抗干熱風(fēng)小麥新種質(zhì)生理特性分析

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(1.衡水學(xué)院生命科學(xué)系，河北 衡水 053000； 2.河北省農(nóng)科院旱作農(nóng)業(yè)研究所，河北 衡水 053000)

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪饕募Z食作物，在我國，小麥種植面積和總產(chǎn)量僅次于水稻[1-2]。我國水資源相對貧乏，土壤干旱是限制我國小麥生產(chǎn)的主要因素之一[3]。同時(shí)，在全球氣候變暖的背景下，干熱風(fēng)氣象災(zāi)害對全球變暖的響應(yīng)表現(xiàn)更為突出和敏感，已成為氣候變化研究中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問題之一，嚴(yán)重危害我國糧食生產(chǎn)與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[4-5]。

干熱風(fēng)是一種高溫、低濕，并伴有一定風(fēng)力,具有干、熱、風(fēng)3個(gè)氣象要素特征的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害性天氣，經(jīng)常于春末夏初在我國內(nèi)陸地區(qū)出現(xiàn)[6]。它主要危害小麥,有些地方還會(huì)危害棉花、玉米、水稻等作物，干熱風(fēng)將直接導(dǎo)致作物減產(chǎn)5%～10%，甚至更高[7-8]。

干熱風(fēng)可不同程度地影響植物生長，使農(nóng)作物產(chǎn)量降低。長期以來，關(guān)于干熱風(fēng)的成因、特點(diǎn)及分布規(guī)律的研究很多[9]。如何提高作物對干熱風(fēng)的耐受力，增強(qiáng)作物抗性，同時(shí)保證脅迫條件下的作物產(chǎn)量，一直是科學(xué)家們研究的焦點(diǎn)問題。探明干熱風(fēng)條件下作物的生理生化機(jī)制，有助于更好地開展抗性品種篩選，為進(jìn)一步培育抗性新品種提供幫助。本實(shí)驗(yàn)通過對小麥抗干熱風(fēng)新種質(zhì)和石4185室內(nèi)模擬干熱風(fēng)處理，對二者葉片進(jìn)行超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶進(jìn)行測定，研究小麥苗期脅迫下生理指標(biāo)的變化情況，以期為小麥耐干熱性的生理生化機(jī)制及抗性育種研究提供有益探索。

1 材料和方法

1.1 材料及處理

供試小麥品種石4185和抗干熱風(fēng)小麥新種質(zhì)，由河北省農(nóng)科院旱作農(nóng)業(yè)研究所提供。

將2個(gè)小麥供試材料各取200粒種子，0.1% HgCl2消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗，擺放于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中進(jìn)行萌發(fā)，將發(fā)芽良好的種子移入紗網(wǎng)中營養(yǎng)液培養(yǎng)。待長至2葉1心時(shí)，對照組正常培養(yǎng)，處理組模擬干熱風(fēng)(高溫/風(fēng))脅迫，分別處理2，4，8，12，24 h。分別取對照和處理的小麥葉片樣品，在冰箱內(nèi)低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性測定

采用NBT光化還原法[10]。

1.2.2 過氧化物酶(POD)活性測定

采用愈創(chuàng)木酚法[10]。

1.2.3 過氧化氫酶(CAT)活性測定

采用紫外分光光度計(jì)法[10]。

1.2.4 數(shù)據(jù)整理與分析

將所得數(shù)據(jù)整理后，通過Excel軟件作圖并進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同脅迫時(shí)間對小麥SOD活性的影響

SOD是生物體內(nèi)一種重要的氧自由基清除劑，能夠平衡機(jī)體的氧自由基，從而避免當(dāng)機(jī)體內(nèi)超氧陰離子自由基濃度過高時(shí)引起的不良反應(yīng)[11]。SOD作為植物自身防御外界不良環(huán)境的保護(hù)酶,其活性與植物抗逆性呈一定的相關(guān)性[12]。如圖1所示，在脅迫時(shí)間為0～2 h時(shí)，小麥?zhǔn)?185 SOD活性不變，而抗干熱風(fēng)小麥新種質(zhì)呈逐漸上升的趨勢；2～24 h品種石4185 SOD活性呈下降趨勢，抗干熱風(fēng)小麥超過4 h有逐漸下降的趨勢，12 h后又逐漸上升，并且脅迫時(shí)間在2 h和8 h時(shí)差異性并未達(dá)到顯著水平，在4 h和24 h時(shí)差異性達(dá)到顯著水平，這表明抗干熱風(fēng)小麥比石4185品種的耐熱性更持久、更強(qiáng)。

圖1 高溫脅迫對小麥SOD活性的影響

2.2 不同脅迫時(shí)間對小麥POD活性的影響

POD作為植物細(xì)胞內(nèi)的一種保護(hù)性酶，它不僅可幫助植物抵御不良環(huán)境的影響，同時(shí)對各種植物病害脅迫及抗衰老有關(guān)[13]。如圖2所示，在脅迫條件下，整體水平上抗性小麥POD活性比石4185高，且隨脅迫時(shí)間的增加，POD活性呈先升高后下降的趨勢。高溫脅迫時(shí)間在0～2 h時(shí)抗性小麥POD活性上升較快,而石4185在2～4 h上升快，之后2種小麥POD活性都下降，但總體來說抗干熱風(fēng)小麥的POD活性較高。說明植株在短時(shí)間高溫脅迫下有一定適應(yīng)能力,但在長時(shí)間脅迫下，植株生長勢降低，POD活性也相應(yīng)減弱。

圖2 高溫脅迫對小麥POD活性的影響

2.3 不同脅迫時(shí)間對小麥CAT活性的影響

CAT是一種酶類清除劑，它可促使H2O2分解為分子氧和水，從而使生物體內(nèi)的過氧化氫含量迅速降低，進(jìn)而避免受到過氧化氫的毒害作用[14]。如圖3所示，脅迫條件下，抗干熱風(fēng)小麥CAT活性呈先下降后上升再下降再上升的趨勢，而石4185則正好相反。這可能是因?yàn)榭垢蔁犸L(fēng)小麥的植株內(nèi)最初含有較高的CAT，或者有較強(qiáng)其他的非酶保護(hù)系統(tǒng),能夠清除脅迫產(chǎn)生的自由基，所以初期活性變化不大；而石4185小麥植株體最初含CAT量少，因而在受到高溫脅迫后CAT含量迅速增長，有利于清理大量自由基。隨著脅迫時(shí)間的延長，抗干熱風(fēng)小麥的CAT活性趨于平穩(wěn)并加強(qiáng)，而石4185小麥的CAT活性急劇下降。

圖3 高溫脅迫對小麥CAT活性的影響

3 討 論

近年來，全球氣候變暖有逐年上升的趨勢，進(jìn)而引發(fā)大量環(huán)境問題。環(huán)境溫度的升高影響了植物自身的生長過程，對植物分布、生長和生物產(chǎn)量產(chǎn)生極大的限制。在脅迫條件下，植物體內(nèi)存在的自身抗氧化酶系統(tǒng),對體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧加以清除，保證植物正常的代謝生長。一些耐干熱植物在短時(shí)間高溫脅迫下，其自身的抗氧化酶活性會(huì)普遍升高,隨著脅迫時(shí)間的延長，抗氧化酶活性會(huì)不斷下降，最終導(dǎo)致植物活性氧毒害，影響植物生長[15]。這在實(shí)驗(yàn)觀察中得到了證實(shí)。同時(shí)，通過對2種小麥的對比分析發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫時(shí)間的增加，二者酶活性上均表現(xiàn)出較大的差異。其中對于SOD和POD活性，抗干熱風(fēng)新種質(zhì)大體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，最終數(shù)值與初值變化不大；而CAT含量，抗性新種質(zhì)小麥呈現(xiàn)整體下降的趨勢，但對照品種含量雖有變化，但其最終數(shù)值與初值變化不大。說明抗干熱風(fēng)小麥新種質(zhì)具有較強(qiáng)的活性氧清除能力，具有明顯抵抗干熱風(fēng)的能力。

小麥在我國的糧食中占有主要地位，因此小麥的產(chǎn)量問題就關(guān)系到我國的國計(jì)民生。而干熱風(fēng)是影響小麥成熟產(chǎn)量的主要原因之一。目前，隨著人類大量排放溫室氣體，使得環(huán)境溫度升高，干熱風(fēng)出現(xiàn)的強(qiáng)度和頻率也逐漸增大，小麥的產(chǎn)量將會(huì)受到嚴(yán)重影響。由此，篩選抗干熱風(fēng)小麥新品種，有效抵抗干熱風(fēng)，增加小麥的產(chǎn)量，就顯得尤為重要。但由于干熱風(fēng)涉及干旱、高溫和大風(fēng)的同時(shí)脅迫，在生物生長和發(fā)育過程中將會(huì)受到多種基因的調(diào)控影響，其調(diào)控機(jī)理也會(huì)更復(fù)雜。