拔節(jié)期低溫脅迫對小麥生理特性和產量的影響

張 磊，李國領，張建周，張德奇

(1.河南省農業(yè)科學院 科研管理處，河南 鄭州 450002； 2.河南省農業(yè)科學院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

拔節(jié)期低溫脅迫對小麥生理特性和產量的影響

張 磊1，李國領2，張建周2，張德奇2

(1.河南省農業(yè)科學院 科研管理處，河南 鄭州 450002； 2.河南省農業(yè)科學院 小麥研究所，河南 鄭州 450002)

為明確拔節(jié)期低溫脅迫對小麥生理特性和產量的影響，以周麥18和眾麥1號為材料，利用人工智能溫室模擬0 ℃低溫脅迫，測定了試材在低溫脅迫24 h和48 h后的氣體交換參數、葉綠素熒光參數、生理指標和單株產量相關性狀。結果表明，小麥品種的耐低溫特性存在基因型間差異，眾麥1號的耐低溫特性顯著優(yōu)于周麥18。低溫脅迫處理后，2個小麥品種的氣體交換參數、葉綠素熒光參數Fv/Fm和qP值、葉綠素含量均顯著降低，眾麥1號的降低幅度顯著低于周麥18，其中低溫脅迫24 h后，兩品種的凈光合速率較對照處理分別降低36.47%和30.91%，48 h后分別降低57.00%和49.18%；葉綠素熒光參數NPQ、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量均顯著上升，眾麥1號的上升幅度顯著高于周麥18；SOD、POD、CAT酶活性呈現先升后降的趨勢，眾麥1號的上升幅度高于周麥18，而下降幅度小于周麥18；周麥18和眾麥1號的單株產量顯著降低，低溫脅迫24 h后周麥18和眾麥1號的單株產量較對照分別下降31.00%、19.09%，48 h后分別下降56.85%、46.59%，低溫脅迫主要影響了單株穗數和單穗粒數。綜上，低溫脅迫下眾麥1號可積累更多的脯氨酸和可溶性蛋白，同時具有較高水平的抗氧化酶活性，可減輕逆境下小麥受傷害程度，維持較高的光合效率并獲得較高的產量，這是其具有較好耐低溫特性的原因。

小麥； 拔節(jié)期； 低溫脅迫； 生理特性； 產量

黃淮南部麥區(qū)是我國小麥主產區(qū)，播種面積和總產量約占全國的40%。該麥區(qū)位于我國中部，處于南北方過渡地帶，小麥生產上經常遇到“倒春寒”災害。近10 a來，受全球變暖影響，春季氣溫回升不平穩(wěn)，常出現驟升驟降現象，對小麥生產造成較大的影響[1-2]。春季凍害已成為影響黃淮南部麥區(qū)小麥高產穩(wěn)產的主要氣象災害因子之一[3]。

小麥拔節(jié)期遭遇低溫脅迫，常造成整個幼穗或部分小穗死亡，生育后期不抽穗、空穗、半截穗、缺粒穗，影響小麥高產穩(wěn)產；對小麥生理特性的影響主要表現在細胞膜系統(tǒng)受損、葉綠素合成受阻、酶系統(tǒng)失活、光合作用效率降低等[4-5]。前人關于低溫脅迫對小麥生理和產量的影響已有報道，但多數就同一品種展開研究，對不同小麥品種的耐低溫脅迫特性探討較少[6-8]。孫苗苗等[9]用冰柜對12個小麥品種進行低溫脅迫，研究了不同品種的耐低溫特性，但冰柜環(huán)境與大田實際低溫脅迫環(huán)境差異較大，易造成低溫弱光交叉脅迫，不能完全反映不同品種的耐低溫特性。為此，利用人工智能溫室模擬田間低溫逆境，研究了周麥18和眾麥1號在0 ℃低溫脅迫24 h和48 h后的生理和產量性狀的變化，以期為耐低溫小麥新品種選育和小麥抗春季低溫脅迫栽培技術的研制提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及試驗設計

供試材料為小麥品種周麥18和眾麥1號，分別播種于內徑25 cm、高30 cm的花盆中，每盆裝入12 kg耕層土，基礎肥力為堿解氮92.5 mg/kg、有效磷22.7 mg/kg、速效鉀93.8 mg/kg，每品種種植30盆，其余栽培措施同大田。

于小麥拔節(jié)期(基部節(jié)間伸長3 cm)進行低溫脅迫處理，處理前澆水，將盆栽整體移入人工智能溫室內進行處理。將處理開始前正常生長的小麥盆栽設為對照處理(CK)；低溫脅迫處理：溫度設置為0 ℃，脅迫時間為24 h和48 h，光強為1 000 μmol/(m2·s)，光照時間為7:00—17:00，空氣相對濕度控制為65%。

1.2 測定指標與方法

1.2.1 氣體交換參數 用CIRAS-2型便攜式光合作用測定儀(PP SYSTEMS,USA)測定小麥植株最上部全展葉的凈光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)、氣孔導度(stomatal conductance,Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration,Ci)。采用CO2鋼瓶供氣，CO2濃度設置為380 μmol/mol，氣體流速為300 mL/min，內部光源控制光照強度，光強設置為1 500 μmol/(m2·s)，重復3次。

1.2.2 葉綠素熒光參數 參照Genty等[10]方法，利用FMS-2便攜式脈沖調制式熒光儀(Hansatech,UK) 測定小麥植株最上部全展葉的葉綠素熒光參數，重復3次，測定葉片PSⅡ的最大光化學效率(Fv/Fm)之前，先用暗適應夾進行20 min的暗適應。

熒光參數計算公式：PSⅡ的最大光化學效率Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm，光化學猝滅qP=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)，非光化學猝滅NPQ=(Fm-Fm′)/Fm。

1.2.3 葉綠素含量 參考Arnon[11]方法進行測定。

1.2.4 脯氨酸含量 參考Troll等[12]方法進行測定。

1.2.5 可溶性蛋白含量 參考Read等[13]方法進行測定。

1.2.6 抗氧化酶活性 參照Qi等[14]改進的方法，測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性、過氧化氫酶(catalase,CAT)活性、過氧化物酶(peroxidase,POD)活性。

1.2.7 單株產量性狀 小麥成熟后，收獲盆栽單株，調查單株產量、單株穗數、穗粒數、千粒質量等產量性狀，每處理下每個材料調查10株。

1.3 統(tǒng)計分析

用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析，Microsoft Excel 2003繪圖。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對2個小麥品種氣體交換參數的影響

如圖1所示，低溫脅迫顯著降低了周麥18和眾麥1號的凈光合速率，低溫脅迫24 h后，兩品種較對照處理分別降低36.47%和30.91%，48 h后分別降低57.00%和49.18%，低溫脅迫下眾麥1號的凈光合速率均顯著高于周麥18；蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度的變化趨勢與凈光合速率一致，說明2個小麥品種的耐低溫脅迫能力不同，低溫脅迫下眾麥1號仍能維持相對較高的凈光合效率，其耐低溫特性顯著優(yōu)于周麥18。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 低溫脅迫對2個小麥品種葉綠素熒光參數的影響

如圖2(A)所示，低溫脅迫顯著降低了周麥18和眾麥1號的Fv/Fm值，低溫脅迫24 h后，兩品種較對照處理分別降低40.15%和31.84%，48 h后分別降低59.15%和43.82%，眾麥1號的Fv/Fm值顯著高于周麥18，說明眾麥1號在低溫脅迫下較周麥18具有更高的潛在最大光化學效率。

如圖2(B)所示，低溫脅迫顯著降低了周麥18和眾麥1號的qP值，低溫脅迫24 h后，兩品種較對照處理分別降低42.58%和34.76%，48 h后分別降低54.19%和47.15%，眾麥1號的qP顯著高于周麥18，說明低溫脅迫下眾麥1號仍能維持較高水平的光化學效率。

如圖2(C)所示，低溫脅迫后，周麥18和眾麥1號的NPQ值均顯著升高，低溫脅迫24 h后，兩品種較對照處理分別升高22.26%和14.39%，48 h后分別升高51.98%和41.67%，眾麥1號的NPQ顯著低于周麥18，說明低溫脅迫下眾麥1號用于熱耗散的能量低于周麥18。

圖2 低溫脅迫對2個小麥品種葉綠素熒光參數的影響

2.3 低溫脅迫對2個小麥品種葉綠素含量的影響

如圖3所示，低溫脅迫阻礙了小麥葉綠素合成，低溫脅迫后周麥18和眾麥1號的葉綠素含量顯著降低，低溫脅迫24 h后，周麥18和眾麥1號的葉綠素含量較對照處理分別降低11.55%和5.92%，48 h后分別降低26.75%和19.28%，眾麥1號的葉綠素含量顯著高于周麥18，說明低溫脅迫下眾麥1號的葉綠素合成受阻較輕。

圖3 低溫脅迫對2個小麥品種葉綠素含量的影響

2.4 低溫脅迫對2個小麥品種滲透調節(jié)物質的影響

如圖4所示，低溫脅迫后周麥18和眾麥1號的脯氨酸和可溶性蛋白含量均顯著上升，低溫脅迫24 h后，周麥18和眾麥1號的脯氨酸含量較對照處理分別升高14.42%和19.56%，可溶性蛋白含量分別升高20.12%和26.82%；48 h后脯氨酸含量較對照處理分別升高30.41%和38.5%，可溶性蛋白含量分別升高44.72%和57.30%。眾麥1號的脯氨酸和可溶性蛋白含量顯著高于周麥18，說明低溫脅迫下眾麥1號可合成更多的滲透調節(jié)物質，以緩解低溫傷害。

圖4 低溫脅迫對2個小麥品種脯氨酸和可溶性蛋白含量的影響

2.5 低溫脅迫對2個小麥品種抗氧化酶活性的影響

如圖5所示，低溫脅迫后SOD、POD和CAT活性均出現先升后降的趨勢，低溫脅迫24 h后，周麥18和眾麥1號的SOD活性較對照分別升高5.49%和11.41%，POD活性分別升高29.93%和45.94%，CAT活性分別升高23.45%和31.98%；低溫脅迫48 h后，兩品種的SOD活性較對照處理分別降低10.87%和3.70%，POD活性分別降低20.20%和9.98%，CAT活性分別降低21.86%和12.60%。說明低溫脅迫下眾麥1號具有更高的抗氧化酶活性，可有效清除低溫脅迫下小麥體內積累的活性氧類物質。

圖5 低溫脅迫對2個小麥品種抗氧化酶活性的影響

2.6 低溫脅迫對2個小麥品種單株產量性狀的影響

由表1可見，低溫脅迫使周麥18和眾麥1號的單株產量均顯著降低，低溫脅迫24 h后周麥18和眾麥1號的單株產量較對照分別下降31.00%和19.09%，48 h后分別下降56.85%和46.59%。

分析其產量構成因素發(fā)現，低溫脅迫主要降低了單株穗數和單穗粒數，低溫脅迫24 h后周麥18和眾麥1號的單株穗數較對照處理分別下降19.23%和8.75%，單穗粒數分別下降13.65%和10.50%；低溫脅迫48 h后周麥18和眾麥1號的單株穗數較對照處理分別下降34.62%和22.50%，單穗粒數分別下降33.40%和31.49%(表1)。結果表明，低溫主要影響小麥穗數和穗粒數，對千粒質量的影響不顯著。

表1 低溫脅迫對2個小麥品種產量性狀的影響

注：同一指標數值后不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

3 結論與討論

植物的光合作用對環(huán)境脅迫極為敏感，受到低溫、高溫和干旱等非生物逆境脅迫后其光合速率顯著降低[14-17]，低溫脅迫下不同品種光合速率的高低，可反映其耐低溫特性的優(yōu)劣。本研究發(fā)現，眾麥1號在低溫脅迫處理后，凈光合速率的下降幅度顯著小于周麥18，說明逆境下眾麥1號的光合機構活性降低較少，仍能維持較高的光合碳同化水平，耐低溫特性顯著優(yōu)于周麥18。同時還發(fā)現，低溫脅迫后凈光合速率和氣孔導度均顯著下降，前人研究也表明，低溫脅迫可引起植物光合速率與氣孔導度同時下降[18-19]，與本研究結果一致。

有研究表明，低溫脅迫會引起植物PSⅡ光抑制[15]，本研究發(fā)現，低溫脅迫下眾麥1號和周麥18的Fv/Fm和qP顯著降低，說明低溫脅迫大大抑制了PSⅡ活性，出現這一現象的原因是：低溫下光合電子傳遞鏈和碳同化相關酶活性降低，導致PSⅡ復合體同化的光能相對增加，形成大量活性氧類物質，對D1蛋白造成損傷，使PSⅡ活性受到強烈抑制。從結果可以看出，低溫脅迫下眾麥1號的光抑制程度較輕，仍能保持較高水平的光化學效率。

低溫脅迫下小麥葉片內部發(fā)生的生理生化變化是其表型變化的根本原因，葉綠素含量的變化影響植物吸收太陽光能的能力，逆境下眾麥1號的葉綠素含量下降幅度顯著低于周麥18，原因是逆境下眾麥1號仍可保持較高水平的光化學效率，產生的過剩電子較少，對葉綠素分子的破壞程度較輕。植物體內可溶性蛋白和脯氨酸的積累有助于小麥在低溫脅迫下保持細胞膜的穩(wěn)定，也有利于葉綠素的合成[20]。本研究中發(fā)現，低溫脅迫后眾麥1號的可溶性蛋白和脯氨酸含量下降幅度顯著低于周麥18，這對其維持細胞膜穩(wěn)定性和葉綠素合成均具有重要作用。同時還發(fā)現，低溫脅迫后，眾麥1號的SOD、POD和CAT活性下降幅度顯著低于周麥18，較高的抗氧化酶系統(tǒng)活性可有效清除由于過剩電子累積產生的活性氧類物質，維持細胞膜穩(wěn)定性，有效降低光合機構元件的受損程度，最終使眾麥1號在逆境下保持較高的光合效率，合成更多的干物質，最終獲得更高的產量。產量測定結果表明，低溫主要影響小麥的單株穗數和單穗粒數，對千粒質量影響較小，低溫脅迫后眾麥1號的單株穗數和單穗粒數下降幅度顯著低于周麥18，這是其最終獲得較高單株產量的原因。因此，對于易發(fā)生倒春寒危害的小麥生產地區(qū)而言，生產上應首選耐低溫小麥品種種植，此外，在品種遭遇到不同程度的春季凍害后，應通過補澆水、補施肥的措施，促進新生分蘗形成，減少小穗小花退化，最大程度地降低凍害對產量造成的影響。

綜上所述，小麥品種的耐低溫特性存在基因型間差異，眾麥1號的耐低溫特性顯著優(yōu)于周麥18。低溫脅迫下眾麥1號可積累更多的脯氨酸和可溶性蛋白，同時具有較高水平的抗氧化酶活性，可減輕逆境下小麥受傷害程度，維持較高的光合效率并獲得較高的產量，這是其具有較好耐低溫特性的原因。

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Effects of Low Temperature Stress on Physiological Characters and Yield of Two Wheat Varieties at Jointing Stage

ZHANG Lei1,LI Guoling2,ZHANG Jianzhou2,ZHANG Deqi2

(1.Department of Scientific Research Management,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China;2.Wheat Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,China)

In order to explore the effects of low temperature stress on physiological characters and yield of different wheat varieties at jointing stage,we took two wheat varieties named Zhoumai 18 and Zhongmai 1 as materials,and treated them in an artificial phytotron under low temperature(0 ℃) stress.The gas exchange parameters,chlorophyll fluorescence parameters,biochemical indexes and yield characters were determined after 24 h and 48 h.The results showed that two wheat varieties had different tolerance to low temperature,and the tolerance of Zhongmai 1 was better than Zhoumai 18.After low temperature stress,the inhibition degree of gas exchange characters,maximum photochemical efficiency(Fv/Fm) and photochemical quenching(qP),chlorophyll content in Zhongmai 1 was lower than that in Zhoumai 18;the increased degree of non-photochemical quenching(NPQ),the content of proline and soluble protein in Zhongmai 1 was higher than that in Zhoumai 18.The net photosynthetic rate of Zhongmai 1 and Zhoumai 18 decreased by 36.47% and 30.91% after low temperature stress for 24 h,and decreased by 57.00% and 49.18% after 48 h.The tendency of superoxide dismutase,peroxidase and catalase activities rose first and fell later,the increase degree of Zhongmai 1 was higher than that of Zhoumai 18,while it showed the opposite tendency for the inhibition degree.The yield per plant decreased significantly,Zhoumai 18 and Zhongmai 1 decreased by 31.00% and 19.09% after low temperature stress for 24 h,and decreased by 56.85% and 46.59% after 48 h.The effective heads per plant and grains per head were seriously reduced by low temperature.Collectively,Zhongmai 1 can accumulate more proline and soluble protein,and maintain higher antioxidant enzyme activities than Zhoumai 18 under low temperature stress,which can relieve the damage to the leaves,keep in higher level of photosynthetic efficiency and get higher yield.This is the reason for its good tolerance to low temperature.

wheat； jointing stage； low temperature stress； physiological characters; yield

S512.1

A

1004-3268(2017)11-0013-06

2017-07-26

國家自然科學基金面上項目(31371707)

張 磊(1979-)，男，安徽蒙城人，副研究員，博士，主要從事小麥遺傳育種研究。E-mail：zhagnlei7971@163.com