葉片遮陰處理對(duì)逆序小麥灌漿特性的影響

邢建軍，湯毛月，杜光源, 唐 燕，王長(zhǎng)發(fā)，汪自慶

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 理學(xué)院，陜西楊凌，712100； 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌，712100； 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌，712100)

小麥(TriticumaestivumL.)是世界三大糧食作物之一，傳統(tǒng)的表型觀察和生理育種仍然是小麥育種的重要手段[1]。逆序衰老小麥?zhǔn)墙陙?lái)生理育種和表型觀察相結(jié)合而發(fā)現(xiàn)的一類具有高產(chǎn)潛力的小麥品種[2]。逆序衰老小麥不僅具有較低冠溫、較高的光合蒸騰活性，而且其葉片衰老模式較為特別，并非傳統(tǒng)衰老理論所認(rèn)為的各葉位葉片中旗葉最后衰老，而是旗葉較之倒二葉先出現(xiàn)泛黃和衰老[3-4]。近年來(lái)，關(guān)于逆序小麥的研究從關(guān)注逆向衰老的生理表現(xiàn)向源庫(kù)關(guān)系及同化物轉(zhuǎn)運(yùn)特性深入，還研究減源(如遮光)、縮庫(kù)(如剪穗)、干旱等處理對(duì)逆向衰老的影響[5-11]，相關(guān)研究為探究逆序小麥源庫(kù)互作、生理代謝及與環(huán)境的相互關(guān)系奠定了理論基礎(chǔ)。這方面王長(zhǎng)發(fā)和苗芳課題組開展了較為細(xì)致和深入的研究工作。小麥的籽粒灌漿是源到庫(kù)的碳同化物運(yùn)輸過(guò)程，逆序衰老小麥的灌漿特性可能與頂二葉源活性的協(xié)同調(diào)節(jié)、莖暫時(shí)貯存庫(kù)的活化和載出以及籽粒庫(kù)的庫(kù)容密切相關(guān)。小麥籽粒灌漿期是小麥發(fā)育的重要階段，也是對(duì)環(huán)境較為敏感且對(duì)產(chǎn)量形成起至關(guān)重要的階段，該階段如光照不足，籽粒質(zhì)量明顯降低[12]。本試驗(yàn)以典型的逆序衰老小麥為試驗(yàn)材料，區(qū)別以往的搭棚遮陰，在灌漿期對(duì)頂二葉進(jìn)行局部遮光處理，調(diào)節(jié)頂二葉的源庫(kù)平衡，探討不同葉源在籽粒灌漿各個(gè)階段的貢獻(xiàn)，由此揭示逆序衰老小麥頂二葉的源庫(kù)特征以及它們?cè)谧蚜９酀{過(guò)程中的功能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

選取‘小偃22’和‘蘭考矮早8號(hào)’為試驗(yàn)材料，其中‘小偃22’為黃淮海地區(qū)主栽品種，其灌漿期冠層溫度較低，生態(tài)適應(yīng)性較強(qiáng)，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；‘蘭考矮早8號(hào)’為較典型的逆序衰老小麥品種，其在灌漿后期的非順序衰老莖比率超過(guò)50%。田間試驗(yàn)于2014-10-06至2015-06-07在西北農(nóng)林科技大學(xué)國(guó)家節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行(108°04′E，34°20′N)，位于中國(guó)小麥主產(chǎn)區(qū)黃淮平原冬麥區(qū)。試驗(yàn)地前茬為空地。試驗(yàn)品種在田間隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)30行，行長(zhǎng) 1 m，行距 0.25 m，株距 0.033 m。2014-10-06進(jìn)行點(diǎn)播，一次性施足底肥，冬灌一次。田間管理根據(jù)黃淮平原冬麥區(qū)品種耕作要求進(jìn)行。

開花期將同一天開花的蘗莖掛牌標(biāo)記，作為基礎(chǔ)采樣材料。為探討籽粒灌漿各個(gè)階段頂二葉對(duì)籽粒灌漿的貢獻(xiàn)，對(duì)旗葉和倒二葉分別進(jìn)行遮光“縮庫(kù)”處理，特定葉位葉片對(duì)籽粒灌漿的貢獻(xiàn)，可由該葉位葉片遮光處理后的穗粒質(zhì)量相對(duì)于對(duì)照的減小量來(lái)表征。具體試驗(yàn)方案如下：從基礎(chǔ)采樣材料中隨機(jī)選擇樣本，對(duì)旗葉或倒二葉進(jìn)行套袋遮光處理，遮光袋與葉片等長(zhǎng)，由黑色遮光布和防水硫酸紙兩層構(gòu)成，其中內(nèi)層為硫酸紙，外層為黑色遮光布。從花后5 d開始，每5 d對(duì)樣本葉片套袋一次，每次處理選擇20株蘗莖進(jìn)行套袋，其中旗葉套袋和倒二葉套袋均為10株。蘗莖的套袋時(shí)長(zhǎng)分為 5 d 和 10 d 兩種處理水平，即每種葉位葉片每種處理水平為 5 個(gè)重復(fù)。采樣時(shí)間為花后10 d、15 d、20 d、25 d、30 d以及35 d，基本采樣樣本群未被套袋的植株作為對(duì)照(CK)。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及灌漿速率模型

測(cè)定指標(biāo)包括葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、籽粒灌漿速率以及葉、葉鞘以及莖的干物質(zhì)量。采集的蘗莖按籽粒、旗葉、倒二葉、穗下莖以及倒二節(jié)間莖等部分，分別稱取鮮質(zhì)量。穗粒體積采用排水法測(cè)定。所有材料稱量完鮮質(zhì)量后，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，稱量干質(zhì)量。

葉綠素測(cè)定方法參照高俊鳳[13]的方法。

小麥籽粒灌漿過(guò)程的Logistic方程表達(dá)式為[14]：y=A/(1+Be-kt)

①

式中，y為千粒質(zhì)量，t為花后時(shí)間(days after anthesis)，A、B和k均為待定參數(shù)，其中A為千粒質(zhì)量的最大積累量，B和k與灌漿活躍期有關(guān)。

將①式對(duì)t求導(dǎo)即為灌漿速率函數(shù)，其表達(dá)式為:dy/dt=ABke-kt/(1+Be-kt)2

②

由②式可知，最大灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間為tmax=ln(B)/k，最大灌漿速率為(dy/dt)max=Ak/4；灌漿活躍期被定義為6/k，即為粒質(zhì)量增長(zhǎng)至90%所需時(shí)間。

特定時(shí)期小麥莖段的干物質(zhì)量轉(zhuǎn)運(yùn)量可定義為：Δmstem=m(t1)-m(t2)

③

其中m(t1) 和m(t2) 分別為該時(shí)期莖段的初始質(zhì)量和最終質(zhì)量[15]。Δmstem為正值說(shuō)明莖段中臨時(shí)貯存的碳同化物發(fā)生了外運(yùn)，為負(fù)值則表明莖段仍處于碳同化物的載入和積累階段。

特定葉位葉片對(duì)籽粒灌漿的貢獻(xiàn)由該葉片遮光處理導(dǎo)致的穗粒質(zhì)量減小量來(lái)表征，其中穗粒質(zhì)量減小量為:Δmgrain=mCK-mtreated

④

其中mCK和mtreated分別為對(duì)照蘗莖和遮光處理蘗莖的穗粒干質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS17進(jìn)行顯著性差異分析，用Sigmaplot進(jìn)行作圖分析；采用Matlab2010a對(duì)灌漿速率模型進(jìn)行Logistic曲線擬合，擬合算法采用Trust-Region算法。對(duì)小麥葉片遮光處理后的穗粒質(zhì)量與對(duì)照之間的差異作2個(gè)獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)，置信水平設(shè)置為90%。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥灌漿過(guò)程及擬合模型

分別對(duì)2個(gè)小麥品種灌漿過(guò)程進(jìn)行Logistic擬合和Richards擬合，發(fā)現(xiàn)2種擬合的優(yōu)度極為接近，因此選擇了更為常用的Logistic模型進(jìn)行分析。根據(jù)Logistic擬合結(jié)果(圖1)，逆序衰老小麥品種‘蘭考矮早8號(hào)’的千粒質(zhì)量最大積累量比對(duì)照品種‘小偃22’高出26.3%，其最大灌漿速率出現(xiàn)的時(shí)間與‘小偃22’相近，灌漿活躍期則較‘小偃22’稍長(zhǎng)。從灌漿速率曲線來(lái)看，‘蘭考矮早8號(hào)’的灌漿速率在整個(gè)灌漿結(jié)實(shí)期內(nèi)均高于‘小偃22’，最大灌漿速率出現(xiàn)時(shí)的優(yōu)勢(shì)最為明顯。從圖1-a的實(shí)測(cè)點(diǎn)來(lái)看，‘小偃22’在 35 d時(shí)千粒質(zhì)量降低，表明基本進(jìn)入完熟期，而‘蘭考矮早8號(hào)’在 35 d時(shí)千粒質(zhì)量才達(dá)到最大值，表明仍處于蠟熟期，因此，實(shí)際上‘蘭考矮早8號(hào)’具有更長(zhǎng)的灌漿期。

2.2 小麥花后頂二葉干物質(zhì)量的變化

如圖2所示，‘蘭考矮早8號(hào)’的頂二葉干物質(zhì)量顯著(P<0.05)高于‘小偃22’。同一蘗莖上所著不同葉位葉片相比較，‘小偃22’和‘蘭考矮早8號(hào)’均有旗葉的干物質(zhì)量明顯高于倒二葉，而‘蘭考矮早8號(hào)’的旗葉干物質(zhì)量相對(duì)于倒二葉的優(yōu)勢(shì)尤為明顯。在灌漿前中期‘小偃22’的旗葉干物質(zhì)量有2個(gè)峰值，分別出現(xiàn)在 15 d和 25 d，倒二葉干物質(zhì)量經(jīng)歷灌漿初期的略降后保持穩(wěn)定；25 d以后‘小偃22’的旗葉和倒二葉干物質(zhì)量均逐漸降低，其中旗葉干物質(zhì)量的下降幅度相對(duì)較??；‘蘭考矮早8號(hào)’頂二葉的干物質(zhì)量積累和載出并不同步，其中旗葉干物質(zhì)量在灌漿初期略有增加，10 d達(dá)到最大值，以25 d為臨界點(diǎn)之后出現(xiàn)明顯的下降變化；與之相應(yīng)，‘小偃22’‘蘭考矮早8號(hào)’的倒二葉干物質(zhì)量在 25 d才到達(dá)最大值，與旗葉相比滯后了 10 d；20 d后‘蘭考矮早8號(hào)’倒二葉干物質(zhì)量的降低比較平緩。葉片干物質(zhì)量的明顯下降表明葉片的營(yíng)養(yǎng)缺失過(guò)快，營(yíng)養(yǎng)集中向籽粒分配，導(dǎo)致源庫(kù)失調(diào)，同時(shí)也預(yù)示了光合功能的明顯減弱。

誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差 Vertical bars represent standard deviation

a.小偃22 Xiaoyan 22；b.蘭考矮早8號(hào) Lankaoaizao 8;誤差線為標(biāo)準(zhǔn)偏差 Vertical bars represent standard deviation;圖3、4同 The same as fig.3 and fig.4

圖2小麥頂二葉干物質(zhì)量的變化
Fig.2Drymattermassoftoptwoleaves

2.3 小麥花后頂二葉葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

如圖3所示，‘小偃22’的旗葉和倒二葉的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨灌漿過(guò)程的變化趨勢(shì)相似，它們?cè)诠酀{初期保持穩(wěn)定，15 d后逐漸增大，20 d達(dá)到最大值，之后葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨葉片的衰老而迅速降低；總體來(lái)看，‘小偃22’在灌漿初期至灌漿中期(20 d之前)旗葉的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)略高于倒二葉，之后二者保持相近。‘蘭考矮早8號(hào)’在灌漿初期旗葉的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持較高水平，且明顯高于倒二葉的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)；20 d后旗葉和倒二葉的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均迅速降低，但二者的相對(duì)大小發(fā)生逆轉(zhuǎn)，即倒二葉的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于旗葉。說(shuō)明‘蘭考矮早8號(hào)’旗葉的衰老早于倒二葉，表現(xiàn)出明顯的逆序衰老變化。值得注意的是，雖然在灌漿初期‘蘭考矮早8號(hào)’2種葉位葉片的葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與‘小偃22’相當(dāng)，但是由于‘蘭考矮早8號(hào)’的旗葉和倒二葉的鮮質(zhì)量比‘小偃22’相應(yīng)葉位葉片分別高出40%和20%，‘蘭考矮早8號(hào)’頂二葉的葉綠素總量明顯高于‘小偃22’。

2.4 小麥花后莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量的變化

如圖4所示?！≠?2’和‘蘭考矮早8號(hào)’的倒二節(jié)間莖的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)量幾乎都大于穗下莖。從轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間來(lái)看，‘小偃22’在 5～10 d即出現(xiàn)明顯的莖暫時(shí)貯存庫(kù)的碳同化物輸出，‘蘭考矮早8號(hào)’的莖暫時(shí)貯存庫(kù)的碳同化物輸出出現(xiàn)在 25～30 d，明顯晚于‘小偃22’。

圖3 小麥頂二葉葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Chlorophyll mass fraction of top two leaves

圖4 小麥莖干物質(zhì)轉(zhuǎn)移量的變化(誤差線為90%置信區(qū)間)Fig.4 Stem dry matter remobilization (Vertical bars represent 90% confidence interval)

2.5 遮光處理對(duì)小麥籽粒質(zhì)量的影響

如圖5所示，無(wú)論是遮光 5 d還是遮光 10 d，2個(gè)品種均有旗葉遮光的穗粒質(zhì)量減小量大于倒二葉遮光處理。相對(duì)于倒二葉遮光，‘小偃22’旗葉遮光對(duì)穗粒質(zhì)量減小量的影響尤其明顯。在灌漿初期，‘小偃22’旗葉遮光5 d和倒二葉遮光5 d對(duì)穗粒質(zhì)量的影響都不大，灌漿中后期影響較明顯，其中在15～20 d遮光對(duì)穗粒質(zhì)量的影響最為顯著；‘小偃22’頂二葉遮光10 d對(duì)穗粒質(zhì)量的影響明顯高于5 d的遮光處理，20～30 d遮光導(dǎo)致的穗粒質(zhì)量減小量達(dá)到最大；‘蘭考矮早8號(hào)’穗粒質(zhì)量受遮光處理的影響明顯高于相同處理水平的‘小偃22’，甚至在30～35 d遮光對(duì)穗粒質(zhì)量仍然有較大影響。比較‘蘭考矮早8號(hào)’的2種不同遮光處理水平，發(fā)現(xiàn) 20 d時(shí)旗葉和倒二葉遮光10 d對(duì)穗粒質(zhì)量的影響均大于同時(shí)期的遮光 5 d，而灌漿期其他時(shí)段遮光 10 d 的影響與灌漿 5 d相比未見明顯差異。尤其值得注意的是，灌漿后期對(duì)‘蘭考矮早8號(hào)’的頂二葉進(jìn)行遮光處理，仍然導(dǎo)致了穗粒質(zhì)量的減小，說(shuō)明其頂二葉在該時(shí)期仍然具有一定的灌漿能力。

2.6 遮光處理對(duì)莖干物質(zhì)量的影響

如圖6所示，遮光處理對(duì)‘小偃22’與‘蘭考矮早8號(hào)’的莖暫時(shí)貯存庫(kù)活化的影響剛好相反，旗葉和倒二葉遮光 5 d均推遲了‘小偃22’的莖暫時(shí)貯存庫(kù)的載出；而同樣的處理卻導(dǎo)致了‘蘭考矮早8號(hào)’莖暫時(shí)貯存庫(kù)的碳同化物輸出的提前。與‘小偃22’相比，‘蘭考矮早8號(hào)’的莖暫時(shí)貯存庫(kù)對(duì)葉源活性的漲落更為敏感，當(dāng)葉片光合作用被抑制后，莖暫時(shí)貯存庫(kù)立即被活化成為重要的碳同化物輸出源。本研究發(fā)現(xiàn)倒二節(jié)間莖對(duì)籽粒灌漿的貢獻(xiàn)大于穗下莖，這與王征宏等的研究結(jié)果一致[15]。

a.遮光 5 d 5 d shading；b.遮光 10 d 10 d shading;誤差線為90%置信區(qū)間 Vertical bars represent 90% confidence interval;圖6同 The same with fig.6

圖5遮光處理對(duì)小麥穗粒質(zhì)量的影響
Fig.5Effectofshadingofleafonkernelmass

圖6 遮光處理對(duì)小麥莖干物質(zhì)量轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Fig.6 Effect of shading of leaf on stem dry matter remobilization

2.7 遮光處理對(duì)穗粒體積的影響

如表1所示，2種小麥品種的生育期相近，最大穗粒體積均出現(xiàn)在 30 d?！m考矮早8號(hào)’的最大穗粒體積比‘小偃22’高出41.9%，表明逆序衰老小麥‘蘭考矮早8號(hào)’具有更大的潛在庫(kù)容。無(wú)論對(duì)‘小偃22’的旗葉還是倒二葉進(jìn)行遮光處理，其最大穗粒體積均顯著減?。粚?duì)比旗葉遮光和倒二葉遮光對(duì)各個(gè)時(shí)期穗粒體積的影響，發(fā)現(xiàn)‘蘭考矮早8號(hào)’的倒二葉遮光導(dǎo)致穗粒體積的減小程度大于旗葉遮光，這種影響一直持續(xù)到灌漿末期。

表1 頂二葉遮光 10 d 處理后穗粒體積的變化Table 1 The changes of grain volume per ear after 10 d of shading treatmentof top-two leaves cm3

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)逆序衰老和對(duì)照小麥頂二葉進(jìn)行套袋遮光處理，重點(diǎn)關(guān)注遮陰對(duì)逆序小麥同化物運(yùn)輸分配的影響。結(jié)果表明，遮陰對(duì)2個(gè)小麥品種的籽粒質(zhì)量、莖干物質(zhì)的量和穗粒體積均有明顯的影響，但相對(duì)而言在灌漿中后期對(duì)逆序衰老小麥的影響小些，說(shuō)明逆序衰老小麥的適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)些。馬亞琴[16]的遮陰處理是通過(guò)搭建透光率70%的遮陰棚模擬弱光環(huán)境，主要分析比較了逆序衰老小麥對(duì)遮陰適應(yīng)的生理機(jī)制，其研究表明，30%遮陰處理顯著降低了順序和逆序小麥的產(chǎn)量，減少了旗葉與倒二葉倒置的差異，逆序衰老小麥具有較強(qiáng)的抗陰性。由于逆序衰老小麥品種指那些逆序衰老比率在20%以上的小麥品種，并非所有蘗莖都出現(xiàn)逆序衰老[7]。由于無(wú)法在灌漿初期將逆序衰老小麥的逆序衰老蘗莖與正常衰老蘗莖作區(qū)分，本研究是田間管理?xiàng)l件下隨機(jī)取樣的研究結(jié)果，由此得出的規(guī)律性結(jié)論對(duì)于指導(dǎo)遺傳育種應(yīng)更具實(shí)際價(jià)值。

葉片衰老是植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成的發(fā)育和自我保護(hù)機(jī)制，是在葉位、內(nèi)生信號(hào)以及環(huán)境等多種因素作用下由基因控制的程序性死亡過(guò)程[17]。盡管植物衰老機(jī)制有糖信號(hào)學(xué)說(shuō)、自由基學(xué)說(shuō)以及營(yíng)養(yǎng)虧缺學(xué)說(shuō)等多種理論，但是它們并非非此即彼的關(guān)系，而是植物葉片衰老在不同層面上的體現(xiàn)[18-19]。

本研究發(fā)現(xiàn)，正常衰老小麥的頂二葉在功能下降前都有一個(gè)干物質(zhì)量增加的過(guò)程，說(shuō)明正常衰老小麥從葉源至籽粒庫(kù)的碳同化物運(yùn)輸受阻，葉片中碳同化物積累導(dǎo)致葉片衰老程序的啟動(dòng)，這與葉片衰老的糖信號(hào)學(xué)說(shuō)相一致[20]；而逆序衰老小麥品種未見明顯的干物質(zhì)量增加，其原因可能是逆序衰老小麥具有更為通暢的碳同化物運(yùn)輸流。對(duì)比逆序衰老小麥的旗葉和倒二葉的遮光處理對(duì)穗粒質(zhì)量、碳同化物轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，未發(fā)現(xiàn)倒二葉灌漿活性超過(guò)旗葉的情況，然而對(duì)穗粒體積的分析發(fā)現(xiàn)，逆序衰老小麥籽粒庫(kù)庫(kù)容對(duì)倒二葉的源活性有積極響應(yīng)，這可能是逆序衰老小麥維持其倒二葉的活力，從而具有獨(dú)特衰老模式的重要原因之一?？傊?，頂二葉具有較高的光合活性、籽粒庫(kù)具有較大庫(kù)容以及對(duì)莖暫時(shí)貯存庫(kù)活化的嚴(yán)謹(jǐn)調(diào)控，是逆序衰老小麥具有較高籽粒灌漿活性以及較長(zhǎng)灌漿活躍期的重要原因。