晁漫寧，史新月，張健龍，張一嵐，王志成，李春艷，孫風(fēng)麗，張超，奚亞軍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北地區(qū)小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；3.陜西省寶雞市隴縣種子管理站，陜西寶雞 721000)

隨著我國市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，優(yōu)質(zhì)專用小麥的需求量急速增加。由于基礎(chǔ)研究相對滯后以及氣候變化，小麥主產(chǎn)區(qū)干旱頻發(fā)，嚴(yán)重影響了優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)[1-2]。灌漿期是決定小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵時(shí)期，除遺傳因素外，環(huán)境因素對小麥灌漿有著不可忽視的影響，其中缺水是生產(chǎn)上最常遇到的環(huán)境因素之一[3]。水分缺乏會(huì)明顯抑制小麥籽粒灌漿，減少干物質(zhì)向籽粒的運(yùn)輸與積累，降低千粒重[4-5]，改變籽粒品質(zhì)特性[6]。干旱脅迫通過多種方式影響小麥源庫代謝，包括影響葉片碳水化合物的合成和籽粒同化物的轉(zhuǎn)化。光合作用是小麥干物質(zhì)積累的基礎(chǔ)，小麥旗葉光合能力的強(qiáng)弱對產(chǎn)量形成具有重要作用。干旱脅迫后，小麥葉片凈光合速率下降，影響產(chǎn)量形成[7]。干旱缺水時(shí)小麥會(huì)通過提高抗氧化酶活性和增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，增強(qiáng)對逆境的抗性和適應(yīng)能力，從而減輕逆境脅迫的威脅[8]。淀粉和蛋白質(zhì)是小麥籽粒中的主要組分，兩者的含量決定著小麥產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣[9-10]。干旱脅迫也會(huì)影響籽粒淀粉和蛋白質(zhì)的含量及其組成。目前，花后干旱脅迫對小麥生理、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響已有較多研究，但有關(guān)灌漿期持續(xù)干旱對優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥影響的研究相對較少。早熟多抗小麥品種西農(nóng)979是目前國內(nèi)大面積種植的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥代表品種之一。本試驗(yàn)分析了灌漿期干旱脅迫對強(qiáng)筋小麥西農(nóng)979旗葉光合、抗氧化酶活性、籽粒性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，以期為強(qiáng)筋優(yōu)質(zhì)小麥的高產(chǎn)抗旱栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用廣泛種植的早熟多抗優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥西農(nóng)979作為試驗(yàn)材料，其種子由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北地區(qū)小麥生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥分別于2017年10月-2018年2月和2018年10月-2019年2月在西北農(nóng)林科技大學(xué)實(shí)驗(yàn)地進(jìn)行大田種植，而后移栽至西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)溫室。實(shí)驗(yàn)采用底部帶孔的塑料盆(直徑30 cm，高度26 cm)，每盆裝土5.5 kg，定植5株，盆栽用土為大田耕層土與育苗基質(zhì)1∶1混合。設(shè)置正常供水(CK)和干旱脅迫2個(gè)水分處理，每個(gè)處理種植20盆。干旱脅迫處理從開花前逐漸減少澆水，從開花期開始采用稱重法進(jìn)行水分控制，一直持續(xù)到灌漿結(jié)束。正常供水處理的土壤相對含水量保持在80%左右，干旱處理的土壤相對含水量控制在35%左右。拔節(jié)前溫室溫度控制在16 ℃，拔節(jié)后溫度白天26 ℃，晚上 16 ℃。每天17:00-22:00進(jìn)行補(bǔ)光，小麥植株頂部補(bǔ)光光強(qiáng)為500 μmol-2·s-1。

1.3 測定項(xiàng)目和方法

在干旱脅迫后10 d、20 d、30 d和成熟期分別從對照和干旱處理中選取長勢一致的麥穗和旗葉取樣，其中部分旗葉立刻進(jìn)行葉片相對含水量的測定，剩余旗葉與小麥穗取樣后液氮速凍，保存在-80 ℃?zhèn)溆?。參考謝祝捷等方法[11]，略作改進(jìn)，將未成熟的籽粒105 ℃殺青1 h后42 ℃烘干至恒重，成熟的籽粒直接42 ℃烘干至恒重。

1.3.1 葉相對含水量測定

取新鮮旗葉，迅速放入培養(yǎng)皿稱出鮮重(Wf)，然后將葉片浸入去離子水中浸泡過夜充分吸水后取出，用吸水紙擦干葉片表面水分，稱重(Wt)，最后烘干至恒重(Wd)，每個(gè)處理重復(fù)3次。計(jì)算葉片相對含水量(RWC)。RWC=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%。

1.3.2 旗葉光合參數(shù)測定

選取旗葉中部，用美國LI-COR公司的 LI-6800便攜式光合儀，測定光合速率等參數(shù)，每個(gè)處理重復(fù)5次。測定時(shí)光合儀光量子通量密度為750 μmol·m-2·s-1，氣體流速為500 μmol·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1。

1.3.3 抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量測定

將保存于-80 ℃的旗葉取出進(jìn)行相關(guān)酶活性和可溶性蛋白含量測定，每個(gè)處理重復(fù)3次。過氧化物酶(POD)活性測定參照Chance B等的方法[12-13]，過氧化氫酶(CAT)活性測定參照Aebi H的方法[14-15]，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍(lán)四唑法測定[16]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法測定[17]。

1.3.4 籽粒性狀及結(jié)實(shí)率調(diào)查

將花后10 d、20 d、30 d及成熟期的籽粒烘干，用標(biāo)康BK-302電子游標(biāo)卡尺測定籽粒長度和寬度，稱取單粒重。重復(fù)三次，每個(gè)重復(fù)測20 個(gè)籽粒。在小麥完熟后，隨機(jī)取5個(gè)主穗，統(tǒng)計(jì)小穗數(shù)、穗粒數(shù)并計(jì)算結(jié)實(shí)率。

1.3.5 籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量測定

將花后10 d、20 d、30 d及成熟期的籽粒烘干后用研缽研磨，用孔徑為0.15 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩過篩。用雙波長法[18]測定淀粉及其組分含量，每個(gè)處理重復(fù)3次。利用瑞典FOSS公司Kejdale 8400 全自動(dòng)凱氏定氮儀測定全氮含量，含氮量乘以 5.7 即為蛋白質(zhì)含量[11]，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)均含三個(gè)以上生物學(xué)重復(fù)。使用SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行處理間差異顯著性測驗(yàn)(ANOVA，LSD 0.05)，用Microsoft Excel 2010繪圖。由于兩年數(shù)據(jù)趨勢一致，所以以下分析均采用兩年平均值進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌漿期干旱脅迫對小麥植株葉片相對含水量和光合特性的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的延長，土壤和小麥葉片水分虧缺程度增加?；ê?0 d、20 d和30 d，干旱脅迫下小麥旗葉相對含水量較CK分別下降2%、14%和78%(圖1)。干旱脅迫下，小麥旗葉光合受到抑制(圖2)。與CK相比，干旱脅迫下花后10 d、20 d和30 d的旗葉凈光合速率分別下降14%、33%和103%，蒸騰速率分別下降38%、44%和104%，氣孔導(dǎo)度分別下降21%、46%和104%，花后10 d和20 d的胞間CO2濃度分別減小3%和10%。

圖2 干旱脅迫對不同灌漿階段小麥光合特性的影響

圖柱上同一組數(shù)據(jù)的小寫字母不同表示在0.05水平上差異顯著。下圖同。

2.2 灌漿期干旱脅迫對小麥旗葉抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量的影響

在灌漿前期(花后10 d)，干旱脅迫后小麥旗葉SOD、POD和CAT活性及可溶性蛋白含量均不同程度升高，增幅分別為2%、17%、4%和5%(圖3)。在小麥灌漿中后期，三種酶活性和可溶性蛋白含量均呈下降趨勢，其中POD和SOD活性下降速度低于CK。干旱脅迫下花后30 d旗葉的POD和SOD活性顯著高于CK，CAT活性和可溶性蛋白含量顯著低于CK。

圖3 干旱脅迫對不同灌漿階段小麥旗葉保護(hù)酶活性和可溶性蛋白含量的影響

2.3 灌漿期干旱脅迫對小麥籽粒性狀及結(jié)實(shí)率的影響

灌漿期干旱脅迫后小麥千粒重、籽粒長寬和結(jié)實(shí)率均顯著下降，小穗數(shù)、穗粒數(shù)、穎花數(shù)變化不顯著(圖4)。與CK相比，干旱脅迫下花后10 d、20 d、30 d以及成熟期的千粒重分別下降6%、12%、5%和6%，籽粒寬度縮小10%、11%、4%和11%，花后10 d和20 d的籽粒長度顯著縮小5%和3%，結(jié)實(shí)率下降14%。

SP:小穗數(shù)；SG：穗粒數(shù)；FR：穎花數(shù)；SR：結(jié)實(shí)率(%)。

2.4 灌漿期干旱脅迫對淀粉組分和蛋白質(zhì)含量的影響

干旱脅迫顯著影響了灌漿期籽粒的淀粉和蛋白質(zhì)積累，其中淀粉總含量的變化趨勢主要受到支鏈淀粉含量變化的影響(圖5)。與CK相比，干旱脅迫下花后10 d的籽粒淀粉含量和直支比無顯著變化，干旱脅迫下花后20 d的直鏈淀粉含量無顯著變化，支鏈淀粉含量和淀粉總含量均下降20%，直支比變化不顯著。干旱脅迫下花后 30 d的直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、淀粉總含量和直支比分別下降39%、36%、37%和5%。與CK相比，干旱脅迫下成熟期籽粒直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、淀粉總含量和直支比分別下降58%、27%、37%和42%。成熟期籽粒淀粉直支比顯著下降的主要原因是CK植株淀粉在花后30 d以后仍在積累，特別是直鏈淀粉積累顯著，而干旱處理的淀粉積累在花后30 d以后基本停止。對灌漿期不同階段小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量進(jìn)行測定發(fā)現(xiàn)，花后10 d、30 d和成熟期的蛋白質(zhì)相對含量分別升高4%、9%和8%，花后10 d、20 d和成熟期每穗籽粒蛋白質(zhì)量分別下降12%、22%和9%。

圖5 干旱脅迫對灌漿期不同階段小麥淀粉和蛋白質(zhì)含量的影響

3 討 論

優(yōu)質(zhì)專用小麥?zhǔn)莾?yōu)質(zhì)面包、面條、餅干等食品的原料，國內(nèi)優(yōu)質(zhì)小麥供不應(yīng)求。西農(nóng)979是國審優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥重要代表，在黃淮海地區(qū)廣泛種植。然而小麥品質(zhì)受氣候環(huán)境影響較大，特別是受干旱脅迫影響較為常見，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)受到限制。此外，同一品種的品質(zhì)在不同種植條件下差異較大，旱地小麥品質(zhì)優(yōu)于水澆地，干旱地區(qū)是未來優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)的重要區(qū)域[19,20]。因此，研究優(yōu)質(zhì)小麥在不同干旱階段的響應(yīng)特征，對促進(jìn)優(yōu)質(zhì)小麥品質(zhì)改良和良種良法配套等種植措施的改進(jìn)具有重要意義。

小麥開花至成熟是籽粒產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，在該期間植株的光合性能對最終產(chǎn)量形成具有非常重要的作用[21-22]，而干旱脅迫使光合作用參數(shù)受到顯著影響[23]。在土壤干旱過程中，葉片相對含水量是反映作物組織中水分狀況的一個(gè)較敏感的指標(biāo)[24]。干旱脅迫下，小麥旗葉相對含水量顯著下降[25-26]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫導(dǎo)致西農(nóng)979在花后各階段旗葉凈光合速率，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度下降，使花后10 d、20 d胞間CO2濃度減小，顯著降低花后20 d、30 d旗葉相對含水量。結(jié)果表明，灌漿期的干旱脅迫對西農(nóng)979的植株生理代謝有明顯影響，因此應(yīng)該注意在此期間及時(shí)灌溉調(diào)控土壤水分狀況，避免干旱缺水導(dǎo)致籽粒灌漿受阻。

干旱脅迫使植物體內(nèi)活性氧大量積累，對植株造成傷害。SOD、POD 是細(xì)胞內(nèi)清除活性氧的重要保護(hù)酶，在正常生長條件下與CAT 協(xié)同作用，使生物體內(nèi)活性氧自由基維持在較低水平[27]?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量是植物總體代謝的一個(gè)重要指標(biāo)[28]，輕度干旱脅迫會(huì)引起可溶性蛋白含量上升，而重度或中度干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致可溶性蛋白含量下降，這可能是因?yàn)殚L期干旱下蛋白分解強(qiáng)于蛋白合成緣故[29-30]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫使花后10 d的西農(nóng)979旗葉SOD、POD和CAT活性與CK相比明顯升高，且POD和SOD活性在后期下降速度低于CK。本試驗(yàn)中干旱處理的土壤相對含水量在35%左右，屬于重度干旱脅迫。在該脅迫下，花后10 d的小麥旗葉可溶性蛋白含量與CK相比顯著上升。以上研究結(jié)果表明，西農(nóng)979對干旱有一定的抗性和適應(yīng)性，在干旱脅迫下能保持良好的葉片狀態(tài)，但葉片光合作用、活性氧清除酶活性等已有較為劇烈的變化，生理指標(biāo)比植株表型響應(yīng)更為敏感和迅速。因此，在生產(chǎn)中，需要注意及時(shí)測量土壤含水量、小麥葉片光合作用等生理指標(biāo)，及時(shí)灌溉補(bǔ)水。

籽粒淀粉和蛋白質(zhì)組分和含量是小麥品質(zhì)的主要決定因素。在小麥分蘗期和拔節(jié)期，干旱脅迫使結(jié)實(shí)率顯著降低[31]，持續(xù)的土壤干旱使小麥籽粒淀粉和蛋白質(zhì)產(chǎn)量下降，導(dǎo)致植株產(chǎn)量下降和品質(zhì)顯著變化[6]。有研究表明，干旱脅迫使小麥籽粒淀粉與蛋白質(zhì)的含量和組分受到不同程度地影響，主要表現(xiàn)在籽粒蛋白質(zhì)含量升高、淀粉含量下降，從而改變了小麥的籽粒品質(zhì)[6,32]。淀粉是小麥籽粒最主要的組分，直鏈淀粉含量和淀粉直支比對小麥面粉及面食的加工品質(zhì)有較大影響[33,34]，直鏈淀粉含量和淀粉直支比與膨脹勢呈負(fù)相關(guān)[35]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫導(dǎo)致千粒重、籽粒長度、寬度明顯減小。持續(xù)的灌漿期干旱脅迫下，除花后20 d 以外各階段的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量顯著升高，除花后30 d以外各階段每穗籽粒蛋白質(zhì)量顯著下降，花后各階段淀粉含量下降，籽粒直、支鏈淀粉淀粉含量也均顯著降低，成熟籽粒的淀粉直支比顯著減小。以上結(jié)果表明，干旱脅迫對優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥西農(nóng)979的淀粉和蛋白組分及其含量等均有較為顯著的影響。因此，在生產(chǎn)中，我們需要科學(xué)合理地補(bǔ)水灌溉，增加小麥籽粒產(chǎn)量，提高蛋白質(zhì)含量，減小淀粉直/支比，從而有效地改善小麥的營養(yǎng)和加工品質(zhì)。

本研究以黃淮麥區(qū)大面積種植的優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥西農(nóng)979為對象，分析了在灌漿期不同階段小麥旗葉生理和籽粒性狀對干旱脅迫的響應(yīng)，結(jié)果表明西農(nóng)979在干旱脅迫下表現(xiàn)出生理代謝能力較強(qiáng)、抗氧化酶活性較穩(wěn)定、籽粒品質(zhì)較好的特征，但隨著干旱時(shí)間和程度的加深，小麥光合系統(tǒng)、活性氧清除系統(tǒng)、籽粒淀粉和蛋白質(zhì)組分和含量受到顯著影響，提示我們在品種改良時(shí)需要加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)抗旱高產(chǎn)的小麥新品種選育，在生產(chǎn)中我們可以根據(jù)情況在灌漿前期或嚴(yán)重干旱時(shí)適當(dāng)灌溉和良種良法配套，從而保障高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥生產(chǎn)力的發(fā)揮。