吳姍姍,徐學欣,張 霞,蓋紅梅,趙長星,王維華,石 巖,戰(zhàn) 園

(1.山東省旱作農業(yè)技術重點實驗室,青島農業(yè)大學 農學院,山東 青島 266109;2.青島市農業(yè)科學研究院,山東 青島 266100)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國主要的糧食作物,約有50%以上的中國人口依賴小麥食品[1]。華北平原是我國冬小麥的主產區(qū),耕地面積占全國的25%,為全國提供了約71%的小麥產量,但該地區(qū)的水資源占有量僅為全國的6%,且農用水資源逐年減少,季節(jié)性干旱頻發(fā),嚴重制約了農業(yè)安全可持續(xù)發(fā)展[2-4],未來干旱缺水仍是制約華北地區(qū)冬小麥生產的主要因素[5-6]?？购捣€(wěn)產品種的篩選與推廣是冬小麥抗旱節(jié)水生產中的重要途徑,因此,研究冬小麥抗旱穩(wěn)產高產的生理特性,為培育和篩選抗旱性冬小麥品種提供理論依據(jù),對保證糧食安全及可持續(xù)生產具有重要意義。

傳統(tǒng)上,小麥抗旱性品種選育篩選等工作繁瑣費時、效率較低,為加速抗逆作物的篩選與鑒定,亟須快速高效的篩選技術來鑒定逆境下作物的生長[7-8],評估品種對環(huán)境的適應性,從而降低有潛質品種的淘汰率[9]。Reynolds等[10]研究表明,探索高效的抗旱品種篩選新方法,在短時間內篩選出大量符合要求的品種,為挑選優(yōu)良親本提供理論依據(jù),可以提高小麥抗旱品種選育和篩選的效率。較多學者分別從小麥農藝性狀[11-13](穗數(shù)、穗粒數(shù)和植株形態(tài)等)、生理指標[14-16](光合、酶活性、丙二醛含量等物質和能量代謝)和遺傳機制[17-18]等方面對小麥抗旱性品種篩選與鑒定做了大量研究。前人研究表明,歸一化植被指數(shù)(NDVI)可作為評價抗旱性的重要指標,預測干旱脅迫中的小麥產量[6,19]。Aparicio等[20]和Royo等[21]利用光譜反射率(SR)的方法評估了干旱脅迫下硬粒小麥的抗旱性;Crain等[22]的研究表明,使用高通量法(HTP)可以通過植物表型特征快速辨別優(yōu)劣品種,減少資源浪費;劉秉焱等[23]通過轉錄因子基因的表達量來評估小麥的抗旱性。近幾年,葉綠素熒光分析技術在植物光合特性的研究中興起,得益于它對植物的無損傷性,被廣泛應用于植物光合性能的評估。葉綠素熒光參數(shù)能夠在生物脅迫和非生物脅迫中有效地反應植物體的受損程度及光合性能。Yadav等[24]的研究表明,通過葉綠素熒光參數(shù)可以在早期監(jiān)測植物受到環(huán)境脅迫的情況;Pereira等[25]利用葉綠素熒光參數(shù)篩選出了豇豆的抗旱品系。但在小麥苗期利用葉綠素熒光參數(shù)來評估小麥品種抗旱性的研究鮮見,且葉綠素熒光參數(shù)與傳統(tǒng)抗旱指標(如抗旱系數(shù)、酶活性等)之間的關系尚不明朗。為此本研究采用6個冬小麥品種為供試材料,設置3種水分處理,正常水分處理(土壤相對含水量75%)、輕微干旱處理(土壤相對含水量55%)和中度干旱處理(土壤相對含水量40%),通過對葉綠素熒光參數(shù)、生物量、根冠比、SPAD、抗氧化酶活性和丙二醛含量及其之間相關關系的研究,探討了葉綠素熒光參數(shù)與冬小麥品種抗旱性間的關系,以及利用葉綠素熒光參數(shù)從苗期鑒定冬小麥品種抗旱性的可行性,為快速篩選抗旱性冬小麥品種提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與設計

本試驗采用6個適宜黃淮地區(qū)種植冬小麥品種,煙農999(國審麥2016012)半冬性,多抗、超高產、優(yōu)質品種,泰麥1918(魯審麥20160056)冬性,高產優(yōu)質、抗病耐旱品種,濟麥22號(國審麥2006018)半冬性,超高產、中抗、優(yōu)質品種,濟麥23號半冬性,高產優(yōu)質品種,泰山27(魯農審2012050)偏冬性,高產、優(yōu)質、抗病品種,師欒02-1(國審麥2007016)半冬性,優(yōu)質小麥品種,高肥水地較高產。試驗設置3種水分處理[26],正常水分處理(土壤相對含水量75%)、輕微干旱處理(土壤相對含水量55%)和中度干旱處理(土壤相對含水量40%),共計18個處理,每處理6次重復。播種前,用30%(V/V)H2O2浸泡供試材料種子10 min,再用蒸餾水沖洗5～6遍,隨后催芽萌發(fā)至露白,并選取萌發(fā)程度一致的種子轉移至培養(yǎng)盆中,每盆8粒種子,盆內徑14.4 cm,高11 cm,底部有小孔,每盆盛有1 000 g過篩干土(絕對含水量8.6%)。將試驗盆放置在光照培養(yǎng)箱中,光/暗循環(huán)為14 h/10 h,溫度為25 ℃/20 ℃(光/暗),濕度為75%,光合通量密度(PPFD)為20 000 lx。培養(yǎng)至三葉一心期,用稱質量法[27]控水。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 冬小麥苗期干物質質量測定 將處理結束后小麥幼苗分成地上部器官和根系,放入烘箱,105 ℃殺青30 min后75 ℃烘干至恒質量,分別稱質量,并計算根冠比(RSR),RSR=Br/Bs,式中Br根系干物質質量;Bs為地上部干物質質量?？购迪禂?shù)參照胡標林等[28]的方法進行計算(Drought tolerance coefficient,DTC),DTC=Bd/Bp,式中Bd為干旱脅迫下的地上部干物質質量;Bp為充分灌水下的地上部干物質質量。

1.2.2 冬小麥苗期SPAD測定 干旱處理7 d后,用日本美能達SPAD-502葉綠素快速分析儀測定各處理冬小麥最新展開葉的SPAD值。

1.2.3 冬小麥苗期葉綠素熒光特性測定 干旱處理7 d后,使用德國WALZ IMAG-K7葉綠素熒光成像儀測定各處理冬小麥最新的展開葉的Fv/Fm、φPSⅡ、NPQ和ETR。

1.2.4 冬小麥苗期生理指標測定 干旱處理7 d后測定苗期生理指標,各處理分別稱取0.5 g新鮮冬小麥葉片,進行冰浴研磨,加入pH 值7.8的磷酸鹽緩沖液提取酶液,測定超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量,重復3次。分別參照Beauchamp等[29]和Quan等[30]的方法,用美國GE Ultrospec 7000分光光度計測定SOD活性和MDA含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的處理與圖表的繪制分別采用Excel 2007和Origin 2016進行,采用SPSS 18.0進行數(shù)據(jù)差異顯著性檢驗(Turkey,P<0.05)和Pearson相關分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同品種冬小麥干物質質量的影響及其抗旱系數(shù)

2.1.1 干旱脅迫對不同冬小麥品種地上部干物質質量的影響 如圖1所示,各品種的地上部干物質質量均隨著干旱程度的增加呈下降趨勢,輕微干旱脅迫下,泰麥1918的干物質質量與正常水分處理的差異不顯著,其余各品種的干物質質量均顯著低于正常水分處理,泰麥1918的干物質質量降低程度最小,降低了31.1%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27的干物質質量分別降低32.7%,35.3%,39.9%,40.9%,師欒02-1的干物質質量降低程度最大,降低了41.2%;中度干旱脅迫下,各品種的干物質質量顯著低于正常水分處理,泰麥1918的干物質質量降低程度最小,降低了54.6%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了58.5%,62.6%,64.6%,67.1%,師欒02-1干物質質量降低程度最大,降低了68.4%。

2.1.2 干旱脅迫對不同冬小麥品種地下部干物質質量的影響 圖2表明,各品種的地下部干物質質量(根質量)均隨著干旱程度的增加均呈下降趨勢,輕微干旱脅迫下泰麥1918的根質量降低程度最小,降低了35.4%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27的根質量分別降低38.0%,42.3%,56.1%,59.3%,師欒02-1的根質量降低程度最大,降低了67.3%;中度干旱脅迫下,各品種的根質量均顯著低于正常水分處理,泰麥1918根質量降低程度最小,降低了63.3%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低68.0%,74.6%,78.0%,81.3%,師欒02-1的根質量降低程度最大,降低了85.4%。

圖2 干旱脅迫對不同冬小麥品種地下部干物質質量的影響

2.1.3 干旱脅迫對不同冬小麥品種根冠比的影響 如圖3所示,各品種的根冠比均隨著干旱程度的增加呈下降趨勢,輕微干旱脅迫下,煙農999和泰麥1918的根冠比與正常水分處理相比差異不顯著,濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1的根冠比均顯著低于正常水分處理,煙農999、泰麥1918、濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1的根冠比分別降低了7.8%,6.3%,10.8%,26.9%,31.2%,44.3%,泰麥1918的根冠比降低程度最小;中度干旱脅迫下,各品種的根冠比均顯著低于正常水分處理,煙農999、泰麥1918、濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1的根冠比分別降低了22.9%,19.2%,32.2%,38.0%,43.2%,53.8%,泰麥1918的根冠比降低程度最小。

圖3 干旱脅迫對不同冬小麥品種根冠比的影響

2.1.4 不同冬小麥品種在不同干旱程度下抗旱系數(shù)的比較 表1表明,泰麥1918的輕微抗旱系數(shù)和中度抗旱系數(shù)均高于其他5個品種,抗旱性最好。輕微干旱脅迫下,煙農999和濟麥22號的抗旱系數(shù)均低于泰麥1918,但無顯著差異,濟麥23號、泰山27號和師欒02-1的抗旱系數(shù)則顯著低于泰麥1918,其中師欒02-1的輕微抗旱系數(shù)最低;中度干旱下,泰麥1918的抗旱系數(shù)顯著高于其他5個品種,煙農999次之,濟麥22號和濟麥23號的中度抗旱系數(shù)無顯著差異,泰山27和師欒02-1的顯著低于濟麥22號,師欒02-1的中度抗旱系數(shù)最低。綜合抗旱結果表明,6個冬小麥品種的抗旱性強弱依次為泰麥1918>煙農999>濟麥22號>濟麥23號>泰山27>師欒02-1。

表1 不同冬小麥品在不同干旱程度下的抗旱系數(shù)

2.2 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片SPAD的影響

如圖4所示,各冬小麥品種葉片的SPAD值均隨著干旱程度的增加呈現(xiàn)下降趨勢。輕微干旱脅迫下,煙農999、泰麥1918、濟麥22號和泰山27的SPAD值與正常水分處理差異不顯著,濟麥23號和師欒02-1的SPAD值顯著低于正常水分處理。其中,泰麥1918的SPAD值降低程度最小,降低了3.5%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號、泰山27分別降低了7.6%,8.6%,11.6%,12.3%,師欒02-1的SPAD值降低程度最大,降低了16.7%;中度干旱脅迫下,各冬小麥品種的SPAD值均顯著低于正常水分處理,其中泰麥1918的SPAD值降低程度最小,降低了9.5%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了16.5%,17.9%,19.3%,20.9%,師欒02-1的降低程度最大,降低了35.9%。

圖4 干旱脅迫對不同冬小麥品種SPAD的影響

2.3 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片葉綠素熒光參數(shù)的影響

2.3.1 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片F(xiàn)v/Fm的影響 圖5表明,各冬小麥品種葉片的Fv/Fm均隨干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)下降趨勢。輕微干旱脅迫下,各品種的Fv/Fm均顯著低于對照,煙農999、泰麥1918、濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1的Fv/Fm分別降低了9.7%,9.2%,11.4%,12.6%,12.9%,13.6%,泰麥1918的降低程度最小。中度干旱脅迫下,各品種的Fv/Fm均顯著低于輕微干旱下的Fv/Fm,其中泰麥1918的降低程度最小,相比于正常水分處理降低了22.2%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了23.2%,25.5%,27.7%,31.9%,師欒02-1的下降程度最大,降低了35.6%。

圖5 干旱脅迫對不同冬小麥品種Fv/Fm的影響

2.3.2 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片φPSⅡ的影響 如圖6所示,各品種葉片的φPSⅡ均隨著干旱程度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。輕微干旱脅迫下,煙農999和泰麥1918的φPSⅡ與正常水分處理相比差異不顯著,濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1的φPSⅡ則顯著低于正常水分處理,煙農999、泰麥1918、濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1的φPS Ⅱ分別降低了15.5%,10.6%,21.4%,31.8%,35.7%,47.6%,泰麥1918的降低程度最小降低了10.6%。中度干旱脅迫下,各品種的φPSⅡ均顯著低于對照,其中泰麥1918的φPSⅡ降低程度最小,降低了34.1%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了47.3%,52.8%,57.1%,62.9%,師欒02-1的降低程度最大,降低了66.0%。

2.3.3 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片NPQ的影響 圖7表明,各冬小麥品種葉片的NPQ均隨著干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。輕微干旱脅迫下,各品種的NPQ均顯著高于正常水分處理的,其中,泰麥1918的升高程度最大,升高了32.0%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別升高了26.5%,26.2%,20.2%,19.3%,師欒02-1的NPQ升高程度最小,升高了12.4%;中度干旱脅迫下,各品種的NPQ均顯著高于輕微干旱脅迫處理,與正常水分處理相比,煙農999、泰麥1918、濟麥22號、濟麥23號、泰山27和師欒02-1分別升高了49.4%,54.5%,48.9%,39.6%,38.9%,29.3%,泰麥1918的上升程度最大。

2.3.4 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片ETR的影響 如圖8所示,各品種葉片的ETR均隨著干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。輕微干旱脅迫下,各品種的ETR均顯著低于正常水分處理,其中,泰麥1918的ETR降低程度最小,降低了10.0%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了12.3%,12.7%,17.9%,21.5%,師欒02-1的降低程度最大,降低了28.2%;中度干旱脅迫下,各品種的ETR均顯著低于輕微干旱脅迫下的ETR,其中,泰麥1918的ETR下降程度最小,降低了19.65%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了25.2%,27.3%,32.0%,36.7%,師欒02-1的降低程度最大,降低了43.9%。

2.4 干旱脅迫對不同冬小麥品種生理特性的影響

2.4.1 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片SOD活性(以鮮質量計)的影響 如圖9所示,各品種葉片的SOD活性均隨干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)下降的趨勢。輕微干旱脅迫下,各品種的SOD活性均顯著低于正常水分處理的,煙農999、泰麥1918、濟麥22號和濟麥23號間的SOD活性差異不顯著,泰山27和師欒02-1的SOD活性則顯著低于泰麥1918,泰麥1918的降低程度最小,降低了14.4%;中度干旱脅迫下,各冬小麥品種的SOD活性均顯著低于輕微干旱脅迫處理,其中,泰麥1918的SOD活性降低程度最小,降低了30.6%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別降低了32.4%,33.0%,33.7%,34.7%,師欒02-1的降低程度最大,降低了37.8%。

圖9 干旱脅迫對不同冬小麥品種SOD活性的影響

2.4.2 干旱脅迫對不同冬小麥品種葉片MDA含量(以鮮質量計)的影響 如圖10所示,各冬小麥品種葉片的MDA含量均隨干旱程度的增加呈現(xiàn)出了上升的趨勢。輕微干旱脅迫下,煙農999、泰麥1918、濟麥22號和濟麥23號的MDA含量與正常水分處理相比差異不顯著,泰山27和師欒02-1的MDA含量則顯著高于正常水分處理,泰麥1918的升高程度最小,升高了46.7%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別升高了49.8%,59.4%,86.3%,94.2%,師欒02-1的升高程度最大,升高了102.6%;中度干旱脅迫下,各品種的MDA含量均顯著高于正常水分處理,其中,泰麥1918的MDA含量升高程度最小,升高了120.8%,煙農999、濟麥22號、濟麥23號和泰山27分別升高了143.0%,192.3%,206.3%,222.5%,師欒02-1的升高程度最大,升高了224.5%。

圖10 干旱脅迫對不同冬小麥品種MDA含量的影響

2.5 相關性分析

如表2所示,抗旱系數(shù)與Fv/Fm、φPSⅡ、ETR和SOD呈極顯著正相關,與NPQ和MDA呈極顯著的負相關;Fv/Fm、φPSⅡ和ETR分別與SOD呈極顯著正相關,與MDA呈極顯著負相關;NPQ與SOD呈極顯著負相關,與MDA呈極顯著正相關。

表2 冬小麥品種抗旱系數(shù)與葉綠素熒光參數(shù)和生理指標的相關關系(Pearson)

3 討論與結論

抗旱系數(shù)作為一種典型、簡便的評價品種抗旱性的方法,被廣泛應用于植物品種抗旱性的評價[11,28,31]。本研究通過比較不同干旱脅迫程度下各冬小麥品種的抗旱系數(shù)表明,泰麥1918的抗旱性最高。前人研究表明,干旱脅迫下,小麥幼苗地上部和根的干物質質量均低于正常水分處理,小麥可通過提高根冠比或者減少根冠比降低來應對干旱脅迫,前人大量研究利用聚乙二醇在水培條件下模擬干旱研究不同干旱條件對小麥苗期根冠比的影響,其研究結果表明,根冠比隨干旱脅迫程度的增加升高,且抗旱性品種在干旱脅迫下的根冠比較大[32-33],但亦有研究表明干旱脅迫下小麥苗期的根冠比降低[34]。本研究試驗條件為土培盆栽,各冬小麥品種的根冠比雖隨干旱程度的增加而降低,但抗旱性較高的品種根冠比的降低程度較小,這與前人在大田條件下對水稻和玉米等苗期抗旱性鑒定試驗以及在室內土培試驗條件下對豌豆品種抗旱性鑒定研究結果一致[35-38]。本試驗綜合各品種的干物質質量、根質量和根冠比研究表明,泰麥1918的抗旱性最好,煙農999次之,濟麥22號、濟麥23號和山農27再次,師欒02-1的抗旱性最差,響應干旱最敏感。

干旱脅迫下植物體內產生過量的活性氧使細胞膜脂過氧化,產生大量的MDA,破壞細胞膜,毒害植物細胞,為保證植物正常的代謝平衡,植物細胞內的SOD會通過酶促反應來清除過量活性氧,從而保證代謝平衡來抵御逆境,因此,植物品種對活性氧的清除能力與抗旱性的強弱有著緊密的聯(lián)系;植物細胞受到逆境損傷后因蛋白質合成途徑受阻導致SOD活性隨之降低,而在逆境下能保持SOD活性具有較高水平的品種則耐受性更強[39-41]。本研究結果表明,各品種的MDA含量均隨干旱脅迫的增加而升高,SOD活性均隨干旱程度的增加而降低,說明各品種均受到了干旱帶來的不同程度的損傷,其中泰麥1918與正常水分處理相比MDA含量的升高程度最小,SOD活性降低程度最小,說明泰麥1918在干旱脅迫下清除活性氧的能力較強,對干旱的忍耐性較高。

前人研究結果表明,逆境脅迫使植物體產生的活性氧破壞細胞膜,阻礙葉綠素合成,加速降解,從而降低葉綠素含量,導致光系統(tǒng)Ⅱ受損,抑制光合同化物積累,降低干物質積累量[36]。前人研究表明,干旱脅迫下小麥旗葉的SPAD值呈下降趨勢,且脅迫下SPAD值較高的小麥品種具有較高的干物質質量,抗旱性較好[42]。本研究結果表明,干旱脅迫下,各品種的SPAD值均隨干旱程度的增加而下降,同一干旱程度下,相比其他品種,泰麥1918的SPAD值最高,且干物質質量的降低程度最小,因此,泰麥1918對干旱最不敏感。葉綠素熒光參數(shù)可以直接反映干旱脅迫下植物的葉綠體功能和光合性能。植物在干旱脅迫下,光系統(tǒng)Ⅱ被破壞后,進行光化學反應的質體醌(PQ)數(shù)量減少,降低了相對電子傳遞速率(ETR)和植物葉片細胞產生電子的能力,導致最大光化學效率(Fv/Fm)和實際光化學效率(φPSⅡ)降低,進而限制了葉片的CO2同化作用,降低光能利用率,產生過剩光能,為避免過量的光能帶來的傷害,植物體通過增加NPQ以熱的形式來淬滅多余的能量,從而起到保護的作用,增強光系統(tǒng)Ⅱ對環(huán)境的適應性[25,43-48]。本研究結果表明,干旱脅迫下,泰麥1918的Fv/Fm、φPSⅡ和ETR的降低程度最小,NPQ的上升程度最大,說明泰麥1918的光系統(tǒng)Ⅱ對干旱環(huán)境具有較高的耐受性,適應干旱環(huán)境能力較好,能夠通過快速增加NPQ來啟動光保護機制,減輕過量光能對光系統(tǒng)的傷害,并減緩SOD活性的降低,減少MDA的產生,維持較高光合性能及干物質積累,因此具有較高的抗旱性。前人在棉花、銀杏、燕麥和大豆中的研究中發(fā)現(xiàn),Fv/Fm與φPSⅡ呈顯著正相關,與MDA呈極顯著負相關,SOD與MDA呈顯著負相關[49-53],這與本研究在冬小麥中的研究結果一致,其中NPQ和ETR與SOD和MDA之間極顯著相關,葉綠素熒光參數(shù)與抗旱系數(shù)亦呈極顯著相關。因此,葉綠素熒光參數(shù)可作為評估冬小麥品種抗旱性的有效指標。

綜上,干旱脅迫下,與其他品種相比較,泰麥1918的抗旱系數(shù)最高,抗旱性最好;其干旱脅迫下的干物質質量、根質量、根冠比、SPAD值、Fv/Fm、φPSⅡ和ETR的降低程度最小,SOD活性的降低程度最小,NPQ的升高程度最大,MDA含量的升高程度最小;通過進行相關性分析得到,葉綠素熒光參數(shù)與抗旱系數(shù)、酶活性和丙二醛含量間的相關性均達極顯著水平。因此,葉綠素熒光參數(shù)可作為苗期快速鑒定冬小麥品種抗旱性的指標,為抗旱冬小麥品種篩選提供理論依據(jù)。