唐秀巧 王靜靜 龍媛媛 翁 穎 陳浩然 李金才 宋有洪 李金鵬

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

小麥作為喜涼性的C3作物，籽粒灌漿期是決定其產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵生育時(shí)期。適宜小麥籽粒生長(zhǎng)的溫度范圍為20～25℃，小麥在灌漿期內(nèi)遭受高溫?zé)岷?huì)對(duì)其產(chǎn)量及籽粒品質(zhì)造成非常不利的影響[1-3]。黃淮海平原作為我國(guó)最大的小麥生產(chǎn)基地，該地區(qū)小麥灌漿期常出現(xiàn)30℃以上的自然高溫天氣，并常伴有陣風(fēng)的發(fā)生，極易形成干熱風(fēng)，對(duì)小麥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)造成很大的威脅[4]。研究表明，高溫使得植株的蒸騰作用增強(qiáng)，致使作物體內(nèi)水分供需失衡，抑制或破壞葉片的正常生理活動(dòng)，降低葉片光合性能，縮短小麥籽粒灌漿持續(xù)期，從而降低粒重，高溫?zé)岷Πl(fā)生嚴(yán)重時(shí)可使小麥產(chǎn)量降低10%～30%[5-6]。近年來(lái)，小麥灌漿中后期的高溫?zé)岷?wèn)題日益嚴(yán)重，熱脅迫已成為限制黃淮海平原地區(qū)小麥產(chǎn)量最主要的非生物脅迫因子之一[7-8]。隨著全球氣候逐漸變暖，小麥灌漿期遭受高溫危害可能會(huì)進(jìn)一步加劇。因此，采用有效的栽培調(diào)控措施應(yīng)對(duì)小麥灌漿期高溫?zé)岷?wèn)題對(duì)保障小麥實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)具有重要的意義。

高溫作為一種重要的非生物脅迫因素，主要通過(guò)促使作物體內(nèi)的活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生和過(guò)量積累，增強(qiáng)細(xì)胞膜過(guò)氧化程度，加速細(xì)胞的衰老進(jìn)程，從而導(dǎo)致作物的生理代謝受到影響，而作物體內(nèi)也已形成了相應(yīng)的抵御機(jī)制以盡可能地減輕逆境對(duì)其造成的傷害程度。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過(guò)氧化物酶(peroxidase，POD)、過(guò)氧化氫酶(catalase，CAT)作為作物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可解除或降低ROS對(duì)植物的毒害作用，對(duì)防止ROS在植物體內(nèi)過(guò)多積累進(jìn)而減輕高溫脅迫造成的膜損傷發(fā)揮著重要作用[9-10]。高溫脅迫不僅對(duì)植物地上部分造成不利影響，對(duì)根系也有一定的影響[11]。目前關(guān)于高溫脅迫對(duì)小麥影響的相關(guān)研究主要集中于地上部分，而對(duì)地下根系研究較少。前人研究表明，小麥灌漿期高溫脅迫主要導(dǎo)致旗葉光合速率下降，加速葉片衰老，使灌漿期縮短，從而降低了小麥干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)[1,5-6,12-13]。

圖1 高溫處理階段棚內(nèi)外溫度情況Fig.1 Temperature variation inside and outside the shed in this present study

利用葉面噴施磷酸二氫鉀(KH2PO4)、尿素、硫酸鋅、殼寡糖等是緩解高溫?zé)岷Φ闹匾侄?，葉面噴施化學(xué)調(diào)控劑主要顯著降低高溫對(duì)小麥葉片的危害程度，延緩葉片衰老，延長(zhǎng)籽粒的灌漿時(shí)間，進(jìn)而增加粒重促使產(chǎn)量提升[4,14]。其中，KH2PO4作為常見(jiàn)的磷鉀復(fù)合肥，成本低廉，適宜大面積推廣，在抵御作物逆境脅迫方面發(fā)揮著很大的作用。根系作為調(diào)控作物與土壤水分關(guān)系最主要的器官，其活力和生理特性直接影響地上部分的生長(zhǎng)，最終影響產(chǎn)量的形成[15]。然而，噴施KH2PO4能否降低高溫脅迫對(duì)小麥灌漿中后期根系活性的影響從而緩解高溫危害尚不明確。因此，本研究通過(guò)花后噴施0.3% KH2PO4，探討其對(duì)小麥灌漿中后期高溫脅迫下根系生理特性、旗葉凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、成熟期干物質(zhì)積累與分配及籽粒產(chǎn)量的影響，以期為KH2PO4在小麥生產(chǎn)過(guò)程中防控灌漿期高溫脅迫的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019—2020年在安徽省安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園(31°52′0.99″N，117°16′57.72″E)開(kāi)展。試驗(yàn)地土壤類型為黃褐土，小麥播種前0～20 cm土壤耕層基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)14.3 g·kg-1、速效氮101.5 mg·kg-1、速效磷43.9 mg·kg-1、速效鉀314.0 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用半冬性小麥品種安農(nóng)0711為供試材料，共設(shè)噴等量清水+不高溫(NT)、噴等量清水+高溫(NHT)、噴0.3% KH2PO4+不高溫(PT)、噴0.3% KH2PO4+高溫(PHT)4個(gè)處理，采用裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為9 m2(3 m × 3 m)，每個(gè)處理3次重復(fù)。其中，高溫處理前NHT的處理方式與NT相同，PHT與PT相同。4個(gè)處理的噴施時(shí)間為花后3 d和11 d，噴施時(shí)間選擇下午16時(shí)后無(wú)風(fēng)時(shí)進(jìn)行，噴液量為450 kg·hm-2。 高溫處理時(shí)間為花后18～22 d，即NHT和PHT采用塑料薄膜大棚增溫的方式進(jìn)行高溫處理，每日高溫時(shí)間段為11:00—16:00，利用自動(dòng)溫度記錄儀記錄棚內(nèi)每小時(shí)溫度動(dòng)態(tài)變化情況，高溫脅迫期間大棚內(nèi)溫度如圖1所示。高溫處理期間無(wú)明顯降雨發(fā)生，且本試驗(yàn)中小麥開(kāi)花至成熟期間總降雨量為61 mm，平均氣溫為19℃。全生育期不同處理小麥總施肥量均為純氮195 kg·hm-2、P2O5112.5 kg·hm-2、K2O 112.5 kg·hm-2，其中磷鉀肥作為基肥于播種前一次性進(jìn)行施用，氮肥基追比為6∶4(基肥∶拔節(jié)肥)。其他田間管理參照常規(guī)大田栽培技術(shù)措施實(shí)施。2020年10月30日播種小麥，播種行距為20 cm，播種密度為180×104株·hm-2。小麥開(kāi)花期為2021年4月11日，5月25日收獲。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系活力 高溫處理前(花后17 d)及高溫處理結(jié)束后(花后23 d)于每試驗(yàn)小區(qū)挖取0～20 cm土層小麥根系，每個(gè)處理3次重復(fù)，將取回的根土放在尼龍網(wǎng)內(nèi)，用清水洗干凈后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用氯化三苯基四氮唑(triphenyl tetrazolium chloride，TTC)還原法進(jìn)行根系活力的測(cè)定[16]。

1.3.2 根系抗氧化酶及丙二醛含量 根系樣品采集時(shí)間及方法同上，于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將取回的根土進(jìn)行沖洗，將洗凈后的根系立即放入液氮中，在超低溫箱(-80℃) 內(nèi)進(jìn)行保存，用于抗氧化酶活性及丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量的測(cè)定。其中，采用氮藍(lán)四唑(nitro-blue tetrazolium，NBT)光還原法測(cè)定根系內(nèi)SOD活性，采用紫外吸收法測(cè)定過(guò)POD和CAT活性，采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)顯色法測(cè)定MDA含量[17]。

1.3.3 旗葉凈光合速率 隨機(jī)選取開(kāi)花期標(biāo)記的長(zhǎng)勢(shì)相近的5片旗葉，高溫處理前及高溫處理結(jié)束后采用LI-6400便攜式光合測(cè)定儀(美國(guó)LICOR公司)于上午9：00—11：00測(cè)定旗葉的凈光合速率(Pn)。

1.3.4 成熟期干物質(zhì)積累與分配 成熟期各試驗(yàn)小區(qū)取0.2 m2樣段(相鄰的兩行，每行長(zhǎng)度50 cm)，按照分蘗比例法挑取10株具有代表性的植株，再以不同部位(莖+鞘、葉片、穗余、籽粒)進(jìn)行分樣，于105℃烘箱內(nèi)殺青20 min后75℃烘干至恒重，稱量，計(jì)算每部分的干物質(zhì)重量，用以計(jì)算成熟期植株的干物質(zhì)積累與分配。

1.3.5 籽粒產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成 小麥成熟期時(shí)，每試驗(yàn)小區(qū)收獲1 m2面積麥穗，人工脫粒，用以折算籽粒每公頃產(chǎn)量；每試驗(yàn)小區(qū)調(diào)查1 m2穗數(shù)，用以換算每公頃穗數(shù)；每試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取30穗，用以調(diào)查穗粒數(shù)；于每試驗(yàn)小區(qū)測(cè)產(chǎn)的籽粒樣品中隨機(jī)選取1 000粒烘干后進(jìn)行稱重，用以計(jì)算千粒重，3次重復(fù)。本研究中的籽粒產(chǎn)量和千粒重含水量均換算為13%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)均采用SPSS 22.0軟件和Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著差異法(least significant difference，LSD)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，并使用OriginPro 2019軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)根系活力的影響

由圖2可知，高溫前小麥根系活力整體上高于高溫處理后，說(shuō)明隨著籽粒灌漿的推進(jìn)，小麥根系活性呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。高溫前噴施清水處理(NT、NHT)根系活力顯著低于噴施0.3% KH2PO4處理(PT、PHT)。高溫后小麥根系活力表現(xiàn)為噴施0.3% KH2PO4處理(PT)顯著高于噴施0.3% KH2PO4+高溫(PHT)和噴施清水處理(NT)，PHT和NT之間無(wú)顯著差異，二者顯著高于噴施清水+高溫處理(NHT)。高溫結(jié)束后，與NT相比，NHT根系活力下降了18.60%，PT根系活力提高了6.99%，而PHT相對(duì)于PT下降了3.76%。綜上，通過(guò)花后葉面噴施0.3%的KH2PO4可顯著提高灌漿中后期根系活力，降低高溫脅迫對(duì)根系活力的不利影響。

注：同一時(shí)期柱子上的不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters on the columns of the same period indicate significant difference among different treatments at 0.05 level. The same as following.圖2 不同處理對(duì)小麥根系活力的影響Fig.2 Effect of different treatments on root vigor of wheat

2.2 不同處理對(duì)根系保護(hù)酶活性的影響

由圖3可知，根系SOD、POD和CAT活性隨生育進(jìn)程的推進(jìn)總體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，處理間存在差異。高溫前根系SOD和POD活性表現(xiàn)為噴施KH2PO4處理顯著提高，而CAT活性在各處理間無(wú)顯著差異。高溫處理后，SOD活性表現(xiàn)為噴施0.3% KH2PO4處理(PT)顯著高于噴施0.3% KH2PO4+高溫(PHT)和噴施清水(NT)處理，NT和PHT間無(wú)顯著差異，二者顯著高于噴施清水+高溫處理(NHT)；POD活性表現(xiàn)為PT顯著高于PHT，PHT顯著高于NT，NHT活性顯著最低；CAT活性變化規(guī)律和SOD一致。綜上，通過(guò)花后葉面噴施0.3%的KH2PO4可顯著提高小麥灌漿中后期根系抗氧化酶活性，高溫后根系能維持較高水平的保護(hù)酶活性。

圖3 不同處理對(duì)小麥根系抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effect of different treatments on the activity of antioxidase in wheat root

2.3 不同處理對(duì)根系丙二醛(MDA)含量的影響

由圖4可知，高溫前小麥根系MDA含量低于高溫后，說(shuō)明隨著根系的衰老，根系內(nèi)細(xì)胞膜過(guò)氧化程度呈現(xiàn)加劇的趨勢(shì)。高溫前噴施清水處理(NT、NHT)分別顯著高于噴施0.3% KH2PO4處理(PT、PHT)。高溫后MDA含量表現(xiàn)為噴施0.3% KH2PO4+不高溫處理(PT)顯著低于噴施0.3% KH2PO4+高溫處理(PHT)，PHT顯著低于噴施清水+未高溫處理(NT)，而噴施清水+高溫處理(NHT)的MDA含量顯著最高。高溫結(jié)束后，NHT、PHT處理的MDA含量較NT、PT分別顯著增加了14.12%、9.95%。綜上，通過(guò)花后葉面噴施0.3% KH2PO4可顯著降低灌漿中后期根系MDA含量。

圖4 不同處理對(duì)小麥根系MDA含量的影響Fig.4 Effect of different treatments on MDA content of wheat root

2.4 不同處理對(duì)旗葉凈光合速率的影響

由圖5可知，高溫前噴施清水處理(NT、NHT)顯著低于噴施0.3% KH2PO4處理(PT、PHT)。高溫后，噴施0.3% KH2PO4+不高溫處理(PT)旗葉凈光合速率顯著高于噴施0.3% KH2PO4+高溫處理(PHT)，PHT旗葉凈光合速率顯著高于噴施清水+未高溫處理(NT)，而噴施清水+高溫處理(NHT)旗葉凈光合速率顯著最低。綜上，通過(guò)花后葉面噴施0.3%的KH2PO4可顯著提高灌漿中后期葉片光合能力，降低高溫危害對(duì)葉片的不利影響。

圖5 不同處理對(duì)小麥旗葉凈光合速率的影響Fig.5 Effect of different treatments on the net photosynthetic rate of wheat flag leaf

2.5 不同處理對(duì)小麥干物質(zhì)積累與分配的影響

由表1可知，成熟期小麥植株不同器官干物質(zhì)的積累與分配表現(xiàn)為籽粒>莖+鞘>葉片>穗余。從不同器官干重來(lái)看，莖+鞘、葉片、籽粒與總干重表現(xiàn)為噴施0.3% KH2PO4+不高溫處理(PT)均顯著高于噴施0.3% KH2PO4+高溫(PHT)和噴施清水未高溫(NT)處理，PHT與NT無(wú)顯著差異，二者顯著高于噴施清水+高溫處理(NHT)；穗余表現(xiàn)為NT、PT和PHT三者之間無(wú)顯著差異，均顯著高于NHT。從各器官分配比例來(lái)看，莖+鞘表現(xiàn)為NHT顯著高于NT和PT，二者顯著高于PHT；籽粒表現(xiàn)為PT顯著高于PHT和NT，二者顯著高于NHT；不同處理間干物質(zhì)在葉片和穗余的分配比例無(wú)顯著差異。綜上，通過(guò)花后葉面噴施0.3% KH2PO4可顯著提高成熟期植株干物質(zhì)積累量，降低高溫脅迫對(duì)植株干物質(zhì)積累的不利影響，提高籽粒部分的干物質(zhì)分配比例。

表1 不同處理對(duì)成熟期小麥植株不同器官干物質(zhì)積累與分配的影響Table 1 Effect of different treatments on the dry matter accumulation and distribution of different organs in wheat plant at maturity

2.6 不同處理對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響

由表2可知，與噴施清水未高溫處理(NT)相比，噴施清水+高溫處理(NHT)產(chǎn)量顯著下降，減幅為12.49%，而噴施0.3% KH2PO4處理(PT)較NT產(chǎn)量顯著提升，增產(chǎn)幅度為10.89%，噴施0.3% KH2PO4+高溫處理(PHT)成熟期產(chǎn)量與NT之間無(wú)顯著差異，PHT較PT產(chǎn)量下降6.18%。不同處理對(duì)穗數(shù)、穗粒數(shù)無(wú)顯著影響；千粒重表現(xiàn)為PT顯著高于PHT，PHT顯著高于NT，NHT顯著最低。由此可見(jiàn)，花后葉面噴施0.3%的KH2PO4顯著提高了小麥籽粒產(chǎn)量，而灌漿中后期高溫脅迫顯著降低產(chǎn)量，高溫導(dǎo)致減產(chǎn)主要是由于千粒重的降低，噴施KH2PO4后千粒重的提升使小麥灌漿期遭受高溫脅迫后產(chǎn)量的減幅顯著下降。

表2 不同處理對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 2 Effect of different treatments on wheat grain yield and yield components

3 討論

根系是作物從土壤中吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，較高的根系活力和抗逆能力有利于促進(jìn)地上植株的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的形成[18-19]。逆境會(huì)致使作物體內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，造成質(zhì)膜損傷，同時(shí)作物會(huì)迅速產(chǎn)生保護(hù)酶類以及時(shí)清除植物體內(nèi)的ROS積累，降低其對(duì)植物造成的傷害程度[20]。在本研究中，高溫脅迫顯著降低了小麥根系活力，而花后噴施KH2PO4維持了小麥灌漿期較高的根系活力(圖2)。研究表明，根系在逆境發(fā)生時(shí)可能通過(guò)提升SOD、POD等保護(hù)酶活性，降低高溫等脅迫對(duì)膜系統(tǒng)的不良影響，維持根系的活力[21-22]。高溫脅迫的發(fā)生導(dǎo)致植物體內(nèi)的MDA含量顯著增加，質(zhì)膜相對(duì)透性增大，加劇了細(xì)胞衰老，而根系有關(guān)酶活性的提高則顯著降低MDA含量，延緩根系衰老[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，與未噴施KH2PO4處理相比，噴施處理下灌漿期高溫前根系內(nèi)抗氧化酶活性整體得到顯著提升，并且高溫脅迫處理后噴施KH2PO4處理根系內(nèi)SOD、POD和CAT活性整體顯著增強(qiáng)(圖3)，表明其抵御高溫脅迫的能力得到提升，進(jìn)而降低高溫脅迫對(duì)根系活力的影響，延緩根系衰老。

研究表明，花后高溫脅迫可導(dǎo)致光合同化物質(zhì)在小麥莖鞘中積累，減少向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)量，從而降低產(chǎn)量[22]。而增強(qiáng)小麥灌漿期葉片光合性能是促進(jìn)植株物質(zhì)生產(chǎn)和實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)的基礎(chǔ)[23]，提高根系活力則有利于葉片更好地進(jìn)行同化物的生產(chǎn)，進(jìn)而有利于小麥獲得高產(chǎn)[5]。本研究中，高溫脅迫在降低小麥灌漿期根系活力的同時(shí)葉片凈光合速率也顯著下降(圖2、5)，導(dǎo)致小麥成熟期干物質(zhì)的積累量顯著下降(表1)，而花后噴施KH2PO4則在高溫后仍保持較高的根系活力和葉片光合速率，成熟期時(shí)各個(gè)器官的干物質(zhì)積累量顯著增加，并提高了干物質(zhì)在籽粒中的分配比例。最終，花后噴施KH2PO4顯著增加千粒重，降低高溫脅迫對(duì)粒重形成的負(fù)面影響，增加籽粒產(chǎn)量(表2)，與前人研究結(jié)果一致[4]。小麥根系活力可反映根系新陳代謝的能力，較強(qiáng)的根系活力有助于延緩地上部分衰老，促進(jìn)光合產(chǎn)物的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)，提高籽粒產(chǎn)量[24-26]。此外，KH2PO4作為磷鉀復(fù)合肥，葉面噴施吸收后磷元素主要有利于增強(qiáng)葉片的光合作用能力，提升植株抗逆能力，而鉀離子則有利于促進(jìn)光合物質(zhì)向籽粒的運(yùn)輸，尤其是高溫脅迫下可能為物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)提供更為有利的條件，從而提高粒重和產(chǎn)量，降低高溫危害對(duì)產(chǎn)量的負(fù)面影響[27]。然而，地上部分的衰老進(jìn)程也影響根系的衰老，葉片光合能力的下降削弱地上部分物質(zhì)對(duì)根系的供應(yīng)，從而影響根系衰老進(jìn)程。本試驗(yàn)僅初步研究了花后噴施KH2PO4對(duì)灌漿期高溫脅迫下小麥根系活力及生理特性的影響，而噴施KH2PO4緩解根系衰老的生理機(jī)制及根系與地上部分的作用機(jī)理仍需深入研究和探討。

4 結(jié)論

本研究中小麥在灌漿前期通過(guò)葉面噴施KH2PO4提升了小麥的抗高溫能力，降低了高溫?zé)岷?duì)小麥產(chǎn)量的危害程度，花后噴施KH2PO4主要通過(guò)增強(qiáng)高溫脅迫下根系抗氧化酶活性、降低MDA含量的積累維持根系活力和葉片較高的光合能力，從而提高成熟期植株干物質(zhì)積累，進(jìn)而提高粒重，增加小麥產(chǎn)量。