花后噴施KH2PO4對灌漿期高溫脅迫下小麥根系生理特性及產(chǎn)量的影響

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)大學農(nóng)學院，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)鍵生育時期。適宜小麥籽粒生長的溫度范圍為20～25℃，小麥在灌漿期內(nèi)遭受高溫熱害將會對其產(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，并常伴有陣風的發(fā)生，極易形成干熱風，對小麥實現(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，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，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，高溫熱害發(fā)生嚴重時可使小麥產(chǎn)量降低10%～30%[5-6]。近年來，小麥灌漿中后期的高溫熱害問題日益嚴重，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進一步加劇。因此，采用有效的栽培調(diào)控措施應對小麥灌漿期高溫熱害問題對保障小麥實現(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，主要通過促使作物體內(nèi)的活性氧物質(zhì)(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生和過量積累，增強細胞膜過氧化程度，加速細胞的衰老進程，從而導致作物的生理代謝受到影響，而作物體內(nèi)也已形成了相應的抵御機制以盡可能地減輕逆境對其造成的傷害程度。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(peroxidase，POD)、過氧化氫酶(catalase，CAT)作為作物體內(nèi)重要的抗氧化酶，可解除或降低ROS對植物的毒害作用，對防止ROS在植物體內(nèi)過多積累進而減輕高溫脅迫造成的膜損傷發(fā)揮著重要作用[9-10]。高溫脅迫不僅對植物地上部分造成不利影響，對根系也有一定的影響[11]。目前關(guān)于高溫脅迫對小麥影響的相關(guān)研究主要集中于地上部分，而對地下根系研究較少。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熱害的重要手段，葉面噴施化學調(diào)控劑主要顯著降低高溫對小麥葉片的危害程度，延緩葉片衰老，延長籽粒的灌漿時間，進而增加粒重促使產(chǎn)量提升[4,14]。其中，KH2PO4作為常見的磷鉀復合肥，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，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，本研究通過花后噴施0.3% KH2PO4，探討其對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)過程中防控灌漿期高溫脅迫的應用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019—2020年在安徽省安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園(31°52′0.99″N，117°16′57.72″E)開展。試驗地土壤類型為黃褐土，小麥播種前0～20 cm土壤耕層基礎土壤養(yǎng)分含量為有機質(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 試驗設計

試驗選用半冬性小麥品種安農(nóng)0711為供試材料，共設噴等量清水+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個處理，采用裂區(qū)試驗設計，小區(qū)面積為9 m2(3 m × 3 m)，每個處理3次重復。其中，高溫處理前NHT的處理方式與NT相同，PHT與PT相同。4個處理的噴施時間為花后3 d和11 d，噴施時間選擇下午16時后無風時進行，噴液量為450 kg·hm-2。 高溫處理時間為花后18～22 d，即NHT和PHT采用塑料薄膜大棚增溫的方式進行高溫處理，每日高溫時間段為11:00—16:00，利用自動溫度記錄儀記錄棚內(nèi)每小時溫度動態(tài)變化情況，高溫脅迫期間大棚內(nèi)溫度如圖1所示。高溫處理期間無明顯降雨發(fā)生，且本試驗中小麥開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。小麥開花期為2021年4月11日，5月25日收獲。

1.3 測定項目與方法

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)于每試驗小區(qū)挖取0～20 cm土層小麥根系，每個處理3次重復，將取回的根土放在尼龍網(wǎng)內(nèi)，用清水洗干凈后在實驗室內(nèi)采用氯化三苯基四氮唑(triphenyl tetrazolium chloride，TTC)還原法進行根系活力的測定[16]。

1.3.2 根系抗氧化酶及丙二醛含量 根系樣品采集時間及方法同上，于實驗室內(nèi)將取回的根土進行沖洗，將洗凈后的根系立即放入液氮中，在超低溫箱(-80℃) 內(nèi)進行保存，用于抗氧化酶活性及丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量的測定。其中，采用氮藍四唑(nitro-blue tetrazolium，NBT)光還原法測定根系內(nèi)SOD活性，采用紫外吸收法測定過POD和CAT活性，采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)顯色法測定MDA含量[17]。

1.3.3 旗葉凈光合速率 隨機選取開花期標記的長勢相近的5片旗葉，高溫處理前及高溫處理結(jié)束后采用LI-6400便攜式光合測定儀(美國LICOR公司)于上午9：00—11：00測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 成熟期各試驗小區(qū)取0.2 m2樣段(相鄰的兩行，每行長度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)進行分樣，于105℃烘箱內(nèi)殺青20 min后75℃烘干至恒重，稱量，計算每部分的干物質(zhì)重量，用以計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，每試驗小區(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；每試驗小區(qū)調(diào)查1 m2穗數(shù)，用以換算每公頃穗數(shù)；每試驗小區(qū)隨機選取30穗，用以調(diào)查穗粒數(shù)；于每試驗小區(qū)測產(chǎn)的籽粒樣品中隨機選取1 000粒烘干后進行稱重，用以計算千粒重，3次重復。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軟件進行統(tǒng)計分析，采用最小顯著差異法(least significant difference，LSD)對試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和顯著性檢驗(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，說明隨著籽粒灌漿的推進，小麥根系活性呈現(xiàn)下降的趨勢。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相對于PT下降了3.76%。綜上，通過花后葉面噴施0.3%的KH2PO4可顯著提高灌漿中后期根系活力，降低高溫脅迫對根系活力的不利影響。

注：同一時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 不同處理對根系保護酶活性的影響

由圖3可知，根系SOD、POD和CAT活性隨生育進程的推進總體呈現(xiàn)下降的趨勢，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酶活性。

圖3 不同處理對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，說明隨著根系的衰老，根系內(nèi)細胞膜過氧化程度呈現(xiàn)加劇的趨勢。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，降低高溫危害對葉片的不利影響。

圖5 不同處理對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三者之間無顯著差異，均顯著高于NHT。從各器官分配比例來看，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顯著差異。綜上，通過花后葉面噴施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之間無顯著差異，PHT較PT產(chǎn)量下降6.18%。不同處理對穗數(shù)、穗粒數(shù)無顯著影響；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，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地上植株的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成[18-19]。逆境會致使作物體內(nèi)產(chǎn)生大量ROS，造成質(zhì)膜損傷，同時作物會迅速產(chǎn)生保護酶類以及時清除植物體內(nèi)的ROS積累，降低其對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)生時可能通過提升SOD、POD等保護酶活性，降低高溫等脅迫對膜系統(tǒng)的不良影響，維持根系的活力[21-22]。高溫脅迫的發(fā)生導致植物體內(nèi)的MDA含量顯著增加，質(zhì)膜相對透性增大，加劇了細胞衰老，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(圖3)，表明其抵御高溫脅迫的能力得到提升，進而降低高溫脅迫對根系活力的影響，延緩根系衰老。

研究表明，花后高溫脅迫可導致光合同化物質(zhì)在小麥莖鞘中積累，減少向穗部轉(zhuǎn)運量，從而降低產(chǎn)量[22]。而增強小麥灌漿期葉片光合性能是促進植株物質(zhì)生產(chǎn)和實現(xiàn)小麥高產(chǎn)的基礎[23]，提高根系活力則有利于葉片更好地進行同化物的生產(chǎn)，進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葉片凈光合速率也顯著下降(圖2、5)，導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，成熟期時各個器官的干物質(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，降低高溫脅迫對粒重形成的負面影響，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，較強的根系活力有助于延緩地上部分衰老，促進光合產(chǎn)物的積累與轉(zhuǎn)運，提高籽粒產(chǎn)量[24-26]。此外，KH2PO4作為磷鉀復合肥，葉面噴施吸收后磷元素主要有利于增強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光合物質(zhì)向籽粒的運輸，尤其是高溫脅迫下可能為物質(zhì)的轉(zhuǎn)運提供更為有利的條件，從而提高粒重和產(chǎn)量，降低高溫危害對產(chǎn)量的負面影響[27]。然而，地上部分的衰老進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)對根系的供應，從而影響根系衰老進程。本試驗僅初步研究了花后噴施KH2PO4對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制及根系與地上部分的作用機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葉面噴施KH2PO4提升了小麥的抗高溫能力，降低了高溫熱害對小麥產(chǎn)量的危害程度，花后噴施KH2PO4主要通過增強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，進而提高粒重，增加小麥產(chǎn)量。