徐瀾，劉艷超，安偉,高志強(qiáng)

(1.忻州師范學(xué)院生物系，山西 忻州 034000；2.山西省農(nóng)科院玉米研究所，山西 忻州 034000；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801)

小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物、主要的商品糧和戰(zhàn)略儲(chǔ)備糧，其產(chǎn)量的穩(wěn)定直接影響著糧食安全.冬春麥混播區(qū)是我國小麥生產(chǎn)的重要組成部分，該地域耕地資源豐富，光熱資源充足，發(fā)展小麥生產(chǎn)極具潛力[1-2].然而冬春麥混播區(qū)春小麥生態(tài)類型復(fù)雜、品種較雜亂、優(yōu)良品種資源缺乏，這些現(xiàn)實(shí)問題嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)匦←溕a(chǎn)的發(fā)展.科學(xué)合理地引進(jìn)、篩選、馴化優(yōu)良小麥品種資源是保障小麥生產(chǎn)的重要措施之一.針對(duì)這一問題，高志強(qiáng)團(tuán)隊(duì)將長江中下游地區(qū)和西南冬麥區(qū)的優(yōu)良冬播小麥品種引入到北方混播區(qū)(如忻定盆地)進(jìn)行春播，即冬麥春播[3-5].冬麥春播是探索小麥品種資源更新、高效利用的一種新的途徑.研究表明，經(jīng)冬麥春播試驗(yàn)篩選得到的‘寧麥13’(2013產(chǎn)量：4 835.2 kg/hm2；2014產(chǎn)量：5 174.6 kg/hm2)等優(yōu)良品種的產(chǎn)量顯著高于當(dāng)?shù)卮蝴溒贩N[3]，增產(chǎn)潛力較大，對(duì)其在混播區(qū)的適應(yīng)性、抗逆性進(jìn)一步研究有重大意義.冬春麥混播區(qū)基本屬干旱半干旱地區(qū)，近幾年春旱頻發(fā)，對(duì)于春小麥保苗、壯苗極為不利.小麥苗期是一個(gè)較為敏感的時(shí)期，是由異養(yǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽责B(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)期，這時(shí)小麥的根系下扎還比較淺，容易發(fā)生旱害.因此，冬麥春播小麥的苗期耐、抗旱性表現(xiàn)是其引種成功與否的重要影響因素之一.

在長期的進(jìn)化中，植物演化出一套有效抵御逆境的生理機(jī)制.通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增加，細(xì)胞質(zhì)膜部分功能的喪失，自由基的產(chǎn)生和清除等因素綜合作用來應(yīng)對(duì)干旱脅迫[6-9].干旱脅迫抑制小麥生長發(fā)育，表現(xiàn)為植株生理特征的變化，其中可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、質(zhì)膜透性等是與抗旱性密切相關(guān)的生理指標(biāo).研究表明，干旱能顯著影響小麥MDA的含量，且由于干旱脅迫造成大量的活性氧的積累，會(huì)引起細(xì)胞膜脂過氧化而產(chǎn)生MDA，導(dǎo)致MDA的含量升高并對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害，從而損害植物的生長[10-12].

抗逆性強(qiáng)弱受品種自身遺傳特性的制約，篩選、馴化、培育抗旱性強(qiáng)的小麥品種是應(yīng)對(duì)干旱氣候的有效手段.為明確冬麥春播小麥品種在混播區(qū)的耐、抗旱性，本試驗(yàn)以前期(2013～2015年)混播區(qū)適應(yīng)性引種篩選得到的高產(chǎn)小麥品種‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’為材料，利用PEG 6000模擬干旱脅迫，研究了苗期不同干旱程度處理下2個(gè)品種的植株生長變化及生理生化響應(yīng)，從而比較兩品種的耐旱性強(qiáng)弱，為進(jìn)一步研究冬麥春播小麥苗期抗旱生理機(jī)制提供參考，為混播區(qū)小麥安全生產(chǎn)提供備選品種及理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 材料處理

以‘寧麥13’(南京)‘揚(yáng)麥20’(揚(yáng)州)為試驗(yàn)材料，將相同種子按距離1 cm間距種進(jìn)同規(guī)格的育苗盆，每品種設(shè)置12盆，待小麥生長至二葉一心期，開始干旱脅迫處理.利用PEG 6000模擬干旱脅迫，用蒸餾水配置4個(gè)梯度的處理液，即PEG 6000濃度為0(T0)、8%(T1)、16%(T2)、24%(T3)，各處理設(shè)置3次重復(fù)，分別在持續(xù)脅迫的第0天、第3天、第6天、第9天、第12天進(jìn)行各項(xiàng)生理生化指標(biāo)的測定，3次重復(fù)取平均值[12-13].

1.2 測定項(xiàng)目及方法

1.2.1 葉片面積 直尺測量展開葉的最長處和最寬處[14]，取平均值，見式(1)：

葉面積=最長×最寬×0.75

(1)

1.2.2 葉片相對(duì)含水量 在每個(gè)測量日同一時(shí)間，剪取‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’相同葉位的葉片測定相對(duì)含水量(RWC)[15-16]，見公式(2)：

(2)

1.2.3 根和葉的相對(duì)電導(dǎo)率 剪取適量葉片，蒸餾水洗凈，濾紙吸干水分，混勻，稱取0.2 g，剪為0.5 cm左右相同規(guī)格的小段，加入20 mL蒸餾水，抽氣、并使葉片完全浸入蒸餾水中，靜置12 h；取適量小麥根系，用水清洗干凈，蒸餾水沖洗數(shù)次，濾紙吸干水分，其余同葉片操作相同.靜置12 h后，使用電導(dǎo)率儀測根和葉的初始電導(dǎo)率S1；之后將材料分別置于100 ℃水浴加熱10 min，靜置、冷卻到室溫，測電導(dǎo)率S2[17-18].見式(3)：

(3)

1.2.4 可溶性蛋白含量 剪取‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’的葉片適量，混勻，稱取0.1 g，采用Tris-HCL緩沖溶液(pH=6.8)進(jìn)行可溶性蛋白研磨提取，采用考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白含量[3].以牛血清白蛋白(BSA)為標(biāo)準(zhǔn)品，在595 nm處繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線：y=4.701 4x-0.004 6(R2=0.993 7).

1.2.5 丙二醛含量 剪取新鮮‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’葉片適量，混勻，稱取0.5 g，加入5 mL 10%三氯乙酸(TCA)溶液和少量石英砂進(jìn)行研磨提取，提取液離心10 min，取上清液2 mL轉(zhuǎn)移到試管中，加入2 mL 0.6%硫代巴比妥酸(TBA)溶液，搖勻，置于100 ℃水浴中加熱15 min，取出冷卻，上清液轉(zhuǎn)移到離心管中，離心.取第二次離心后的上清液在450、532、600 nm處分別測定D值.對(duì)照用2 mL蒸餾水代替提取液.見式(4)：

C=6.45×(A532-A600)-0.56×A450

(4)

上述式中C為丙二醛的濃度，μmol/L；A450、A532、A600分別為450、532、600 nm波長下的吸光值.

據(jù)式(5)計(jì)算‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’葉片中丙二醛含量[19-21]：

MDA含量(μmol/g)=丙二醛濃度(μmol/L)×提取液體積(mL)/植物組織鮮質(zhì)量(g)

(5)

1.2.5 抗旱系數(shù) 仿照文獻(xiàn)計(jì)算抗寒系數(shù)的方法，使用公式(6)求出抗旱系數(shù)[22]：

抗旱系數(shù)(%)=脅迫后測定值/脅迫前測定值×100%

(6)

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2010和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和多重比較(Duncan新復(fù)極差法)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn).

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期干旱脅迫對(duì)小麥葉面積的影響

由表1知，冬麥春播條件下苗期干旱脅迫第0天，不同處理(T0～T3)均表現(xiàn)為揚(yáng)麥20的葉面積大于‘寧麥13’，即其葉面積大小存在品種遺傳差異.T0處理下(CK)2種小麥長勢良好，第12天時(shí)‘寧麥13’(8.69 cm2)‘揚(yáng)麥20’(8.65 cm2)葉面積較接近，期間2個(gè)品種分別增長了64.3%、50.2%，對(duì)應(yīng)T1處理下分別增長了58.2%、42.2%，干旱脅迫影響了葉片正常生長.T1處理下2個(gè)品種的葉面積在第9天接近，第12天‘寧麥13’超過‘揚(yáng)麥20’；T2處理下2個(gè)品種的葉面積在第6天較接近，第9天‘寧麥13’超過揚(yáng)麥20；T3處理下第9天時(shí)‘揚(yáng)麥20’葉片已缺水萎蔫無法測定，‘寧麥13’葉片生長正常，但葉面積較同一時(shí)期T1、T2略小.同時(shí)，干旱脅迫(T1)第12天時(shí)2個(gè)品種葉面積均顯著小于其CK(P<0.05)，持續(xù)干旱脅迫(T1～T3)對(duì)‘寧麥13’、‘揚(yáng)麥20’的葉片生長均造成不同程度的傷害；隨著脅迫推進(jìn)，‘寧麥13’逐漸縮小了與‘揚(yáng)麥20’的葉面積差異，即‘寧麥13’的葉片在干旱逆境脅迫下生長力表現(xiàn)強(qiáng)于‘揚(yáng)麥20’.T2、T3處理下對(duì)小麥葉片造成了不可逆的損害，抑制了小麥的正常生長.

2.2 苗期干旱脅迫對(duì)小麥葉片相對(duì)含水量(RWC)的影響

T0處理下，冬麥春播小麥品種‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’的RWC在苗期基本穩(wěn)定，隨著干旱脅迫梯度(T1～T3)的增加，不同時(shí)期(9～12 d)2個(gè)品種的RWC均顯著下降(P<0.05).T1處理下第6天‘揚(yáng)麥20’的RWC首先降到80%以下，T2處理下第12天‘揚(yáng)麥20’‘寧麥13’的RWC分別為30.05%、39.78%，T3處理下第9天已下降到30%左右，第12天‘揚(yáng)麥20’葉片枯萎死亡，此時(shí)‘寧麥13’的RWC亦下降到19%.干旱脅迫12天時(shí)T1處理使‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’的RWC分別下降11.3%、15.2%，T2處理RWC下降54.2%、63.6%.苗期持續(xù)干旱脅迫導(dǎo)致小麥葉片細(xì)胞水分虧缺甚至死亡，且干旱脅迫對(duì)‘揚(yáng)麥20’葉片造成的不良影響更加嚴(yán)重.

表1 苗期干旱脅迫對(duì)小麥葉面積的影響

表2 苗期干旱脅迫對(duì)小麥葉片相對(duì)含水量的影響

2.3 苗期干旱脅迫對(duì)小麥根、葉電導(dǎo)率(REC)的影響

由表3知，冬麥春播條件下，‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’的苗期相對(duì)電導(dǎo)率均為根系REC高于葉片REC兩倍之多，T0處理下葉片REC為‘寧麥13’略高于‘揚(yáng)麥20’，而根系REC是后者高于前者.‘揚(yáng)麥20’在干旱脅迫第3天測定時(shí)葉片REC表現(xiàn)為T2、T3處理顯著高于T0、T1，而‘寧麥13’各處理間差異不顯著(P<0.05)；‘揚(yáng)麥20’在干旱脅迫第3天測定時(shí)根系REC表現(xiàn)為T1、T2、T3處理間差異不顯著，但均顯著高于T0；‘寧麥13’根系REC則為T2、T3處理顯著高于T0、T1(P<0.05)，即‘寧麥13’在T1處理下受干旱脅迫影響較‘揚(yáng)麥20’為小.第6天及以后‘揚(yáng)麥20’的根、葉REC在不同處理間差異均顯著：T0

表3 苗期干旱脅迫對(duì)小麥根、葉相對(duì)電導(dǎo)率的影響Table 3 Effects of drought stress on REC of wheat root and leaf at Seedling Stage %

2.4 苗期干旱脅迫對(duì)小麥葉片可溶性蛋白、丙二醛含量的影響

可溶性蛋白含量是衡量植物抗逆性的一個(gè)重要指標(biāo).由表4知，脅迫處理前‘揚(yáng)麥20’的葉片可溶性蛋白含量比‘寧麥13’低14.2%，T0處理下隨幼苗生長推進(jìn)2個(gè)品種的葉片可溶性蛋白含量變化不明顯.干旱脅迫第9天開始，2個(gè)品種不同程度地出現(xiàn)葉片可溶性蛋白含量的顯著變化.脅迫第9天時(shí)，‘寧麥13’的葉片可溶性蛋白含量差異顯著性為T0

表4 苗期干旱脅迫對(duì)小麥葉片可溶性蛋白含量、MDA含量的影響

MDA的產(chǎn)生會(huì)加劇細(xì)胞膜質(zhì)的損傷，因此，在植物抗性生理實(shí)驗(yàn)研究中其含量是衡量植物抗逆性的一個(gè)常用指標(biāo).由表4知，正常情況下(T0)隨幼苗生長推進(jìn)兩品種的葉片MDA含量變化不顯著或略有增加.脅迫第6天，‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’在T3處理下MDA含量分別為5.53、7.09 μmol/g；‘寧麥13’各干旱處理的MDA含量均顯著高于CK，‘揚(yáng)麥20’僅T3處理顯著高于其它處理，T0、T1、T2之間差異并不顯著；第9天時(shí)2個(gè)品種各處理間基本差異均顯著，‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’的MDA含量在干旱脅迫T3處理下比對(duì)照T0分別高82%、78%.可見，干旱脅迫加重小麥葉片細(xì)胞膜質(zhì)過氧化，隨脅迫程度及時(shí)間增加導(dǎo)致MDA含量顯著增加.

2.5 苗期干旱脅迫下小麥各項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)分析

根據(jù)各項(xiàng)抗旱指標(biāo)的測定值，用公式求出單項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)(表5)，其中MDA含量的抗旱系數(shù)最大，可見冬麥春播小麥苗期對(duì)持續(xù)干旱脅迫比較敏感，在葉片含水量緩慢下降的同時(shí)細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度已大大增加.除根REC外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均表現(xiàn)為‘寧麥13’的抗旱系數(shù)大于‘揚(yáng)麥20’，其中蛋白質(zhì)含量的抗旱系數(shù)2個(gè)品種基本一致.干旱脅迫對(duì)苗期‘寧麥13’、‘揚(yáng)麥20’均產(chǎn)生顯著影響，抑制了其葉片的正常生長的，葉片含水量顯著下降，根、葉相對(duì)電導(dǎo)率、蛋白質(zhì)含量、MDA含量均不同程度地增加，2種小麥在濃度≥24%的PEG 6000的脅迫處理下均不能正常生長；在濃度8%的PEG 6000處理下持續(xù)12 d，幼苗可以正常生長；但PEG6000濃度達(dá)16%時(shí)，幼苗正常生長只能堅(jiān)持9 d.干旱脅迫下植株的生長是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過程，2個(gè)品種對(duì)于試驗(yàn)中不同抗旱指標(biāo)的響應(yīng)亦有所差別.

表5 苗期干旱脅迫下小麥各指標(biāo)的抗旱系數(shù)

3 討論

植物抗旱性是一個(gè)涉及植物形態(tài)、生理生態(tài)特征及生理生化變化的綜合反應(yīng)，是由多種基因控制的復(fù)雜性狀，利用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)具有很大的局限性和不確定性[22-23]，評(píng)價(jià)的結(jié)果會(huì)具有較大差異.本試驗(yàn)根據(jù)文獻(xiàn)及前期研究基礎(chǔ)，選取相對(duì)電導(dǎo)率等5個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來研究2種小麥對(duì)苗期干旱脅迫的響應(yīng)，以消除單一指標(biāo)的片面性，以期可以較為準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)其抗旱性.文獻(xiàn)表明，小麥遭受干旱脅迫，其相對(duì)電導(dǎo)率增加，葉片相對(duì)含水量降低，植物體內(nèi)的可溶性蛋白和丙二醛含量會(huì)增加[10,12,24]；這與本試驗(yàn)研究結(jié)果所涉及的各項(xiàng)指標(biāo)變化趨勢基本一致.

相對(duì)電導(dǎo)率可以指示脅迫對(duì)植物的傷害率，‘寧麥13’的葉REC上升幅度較‘揚(yáng)麥20’小，表明‘寧麥13’的葉片受到傷害較小，但‘寧麥13’根REC變化范圍較‘揚(yáng)麥20’根REC為大.由此推斷，干旱脅迫從根傳到葉的過程中，會(huì)誘導(dǎo)植物不同部位發(fā)生不同程度的生化反應(yīng)，引起‘寧麥13’根系細(xì)胞離子滲漏嚴(yán)重，同時(shí)刺激其葉片產(chǎn)生保護(hù)作用，出現(xiàn)了根、葉不同部位對(duì)干旱脅迫響應(yīng)的表現(xiàn)不盡一致，具體原因有待進(jìn)一步研究.由于‘寧麥13’的葉片細(xì)胞質(zhì)膜受到的傷害較小，因此在相同的干旱脅迫下其RWC高于‘揚(yáng)麥20’；葉片含水量高，葉片的增長速度較快，試驗(yàn)亦證明‘寧麥13’的葉面積增幅較‘楊麥20’為大.

可溶性蛋白的含量亦是植物抗旱性的重要指標(biāo)之一.植物組織里的可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，王保莉[20]等研究指出，干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致植物新脅迫蛋白產(chǎn)生，新脅迫蛋白產(chǎn)生后能維持細(xì)胞內(nèi)較低的滲透勢，具有良好的滲透調(diào)節(jié)作用；與本研究結(jié)果一致：T1、T2處理下‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’的葉片可溶性蛋白含量均表現(xiàn)為增加(分別為23.4%、25.5%和32.7%、35.0%)，即冬麥春播小麥遭遇苗期干旱脅迫，均依靠合成更多的蛋白質(zhì)來調(diào)節(jié)自身的滲透勢，以此適應(yīng)一定范圍內(nèi)的干旱脅迫.但候明[25]等研究指出，可溶性蛋白在短時(shí)間、低濃度的脅迫下會(huì)升高，隨著時(shí)間和脅迫程度的增加，可溶性蛋白含量會(huì)降低；可以理解為，植物通過合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)蛋白質(zhì)等來適應(yīng)脅迫的能力是有限的，當(dāng)脅迫強(qiáng)度超過植物自身可調(diào)節(jié)范圍時(shí)，植物組織內(nèi)可溶性總蛋白含量因遭受脅迫破壞會(huì)下降.

大量研究表明[25-28]，干旱脅迫對(duì)植物體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)膜造成不同程度的損傷，最終引起離子和滲透物質(zhì)的失衡；同時(shí)，干旱脅迫下，大量的活性氧在植物體內(nèi)積累，加劇質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和完整性的破壞.膜脂過氧化產(chǎn)物MDA，會(huì)反過來降低抗氧化物的含量及抑制抗氧化酶的活性.因此，MDA含量可作為植物抗旱的重要生理指標(biāo)之一.本研究結(jié)果亦表明，PEG 6000模擬的干旱脅迫下，小麥葉片MDA的含量均明顯高于對(duì)照組，隨著脅迫時(shí)間的延長，‘寧麥13’的漲幅較‘揚(yáng)麥20’為大，MDA含量的升高表明干旱脅迫會(huì)造成酶保護(hù)反應(yīng)和自由基生成的動(dòng)態(tài)平衡失衡，進(jìn)而造成膜脂過氧化的程度升高.

本試驗(yàn)選用‘寧麥13’(5 174.6 kg/hm2，4 835.2 kg/hm2)、‘揚(yáng)麥20’(3 330 kg/hm2)為材料，該2個(gè)品種經(jīng)多年冬麥春播引種試驗(yàn)證明，在忻定盆地栽培條件下適應(yīng)性較強(qiáng)，具有穩(wěn)產(chǎn)、多抗等優(yōu)良性狀，產(chǎn)量均高于當(dāng)?shù)卮盒←溒贩N[3].而且這2個(gè)品種亦是冬麥春播小麥的代表類型(發(fā)育進(jìn)程、穗部性狀等不同)，苗期干旱脅迫T3處理持續(xù)9 d時(shí)，‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’開始無法正常測定相關(guān)指標(biāo)，葉片萎蔫甚至死亡，可見24%的PEG 6000干旱脅迫超過了小麥承受范圍，沒有實(shí)際意義.T1處理下的兩種小麥基本能正常存活并且與T0處理下各指標(biāo)差距較小，根據(jù)前文整體指標(biāo)分析，冬麥春播小麥苗期的抗旱范圍大約在0～16%的PEG 6000之間.

4 結(jié)論

采用PEG 6000模擬干旱脅迫12 d之內(nèi)，‘寧麥13’‘揚(yáng)麥20’可能忍受干旱的存活范圍的濃度為0～16%；苗期干旱脅迫不同程度地導(dǎo)致小麥葉片生長緩慢、含水量顯著下降，根、葉相對(duì)電導(dǎo)率上升且根系表現(xiàn)更加敏感；同時(shí)，干旱誘導(dǎo)蛋白質(zhì)含量增加：23.4%～35.0%；葉片MDA含量增加最為顯著(抗旱系數(shù)為169.9%～229.6%)，可作為監(jiān)測小麥苗期干旱脅迫的首選指標(biāo).比較而言，‘寧麥13’的葉面積生長較快，膜脂過氧化程度低，細(xì)胞質(zhì)膜受傷害程度也較小，苗期抗旱性更強(qiáng)，可作為忻定盆地冬麥春播引種的優(yōu)選品種.