140個(gè)冬小麥品種(系)對UV-B輻射的響應(yīng)

呂志偉，馮 青，呂艷偉，劉立科，張艷菊，李保云，張文會

(1.聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東聊城 252059； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100193)

140個(gè)冬小麥品種(系)對UV-B輻射的響應(yīng)

呂志偉1，馮 青2，呂艷偉1，劉立科1，張艷菊2，李保云2，張文會1

(1.聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東聊城 252059； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100193)

為深入了解不同小麥基因型對UV-B輻射響應(yīng)的差異，以中國黃淮地區(qū)140個(gè)冬小麥育成品種(系)為材料，在苗期施加4.3 kJ·m-2·d-1的UV-B輻射，培養(yǎng)15 d后，測定相關(guān)的生物量(株高、鮮重、干重)、色素相對含量(花青素、葉綠素、類胡蘿卜素)及光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)等指標(biāo)，計(jì)算UV-B輻射下的響應(yīng)指數(shù)，并根據(jù)冬小麥幼苗干重響應(yīng)指數(shù)對140個(gè)品種(系)進(jìn)行了UV-B耐性分類。結(jié)果表明，140個(gè)冬小麥幼苗的7個(gè)被檢測指標(biāo)對UV-B輻射的響應(yīng)不盡相同。對7個(gè)被測指標(biāo)響應(yīng)指數(shù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，反映植物生物量指標(biāo)的響應(yīng)指數(shù)與色素指標(biāo)的響應(yīng)指數(shù)之間沒有顯著相關(guān)性。有39個(gè)品種(系)的幼苗對UV-B輻射敏感，其中，9305031-2的干重降低幅度最大(34.8%)；抗UV-B輻射的品種(系)有36個(gè)，其中，京10531干重增加幅度最大(71.0%)；其他65個(gè)品種(系)對UV-B輻射不敏感。

冬小麥；UV-B輻射；耐性；響應(yīng)指數(shù)

20世紀(jì)以來，由于大氣平流層臭氧層變薄而使到達(dá)地表的紫外線-B(UV-B，280～320 nm)輻射增強(qiáng)，已成為一個(gè)重要的環(huán)境問題[1]。UV-B對植物的影響因品種及試驗(yàn)方法而異，部分植物品種的生長受到促進(jìn)或不顯著影響，但是大多數(shù)是負(fù)面影響。如UV-B輻射可以降低小麥[2]、黃瓜[3]、大豆[4]和水稻[5]等作物的株高、干重，抑制其光合作用，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。UV-B對植物生理進(jìn)程及生長的抑制作用被認(rèn)為是由于DNA損傷[6]及光合作用器官損害[7]造成的。UV-B對植物的損傷程度與DNA的修復(fù)能力[8]、類黃酮含量[9]及活性氧清除能力[10]有關(guān)。

自然界不同植物品種、甚至同一物種的不同基因型對UV-B輻射的響應(yīng)均有差異，如水稻[11]、小麥[12]以及大豆[4]等作物。Dai 等[11]研究了188個(gè)水稻品種，發(fā)現(xiàn)UV-B輻射對其中6個(gè)品種有顯著促生長效應(yīng)。Satao等[13]研究了亞洲的198個(gè)水稻品種苗期對UV-B的耐性差異，并分析了抗性品種sasanishiki和敏感品種norin 1對UV-B的抗性機(jī)制[8]。面對日益惡化的環(huán)境，培育對UV-B耐性強(qiáng)的農(nóng)作物新品種勢在必行。

冬小麥?zhǔn)且环N在世界各地廣泛種植的重要作物，目前，關(guān)于UV-B輻射增強(qiáng)對其光合特性、生長、發(fā)育、總生物量和產(chǎn)量的影響已有較多研究。但只有少數(shù)研究涉及小麥響應(yīng)UV-B輻射的品種間差異[12,14]，且供試品種較少。要明確小麥對UV-B輻射的品種間差異及其機(jī)理，需要對更多不同基因型的小麥品種進(jìn)行相關(guān)研究。黃淮地區(qū)是中國主要的冬小麥生產(chǎn)地區(qū)，本研究選取該區(qū)域140份冬小麥品種(系)作為供試材料，分析其幼苗期對UV-B輻射的耐性差異，為篩選、培育抗性種質(zhì)及其相關(guān)機(jī)制研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為黃淮區(qū)域種植的140份冬小麥(TriticumaestivumL.)品種(系)，由聊城大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉立科博士提供。其中，許多品種曾經(jīng)在此區(qū)域廣泛種植，部分品種目前仍是主要的種植品種。

1.2 方 法

1.2.1 幼苗培養(yǎng)與處理

用純凈水室溫浸種10 h后25℃催芽。挑選大小相近、發(fā)芽一致的小麥種子播于盛有蛭石的醫(yī)用搪瓷盤中，種子株距1 cm、行距2 cm。播種后置于白天25 ℃、晚上22 ℃左右的培養(yǎng)室內(nèi)，待出苗后移入人工氣候室，同時(shí)每盆加Hoagland營養(yǎng)液200 mL。培養(yǎng)溫度為白天20 ℃，夜晚15 ℃，光照時(shí)間為6:00至18:00，光照強(qiáng)度為600 μmol·m-2·s-1。同時(shí)進(jìn)行UV-B處理，并不斷交換搪瓷盤位置。

1.2.2 UV-B輻射處理

本試驗(yàn)中，UV-B處理時(shí)間為8 h(9:00至17:00)，總劑量為4.3 kJ·m-2·d-1。UV-B光源購自北京電光源研究所，放射波峰為308 nm。將燈管懸掛在幼苗的上方，處理組燈管周圍用雙醋酸纖維素膜包裹，以濾去UV-C輻射，但能使UV-B 和 UV-A 輻射透過。對照組燈管采用聚酯薄膜包裹，濾去315 nm以下的UV-B和UV-C 輻射。由于膜會老化，使透光性減弱，每周更換一次。用HR2000CG-UV-NIR超寬波段高分辨率光纖光譜儀(Ocean Optics Inc.USA)檢測植株表面接受的紫外輻射強(qiáng)度，并按照GREEN 等[15]的方法轉(zhuǎn)換為生物有效輻射(UV-BBE)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

UV-B處理后第15天取10株小麥幼苗作為樣品，測定株高、鮮重、干重及葉綠素、花青素、類胡蘿卜素和光化學(xué)植被指數(shù)(Photochemical Reflectance Index,PRI)的相對值。株高、鮮重和干重用常規(guī)方法測定，葉綠素、花青素、類胡蘿卜素及PRI采用UniSpec光譜儀(PP Systems,USA)測定，根據(jù)Sims 和 Gamon[16]的方法計(jì)算葉綠素含量；根據(jù)Merzlyak等[17]方法計(jì)算花青素和類胡蘿卜素含量、根據(jù)Penuelas等[18]方法計(jì)算PRI。

將對照組與處理組的各被測指標(biāo)換算為相應(yīng)的響應(yīng)指數(shù)(RI)：

RI=(處理組-對照組)/對照組×100%。

根據(jù)Dai等[11]的方法按照幼苗干重的RI值進(jìn)行UV-B耐性分類，可分為極強(qiáng)抗性(RI≥30%)、強(qiáng)抗性(30%>RI≥20%)、中抗性(20%>RI≥10%)、弱抗性(10%>RI>0)、弱敏感(0>RI>-10%)、中敏感(-10%≥RI>-20%)、強(qiáng)敏感(-20%≥RI>-30%)、極強(qiáng)敏感(RI≤-30%)以及不敏感品種共9個(gè)類別。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析，并計(jì)算不同指標(biāo)間響應(yīng)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 140個(gè)冬小麥品種(系)在UV-B處理下的響應(yīng)指數(shù)

在4.3 kJ·m-2·d-1的UV-B輻射下，140個(gè)冬小麥品種(系)的株高、鮮重、干重、花青素、葉綠素、類胡蘿卜素以及PRI的響應(yīng)指數(shù)變化不盡相同，表1為部分品種對UV-B輻射的響應(yīng)。

株高的響應(yīng)指數(shù)為-31.3%(9305031-2)～43.3%(京10531)，鮮重的響應(yīng)指數(shù)為-46.6%(9305031-2)～53.6%(京10531)，干重的響應(yīng)指數(shù)為-34.8% (9305031-2)～71.0% (京10531)。色素相關(guān)指標(biāo)中，花青素的響應(yīng)指數(shù)為-21.6%(9305031-2)～19.8%(鑒26)，葉綠素的響應(yīng)指數(shù)為-14.4%(京10531)～9.9%(邢麥4號)，類胡蘿卜素的響應(yīng)指數(shù)為-36.2%(濟(jì)麥19)～26.3%(鑒26)。PRI的響應(yīng)指數(shù)為-16.6%(泰農(nóng)19)～9.2%(太70)。綜合分析可見，試驗(yàn)所采用的UV-B輻射對上述7個(gè)檢測指標(biāo)均能產(chǎn)生明顯的影響，表現(xiàn)為受到促進(jìn)或者抑制，但變化范圍并不相同。具體到不同的小麥品種(系)，這種影響趨勢也不一致。例如9305031-2的生物量和色素均受到UV-B輻射的顯著抑制；京10531的生物量受到促進(jìn)，但色素卻受到抑制，而鑒26的表現(xiàn)則正好相反。

表1 UV-B處理下部分冬小麥品種(系)被測指標(biāo)的響應(yīng)指數(shù)Table 1 RI values of part winter wheat varieties(lines) under UV-B treatment %

*表示UV-B處理與對照差異顯著(P<0.05); a:為了便于比較，PRI 的響應(yīng)指數(shù)(RI)被轉(zhuǎn)換成其相反值，因此在表中正值即表示促進(jìn)作用，而負(fù)值則表示抑制作用。

* means significant difference between UV-B treatment with the control(P<0.05); a:The RI value of PRI has been converted to the negative value for better comparison.In this table,positive value means promotion while negative value means inhibition.

表2 140個(gè)冬小麥品種(系)7個(gè)被測指標(biāo)響應(yīng)指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients between seven indices of 140 varieties(lines) under UV-B treatment

**:P<0.001.

2.2 各指標(biāo)響應(yīng)指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)

由表2可知，株高與鮮重、干重的響應(yīng)指數(shù)極顯著正相關(guān)；花青素、葉綠素及類胡蘿卜素響應(yīng)指數(shù)介于0.617～0.968之間，呈極顯著正相關(guān)；PRI與花青素和類胡蘿卜素的響應(yīng)指數(shù)極顯著正相關(guān)。生物量指標(biāo)(株高、鮮重、干重)與色素指標(biāo)(花青素、葉綠素及類胡蘿卜素)之間均不存在顯著相關(guān)性。說明株高、鮮重及干重等生物量的積累與葉片色素含量間無直接相關(guān)關(guān)系。

2.3 140個(gè)冬小麥品種(系)的UV-B耐性分類

根據(jù)干重的響應(yīng)指數(shù)可以將140個(gè)供試小麥品種(系)分為3類(表3)，75個(gè)品種(系)的干重受UV-B輻射影響顯著(P<0.05)，其余品種受UV-B輻射影響不顯著。

在受UV-B影響顯著的75個(gè)品種中，39個(gè)品種(系)對UV-B輻射敏感，其中，2個(gè)品種(系)屬于極強(qiáng)敏感，5個(gè)屬于強(qiáng)敏感，26個(gè)為中等敏感，6個(gè)品種是弱敏感。9305031-2的干重降低幅度最大，達(dá)34.8%，株高降低了31.3%，鮮重降低了46.6%，葉片中色素濃度(花青素、葉綠素和類胡蘿卜素)也顯著降低(P<0.05)，屬于極強(qiáng)敏感品種。36個(gè)品種(系)對UV-B輻射具有抗性，其中，有4個(gè)品種(系)屬于極強(qiáng)抗性，7個(gè)屬于強(qiáng)抗性，19個(gè)屬于中等抗性，6個(gè)品種是弱抗性。京10531干重增加幅度最大，達(dá)71.0%，株高增加了43.3%，鮮重增加53.6%。農(nóng)大6081的干重增加幅度僅此于京10531(56.0%)，增加顯著，但株高增加不顯著。

表3 140個(gè)冬小麥品種(系)的UV-B耐性分類Table 3 Distribution of 140 varieties(lines) based on the RI of dry weight under UV-B treatment

3 討 論

本研究首次比較了黃淮地區(qū)140個(gè)冬小麥品種(系)幼苗對UV-B輻射的種間響應(yīng)。在分析小麥品種幼苗對UV-B的響應(yīng)時(shí)，生物量指標(biāo)(株高、鮮重和干重)[19]、色素濃度(花青素、葉綠素和類胡蘿卜素)和PRI等均是國內(nèi)外學(xué)者常用的檢測指標(biāo)[12,20]。UV-B輻射下，140個(gè)冬小麥品種(系)幼苗的上述指標(biāo)表現(xiàn)出不同的種間響應(yīng)，表明不同基因型的小麥品種(系)對UV-B輻射抗性存在差異，類似的報(bào)道也見于水稻[11]及其他小麥品種[12,14]等。

在評價(jià)植株的UV-B耐受性時(shí)，需要選取準(zhǔn)確、合適的指標(biāo)。干重常用來評價(jià)植株的UV-B耐受性，原因在于環(huán)境因素的變化會影響到植物的生長，包括影響植物的吸收能力、呼吸作用、光合作用乃至基因的表達(dá)等，最終體現(xiàn)在生物量上[11,19]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，UV-B輻射能顯著影響某些品種的株高或者鮮重，但對干重卻無顯著影響(如品種B98131-14-5、邢麥4號、太原504等，見表1)，因此，株高和鮮重這兩個(gè)指標(biāo)與干重的相關(guān)性盡管很高，但并不適合作為幼苗UV-B耐受性的評估指標(biāo)。類似的現(xiàn)象在其他研究也有報(bào)道，這可能與UV-B輻射影響植物內(nèi)源生長激素有關(guān)[4,11-12]，但具體原因有待進(jìn)一步研究。

在冬小麥不同品種(系)之間，葉綠素的響應(yīng)指數(shù)變化與生物量響應(yīng)指標(biāo)之間不存在顯著相關(guān)性(表2)，說明葉綠素含量的變化不能完全反映植株的UV-B耐受性。Smith等[19]發(fā)現(xiàn)，UV-B 輻射能使某些敏感物種(如L.sativaButtercrunch)的葉綠素含量升高，也能使某些抗性物種(如Sinapsisalba)的葉綠素含量降低。在本研究中，花青素和類胡蘿卜素含量的響應(yīng)指標(biāo)顯著相關(guān)，二者對光合作用均具有保護(hù)作用，花青素及類胡蘿卜素含量高則光合作用速率受到的抑制作用就小或不受抑制，甚至受到促進(jìn)[21]，因此，二者與PRI和葉綠素含量這兩個(gè)指標(biāo)均顯著正相關(guān)。PRI能夠間接評價(jià)葉片的光合速率[18]，但在本研究中，PRI與小麥生物量及葉綠素含量的相關(guān)均不顯著。因此，除干重外，其他6個(gè)測試指標(biāo)均不適合直接評價(jià)冬小麥幼苗的UV-B耐受性。

某些小麥品種在低劑量的UV-B輻射下生長受到促進(jìn)，但在較高劑量的輻射下生長受到抑制[22]。可能因?yàn)樵谳^低劑量UV-B輻射下，葉片內(nèi)類黃酮類物質(zhì)合成增加，使葉片屏蔽UV-B輻射能力增強(qiáng)，能屏蔽大部分UV-B輻射進(jìn)而保護(hù)光合作用免受損傷。到達(dá)內(nèi)部細(xì)胞的低劑量UV-B輻射可以作為一個(gè)信號因子，刺激植物產(chǎn)生抗UV-B和其他生物脅迫的能力，促進(jìn)細(xì)胞生長和新陳代謝；但當(dāng)UV-B輻射劑量較高時(shí)，增加的類黃酮類物質(zhì)含量不能充分屏蔽UV-B輻射，植株光合作用受到明顯損傷，生物量降低[23]。但在菠菜和豆類作物中，卻不存在這樣的保護(hù)關(guān)系[21]。本研究中，光合作用相關(guān)色素與生物量之間也不存在顯著相關(guān)性。進(jìn)一步證明，植物對UV-B輻射所表現(xiàn)出的種間差異是由一系列復(fù)雜的特殊反應(yīng)所決定的[23-24]。

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Responses of 140 Winter Wheat Varieties to UV-B Radiation

Lü Zhiwei1,FENG Qing2,Lü Yanwei1,LIU Like1,ZHANG Yanju2,LI Baoyun2,ZHANG Wenhui1

(1.School of Life Sciences,Liaocheng University,Liaocheng,Shandong 252059,China; 2.College of Agriculture and Biotechnology，China Agricultural University,Beijing 100193,China)

In order to understand the responses of different wheat genotypes to ultraviolet-B(UV-B) radiation,the UV-B responses of 140 winter wheat varieties collected from Huang Huai Region in China were studied at seedling stage under 4.3 kJ·m-2·d-1UV-B radiation for 15 days in the phytotron.To evaluate the tolerance of wheat seedlings,related indices,such as plant biomass(plant height,fresh weight and dry weight),concentrations of pigment(anthocyanin,chlorophyll and carotenoid) and photochemical reflectance index(PRI) were measured.The results showed that differences of seven indices existed among 140 winter wheat varieties under UV-B treatment.Correlation analysis showed that there was no significant correlation between the response indices(RIs) of plant biomass and the RIs of pigment.According to the RI of dry weight,39 cultivars were sensitive to UV-B,of which the variety 9305031-2 displayed the highest reduction in dry weight(34.8%); while 36 varieties were resistant to UV-B radiation,of which the variety Jing 10531 exhibited the highest increase in dry weight(71.0%); and other 65 winter wheats were not sensitive to UV-B radiation.

Winter wheat; Ultraviolet-B radiation; Tolerance; Response index

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.17

時(shí)間：2017-06-07

2016-08-23

2016-10-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31200387,31071412)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2009CB118300)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014CL009,2009Zrb01762)

E-mail：lvzhiwei@lcu.edu.cn

張文會(E-mail:whzhang@lcu.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)06-0841-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170607.1005.034.html