拔節(jié)期低溫對不同基因型小麥生理及產(chǎn)量的影響

摘要：以多穗型小麥品種（濟麥22、邯6172）和大穗型小麥品種（臨麥4號、濰麥8號）為試驗材料，研究了拔節(jié)期不同低溫（-1、-3 ℃）對葉片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）含量和小麥產(chǎn)量的影響，以及不同處理時間（0、3、6 d）后各生理指標(biāo)變化情況。結(jié)果表明，與對照相比在處理當(dāng)天，-1 ℃低溫下，所有品種的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量均有不同程度的增加，SOD活性除臨麥4號外、POD活性除濟麥22外其余均降低，MDA含量除濰麥8號外其余均顯著減少；-3 ℃低溫下，可溶性糖和脯氨酸含量增加更為明顯，可溶性蛋白含量除濰麥8號外其余略有增加，SOD活性邯6172、臨麥4號顯著升高，POD活性除臨麥4號外其余均有所升高，MDA含量各品種均有所減少。處理后3 d及6 d，不同溫度處理間可溶性糖、脯氨酸含量及POD活性差異依然較為明顯。產(chǎn)量結(jié)果比較表明，-1、-3 ℃低溫下，多穗型小麥品種產(chǎn)量下降幅度明顯低于大穗型品種。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，多穗型小麥品種的千粒重下降幅度高于大穗型品種，但單株穗數(shù)、穗粒數(shù)下降幅度小于大穗型品種。

關(guān)鍵詞：小麥；拔節(jié)期；冷害；生理；產(chǎn)量

中圖分類號：Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3243-06

低溫冷（凍）害是小麥常見的自然災(zāi)害之一。近些年來，受氣候變化的影響，極端氣候頻發(fā)，小麥遭遇低溫倒春寒危害的可能性逐漸增大。此外，全球變暖導(dǎo)致越冬溫度逐漸提高，冬小麥提前拔節(jié)，也會進(jìn)一步加劇春季低溫危害。通過室內(nèi)盆栽低溫處理的方式，研究拔節(jié)期低溫對不同穗型小麥品種生理特性的影響，以期探討冬小麥抗低溫倒春寒的機理，為提高小麥抗春季低溫能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2009～2011年在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田進(jìn)行。盆栽，供試材料為生產(chǎn)上大面積推廣的多穗型小麥品種濟麥22、邯6172和大穗型小麥品種臨麥4號、濰麥8號。試驗用土取自0～30 cm大田耕層，土壤堿解氮63.2 mg/kg，速效磷11.3 mg/kg，速效鉀132.5 mg/kg，有機質(zhì)11.5 g/kg。盆直徑為30 cm，高30 cm，埋入大田后，盆內(nèi)土壤與盆外大田齊平。播種前每盆施復(fù)合肥3.2 g，拔節(jié)期結(jié)合澆水每盆施尿素2.0 g。土壤澆透沉實后于10月初播種，3葉期定苗，每盆留小麥10株。

1.2 低溫脅迫處理

待小麥生長至拔節(jié)期（雌雄蕊原基分化期）后，將盆從大田取出，移入人工氣候室中。氣候室內(nèi)空氣相對濕度70%±7%，溫度誤差±1 ℃。降溫過程參照自然條件下夜間降溫模式，以2 ℃/h的速率緩慢降溫至設(shè)定溫度后，維持5 h，再緩慢升溫至室溫。共設(shè)3個溫度水平：常溫15 ℃（CK），-1 ℃，-3 ℃。

低溫處理后，將所有處理分為兩組：第一組，處理完畢后分別于0、3和6 d取第一片完全展開葉對各項指標(biāo)進(jìn)行測定；第二組，低溫處理完畢后重新埋回大田，成熟后調(diào)查產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成情況，3次重復(fù)。

1.3 測定項目及方法

可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法；脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法；MDA含量測定采用硫代巴比妥酸顯色法；SOD活性測定參考文獻(xiàn)[1]的方法，吸取20 mL酶液，加入3 mL反應(yīng)液，4 000 lx下光照30 min，560 nm比色，以抑制NBT光化還原50%為一個酶活性單位；POD活性測定參考文獻(xiàn)[1]的方法略作修改，吸取20 mL酶液，加入3 mL反應(yīng)液（28 μL愈創(chuàng)木酚、19 μL 30% H2O2、0.1 mol/L pH 6.0的磷酸緩沖液50 mL），470 nm比色，每隔1 min讀數(shù)一次，共讀3次，以每分鐘吸光度變化值表示酶活性的大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥葉片可溶性糖含量的影響

細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量的增加能夠減緩原生質(zhì)的脫水脅迫，防止細(xì)胞過早結(jié)冰。試驗結(jié)果表明，在處理當(dāng)天，與對照相比，-1 ℃及-3 ℃低溫處理均使小麥葉片內(nèi)的可溶性糖含量增加，且溫度越低，增加越明顯。之后隨時間增加，不同溫度處理間的可溶性糖含量差異依然十分明顯。品種間比較發(fā)現(xiàn)，常溫下可溶性糖含量為濟麥22>邯6172>臨麥4號>濰麥8號；-1 ℃低溫處理后，可溶性糖含量為濰麥8號>濟麥22 >邯6172>臨麥4號；-3 ℃低溫處理后，可溶性糖含量為濟麥22>濰麥8號>臨麥4號>邯6172。3 d及6 d后，濟麥22、濰麥8號的可溶性糖含量依然較高，而臨麥4號的可溶性糖含量不論在何種溫度下都始終處于較低水平。處理后3 d及6 d，常溫處理可溶性糖含量均逐漸增加，-1 ℃及-3 ℃處理除邯6172外，其余同樣逐漸增加。

2.2 不同處理對小麥葉片可溶性蛋白含量的影響

由于可溶性蛋白的膠體親水性強，其含量增加能夠明顯提高細(xì)胞的持水力，因此其含量增加同樣有助于提高植物的抗寒能力[2]。由圖1可以看出，在處理當(dāng)天，與對照相比，-1 ℃低溫處理使小麥葉片內(nèi)可溶性蛋白含量增加；-3 ℃低溫處理使?jié)?2、邯6172可溶性蛋白含量略微增加，臨麥4號明顯增加，而濰麥8號略微降低。品種間比較發(fā)現(xiàn)，常溫下臨麥4號可溶性蛋白含量明顯低于其他品種；-1 ℃低溫處理后，品種間含量差異不明顯；-3℃低溫處理后，濰麥8號可溶性蛋白含量明顯低于其他品種。3 d及6 d，濟麥22可溶性蛋白含量變?yōu)樽罡摺Ｌ幚砗? d及6 d，濟麥22可溶性蛋白含量逐漸增加，濰麥8號 -1℃可溶性蛋白含量逐漸降低，其余品種可溶性蛋白含量變化不明顯。

2.3 不同處理對小麥葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸具有溶解度高，在細(xì)胞內(nèi)積累無毒性，水溶液水勢較高等特點。因此脯氨酸同樣是一種良好的植物抗冷性保護(hù)物質(zhì)[3]。由圖2可以看出，在處理當(dāng)天，與對照相比，-1 ℃低溫處理使濰麥8號小麥葉片內(nèi)脯氨酸含量略微增加，其余品種明顯增加；-3 ℃低溫處理使所有小麥品種明顯增加。之后隨天數(shù)增加，經(jīng)低溫處理的小麥葉片脯氨酸含量始終保持較高。品種間比較發(fā)現(xiàn)，脯氨酸含量整體上濟麥22 最高，邯6172次之，臨麥4號再次，濰麥8號最低。處理后不同時間比較發(fā)現(xiàn)，隨處理時間延長，常溫下，濟麥22、臨麥4號脯氨酸含量逐漸增加；-1 ℃下，除臨麥4號外其余逐漸增加；-3 ℃下，除濟麥22基本未變以及臨麥4號先增高后降低外，其余逐漸增加。

2.4 不同處理對小麥葉片SOD活性的影響

SOD是植物體內(nèi)清除自由基的首要物質(zhì)，它能維持活性氧代謝平衡，對植株起到保護(hù)作用[4]。從圖3可以看出，不同品種的SOD活性在低溫下反應(yīng)不同。與對照相比處理當(dāng)天濟麥22、濰麥8號的SOD活性在-1 ℃、-3 ℃低溫處理下降低；邯6172在-1 ℃下略微降低，-3 ℃下升高；臨麥4號在-1 ℃、-3 ℃低溫處理下升高。品種間比較發(fā)現(xiàn)，常溫下SOD活性為濰麥8號>濟麥22 >臨麥4號>邯6172；-1 ℃低溫處理后，臨麥4號高于其他品種；-3 ℃低溫處理后，SOD活性臨麥4號>邯6172>濰麥8號>濟麥22。處理后3 d及6 d，常溫下各品種SOD活性差異不明顯；-1 ℃下為臨麥4號>濟麥22>邯6172>濰麥8號；-3 ℃下邯6172高于其他品種。處理后不同時間比較發(fā)現(xiàn)，隨處理時間延長，除-3 ℃下邯6172 SOD活性先明顯升高后明顯降低外，其余處理SOD活性變化不明顯。

2.5 不同處理對小麥葉片POD活性的影響

POD與SOD具有協(xié)同作用，也是重要的植物保護(hù)酶類之一[5]。由圖4可知，與低溫下SOD活性反應(yīng)類似，不同品種的POD活性反應(yīng)也不相同。處理當(dāng)天-1 ℃低溫處理使?jié)?2的POD活性升高，邯6172、濰麥8號顯著降低，臨麥4號略微降低；-3 ℃低溫處理使?jié)?2、濰麥8號POD活性升高，邯6172略微升高，臨麥4號略微降低。品種間比較發(fā)現(xiàn)，處理當(dāng)天常溫下POD活性為臨麥4號>濟麥22>邯6172 >濰麥8號；-1℃及-3℃低溫處理后，濟麥22>臨麥4號>邯6172 >濰麥8號；3 d及6 d為常溫下濰麥8號>臨麥4號>濟麥22>邯6172；-1 ℃下濟麥22最高；-3 ℃下邯6172最高。處理后不同時間比較發(fā)現(xiàn)，隨處理時間延長，濟麥22、臨麥4號POD活性變化不明顯，邯6172經(jīng)低溫處理的小麥葉片POD活性逐漸增加，濰麥8號所有處理的POD活性均逐漸增加。

2.6 不同處理對小麥葉片MDA含量的影響

MDA作為膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，測定其含量的大小，常常能夠間接反映植物細(xì)胞受損傷的程度[6]。由圖5可知，在處理當(dāng)天，與對照相比，-1 ℃低溫處理使?jié)?2、邯6172、臨麥4號的MDA含量下降，濰麥8號略微升高；-3 ℃低溫處理使?jié)?2、邯6172的MDA含量下降，濰麥8號略微下降，臨麥4號變化不明顯。品種間比較發(fā)現(xiàn)，處理當(dāng)天常溫下MDA含量為濟麥22>邯6172 >臨麥4號>濰麥8號；-1 ℃低溫處理后為濟麥22>濰麥8號>臨麥4號>邯6172；-3 ℃低溫處理后，濟麥22>臨麥4號>邯6172>濰麥8號。3 d及6 d后，常溫下為臨麥4號>濰麥8號>濟麥22>邯6172；-1 ℃和-3 ℃下為濰麥8號>邯6172>濟麥22>臨麥4號。處理后不同時間比較發(fā)現(xiàn)，處理后3 d及6 d與處理當(dāng)天相比，濟麥22各處理的MDA含量均降低；邯6172常溫處理降低，低溫處理有所升高；濰麥8號、臨麥4號的變化趨勢分別與濟麥22、邯6172相反。

2.7 不同處理對小麥產(chǎn)量的影響

不同類型小麥品種低溫處理后產(chǎn)量變化如表1所示。從表1可以看出，拔節(jié)期-1、-3 ℃低溫均使所有小麥品種的穗粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量明顯下降。不同品種間產(chǎn)量比較表明，拔節(jié)期-1 ℃低溫處理后，濟麥22、邯6172的產(chǎn)量下降30%左右，而臨麥4號、濰麥8號則下降40%以上；拔節(jié)期-3 ℃低溫處理后，產(chǎn)量下降更為明顯，其中濟麥22降幅超過50%，邯6172、臨麥4號超過60%，而濰麥8號的降幅則超過70%。不同品種間穗粒數(shù)比較結(jié)果表明，雖然常溫下大穗型小麥品種穗粒數(shù)較高，但在低溫處理后其穗粒數(shù)的下降也較為明顯。不同品種間千粒重比較發(fā)現(xiàn)，大穗型品種常溫下千粒重同樣高于多穗型品種，但與穗粒數(shù)不同，低溫處理后其千粒重的下降幅度要小于多穗型品種。單株穗數(shù)間比較發(fā)現(xiàn)，常溫下多穗型品種單株穗數(shù)較高，低溫處理后其下降幅度也較小。

3 小結(jié)與討論

3.1 細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與抗寒性

小麥葉片內(nèi)的可溶性糖作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其積累可以明顯提高細(xì)胞液濃度，防止原生質(zhì)過度脫水[6，7]。因此許多研究表明，低溫下可溶性糖含量增高有助于增強小麥抗寒力。但也有研究表明，小麥抗春霜能力與可溶性糖含量之間并無顯著相關(guān)[6，7]。試驗中-1 ℃及-3 ℃低溫下小麥葉片內(nèi)可溶性糖含量均明顯增加，說明可溶性糖在小麥抗拔節(jié)期低溫中同樣起重要作用。而在低溫處理后幾天，不同溫度間含量差異依然明顯，且溫度越低含量越高，一方面說明拔節(jié)期低溫過后小麥抗寒機制持續(xù)表達(dá)，另一方面也說明在一定范圍內(nèi)，溫度越低，小麥獲得的抗寒能力也越強。

由于可溶性蛋白膠體親水性較強，其含量增加能夠明顯增強細(xì)胞的持水力，防止原生質(zhì)過早結(jié)冰，因而低溫脅迫條件下植株常誘導(dǎo)產(chǎn)生較多的冷響應(yīng)蛋白來提高抗寒力，即表現(xiàn)為對植物體內(nèi)可溶性蛋白的正效應(yīng)。但是有研究卻發(fā)現(xiàn)，過低的溫度會造成水稻苗葉片內(nèi)可溶性蛋白，尤其是高分子可溶性蛋白含量迅速下降，即表現(xiàn)為對植物體內(nèi)可溶性蛋白的負(fù)效應(yīng)。試驗中，-3 ℃較-1 ℃低溫下大多數(shù)小麥品種葉片內(nèi)可溶性蛋白含量增加較少，說明隨著脅迫加重，低溫對蛋白質(zhì)的負(fù)效應(yīng)超過了正效應(yīng)。而在低溫處理后6 d，不同溫度處理間可溶性蛋白含量差異不再明顯，說明低溫脅迫后受損蛋白質(zhì)逐漸恢復(fù)正常。

脯氨酸作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含有的亞氨基能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)的水合作用，使可溶性蛋白增多，有利于維持低溫狀態(tài)時酶的構(gòu)象，因此許多研究認(rèn)為脯氨酸在植物抗寒生理中具有重要作用 ，但Wanner等[8]研究后卻認(rèn)為脯氨酸在冷鍛煉期間含量的上升是一種被動反應(yīng)或者與抗寒性不相關(guān)。試驗中兩種低溫下脯氨酸含量均增多，且6 d后差異仍然明顯，說明脯氨酸在緩解拔節(jié)期低溫脅迫過程中的確起到了重要作用。

3.2 細(xì)胞內(nèi)保護(hù)酶活性與抗寒性

小麥在低溫脅迫條件下會出現(xiàn)活性氧代謝的紊亂，過多的活性氧對植株造成傷害。SOD作為一種重要的保護(hù)酶，可以及時清除多余的超氧陰離子自由基等活性氧，保護(hù)膜系統(tǒng)不受損傷。但是當(dāng)保護(hù)酶的清除能力不足以清除多余的氧自由基時，就會引起膜脂過氧化，最終形成有毒物質(zhì)MDA[7，8]。試驗中不同品種的SOD、POD對拔節(jié)期低溫反應(yīng)不同，可能與植株本身遺傳特性有關(guān)。劉艷陽等[4]在試驗中也發(fā)現(xiàn)了不同品種幼苗SOD、POD活性變異明顯。另外某些品種SOD活性先升高后降低，可能是過低的溫度造成了酶活性下降或降解，從而表現(xiàn)出與蛋白質(zhì)變化相類似的正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng)。其次，試驗中MDA含量在低溫脅迫后有所減少，可能與低溫激活了小麥體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)，加快了MDA的清除過程有關(guān)。

3.3 低溫下產(chǎn)量變化與穗型的關(guān)系

目前對于拔節(jié)期低溫脅迫下不同穗型間小麥產(chǎn)量變化的研究報道尚不多見。任德超等[9]利用智能霜箱對小麥進(jìn)行低溫處理后發(fā)現(xiàn)，兩種類型小麥千粒重在處理后都呈下降趨勢，且多穗型小麥品種降低幅度較大，大穗型品種降低幅度較小。試驗中，濰麥8號、臨麥4號低溫處理后與濟麥22、邯6172相比千粒重下降幅度較小，與此結(jié)論相吻合。但是任德超等[9]的研究也發(fā)現(xiàn)，多穗型小麥品種的單株穗數(shù)和穗粒數(shù)在低溫處理之后與對照相比反而有所增加。試驗中，所有小麥品種的單株穗數(shù)、穗粒數(shù)在低溫處理之后均有所下降，與其研究結(jié)果有所差異。其原因主要是試驗中低溫對小麥幼穗造成了損傷，導(dǎo)致不孕小穗增多，且低溫導(dǎo)致抽穗率下降。任德超等[9]通過拔節(jié)期低溫處理后還發(fā)現(xiàn)，所有品種的不孕小穗數(shù)在低溫處理之后明顯增加，而千粒重和產(chǎn)量明顯降低。

總之，拔節(jié)期低溫下，小麥可通過積累較多滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及增強酶活性等來提高抗寒性，低溫脅迫后，葉片內(nèi)可溶性糖、脯氨酸、POD活性等也能持續(xù)增加。不同品種生理反應(yīng)不同，其可能與品種遺傳特性有關(guān)。此外，多穗型品種低溫處理后，千粒重下降幅度大于大穗型品種，但單株穗數(shù)、穗粒數(shù)下降幅度要小于大穗型品種，因而其最終產(chǎn)量下降小于大穗型品種。

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