王智煜 李迎迎 胡雅倩 張自陽(yáng) 朱啟迪 劉明久

摘要：為明確四分體期低溫脅迫對(duì)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(guò)氧化物酶（POD）活性、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性等生理指標(biāo)的變化。結(jié)果表明，與對(duì)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(duì)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(duì)照相比幾乎沒(méi)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(duì)照相比均有所增加，但沒(méi)有達(dá)到顯著水平;百農(nóng)矮抗58幼穗中SOD、CAT、POD活性與對(duì)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(lái)抵御活性氧代謝帶來(lái)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(hào)： S435.111.3+13;S512.101? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）10-0114-03

小麥春季凍害一直是我國(guó)黃淮冬麥區(qū)和長(zhǎng)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(zhǎng)開(kāi)始加快，對(duì)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(guó)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(guó)小麥生產(chǎn)的穩(wěn)產(chǎn)性、豐產(chǎn)性，威脅著我國(guó)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(guò)程，以往研究春季低溫對(duì)小麥的影響大都側(cè)重于一個(gè)生長(zhǎng)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(duì)小麥品種葉片生理生化的影響研究較多，對(duì)低溫脅迫下幼穗研究較少，對(duì)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(duì)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(zhǎng)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(duì)照。對(duì)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(zhǎng)的小段，混勻，按0.5 g分裝，置于-80 ℃冰箱內(nèi)貯存?zhèn)溆?，?duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

1.2.2 生理指標(biāo)測(cè)定方法 可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法[15]，可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[16]利用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶（POD）活性[17]，氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法測(cè)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(cè)定采用硫代巴比妥酸顯色法[17]。

1.2.3 單株結(jié)實(shí)率測(cè)定 將處理后盆栽的小麥埋于田間自然生長(zhǎng)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(duì)2個(gè)小麥品種幼穗結(jié)實(shí)率的影響

由表1可知，與對(duì)照相比，低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58結(jié)實(shí)率下降7.9%，沒(méi)有達(dá)到差異顯著水平。鄭麥366結(jié)實(shí)率顯著下降，比對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照相比，低溫脅迫對(duì)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(duì)照相比幾乎沒(méi)有變化。

2.3 四分體期低溫脅迫對(duì)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(duì)照相比均有所增加，但均沒(méi)有達(dá)到顯著水平。

2.4 四分體期低溫脅迫對(duì)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(duì)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(duì) 照> 鄭麥366對(duì)照。

2.5 四分體期低溫脅迫對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)照下降了91.2%。說(shuō)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(lái)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(guò)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(duì)照相比幾乎沒(méi)有變化。說(shuō)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(lái)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(guò)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(duì)照相比均有所增加，但沒(méi)有達(dá)到顯著水平。說(shuō)明可溶性糖在抵御低溫脅迫的過(guò)程中沒(méi)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(guò)多的活性氧會(huì)對(duì)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(duì)照相比均呈現(xiàn)顯著上升。說(shuō)明百農(nóng)矮抗58具有更強(qiáng)的抵御活性氧代謝帶來(lái)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(shuō)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(guò)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(lái)抵御活性氧代謝帶來(lái)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]靖 華，亢秀麗，馬愛(ài)平，等. 晉南旱垣春季低溫對(duì)不同播種期小麥凍害的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27（9）：76-80.

[2]Scheifinger H，Menzel A，Koch E，et a1. Trends of springtime frost events and phonological dates in Central Europe[J]. Theoretical and Applied Climatology，2003，74（1/2）：41-51.

[3]陳懷亮，鄧 偉，張雪芬，等. 河南小麥生產(chǎn)農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析及區(qū)劃[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2006，15（1）：135-143.

[4]馮玉香，何維勛，孫忠富，等. 我國(guó)冬小麥霜凍害的氣候分析[J]. 作物學(xué)報(bào)，1999，25（3）：335-340.

[5]任德超，胡 新，黃紹華，等. 晚霜凍害對(duì)不同類型小麥產(chǎn)量性狀的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（5）：55-58.

[6]王夢(mèng)雨，王文霞，趙小明，等. 殼寡糖對(duì)低溫脅迫下小麥幼苗的保護(hù)作用及相關(guān)代謝產(chǎn)物的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2016，36（5）：653-65.

[7]吳青霞，楊 林，邵 慧，等. 藥隔期低溫脅迫對(duì)小麥生理及產(chǎn)量的影響[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2013，33（4）：752-757.

[8]吳青霞. 春季低溫脅迫下小麥生理生化反應(yīng)及抗寒基因的差異表達(dá)[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2013：1-2.

[9]趙 虹，王西成，胡衛(wèi)國(guó)，等. 黃淮南片麥區(qū)小麥倒春寒凍害成因及預(yù)防措施[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，43（8）：34-38.

[10]姜麗娜，張黛靜，宋 飛，等. 不同品種小麥葉片對(duì)拔節(jié)期低溫的生理響應(yīng)及抗寒性評(píng)價(jià)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2014，34（15）：4251-4261.

[11]張志偉，王法宏，李升東，等. 不同類型小麥品種孕穗期低溫生理反應(yīng)及其抗寒性分析[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2012，32（5）：900-906.

[12]張自陽(yáng)，馮素偉，姜小苓，等. 河南省主推小麥品種越冬期生理生化特性比較研究[J]. 河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，40（4）：1-6.

[13]張 軍，魯 敏，孫樹(shù)貴，等. 拔節(jié)期低溫脅迫對(duì)小麥生理生化特性和產(chǎn)量的影響[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2014，23（2）：73-79.

[14]崔金梅，郭天財(cái). 小麥的穗[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2007：18-54.

[15]王學(xué)奎. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2006：202-204.

[16]郝再彬，蒼 晶，徐 仲. 植物生理實(shí)驗(yàn)[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004：46-49.

[17]李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)定技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2003.

[18]高俊鳳. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[19]Gao Y，Qi X H，Yang J H，et al. The response mechanism of cold stress in higher plants[J]. Northern Horticulture，2007（10）：58-61.

[20]趙 軍，趙玉田. 寒脅迫過(guò)程中冬小麥葉片組織可溶性蛋白質(zhì)含量的變化和功能[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，1994，27（2）：57-61.

[21]康國(guó)章，岳彩鳳，彭慧芳，等. 凍害脅迫對(duì)小麥葉片抗寒生理生化指標(biāo)的影響[J]. 河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，40（12）：56-60.

[22]Terzioglu S，Ekmekci Y.Variation of total soluble seminal root proteins of tetraploid wild and cultivated wheat induced at cold acclimation and freezing[J]. Acta Physiologiae Plantarum，2004，26（4）：443-450.

[23]Larsson S，Johansson L，Svenningsson M. Soluble sugars and membrane lipids in winter wheat （Tritieum aestivum L.） during cold acclimation[J]. European Journal of Agronomy，1992，1（2）：85-90.

[24]Attila V，Ildiko K，Gabor G，et a1. Frost hardiness depending on carbohydrate changes during cold acclimation in wheat[J]. Plant Science，1999，144（2）：85-92.

[25]陳 龍，吳詩(shī)光，李淑梅，等. 低溫脅迫下冬小麥拔節(jié)期生化反應(yīng)及抗性分析[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2001，16（4）：42-46.

[26]鐘秀麗，王道龍，吉田久，等. 冬小麥品種抗霜凍能力的影響因素分析[J]. 作物學(xué)報(bào)，2007，33（11）：1810-1814.

[27]衛(wèi)秀英，歐行奇，李新華，等. 黃淮地區(qū)冬春季低溫脅迫對(duì)小麥生理特性的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48（1）：48-50.

[28]Kendall E J，Mckersie B D. Free radical and freezing injury to cell membranes of winter wheat[J]. Plant Physiology，1989，76（1）：86-94.