低溫下硅對春小麥幼苗生長及生理特性的影響

趙培培，于立河，趙長江

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶 163319）

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植面積最大的糧食作物之一，它為世界上35%～40%的人提供食物。隨著世界人口的增多，人們對小麥的需求量不斷增加。因此，提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)是至關(guān)重要的。

低溫是限制植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，它是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一。有相關(guān)報道，作物受到低溫冷害后，植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化，水分代謝失調(diào)，破壞酶促反應(yīng)的平衡，擾亂了植物正常的代謝，使植株受害，干物質(zhì)積累量降低，產(chǎn)量和品質(zhì)降低，嚴(yán)重時可使植株干枯死亡。因此，提高植株抗冷害能力至關(guān)重要[1]。

硅是地殼中含量僅次于氧，第二豐富的元素。有大量研究表明，硅對植物的生長發(fā)育是有益的，硅可以提高植物對生物和非生物脅迫的抗性，如抗旱性、抗病性、抗冷害等等[2-4]。因此，研究低溫條件下硅對小麥幼苗生長和相關(guān)生理特性的影響機制對提高小麥產(chǎn)量具有重要的理論與實際意義。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗以硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）作為Si 處理試劑。選用兩種春小麥品種，龍麥26 和克旱16。挑選籽粒大小均勻一致的種子，浸泡20 h 后，用1%的NaCl表面消毒20 min，沖洗干凈。然后在培養(yǎng)箱中25 ℃催芽72 h。催芽后轉(zhuǎn)移到塑料桶中，塑料桶裝有1/2 的霍格蘭營養(yǎng)液。營養(yǎng)液每4 d 更換一次，營養(yǎng)液pH 每次用10 mM NaOH 或H2SO4調(diào)至6.0 左右。將小麥放在可控氣候條件的生長室內(nèi)培養(yǎng)（光周期12 h/12 h黑暗，溫度白天/黑夜21 ℃/17 ℃，相對溫度50%）。

1.2 試驗設(shè)計

將達(dá)到三葉一心期的麥苗分別放在硅（Si）濃度為0、0.5、1.0、2.5 mM 的1/2 強度的霍格蘭營養(yǎng)液中，然后將塑料桶分別置于0 ℃和4 ℃的培養(yǎng)箱中，在光強400 umol·m-2·s-1，光照12 h·d-1條件下低溫處理，培養(yǎng)箱內(nèi)的CO2濃度與生長室內(nèi)濃度一致。每個處理重復(fù)3 次。在低溫處理的12、24、48、72 h 分別取樣測定生理生化指標(biāo)。同時在處理72 h 時取樣測小麥株高，根長，地上部分鮮、干重和根鮮、干重。

1.3 測定方法

1.3.1 生物量的測定

從每個處理中隨機取10 株幼苗，用蒸餾水沖洗干凈，濾紙吸干表面水分，測定麥苗株高、根長、稱取鮮重，然后將其放在105 ℃下殺青20 min，然后70 ℃下烘干至恒重，稱取干重。

1.3.2 POD 和SOD 活性、MDA 和Pro 含量測定

采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定SOD、愈創(chuàng)木酚法測定POD，同硫代巴比妥酸法測定MDA、酸性茚三酮法測定游離脯氨酸含量，以上指標(biāo)均參照張志良《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》[5]測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS19.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對低溫條件小麥幼苗生長的影響

試驗結(jié)果表明，在0 ℃和4 ℃條件下加一定濃度硅（Si）后，兩小麥品種的株高、根長和鮮、干重都有不同程度的升高（表1）。

龍麥26 品種，在0 ℃條件下加Si 處理后，除株高增加不顯著外，其他指標(biāo)隨施硅水平不同均有不同程度的增加。其中，施0.5 mM Si 處理后，根長、根鮮、干重都顯著升高，且分別顯著高于0 mM Si 處理34.9%，87.7%和66.7%（P＜0.05）。而地上部分鮮重和干重分別在加入1.0 mM Si 和2.5 mM Si 時顯著高于0 mM Si 和0.5 mM Si 處理（P＜0.05）。在4 ℃條件下，株高、地上部分鮮、干重隨著施硅水平的增加而增加并在2.5 mM Si 處理時達(dá)到最高，顯著高于其他硅濃度處理。在1.0 mM Si 處理下小麥根長和根鮮重顯著高于其他硅濃度處理，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表1 硅對低溫條件小麥幼苗株高、根長和鮮干重的影響Table 1 Effects of Si on plant height，root length，fresh and dry weight of wheat seeding under low temperature conditions

克旱16 品種，0 ℃條件下加Si 處理后，小麥幼苗各項值均高于未加硅處理。其中，株高和地上部分鮮重隨著Si 濃度的增加而增加，且加Si 處理均顯著高于未加硅（0 mM）處理（P＜0.05），并在2.5 mM Si 處理時最高；而根長，地上部分干重，根鮮重和根干重均在施1.0 mM Si 處理時達(dá)到最高，且顯著高于其他硅濃度25.8%～134.9%（P＜0.05）。在4 ℃條件下，加0.5 mM Si 處理后，根長，地上部分干重和根鮮重顯著高于其他硅濃度（P＜0.05）。而株高，地上部分鮮重和根干重均在硅濃度為1.0 mM 時達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理。由此可知，不同硅濃度對0 ℃和4℃條件下小麥的生長有影響，其中，1.0 mM Si 處理能夠顯著促進(jìn)小麥生長。

2.2 硅對低溫條件小麥幼苗丙二醛含量的影響

由表2 可知，在0 ℃和4 ℃條件下，不同硅濃度下兩品種小麥葉片MDA 含量均呈現(xiàn)先降低后增加趨勢。龍麥26 品種在0 ℃條件下，在12～48 h 期間，小麥葉片MDA 含量在1.0 mM Si 處理較0 mM Si 處理顯著降低了31.0%，62.3%和34.3%（P＜0.05）；而在72 h 時，小麥葉片MDA 含量在0.5 mM Si 處理下顯著降低，低于0 mM Si 處理33.9%（P＜0.05）。在4 ℃條件下，在12 h 和72 h，MDA 含量在硅濃度為0.5 mM 時達(dá)到最低，顯著低于其他硅濃度處理（P＜0.05）。24～48 h 期間，施硅處理后，不同硅濃度下，MDA 含量均降低，1.0 mM Si 處理下降幅度最大，分別低于0 mM Si 處理52.8%和37.5%?？撕?6 品種，無論是0 ℃還是4 ℃條件下，在12～72 h 期間，小麥葉片MDA 含量均在1.0 mM Si 處理時最低，明顯低于2.5 mM Si 處理，顯著低于0 mM Si 和1.0 mM Si 處理（P＜0.05）。可見，不同硅濃度下小麥葉片MDA積累量有明顯差異，1.0 mM Si 處理的MDA 含量最低。

2.3 硅對低溫條件小麥葉片過氧化物酶（POD）活性的影響

過氧化物酶（POD）是構(gòu)成植物抗氧化防御系統(tǒng)的主要酶之一，其活性的提高有助于植物抗性的增強。由圖1 可知，12～48 h 期間，加硅處理的POD 活性均顯著高于未加硅（0 mM）處理（P＜0.05），且在24 h時，0.5 mM Si 處理中POD 活性達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理47.8%（P＜0.05）。在72 h，1.0 mM Si處理POD 活性顯著高于其他硅處理的POD 活性，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。圖3 中，在24 h 時，與12 h 相比，各處理中POD 活性均降低，但在48～72 h 時，POD 活性開始上升并在72 h 達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理45.6%（P＜0.05）。

表2 硅對低溫條件小麥葉片MDA 含量的影響Table 2 Effects of Si on MDA content of wheat leaf under low temperature conditions

圖1 0 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片POD 活性影響Fig.1 Effects of silicon on POD activity of Longmai26 under 0 ℃

如圖2 所示，12 h 時，Si 濃度為1.0 mM 時對POD 活性的提高最顯著。24 h 時，0.5 mM Si 處理顯著高于其他Si 濃度處理。48～72 h 期間，POD 活性的變化非常顯著，在0～1.0 mM 濃度期間，隨Si 濃度的升高，POD 活性不斷升高，并在72 h 達(dá)到最大值。超過1.0 mM 至2.5 mM 濃度時，POD 活性呈下降趨勢，但仍然顯著高于0 mM Si 處理（P＜0.05）。

圖2 0 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片POD 活性影響Fig.2 Effects of silicon on POD activity of Kehan16 under 0 ℃

由圖4 可知，12～24 h 期間，加Si 處理POD 活性均顯著高于未加Si 處理（P＜0.05）。48 h 時，0.5 mM Si處理中POD 活性達(dá)到最大值，顯著高于其他硅處理（P＜0.05）。在72 h，隨著Si 濃度的升高，POD 活性呈先上升后下降趨勢，但加硅處理的POD 活性仍高于未加硅（0 mM）處理，且達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

圖3 4 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片POD 活性影響Fig.3 Effects of silicon on POD activity of Longmai26 under 4 ℃

圖4 4 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片POD 活性影響Fig.4 Effects of silicon on POD activity of Kehan16 under 4 ℃

2.4 硅對低溫條件小麥葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

超氧化物歧化酶（SOD）是活性氧清除系統(tǒng)中最重要的抗氧化酶，在保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷過程中具有十分重要的作用。由圖5 可知，在12 h，加Si 處理的SOD 活性均顯著高于未加Si 處理（0 mM）（P＜0.05），其中1.0 mM Si 處理顯著高于0 mM Si 處理56.8%。24～48 h，隨著Si 濃度的升高，SOD 活性逐漸升高，并在Si 濃度為2.5 mM 時達(dá)到最大值。圖7中，SOD 活性僅在2.5 mM Si 處理下隨時間推移呈下降趨勢，其他硅濃度呈先升高后降低趨勢，且在24 h時，其SOD 活性在0.5 mM Si 處理下達(dá)到最大值，顯著高于其他硅處理（P＜0.05）。

圖6 中，在12～72 h 期間，0 mM 和0.5 mM Si 處理下，SOD 活性呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，而1.0 mM和2.5 mM Si 處理中，SOD 活性先降低后升高。在72 h，1.0 mM Si 處理的SOD 活性迅速升高，達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理39.2%（P＜0.05），而0.5 mM Si 處理的SOD 活性最高峰出現(xiàn)在24 h，顯著高于0 mM Si 處理29.6%（P＜0.05）。在圖8 中，總體上，12～48 h，SOD 活性的逐漸升高并在48 h 達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理25.9%（P＜0.05）。在72 h時，SOD 活性開始降低。從圖中可看出，1.0 mM Si 處理的SOD 活性明顯高于其他硅濃度，1.0 mM Si 處理能夠顯著提高小麥葉片SOD 活性（P＜0.05）。

圖5 0 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片SOD 活性影響Fig 5 Effects of silicon on SOD activity of Longmai26 under 0 ℃

圖6 0 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片SOD 活性影響Fig 6 Effects of silicon on SOD activity of Kehan16 under 0 ℃

圖7 4 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片SOD 活性影響Fig.7 Effects of silicon on SOD activity of Longmai26 under 4 ℃

圖8 4 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片SOD 活性影響Fig.8 Effects of silicon on SOD activity of Kehan16 under 4 ℃

2.5 硅對低溫條件小麥葉片脯氨酸（Pro）含量的影響

圖9 和圖11 分別為在0 ℃和4 ℃條件下，龍麥26 品種小麥葉片脯氨酸含量變化圖。從兩圖中可看出，總體而言，隨著時間的增加，脯氨酸含量在逐漸降低，且均在1.0 mM Si 處理時達(dá)到最小值。圖9 中。12～24 h，1.0 mM Si 處理脯氨酸含量顯著低于其他硅處理（P＜0.05），同時脯氨酸含量最小值出現(xiàn)在24 h，低于0 mM Si 處理47.4%；圖11 中，12～24 h，1.0 mM Si處理和2.5 mM Si 處理脯氨酸含量均顯著低于其他硅處理（P＜0.05），且脯氨酸含量最小值出現(xiàn)在12 h，低于0 mM Si 處理69.6%，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。在48～72 h，僅1.0 mM Si 處理脯氨酸含量低于其他硅處理，且存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖9 0 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片Pro 含量影響Fig.9 Effects of silicon on Pro content of Longmai26 under 0 ℃

圖10 0 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片Pro 含量影響Fig.10 Effects of silicon on Pro content of Kehan16 under 0 ℃

圖10 和圖12 分別為在0 ℃和4 ℃條件下，克旱16 品種小麥葉片脯氨酸含量變化圖。圖10 中，在12 h，1.0 mM Si 處理脯氨酸含量顯著低于其他硅濃度，相比于0 mM Si 處理降低了49.3%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。24～72 h 期間，0.5 mM 和1.0 mM Si 處理下脯氨酸積累量均不斷降低，且在72 h，0.5 mM Si處理中脯氨酸含量達(dá)到最小值，顯著低于0 mM Si處理51.4%（P＜0.05）。圖12 中，在12 h，在0.5 mM Si處理中，脯氨酸含量最低，顯著低于0 mM Si 處理49.1%（P＜0.05）。在24 h，脯氨酸含量隨硅濃度增加而降低，并在2.5 mM Si 處理時達(dá)到最低值，顯著低于0 mM Si 處理68.8%。48～72 h 期間，1.0 mM Si 處理脯氨酸的積累量顯著低于0 mM Si 處理，分別降低了52.5%和42.6%（P＜0.05）。

圖11 4 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片Pro 含量影響Fig.11 Effects of silicon on Pro content of Longmai26 under 4 ℃

圖12 4 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片Pro 含量影響Fig.12 Effects of silicon on Pro content of Kehan16 under 4 ℃

3 結(jié)論與討論

有研究發(fā)現(xiàn)，硅能夠顯著促進(jìn)植物生長發(fā)育。硅可以促進(jìn)水稻根系生長，提高根系對水分和養(yǎng)分的吸收和利用率，增加根系干物質(zhì)積累[6]。馬成倉等[7]研究結(jié)果表明，硅可以促進(jìn)玉米種子呼吸代謝，提高發(fā)芽率和單株鮮重。試驗結(jié)果顯示，兩品種小麥在低溫條件下加不同濃度硅處理，株高、根長以及鮮干重都顯著增加，說明，硅在一定濃度范圍內(nèi)能夠緩解小麥低溫傷害，促進(jìn)小麥幼苗生長。

MDA 是膜質(zhì)過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其含量的高低可以反映質(zhì)膜破壞的程度[8]。有研究表明，隨低溫危害程度的增大，膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA 含量增多[9]。試驗中，植物在低溫條件下加硅處理可使小麥葉片MDA 含量降低，減輕膜質(zhì)過氧化，顯著降低產(chǎn)生速率和質(zhì)膜滲透率，從而保護(hù)細(xì)胞膜，緩解植物低溫危害。此結(jié)論在低溫脅迫下黃瓜幼苗中得到證實[10]。

大量研究結(jié)果顯示：低溫條件下，植物體內(nèi)積累大量的活性氧自由基。這些活性氧自由基會破壞植物體內(nèi)的一些生物功能分子，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，造成細(xì)胞膜的氧化損傷。而植物體內(nèi)存在一個抗氧化防御系統(tǒng)，包括一些酶類和非酶物質(zhì)，它們可以清除多余的活性氧自由基，維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整和膜系統(tǒng)的穩(wěn)定，保護(hù)細(xì)胞免受傷害，進(jìn)而增強植株對低溫的抗性[11-12]。試驗中，由圖1 和2 可看出，低溫條件下加硅處理可顯著提高兩品種小麥葉片POD 和SOD 活性。說明，外源硅可以顯著提高低溫條件下小麥抗氧化酶活性，緩解小麥低溫危害。

植物受到低溫危害時，通常通過提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力來緩解或消除低溫危害。脯氨酸是細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主要物質(zhì)之一。試驗結(jié)果表明，在低溫條件下加不同濃度的硅處理，脯氨酸含量相比于未加硅處理顯著降低，其中以1.0mM Si 濃度處理降低效果最佳。脯氨酸含量與植物低溫危害程度密切相關(guān)，但關(guān)于脯氨酸和低溫危害之間的關(guān)系，迄今為止仍有爭議[13]。有大量研究表明[14-15]，游離脯氨酸的積累與植物耐低溫能力呈負(fù)相關(guān)，由此可得出脯氨酸積累可能是植物受到低溫危害的結(jié)果。也有研究報道，脯氨酸的積累可以增加細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，有助于提高植物的抗逆性，耐逆植物中脯氨酸含量一般情況下高于敏感型植物[13，16]。試驗研究結(jié)果表明脯氨酸積累是植物受低溫危害的結(jié)果。

綜上所述，外源硅通過促進(jìn)根系生長，提高小麥生物量，提高SOD、POD 抗氧化酶活性，減少活性氧的產(chǎn)生，降低MDA 含量，保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整，調(diào)節(jié)滲透平衡來緩解低溫對小麥幼苗的傷害。但是，硅對低溫條件下小麥抗寒性的影響程度因品種而有所不同，具體的作用機制還需進(jìn)一步研究。

［1］姜麗娜，張黛靜，林琳，等.低溫對小麥幼苗干物質(zhì)積累及根系分泌物的影響［J］.麥類作物學(xué)報，2012，32（6）:1171-1176.

［2］宮海軍，陳坤明，王鎖民，等.植物硅營養(yǎng)的研究進(jìn)展［J］.西北植物學(xué)報，2004，24（12）:2385-2392.

［3］李文彬，王賀，張福鎖.高溫脅迫條件下硅對水稻花藥開裂及授粉量的影響［J］.作物學(xué)報，2005，31（1）:134-136.

［4］孫萬春，梁永超，楊艷芳，等.硅和接種黃瓜炭疽菌對黃瓜過氧化物酶活性的影響及其與抗病性的關(guān)系［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35（12）:1560-1564.

［5］張志良.植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)［M］.北京:高等教育出版社，1990.

［6］饒立華，覃蓮祥，朱玉賢.硅對雜交水稻形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理的效應(yīng)［J］.植物生理學(xué)通訊，1986（3）:20-24.

［7］馬成倉，李清芳，束良佐，等.硅對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長作用機制初探［J］.作物學(xué)報，2002，28（5）:665-669.

［8］李明，王根軒.干旱脅迫對甘草幼苗保護(hù)酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的影響［J］.生態(tài)學(xué)報，2002，22（4）:503-507.

［9］李建設(shè)，耿廣東，程智慧.低溫脅迫對茄子幼苗抗寒性生理生化指標(biāo)的影響［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報，2003，31（1）:90-92.

［10］王海紅，祝鵬飛，束良佐，等.硅對低溫脅迫下黃瓜幼苗生長的影響［J］.生態(tài)科學(xué)，2011，30（1）:38-42.

［11］葉亞新，金進(jìn)，秦粉菊，等.低溫脅迫對小麥、玉米、蘿卜幼苗超氧化物歧化酶活性的影響［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2009，25（23）:244-248.

［12］王樹剛，王振林，王平，等.不同小麥品種對低溫脅迫的反應(yīng)及抗凍性評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2011，31（4）:1064-1072.

［13］Madan S，Nainawatee H S，Jain R K，et al.Praline and praline metabolizing enzymes in in-vitro selected NaCltolerant （Brassica juncea L.）under salt stress［J］.Ann Bot，1995，76:51-57.

［14］Lacerda C F，Cambraia J，Oliva M A，et al.Solute accumulation and distribution during shoot and leaf development in two sorghum genotypes under salt stress［J］.Environ Exp Bot，2003，49（2）:107-120.

［15］Lutts S，Majerus V，Kinet J M.NaCl effects on proline metabolism in rice（Oryza sativa）seedlings［J］.Physiol Plant，1999，105（3）:450-458.

［16］Nayyar H，Walia D P.Water stress induced praline accumulation in contrasting wheat genotypes as affected by calcium and abscisic acid［J］.Biol Plant，2003，46（2）:275-279.

［17］宮占元，焦峰.不同氮水平對馬鈴薯干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的影響［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2012，24（4）:1-3.