春季低溫脅迫對(duì)不同小麥品種結(jié)實(shí)率及葉片生理特性的影響

謝鳳仙 王智煜 張自陽(yáng)

摘要 [目的]研究低溫脅迫對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響。[方法]以百農(nóng)207、AK58、鄭麥366葉片為材料，在小麥四分體時(shí)期對(duì)其進(jìn)行低溫（0 ℃，3 d）處理，測(cè)定四分體時(shí)期小麥葉片中超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、可溶性蛋白含量、丙二醛（MDA）含量等生理指標(biāo)，并調(diào)查小麥結(jié)實(shí)率。[結(jié)果] 3個(gè)小麥品種遭到低溫脅迫后的抗氧化酶活性增加，對(duì)小麥起到保護(hù)作用，其中百農(nóng)207和AK58抗氧化酶活性相比于對(duì)照增長(zhǎng)較大，而鄭麥366抗氧化酶活性相比于對(duì)照增長(zhǎng)幅度較??；同時(shí)鄭麥366受到低溫脅迫MDA含量明顯高于百農(nóng)207和AK58，即鄭麥366葉片發(fā)生脂質(zhì)過氧化作用，細(xì)胞膜破壞最嚴(yán)重。[結(jié)論]百農(nóng)207、AK58四分體時(shí)期抗倒春寒能力比較強(qiáng)，而鄭麥366抗倒春寒性較差。

關(guān)鍵詞 小麥；四分體時(shí)期；低溫脅迫；結(jié)實(shí)率；生理特性

中圖分類號(hào) S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）32-0033-03

Effects of Low Temperature Stress on the Seed Yield and Physiological Characteristics of Different Wheat Varieties in Spring

XIE Fengxian1，WANG Zhiyu2，ZHANG Ziyang2 （1.Wuzhi Station for Popularizaing Agricultural Technique，Wuzhi，Jiaozuo 454950；2.Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang，Henan 453003）

Abstract [Objective]To study the effect of low temperature stress on the growth and development of wheat.[Method] The leaves of Bainong 207，AK 58 and Zhengmai 366 were treated at low temperature （0） at tetrad stage to determine the activity of superoxide dismutase （SOD） in wheat leaves at tetrad stage.The activity of peroxidase（POD），the content of malondialdehyde （MDA） and other physiological indexes were investigated，and the seed setting rate of wheat was investigated.[Result]The antioxidant enzyme activities of the three wheat varieties increased after being subjected to low temperature stress，which played a protective role in wheat.The antioxidant enzyme activities of Bainong 207 and AK 58 were higher than those of the control.The antioxidant enzyme activity of Zhengmai 366 was smaller than that of control.At the same time，the MDA content of Zhengmai 366 was significantly higher than that of Bainong 207 and AK 58 under low temperature stress，indicating that the leaves of Zhengmai 366 had lipid peroxidation and cell membrane damage was the most serious.[Conclusion]Bainong 207 and AK 58 had a strong ability to resist the cold in the spring.However，Zhengmai 366 had poor resistance to inverted spring cold.

Key words Wheat；The tetrad period；Low temperature stress；Seed setting rate；Physiological characteristics

基金項(xiàng)目 河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（162300410142）。

作者簡(jiǎn)介 謝鳳仙（1966—），女，河南武陟人，高級(jí)農(nóng)藝師，從事小麥高產(chǎn)栽培技術(shù)研究。*通訊作者，副教授，從事小麥遺傳育種研究工作。

收稿日期 2018-09-27

近年來(lái)，黃淮麥區(qū)爆發(fā)大面積的早春（倒春寒）凍害。2004年，受害的冬小麥面積為333萬(wàn)hm2 [1]。僅河南省發(fā)生倒春寒的面積超過133.3萬(wàn)hm2，其中幾乎26.7萬(wàn)hm2出現(xiàn)絕收。2009、2013和2018年，黃淮麥區(qū)和長(zhǎng)江中下游麥區(qū)再次經(jīng)歷了大面積的倒春寒。倒春寒的頻繁發(fā)生嚴(yán)重影響了小麥的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，其特點(diǎn)具有隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，使得人為的農(nóng)藝預(yù)防和補(bǔ)救方法難以跟上，容易造成小麥產(chǎn)量不可逆轉(zhuǎn)的損失。

低溫脅迫下植物產(chǎn)生大量過氧化氫和O2-、OH-等活性氧自由基，活性氧會(huì)導(dǎo)致膜脂質(zhì)過氧化和膜系統(tǒng)氧化損傷[2]。植物體內(nèi)有一系列的酶和非酶抗氧化劑清除活性氧自由基，保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧損傷，維持細(xì)胞膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增加植物的耐寒性[3]。前人研究表明，清除活性氧過程中最重要的抗氧化酶有SOD、POD、CAT等。這些抗氧化酶能夠使植物在一定程度上具有耐受、減緩或抵抗低溫脅迫的能力[4]。植物在溫度降低的過程中，臨界低溫會(huì)導(dǎo)致膜脂的相變，以及

細(xì)胞膜的通透性和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變，導(dǎo)致細(xì)胞代謝紊亂和細(xì)胞功能的喪失，從而對(duì)植物體造成損害。低溫脅迫下小麥能夠產(chǎn)生一系列的生理生化變化，如超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化氫酶（CAT）活性、過氧化物酶（POD）活性和MDA含量的變化，這些均可作為植物抗寒性鑒定的指標(biāo)[5-8]。

筆者以半冬性小麥品種百農(nóng)207、AK58、鄭麥366為試驗(yàn)材料，研究低溫脅迫對(duì)小麥結(jié)實(shí)率、抗氧化酶活性的影響，找出小麥對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)機(jī)制，為小麥抗倒春寒種質(zhì)資源篩選及品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料為百農(nóng)207，AK58，鄭麥366，均由河南省小麥雜交工程中心提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016—2017年在河南省新鄉(xiāng)市河南科技學(xué)院作物育種實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，材料的種植采用盆栽方法，盆栽土取大田耕層0～25 cm深處土壤，土壤平均堿解氮含量62.1 mg/kg ，速效磷11.1 mg/kg ，速效鉀130.5 mg/kg，有機(jī)質(zhì)1.15 mg/kg。盆直徑22 cm，高25 cm，每盆裝土8 kg，盆底部鉆5個(gè)小孔，保證盆內(nèi)土壤與與大田土壤的溫度一致、水分和空氣流通。將盆埋入大田后，盆內(nèi)泥土與盆外大田齊平。泥土用水澆透沉實(shí)后于10月10日播種，3葉期定苗，每盆留苗8株。3個(gè)品種分別設(shè)對(duì)照和處理2組，每組6桶。

待小麥幼穗發(fā)育到四分體時(shí)期時(shí)，放入人工氣候箱0 ℃低溫處理3 d，對(duì)照為正常環(huán)境中生長(zhǎng)，取小麥葉片放入-80 ℃低溫冰箱備用。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法 過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定； 過氧化氫酶（CAT）采用過氧化氫法測(cè)定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定。將處理后盆栽的小麥埋于田間自然生長(zhǎng)至成熟時(shí)調(diào)查結(jié)實(shí)率，每處理調(diào)查10株，求平均結(jié)實(shí)率。結(jié)實(shí)率（%）=單穗小花結(jié)實(shí)總數(shù)/單穗小穗基部小花總數(shù)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2017及DPS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)不同小麥品種結(jié)實(shí)率的影響

從表1可以看出，在正常生長(zhǎng)情況下，AK58的結(jié)實(shí)率較高，達(dá)到99.5%，其次是百農(nóng)207、鄭麥366；在低溫處理?xiàng)l件下，AK58、百農(nóng)207的結(jié)實(shí)率依然較高，但是受低溫的影響，鄭麥366結(jié)實(shí)率顯著下降，僅為10.5%。

2.2 四分體期低溫脅迫對(duì)3個(gè)小麥品種葉片可溶性蛋白含量的影響

從圖1可以看出，低溫下3個(gè)小麥品種百農(nóng)207、鄭麥366、AK58的可溶性蛋白質(zhì)含量均比對(duì)照高，差異顯著。與對(duì)照相比，低溫脅迫下AK58、百農(nóng)207處理可溶性蛋白質(zhì)含量明顯增加，而鄭麥366處理增加不大。

2.3 四分體期低溫脅迫對(duì)3個(gè)小麥品種葉片SOD活性的影響

由圖2可知，在正常生長(zhǎng)條件下，3個(gè)小麥品種百農(nóng)207、鄭麥366、AK58的SOD活性分別為37.81、37.84和45.93 U/mg；低溫脅迫后，百農(nóng)207、鄭麥366、AK58共3個(gè)品種SOD活性均顯著高于其對(duì)照，并且達(dá)到顯著水平。其中百農(nóng)207和AK58受到低溫脅迫后SOD活性較高，而鄭麥366受低溫脅迫后SOD活性比前2個(gè)品種低。SOD活性大小順序依次為AK58處理、百農(nóng)207處理、鄭麥366處理、AK58對(duì)照、百農(nóng)207對(duì)照、鄭麥366對(duì)照。

2.4 四分體期低溫脅迫對(duì)3個(gè)小麥品種葉片POD活性的影響

由圖3中可知，低溫脅迫下，3個(gè)小麥品種百農(nóng)207、鄭麥366、AK58的POD活性均比對(duì)照明顯增加，差異顯著。其中，百農(nóng)207、AK58的POD活性上升幅度大于鄭麥366，表明百農(nóng)207、AK58受到低溫脅迫后POD活性較高，而鄭麥366受到低溫脅迫后POD活性低于前2個(gè)品種，POD有利于清除過氧化物、降低活性氧對(duì)細(xì)胞的損傷。

2.5 四分體期低溫脅迫對(duì)3個(gè)小麥品種葉片MDA含量的影響

由圖4可知，在正常條件下，3個(gè)小麥品種鄭麥366的MDA含量較高，而百農(nóng)207和AK58的MDA含量較低；低溫處理后，3個(gè)品種的MDA含量均比對(duì)照明顯下降，差異顯著。然而鄭麥366的MDA含量仍然高于百農(nóng)207和AK58。

2.6 四分體期低溫脅迫對(duì)3個(gè)小麥品種葉片CAT含量影響

由圖5可知，與對(duì)照相比，

3個(gè)小麥品百農(nóng)207、鄭麥366、AK58的CAT活性顯著升高，達(dá)到顯著水平。其中，AK58和百農(nóng)207增加幅度較大，顯著高于鄭麥366低溫處理下的CAT活性。

3 結(jié)論與討論

有研究表明春季低溫（倒春寒）嚴(yán)重影響小麥的結(jié)實(shí)性，使小麥的結(jié)實(shí)率下降，最終影響小麥的產(chǎn)量。該研究發(fā)現(xiàn)，在低溫脅迫下百農(nóng)207、AK58、鄭麥366結(jié)實(shí)率分別下降11.7%，11.2%，86.8%。其中，百農(nóng)207、AK58的結(jié)實(shí)率降低不明顯，而鄭麥366下降比較明顯，表明百農(nóng)207、AK58抗倒春寒能力強(qiáng)，而鄭麥366的抗倒春寒能力較弱。

許多研究者認(rèn)為，低溫脅迫對(duì)植物的影響主要集中在蛋白質(zhì)、酶活性、膜系統(tǒng)、細(xì)胞失水等，最終導(dǎo)致機(jī)體代謝紊亂，甚至細(xì)胞死亡[9]。春季低溫逆境下（倒春寒），植物組織細(xì)胞內(nèi)部生理生化發(fā)生改變。植物細(xì)胞內(nèi)的可溶性蛋白具有較強(qiáng)的吸水性，它能夠降低細(xì)胞內(nèi)部束縛水的冰點(diǎn)，減少細(xì)胞內(nèi)部結(jié)冰從而導(dǎo)致植物細(xì)胞被傷害的機(jī)會(huì)[10]。植物細(xì)胞膜的空間構(gòu)像和物理狀態(tài)改變很大程度上受到低溫脅迫的影響。膜相的改變可以很好地抑制細(xì)胞膜正常功能的運(yùn)行，使蛋白質(zhì)從膜上解離，并切發(fā)生膜融合，從而造成植物細(xì)胞組織的破壞。植株在低溫脅迫條件下常誘導(dǎo)產(chǎn)生較多的蛋白質(zhì)來(lái)提高細(xì)胞膜的完整性與穩(wěn)定性，從而提高抗寒性[11-12]。但是，不同的小麥品種在抵御低溫脅迫的過程中產(chǎn)生出的可溶性蛋白質(zhì)含量不同，從而表現(xiàn)出不同的抗寒能力。該研究表明，低溫脅迫下AK58和百農(nóng)207的可溶性蛋白質(zhì)含量明顯增加，而鄭麥366可溶性蛋白質(zhì)含量與對(duì)照相比增加較少。這說明低溫脅迫下AK58和百農(nóng)207能夠產(chǎn)生較多的可溶性蛋白質(zhì)來(lái)抵御低溫脅迫的傷害，不耐低溫的鄭麥366由于產(chǎn)生可溶性蛋白質(zhì)較少而容易受到傷害，從而造成結(jié)實(shí)率顯著下降。

低溫逆境會(huì)引起植物體內(nèi)發(fā)生一系列的生理生態(tài)變化，由逆境導(dǎo)致的活性氧的積累及其引起的氧化脅迫被認(rèn)為是植物受低溫脅迫的重要原因[13-15]?？寡趸赶到y(tǒng)能清除活性氧，抵御活性氧帶來(lái)的損害，進(jìn)而提高植物細(xì)胞抗氧化保護(hù)的能力；SOD對(duì)O2-的歧化作用被認(rèn)為是抵御低溫脅迫的主要因素之一，CAT、POD能清除氧代謝過程中產(chǎn)生的H2O2以及細(xì)胞體內(nèi)產(chǎn)生的有害物質(zhì)[16-17]?；钚匝醮x的平衡一旦被打破，ROS的高度氧化活性對(duì)細(xì)胞膜有強(qiáng)烈的破壞性影響，導(dǎo)致不飽和脂肪酸的過氧化作用形成MDA，MDA會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)和失活的酶蛋白膜，進(jìn)一步損傷細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能，MDA的積累能間接地反映植物體內(nèi)受氧化脅迫傷害的狀況[18-19]。該試驗(yàn)中百農(nóng)207、AK58、鄭麥366的SOD、CAT和POD活性均上升，其中百農(nóng)207、AK58上升比較明顯；3個(gè)品種MDA含量均下降，但受到低溫脅迫后百農(nóng)207、AK58的MDA含量相對(duì)比較低，其膜質(zhì)過氧化程度小，這可能是因?yàn)榧?xì)胞中SOD和POD活性上升，清除自由基能力提高，從而減少膜脂發(fā)生過氧化。

綜上所述，不同的小麥品種抗春季低溫脅迫的能力不同，小麥葉片四分體時(shí)期AK58和百農(nóng)207抗春季低溫脅迫能力要顯著高于鄭麥366。低溫脅迫下，AK58和百農(nóng)207積累了較高的可溶性蛋白質(zhì)來(lái)抵御低溫脅迫的傷害，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗氧化酶活性來(lái)抵御活性氧代謝帶來(lái)的損傷，這可能是AK58和百農(nóng)207具有耐春季低溫脅迫的原因。

參考文獻(xiàn)

[1]

高媛，齊曉花，楊景華，等.高等植物對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)研究[J].北方園藝，2007（10）：58-61.

[2] 李美如，劉鴻先，王以柔.細(xì)胞氧化應(yīng)激機(jī)制與植物抗冷性機(jī)理的研究[J].生命科學(xué)，1996（4）： 30-34.

[3] WISE R R，NAYLOR A W.Chillingenhanced photooxidation：Evidence for the role of singlet oxygen and superoxide in the break down of pigments and endogenous antioxidants[J].Plant physiology，1987，83（2）：278-282.

[4] KORNYEYEV D，LOGAN B A，PAYTON P，et al.Enhanced photochemical light utilization and decreased chilling-induced photoinhibition of photosystem II in cotton overexpressing genes encoding chloroplast-targeted antioxidant enzymes[J].Physiologia plantarum，2001，113（3）：323-331.