河南省主推小麥品種越冬期生理生化特性比較研究

張自陽,馮素偉,姜小苓,李淦,胡鐵柱,茹振鋼

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

河南省屬暖溫帶向亞熱帶、濕潤(rùn)向半濕潤(rùn)過渡的季風(fēng)氣候區(qū),冬季寒冷雨雪少,低溫凍害是黃淮麥區(qū)小麥生產(chǎn)上的主要?dú)庀鬄?zāi)害之一.近年來河南省災(zāi)害性天氣頻繁,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大損失,特別是低溫對(duì)河南省小麥生產(chǎn)構(gòu)成巨大威脅.據(jù)2005年1月12日統(tǒng)計(jì)[1],小麥凍害面積143.79萬hm2,嚴(yán)重凍害面積24.73萬hm2；2007年3月7日、4月3日河南省出現(xiàn)兩次強(qiáng)度較大的降溫過程,造成大部分小麥品種受凍害,全省小麥?zhǔn)軆龊γ娣e達(dá)16.04萬hm2,有0.67萬hm2絕收,對(duì)小麥生產(chǎn)造成了巨大影響；2010年出現(xiàn)了零下16℃的極端低溫等.小麥凍害已成為小麥生產(chǎn)發(fā)展亟待解決的重要問題,而選用抗凍性強(qiáng)的小麥品種是有效防止或減輕凍害損失的基本途徑.

對(duì)于小麥的抗寒機(jī)理已有較多的研究[2-4],不同研究者對(duì)不同地區(qū)、不同抗寒品種的生理指標(biāo)界定也不盡相同[5-6].國(guó)審小麥新品種百農(nóng)矮抗58自審定以來經(jīng)受了干旱、低溫等多種不良天氣的嚴(yán)峻考驗(yàn),現(xiàn)在已成為推廣面積最大、發(fā)展勢(shì)頭最好的全國(guó)主導(dǎo)品種.本試驗(yàn)對(duì)百農(nóng)矮抗58和河南省主栽小麥品種的生理、生化特性進(jìn)行比較研究,旨在為百農(nóng)矮抗58的抗寒性研究、黃淮地區(qū)半冬性小麥品種抗寒鑒定及小麥新品系抗寒性評(píng)價(jià)提供生理生化方面的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試品種為百農(nóng)矮抗58、周麥18、鄭麥9023、豫麥49、鄭麥7698、周麥22.試驗(yàn)材料均由河南科技學(xué)院小麥中心提供.

試驗(yàn)于2010-2011年在河南科技學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行.隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),行長(zhǎng)3 m,6行區(qū),行距0.23 m,田間管理同一般高產(chǎn)田.

1.2 取樣與測(cè)定方法

試驗(yàn)材料從2011年1月12日開始取樣,氣溫變化見圖1（取樣前20 d至取樣結(jié)束）所示.每隔10 d取樣1次,共3次,每個(gè)品種隨機(jī)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的麥苗50株,用蒸餾水小心沖洗,晾干,樣品在冰盒上分苗,剪取整個(gè)分蘗節(jié)和葉片,將葉片和分蘗節(jié)均剪成0.5 cm長(zhǎng)的小段,混勻,按0.5 g分裝,置-80℃冰箱貯存?zhèn)溆?考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定可溶性蛋白含量,酸性茚三酮法測(cè)定脯氨酸含量[7],蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量[8],電導(dǎo)儀（DDS-307）測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率[9],愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過氧化物酶（POD）活性[7],均3次重復(fù).

圖1 最高溫度與最低溫度變化圖（2010/12/20-2011/02/08）Fig.1 The lowest temperature and the highest temperature during2010-12-20 to2011-02-08

1.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Microsoft Excel 2003,SAS9.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 相對(duì)電導(dǎo)率的變化

河南省主推小麥品種越冬期相對(duì)電導(dǎo)率的變化見圖2.

圖2 不同小麥品種葉片相對(duì)電導(dǎo)率的變化Fig.2 The changes of relative electric conductivityin the leafofdifferent wheat varieties

由圖2可知,6個(gè)小麥品種的葉片相對(duì)電導(dǎo)率均出現(xiàn)了先升高后降低的變化過程.這是由于小麥葉片在遭受低溫影響時(shí),細(xì)胞膜受到傷害,細(xì)胞內(nèi)的各種水溶性物質(zhì)包括電解質(zhì)有不同程度的外滲,導(dǎo)致電導(dǎo)率上升,但隨著低溫對(duì)葉片的持續(xù)影響,小麥在經(jīng)受了低溫抗寒鍛煉之后,通過自身的調(diào)節(jié)適應(yīng)了外在環(huán)境的變化,使細(xì)胞膜得以修復(fù),又出現(xiàn)了電導(dǎo)率降低的現(xiàn)象.

圖2表明,1月15日與2月6日取樣的6個(gè)小麥品種中,百農(nóng)矮抗58的相對(duì)電導(dǎo)率均小于其他5個(gè)品種,1月26日取樣的百農(nóng)矮抗58與鄭麥7698相對(duì)電導(dǎo)率均低于其他4個(gè)品種.說明在低溫脅迫下百農(nóng)矮抗58的原生質(zhì)膜穩(wěn)定性好,抗寒性相對(duì)較強(qiáng).

2.2 可溶性糖含量的變化

河南省主推小麥品種越冬期可溶性糖含量的變化見表1.

表1 不同小麥品種各器官可溶性糖含量的變化Tab.1 Change ofsoluble sugar content in the organs of different wheat varietiesmg/g

由表1可知,在低溫條件下,不同品種間可溶性糖在不同器官、不同取樣時(shí)期差異均達(dá)到了顯著水平,且分蘗節(jié)中的可溶性糖含量高于葉片中的含量.

2011年1 月15 日取樣的百農(nóng)矮抗58分蘗節(jié)中可溶性糖含量高于其他5個(gè)品種,并且達(dá)到了顯著差異；1月26日取樣的百農(nóng)矮抗58分蘗節(jié)中可溶性糖含量高于其他5個(gè)參試品種,且顯著高于鄭麥9023；2月6日取樣的分蘗節(jié)中,百農(nóng)矮抗58的可溶性糖含量稍低于鄭麥7698,但明顯高于其他4個(gè)品種,顯著高于鄭麥9023和豫麥49.

由6個(gè)參試品種葉片可溶性糖含量檢測(cè)中可以看出,1月15日取樣的百農(nóng)矮抗58葉片中可溶性糖含量稍低于周麥18,但高于其他4個(gè)品種,顯著高于鄭麥9023；1月26取樣的葉片中,百農(nóng)矮抗58可溶性糖含量最高,且顯著高于鄭麥7698；2月6日取樣的葉片中,百農(nóng)矮抗58可溶性糖含量均高于其他5個(gè)品種,且顯著高于鄭麥9023、周麥22、鄭麥7698.

2.3 可溶性蛋白含量的變化

植株體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)多為一些代謝酶類,其含量多少反映了植株活力的強(qiáng)弱.河南省主推小麥品種越冬期可溶性蛋白含量的變化見表2.

表2 不同小麥品種可溶性蛋白含量的變化Tab.2 Changes of soluble protein content in the organs of different wheat varietiesmg/g

由表2可知,6個(gè)參試品種葉片中的可溶性蛋白含量均高于分蘗節(jié),且可溶性蛋白含量在品種間差異達(dá)到顯著水平.

百農(nóng)矮抗58在3個(gè)取樣時(shí)期的葉片中可溶性蛋白含量均有較多的積累,1月15日取樣的葉片中百農(nóng)矮抗58的含量高于其他5個(gè)品種,且顯著高于周麥18；1月26日葉片取樣中,可溶性蛋白含量稍低于豫麥49,兩者含量差異不顯著,但高于其他4個(gè)品種,且可溶性蛋白含量差異與鄭麥9023、周麥18、周麥22達(dá)到顯著水平；2月6日取樣的葉片中百農(nóng)矮抗58的可溶性蛋白含量高于其他5個(gè)品種.同樣,百農(nóng)矮抗58的可溶性蛋白含量在分蘗節(jié)中依然較高.

以上結(jié)果表明,百農(nóng)矮抗58可溶性蛋白含量在3個(gè)時(shí)期整體比較高,說明百農(nóng)矮抗58具有較強(qiáng)的氮代謝功能.

2.4 脯氨酸含量的變化

河南省主推小麥品種越冬期脯氨酸含量的變化見表3.

表3 不同小麥品種脯氨酸含量的變化Tab.3 Changes ofproline content in the organs of different wheat varietiesμg/g

由表3可知,在低溫脅迫下各參試品種葉片中游離脯氨酸含量處于較高水平,并且在3個(gè)取樣時(shí)期呈遞增趨勢(shì).分蘗節(jié)中脯氨酸含量沒有明顯的遞增趨勢(shì).6個(gè)品種3個(gè)取樣時(shí)期葉片中的游離脯氨酸含量均高于分蘗節(jié).不同品種、不同取樣時(shí)期脯氨酸含量差異達(dá)到了顯著水平.

1月15 日取樣的分蘗節(jié)中,百農(nóng)矮抗58脯氨酸含量高于其他5個(gè)品種,且顯著高于鄭麥9023、周麥22、鄭麥7698；1月26日取樣的分蘗節(jié)中,百農(nóng)矮抗58分蘗節(jié)中脯氨酸含量均高于其他5個(gè)品種,顯著高于鄭麥7698；2月6日取樣分蘗節(jié)中脯氨酸含量最高,且顯著高于鄭麥9023、周麥22、鄭麥7698.

從6個(gè)參試品種葉片中的游離脯氨酸含量變化可以看出,1月15日取樣的葉片中,百農(nóng)矮抗58的脯氨酸含量低于豫麥49,但高于其他4個(gè)品種；1月26日取樣的葉片中百農(nóng)矮抗58的脯氨酸含量顯著高于周麥18、周麥22、鄭麥7698；2月6日取樣的葉片中,百農(nóng)矮抗58脯氨酸含量最高,顯著高于鄭麥9023、周麥22.

2.5 POD活性的變化

河南省主推小麥品種越冬期分蘗節(jié)中POD活性的變化見圖3.

圖3 不同小麥品種分蘗節(jié)POD活性變化Fig.3 Changes of PODactivity in the tilleringnode of different wheat varieties

由圖3可知,在低溫持續(xù)影響下,6個(gè)品種的POD活性在分蘗節(jié)中均呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì).1月15日與1月26日取材的分蘗節(jié)中,百農(nóng)矮抗58的POD活性高于其他5個(gè)品種；2月6日取材的分蘗節(jié)POD活性稍低于周麥22,高于其他4個(gè)品種.

河南省主推小麥品種越冬期分蘗節(jié)中POD活性的變化見圖4.

圖4 不同小麥品種葉片中POD活性變化Fig.4 Changes of PODactivityin the leaves of different wheat varieties

由圖4可知,在低溫持續(xù)影響下,除豫麥49外,其余5個(gè)品種的POD活性在葉片中均呈現(xiàn)逐漸增高的趨勢(shì).1月15日、1月26日取樣的百農(nóng)矮抗POD活性稍低于周麥18,但均高于其他4個(gè)品種；2月6日取樣的百農(nóng)矮抗58的POD活性高于其他5個(gè)品種.

3 結(jié)論與討論

植物的抗寒性受基因型的控制,同時(shí),與其自身代謝和生理過程關(guān)系密切.植物在低溫逆境下生長(zhǎng)發(fā)育受阻,誘發(fā)植物體內(nèi)的抗凍基因合成大量的蛋白以及抗逆境的小分子物質(zhì)[10].例如,誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成、可溶性糖的積累,質(zhì)膜透性發(fā)生改變,抗氧化物及多種代謝酶增加等[11].

本試驗(yàn)結(jié)果表明：在低溫脅迫下,與其他5個(gè)品種相比,百農(nóng)矮抗58分蘗節(jié)和葉片中可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量整體較高.并且隨著低溫的持續(xù)作用,脯氨酸含量呈明顯的遞增趨勢(shì),電導(dǎo)率變化規(guī)律比較明顯,可溶性糖和可溶性蛋白沒有明顯的增加趨勢(shì),但都維持在一個(gè)較高的水平.

低溫脅迫下可溶性糖在植物體內(nèi)逐漸積累,可溶性糖含量較高的植物細(xì)胞的溶質(zhì)濃度增大,緩和胞外結(jié)冰引起的細(xì)胞失水,增強(qiáng)質(zhì)膜的穩(wěn)定性[12],有利于抗寒力的提高.許多研究證明,小麥抗寒性與植株糖含量存在正相關(guān)的關(guān)系,是衡量小麥抗寒性的一個(gè)重要指標(biāo)[5,13-14].對(duì)百農(nóng)矮抗58葉片和分蘗節(jié)的研究結(jié)果表明：在持續(xù)低溫的影響下,其分蘗節(jié)和葉片中積累了大量的可溶性糖,分蘗節(jié)中可溶性糖含量大于葉片,說明分蘗節(jié)的抗寒適應(yīng)能力強(qiáng).含糖量高可以改變細(xì)胞溶質(zhì)的濃度,增強(qiáng)質(zhì)膜的穩(wěn)定性,這一點(diǎn)在對(duì)其電導(dǎo)率的研究結(jié)果中得到證實(shí),百農(nóng)矮抗58三個(gè)取樣時(shí)期電導(dǎo)率低于其他5個(gè)品種,說明其質(zhì)膜透性比較穩(wěn)定,矮抗58的抗寒能力較強(qiáng).可以把小麥葉片和分蘗節(jié)中可溶性糖含量和相對(duì)電導(dǎo)率作為半冬性小麥品種抗寒性鑒定的一個(gè)重要指標(biāo),這與高志強(qiáng)等研究結(jié)果相似[5].

許多學(xué)者認(rèn)為脯氨酸含量與高等植物的抗寒性存在相關(guān)性,脯氨酸在體內(nèi)調(diào)節(jié)滲透壓[15]、降低水勢(shì)、解毒并降低冰點(diǎn)[16].對(duì)百農(nóng)矮抗58的研究中發(fā)現(xiàn),在低溫持續(xù)影響下,其體內(nèi)脯氨酸含量較高,隨著低溫時(shí)間延長(zhǎng)脯氨酸含量呈遞增趨勢(shì).與其他5個(gè)品種相比較,百農(nóng)矮抗58體內(nèi)脯氨酸含量整體上較高.葉片中的脯氨酸含量有一個(gè)比較明顯的遞增趨勢(shì).

POD是植物細(xì)胞的保護(hù)酶,POD活性越高,其抗寒能力越強(qiáng).對(duì)百農(nóng)矮抗58 POD活性的研究結(jié)果表明：分蘗節(jié)和葉片中的POD隨低溫脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)呈明顯的遞增趨勢(shì),與百農(nóng)矮抗58在2月6日取樣電導(dǎo)率變小有一定的關(guān)系,說明此期間分蘗節(jié)和葉片的清除自由基的能力強(qiáng),質(zhì)膜過氧化程度輕,電解質(zhì)外滲較少導(dǎo)致電導(dǎo)率較小.

從以上分析中得出如下結(jié)論：①供試的6個(gè)小麥品種中,百農(nóng)矮抗58的抗寒性相對(duì)較強(qiáng)；②低溫脅迫下葉片相對(duì)電導(dǎo)率、分蘗節(jié)可溶性糖含量、葉片脯氨酸含量變化規(guī)律較明顯,可以作為半冬性品種和新品系抗寒性輔助鑒定的重要指標(biāo).

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