低溫脅迫對不同拔節(jié)進程冬小麥光合特性的影響

張溪荷，劉榮花，李 禎，成 林

（1.中國氣象局 河南氣象局農(nóng)業(yè)氣象保障與應(yīng)用技術(shù)重點開放實驗室，河南 鄭州 450003；2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450003；3.河南省氣象臺，河南 鄭州 450003）

影響植物生長的因素有很多，如光照、溫度、水分和重金屬等，其中,低溫是對農(nóng)作物生產(chǎn)影響最大的逆境傷害之一。當植物遭受低溫時，其外部形態(tài)和生理功能均會發(fā)生變化，形態(tài)上主要表現(xiàn)為葉片枯萎、凋零等，生理上主要表現(xiàn)為細胞膜功能失調(diào)、呼吸作用減弱等。

冬小麥拔節(jié)之前，由于受葉鞘保護，幼穗不易遭受低溫危害。拔節(jié)期是冬小麥幼穗形成的關(guān)鍵時期，此時植株抗寒性較差，但卻是強冷空氣活動頻繁的階段，因此，冬小麥霜凍害高發(fā)。冬小麥幼穗一旦遭遇低溫凍害，分化立即停止而無法結(jié)實，最終導(dǎo)致嚴重減產(chǎn)。大多數(shù)冬小麥品種冬季抗寒能力強，從返青期開始恢復(fù)生長后，其抗寒力將大幅度下降，不能適應(yīng)氣溫突降的環(huán)境。拔節(jié)期低溫是影響冬小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵時期，冬小麥拔節(jié)前20 d至拔節(jié)后40 d均會有低溫凍害發(fā)生，其中以拔節(jié)前20 d至拔節(jié)后15 d發(fā)生頻率為最高。另外，研究發(fā)現(xiàn)重霜凍害主要發(fā)生在冬小麥拔節(jié)5～15 d。而拔節(jié)后的冬小麥雌雄蕊分化期抗寒能力較低，若此時出現(xiàn)低溫，也會給小麥造成嚴重危害。

目前，國內(nèi)外已有許多關(guān)于低溫脅迫下小麥生理生化的研究，其對小麥的引種、育種以及揭示低溫對冬小麥的影響具有重要意義，但上述研究并未對冬小麥拔節(jié)關(guān)鍵期進行細化。因此，本研究在全球氣候變暖，日最低氣溫及冬小麥受脅迫生育期不斷變化的背景下，通過人工控制環(huán)境試驗，設(shè)計不同水平的日最低溫度，以冬小麥優(yōu)良品種“鄭麥366”為試驗材料，探討不同拔節(jié)期進程下冬小麥光合特性及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運系統(tǒng)對低溫的響應(yīng)機理，以期為冬小麥抗寒品種的選育以及低溫防御提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

以河南省主要推廣栽培品種鄭麥366（半冬性）為試驗材料，采用盆栽試驗的方法，于2018年在河南省鄭州市農(nóng)業(yè)氣象試驗站進行。試驗用土取自大田冬小麥-夏玉米輪作區(qū)耕層土，土壤為砂壤土，有機質(zhì)含量為14.10 g/kg，全氮含量為0.99 g/kg，堿解氮含量為89.20 mg/kg，速效磷含量為29.90 mg/kg，速效鉀含量為90.60 mg/kg，pH值為7.8。田間持水量為24.63%。砂壤土自然風干后與肥料充分混勻后裝入高28 cm、直徑30 cm的聚乙烯塑料桶，每桶裝過篩干土7.0 kg，桶底用鉆頭打洞以利于透氣。盆栽，埋于試驗大田且保持盆內(nèi)土壤與大田齊平。11月15日進行播種，于三葉期定苗，每盆留苗30株。試驗設(shè)置冬小麥拔節(jié)初期（拔節(jié)5 d）、拔節(jié)中期（拔節(jié)10 d）、拔節(jié)后期（拔節(jié)15 d）3個處理時間和日其對應(yīng)最低氣溫-3 ℃、-5 ℃和-7 ℃共3個低溫處理，模擬自然情況溫度下降曲線，逐小時設(shè)置溫度，處理時間長度均為1個晚上。低溫處理結(jié)束進行取樣后，將被處理的冬小麥移至室外并埋于試驗田中，自然狀態(tài)下直到成熟，留作后期觀測冬小麥的存活及再生長情況。

試驗小區(qū)從東至西兩列排開，隨冬小麥拔節(jié)期不同階段設(shè)置拔節(jié)后未遭遇低溫（CK）、T1、T2、T3共4個處理，其中T1、T2、T3分別于拔節(jié)初期（拔節(jié)5 d）、拔節(jié)中期（拔節(jié)10 d）、拔節(jié)后期（拔節(jié)15 d）遭遇其對應(yīng)低溫（-3 ℃、-5 ℃和-7 ℃），每個處理設(shè)置3個重復(fù)。每個小區(qū)長1.80 m，寬0.65 m，南北排列。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 冬小麥葉片光合作用參數(shù)的測定 采用LI-6400便攜式光合作用測定系統(tǒng)（LI-COR Biosciences Inc.，USA）測定冬小麥葉片光合特性及氣體交換參數(shù)。在低溫處理完成后的冬小麥各個生育時期（拔節(jié)期、孕穗期、揚花期、灌漿期）選取功能葉進行測定，測定內(nèi)容為凈光合 速 率（Net photosynthetic rate，Pn）、 氣孔 導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs）、 胞 間CO2濃 度（Intercellular CO2concentration，Ci） 和 蒸 騰 速 率（Transpiration rate，Tr）。

1.2.2 冬小麥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率的測定 低溫處理后的冬小麥在收獲后進行考種。測定項目包括每盆穗數(shù)、莖稈整質(zhì)量、千粒質(zhì)量、每盆產(chǎn)量。于冬小麥各生育時期取3株完整植株，用自來水洗去根上泥土及葉莖上的雜質(zhì)，晾干后按根、莖、葉、鞘分割為4個部分，各部分放入烘箱于105 ℃下殺青1 h，75 ℃烘干12 h后稱質(zhì)量并記錄，此后每小時稱質(zhì)量1次，當樣本前后2次質(zhì)量差值低于5%時停止烘干，測定冬小麥各營養(yǎng)器官的干質(zhì)量。冬小麥營養(yǎng)器官干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量為其各生育時期所測干質(zhì)量的最大值與成熟期干質(zhì)量的差值，轉(zhuǎn)運效率為轉(zhuǎn)運量占所測干質(zhì)量最大值的百分比。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用SPSS軟件進行分析，用Duncan's多因素分析檢查數(shù)據(jù)間的顯著性，并用Microsoft Excel 2019軟件完成數(shù)據(jù)處理與作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 拔節(jié)期低溫對冬小麥葉片光凈光合速率的影響

如圖1所示,隨著生育時期的推進，除-7 ℃處理外，其他低溫處理下冬小麥葉片凈光合速率變化均呈單峰趨勢，即在揚花期達到最大值后逐漸回落。此外，經(jīng)低溫處理的冬小麥各生育時期葉片凈光合速率均低于對照處理，且降幅隨處理溫度降低而加劇，于-7 ℃處理下降至最低，表明低溫脅迫越嚴重，冬小麥葉片凈光合速率下降幅度越大。拔節(jié)期遭遇低溫可使冬小麥葉片凈光合速率下降，各拔節(jié)期進程中冬小麥凈光合速率下降幅度大小依次為拔節(jié)中期＞拔節(jié)后期＞拔節(jié)初期。

圖1 不同拔節(jié)進程低溫對冬小麥凈光合速率的影響Fig.1 Effects of different jointing processes on net photosynthetic rate of winter wheat

圖2 不同拔節(jié)進程低溫對冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度的影響Fig.2 Effects of low temperature at different jointing stages on stomatal conductance of winter wheat leaves

2.2 拔節(jié)期低溫對冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度的影響

如圖2所示，對照處理不同拔節(jié)進程中冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度均在揚花期達到最大值后于灌漿期開始回落。于拔節(jié)初期進行-3 ℃處理，冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度上升至揚花期后下降。當進行-5 ℃處理時，拔節(jié)中期各生育階段冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度與對照處理相比降幅最大。當進行-7 ℃處理時，拔節(jié)中期各生育階段冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度呈直線下降趨勢，在不同拔節(jié)進程中與對照處理相比降幅最大。拔節(jié)期遭遇低溫導(dǎo)致冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度不同程度下降，各拔節(jié)時期進程中冬小麥葉片氣孔導(dǎo)度下降幅度大小依次為拔節(jié)中期＞拔節(jié)后期＞拔節(jié)初期。

2.3 拔節(jié)期低溫對冬小麥葉片胞間CO2濃度的影響

如圖3所示，不同生育時期中，冬小麥葉片胞間CO2濃度在拔節(jié)期達到最大，其他生育時期明顯下降，雖于灌漿期略有回升但各生育時期之間差異不顯著。在拔節(jié)期時，3種低溫脅迫均導(dǎo)致葉片胞間CO2濃度不同程度升高。在不同拔節(jié)進程中進行-3 ℃處理時，各生育期冬小麥葉片胞間CO2濃度變化趨勢與對照處理一致。在不同拔節(jié)進程中進行-5 ℃處理時，各生育期冬小麥葉片胞間CO2濃度較-3 ℃處理下升高，而在不同拔節(jié)進程中進行-7 ℃處理時葉片胞間CO2濃度進一步升高。拔節(jié)期遭遇低溫可導(dǎo)致冬小麥葉片胞間CO2濃度上升，各拔節(jié)時期進程中CO2濃度上升幅度大小依次為拔節(jié)中期＞拔節(jié)后期＞拔節(jié)初期。

圖3 不同拔節(jié)進程低溫對冬小麥葉片胞間CO2濃度的影響Fig.3 Effects of different jointing processes on intercellular CO2 concentration in winter wheat leaves

2.4 拔節(jié)期低溫對冬小麥葉片蒸騰速率的影響

如圖4所示，拔節(jié)期遭遇低溫后，冬小麥葉片蒸騰速率在揚花期達到最大，其他生育時期明顯下降。在不同拔節(jié)進程中進行-3 ℃處理時，各生育時期冬小麥葉片蒸騰速率變化趨勢與對照處理一致，且在同一生育時期內(nèi)均低于較對照處理。在不同拔節(jié)進程中進行-5 ℃和-7 ℃處理時，冬小麥葉片蒸騰速率隨著處理溫度的降低進一步下降，且溫度越低冬小麥葉片蒸騰速率越低。拔節(jié)期遭遇低溫可使冬小麥葉片蒸騰速率下降，各拔節(jié)期進程中葉片蒸騰速率下降幅度大小依次為拔節(jié)中期＞拔節(jié)后期＞拔節(jié)初期。

圖4 不同拔節(jié)進程低溫對冬小麥蒸騰速率的影響Fig.4 Effects of different jointing processes on transpiration rate of winter wheat

2.5 拔節(jié)期低溫對冬小麥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響

由表1可知，冬小麥受不同程度低溫脅迫，對各產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子影響程度不同。隨著脅迫溫度的降低，冬小麥每盆穗數(shù)、莖稈整質(zhì)量、千粒質(zhì)量、每盆產(chǎn)量下降。在不同拔節(jié)進程中進行-7 ℃處理冬小麥各產(chǎn)量結(jié)構(gòu)因子下降幅最大，其中拔節(jié)初期（拔節(jié)5 d）、拔節(jié)中期（拔節(jié)10 d）、拔節(jié)后期（拔節(jié)15 d）冬小麥每盆穗數(shù)分別較對照處理下降了51.41%、79.06%、48.43%（P＜0.05），莖稈整質(zhì)量分別較對照處理下降了22.72%、36.09%、33.97%（P＜0.05），千粒質(zhì)量分別較對照處理下降了15.48%、16.94%、5.89%（P＜0.05），每盆產(chǎn)量分別較對照處理下降了54.33%、59.83%、58.66%（P＜0.05）。

表1 不同拔節(jié)期進程低溫對冬小麥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響Tab.1 Effects of low temperature in different jointing stages on yield structure of winter wheat

2.6 拔節(jié)期低溫對冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率的影響

由表2可知，冬小麥營養(yǎng)器官的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量隨著處理溫度的降低而下降。冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率表現(xiàn)為葉片、鞘、根隨著溫度的降低而下降，但莖的轉(zhuǎn)運效率卻隨溫度下降而上升。相同溫度下拔節(jié)中期各營養(yǎng)器官的干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量及轉(zhuǎn)運效率最低，拔節(jié)后期次之。

表2 不同拔節(jié)期進程低溫對冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率的影響Tab.2 Effects of low temperature in different jointing stages on dry matter translocation and transport efficiency of winter wheat

續(xù)表2 不同拔節(jié)期進程低溫對冬小麥干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量和轉(zhuǎn)運效率的影響Tab.2(Continued) Effects of low temperature in different jointing stages on dry matter translocation and transport efficiency of winter wheat

3 結(jié)論與討論

植物的光合器官對溫度極為敏感，溫度的變化會直接導(dǎo)致光合器官的性能出現(xiàn)變化。本試驗中，在拔節(jié)進程中的各生育時期遭遇低溫均可導(dǎo)致冬小麥葉片光合性能下降，這與前人研究結(jié)果一致。冬小麥葉片凈光合速率降低的程度不僅取決于低溫脅迫程度，也與冬小麥所處的拔節(jié)進程密切相關(guān)。相同條件下，拔節(jié)中期冬小麥葉片光合性能對低溫更為敏感，說明拔節(jié)中期發(fā)生低溫災(zāi)害更易使冬小麥受災(zāi)。光合作用是小麥干物質(zhì)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，低溫脅迫下小麥葉片的氣孔收縮抑制了小麥葉片的光合作用，導(dǎo)致干物質(zhì)合成轉(zhuǎn)運受阻，最終造成小麥產(chǎn)量降低。

本試驗結(jié)果表明，低溫脅迫下冬小麥葉片的蒸騰速率在拔節(jié)與灌漿期下降最明顯。蒸騰拉力降低會導(dǎo)致小麥植株內(nèi)礦物質(zhì)營養(yǎng)和水分的運輸受阻，從而降低了光合底物的傳導(dǎo)能力。氣孔是水分和CO2進出植株的窗口，氣孔導(dǎo)度也會隨蒸騰拉力降低而下降。此外，當小麥葉片的凈光合速率下降時，若胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度也同時下降，則凈光合速率的降低主要是氣孔限制引起；若胞間CO2濃度上升，光合速率的降低主要的限制因素為非氣孔因素。本試驗中，冬小麥胞間CO2濃度除在拔節(jié)期明顯升高外，其他生育時期均呈現(xiàn)波動變化，說明光合作用的主要限制因素在氣孔因素和非氣孔因素之間來回轉(zhuǎn)變，也表明氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率的降低在一定程度上降低了環(huán)境對冬小麥的傷害。因此，在不同拔節(jié)周期低溫脅迫下，冬小麥光合系統(tǒng)的保護機制存在差異。

低溫對冬小麥產(chǎn)量結(jié)構(gòu)的影響主要表現(xiàn)在穗數(shù)減少、莖稈整質(zhì)量下降、千粒質(zhì)量下降等。低溫脅迫下，冬小麥產(chǎn)量主要從莖鞘中儲存的光合產(chǎn)物中獲取，冬小麥莖稈是營養(yǎng)器官向穗部輸送水分、礦質(zhì)元素及干物質(zhì)的通道，也可以看作“流（同化物從源到庫的通道）”的指標，其強弱與冬小麥千粒質(zhì)量及穗數(shù)密切相關(guān)。本試驗中，光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運量及轉(zhuǎn)運速率隨溫度降低而下降，最終導(dǎo)致冬小麥干物質(zhì)積累減少，使小麥產(chǎn)量下降。

綜上所述，冬小麥在不同拔節(jié)進程中遭遇低溫脅迫時，其生理功能及光合能力均受到嚴重影響，但存在差異，以拔節(jié)中期遭遇低溫時的影響為最嚴重，這為進一步研究低溫對冬小麥的脅迫機制奠定了基礎(chǔ)。