到最高，隨后降低。在充分供水條件下，同期不同基因型小麥在花后0～10 d APX酶活性沒有顯著差異，而在花后10～35 d，六倍體小麥APX酶活性顯著高于二倍體和四倍體小麥。與同期充分供水條件相比，干旱脅迫下不同基因型小麥APX酶活性顯著增加，且同期不同基因型小麥APX酶活性存在顯著差異。六倍體小麥APX酶活性顯著高于四倍體和二倍體小麥。對(duì)于GR酶活性而言，2種水分處理下，所有基因型小麥GR酶活性在花后0～30 d逐漸升高，在30～35 d降低。在充分供水條件下，同期不同基因型小麥相比，二倍體野生一粒小麥在花后0～10 d GR酶活性顯著高于其他基因型小麥，在花后20 d各基因型小麥GR酶活性沒有顯著差別，花后20 d以后六倍體小麥GR酶活性高于四倍體和二倍體小麥。與同期充分供水相比，干旱脅迫下各基因型小麥GR酶活性均增加。與同時(shí)期二倍體和四倍體小麥相比，六倍體小麥GR酶活性最高，增幅最大。

2.6 干旱對(duì)不同基因型小麥活性氧的影響

3 討論與結(jié)論

本研究中，在干旱脅迫下，不同基因型小麥的產(chǎn)量構(gòu)成因素均降低，且不同基因型小麥之間的下降幅度存在顯著差異。干旱脅迫下二倍體小麥的粒數(shù)下降幅度高于四倍體和六倍體小麥，這也導(dǎo)致二倍體小麥的產(chǎn)量下降幅度最大。相比于二倍體和四倍體小麥，六倍體小麥粒數(shù)下降幅度最小。二倍體和四倍體小麥粒數(shù)的下降幅度大于千粒重的下降幅度。而干旱脅迫對(duì)六倍體小麥的粒數(shù)和千粒重影響顯著低于二倍體和四倍體小麥，說明干旱脅迫對(duì)二倍體和四倍體小麥的粒數(shù)影響較大。自然選擇過程中植物粒數(shù)可塑性較大，而隨著小麥的進(jìn)化和人工選擇的干預(yù)，小麥的粒數(shù)更加穩(wěn)定，一定程度上有利于維持產(chǎn)量[23-24]。此外，干旱脅迫下六倍體小麥的降低率均低于二倍體和四倍體小麥的千粒重和收獲指數(shù)降低率，這可能是由于六倍體小麥有著較高的物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力。開花前期存儲(chǔ)于營(yíng)養(yǎng)器官的干物質(zhì)被轉(zhuǎn)運(yùn)至穗部用于籽粒建設(shè)，一定程度上保證了籽粒的正常發(fā)育，這對(duì)于干旱條件下小麥籽粒的灌漿具有重要意義。

通過進(jìn)一步研究干旱脅迫下花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特性，本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫顯著降低了所有基因型小麥花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)量。在不同基因型小麥中，干旱脅迫下二倍體小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量最低，且其花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量的降低幅度最大，導(dǎo)致到達(dá)小麥籽粒的干物質(zhì)量最少，干物質(zhì)貢獻(xiàn)率最低。

相比于二倍體和四倍體小麥，在干旱脅迫下六倍體小麥花前轉(zhuǎn)運(yùn)量和貢獻(xiàn)率降低率最低，花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率增加，說明干旱脅迫對(duì)六倍體小麥花前干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)影響最小，使得六倍體小麥干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)分配較多，千粒重增加，從而為維持產(chǎn)量穩(wěn)定奠定了基礎(chǔ)。此外，干旱脅迫提高了六倍體小麥旗葉、葉+莖+鞘花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率，這說明干旱脅迫提高了六倍體小麥營(yíng)養(yǎng)器官中貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力，而小麥營(yíng)養(yǎng)器官中貯藏物質(zhì)主要通過維管束轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)穗部，所以六倍體小麥轉(zhuǎn)運(yùn)能力的提高可能與其維管束數(shù)量和橫截面積相關(guān)[25]。

產(chǎn)量的增加不僅受花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)特性的影響，還受花后干物質(zhì)積累的影響。本研究中，干旱脅迫顯著降低了小麥花后干物質(zhì)積累量，提高了小麥花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率。相比于二倍體和四倍體小麥，六倍體花后干物質(zhì)積累量在干旱脅迫下降低幅度最大，但在干旱條件下其花后干物質(zhì)積累量顯著高于二倍體和四倍體小麥，導(dǎo)致六倍體小麥在干旱脅迫下花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率升高幅度低于四倍體小麥，但花后干物質(zhì)貢獻(xiàn)率顯著高于四倍體小麥。而較高的花后干物質(zhì)積累量是小麥高產(chǎn)的主要原因，也是小麥具有較高生產(chǎn)力的表現(xiàn)[26]，所以六倍體小麥生產(chǎn)力高于二倍體和四倍體小麥。而小麥的生產(chǎn)力主要依賴于植物體自身的光合作用，所以小麥生產(chǎn)力的強(qiáng)弱可能與其花后光合產(chǎn)物供應(yīng)強(qiáng)度和營(yíng)養(yǎng)器官衰老密切相關(guān)。

小麥花后干物質(zhì)的積累主要受其花后持綠特性和衰老特性的影響，進(jìn)而影響小麥產(chǎn)量的形成。我們通過對(duì)小麥花后葉綠素含量的研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫降低了小麥花后葉綠素含量，與二倍體和四倍體小麥相比，六倍體小麥葉綠素含量最高，且其降低幅度最小，導(dǎo)致干旱脅迫下六倍體小麥花后干物質(zhì)積累量高于二倍體和四倍體小麥，進(jìn)而幫助六倍體小麥形成較高產(chǎn)量。該結(jié)論與Hardstone等[27]的研究結(jié)論一致。而在小麥生育后期活性氧含量逐漸增加，小麥營(yíng)養(yǎng)器官逐漸衰老，光合速率降低。對(duì)小麥開花后抗氧化防御系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫導(dǎo)致所有倍體小麥花后活性氧含量增加，同時(shí)期六倍體小麥活性氧含量低于二倍體和四倍體小麥，且增幅最小。同時(shí)干旱脅迫導(dǎo)致同時(shí)期不同倍性小麥抗氧化類酶活性升高，六倍體小麥抗氧化活性高于二倍體和四倍體小麥，這也使得六倍體小麥活性氧的產(chǎn)生與清除達(dá)到平衡，說明在水分脅迫下六倍體小麥抗氧化系統(tǒng)對(duì)活性氧的清除響應(yīng)更加積極，減緩了光合結(jié)構(gòu)的損失和衰老速度，進(jìn)而使得六倍體小麥比二倍體和四倍體小麥持綠時(shí)間更長(zhǎng)，同化物生產(chǎn)能力更高。維管束作為小麥光合產(chǎn)物、水分和養(yǎng)分主要運(yùn)輸通道，其數(shù)目、截面積與粒重呈正相關(guān)[28]。在本研究中，與其他倍性小麥相比干旱脅迫下六倍體小麥小維管束面積、大維管束數(shù)量和面積最高，也說明六倍體小麥在干旱脅迫下轉(zhuǎn)運(yùn)能力高于二倍體和四倍體小麥，進(jìn)而使得六倍體小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量和轉(zhuǎn)運(yùn)效率也更高。

本研究通過對(duì)比干旱和充分供水兩種處理下不同基因型小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和花后干物質(zhì)積累量差異，分析了干旱脅迫下不同基因型小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)、積累以及運(yùn)輸能力和抗氧化防御能力變化特征對(duì)其產(chǎn)量形成的影響。結(jié)果表明，相比于充分供水條件，干旱脅迫下六倍體小麥花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率增加，花后干物質(zhì)的積累量和貢獻(xiàn)率均高于二倍體和四倍體小麥，從而導(dǎo)致六倍體小麥籽粒產(chǎn)量最高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下六倍體小麥運(yùn)輸能力和抗氧化防御能力顯著高于二倍體和四倍體小麥，使得六倍體小麥干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運(yùn)顯著高于二倍體和四倍體小麥，進(jìn)而影響小麥籽粒產(chǎn)量形成，使得六倍體小麥產(chǎn)量顯著高于二倍體和四倍體小麥。由此可見，加深小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和積累、抗氧化防御系統(tǒng)的變化以及它們對(duì)產(chǎn)量形成調(diào)控機(jī)制的研究，有助于近一步挖掘小麥干物質(zhì)生產(chǎn)潛力，為實(shí)現(xiàn)小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。