外源茉莉酸對小麥籽粒灌漿的影響

羅 建，魏 彬，李玉娟，廖允成，劉 楊

(西北農(nóng)林科技大學 農(nóng)學院，陜西楊凌 712100)

小麥產(chǎn)量取決于單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。籽粒灌漿是小麥重要農(nóng)藝性狀，決定了小麥千粒質(zhì)量，顯著影響小麥產(chǎn)量。關(guān)于小麥等作物籽粒灌漿的生理機制，前人從遺傳改良、基因表達、碳水化合物轉(zhuǎn)運、光合作用、植株衰老等多個方面進行了研究[1-5]，形成了一系列假說，但關(guān)于其具體生理機制，目前尚不清晰。

激素在調(diào)控禾谷類作物籽粒灌漿過程中起著重要作用。生長素(IAA)與水稻強勢籽粒灌漿的“頂端優(yōu)勢”有關(guān)[6]。較高的脫落酸(ABA)含量和較低的乙烯(ETH)釋放量是小麥強勢粒灌漿優(yōu)于弱勢粒的重要原因[7]。外源細胞分裂素(CTK)能夠顯著提高小麥粒質(zhì)量[8]。干旱脅迫下外源亞精胺(Spd)顯著促進了小麥籽粒灌漿[9]。水稻籽粒灌漿與油菜素甾醇(BR)密切相關(guān)[10]。這些研究表明，禾谷類作物籽粒灌漿與多種激素密切相關(guān)。

茉莉酸(JA)是一類新型植物激素，顯著調(diào)控植物生長發(fā)育。Cai等[11]研究表明，JA合成受到抑制會導致植物花器官屬性和數(shù)目的改變, 造成花分生組織不能正常生長。Browse[12]研究發(fā)現(xiàn)，JA在擬南芥花器官的后期發(fā)育過程中起著重要作用。Yan等[13]研究表明JA能夠促進玉米雌雄花的性別轉(zhuǎn)變。同時，在植物響應(yīng)逆境脅迫的過程中，JA也發(fā)揮著重要作用。忽雪琦等[14]研究表明外源茉莉酸甲酯(MeJA)能夠顯著提高玉米對干旱脅迫的抗性。李楊洋和焦湞[15]發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下JA能促進小麥幼苗生長。除此之外，JA還參與了植物對蟲害的響應(yīng)[16]。這表明，在植物的生長過程中，JA發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。

前人研究表明，JA對作物后期的生長發(fā)育具有顯著影響。馬超等[17-18]研究表明，干旱脅迫下噴施MeJA能夠顯著提高小麥籽粒灌漿期葉片葉黃素、β-胡蘿卜素及葉黃素循環(huán)組分含量，同時提高了灌漿期葉片脂氧合酶活性，減緩了葉片衰老，提高了籽粒質(zhì)量。謝靜靜等[19]研究表明，干旱脅迫下外源JA能夠促進小麥葉片光合作用，提高植株的抗氧化能力。在水稻上的研究表明，開花期噴施MeJA能夠有效提高雜交水稻粒質(zhì)量[20-21]。劉霞等[22]研究表明高溫脅迫下外源MeJA能夠提高水稻千粒質(zhì)量。這些研究表明，JA顯著影響作物的灌漿期生長發(fā)育及粒質(zhì)量。但是，關(guān)于JA對小麥等作物籽粒灌漿的影響及其生理機制，鮮有相關(guān)研究?；诖耍狙芯窟x擇粒質(zhì)量不同的小麥品種，在小麥開花期外源噴施JA，測定小麥不同粒位籽粒的灌漿情況、灌漿過程中籽粒糖和淀粉含量、旗葉抗氧化酶活性等指標，擬探討JA對小麥籽粒灌漿的影響，并從糖-淀粉轉(zhuǎn)化、旗葉抗氧化角度分析其生理機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年10月至2019年6月小麥生長季在西北農(nóng)林科技大學標本園(34°20′N, 108°04′E,)進行田間試驗。供試土壤為土婁土，耕層(0～20 cm)土壤含有機質(zhì)11.54 g·kg-1、全氮1.55 g·kg-1、速效氮52.68 mg·kg-1、速效磷 18.12 mg·kg-1、速效鉀109.46 mg·kg-1。供試材料為‘雙大1號’和‘西農(nóng)538’，于10月14日播種，播量為150 kg·hm-2，行距0.25 m。播種前基施375 kg·hm-2尿素和375 kg·hm-2磷酸二胺。小麥生長期進行常規(guī)大田管理。

每個品種設(shè)2個處理，外源噴施JA處理(JA)和噴施清水對照(CK)。噴施JA的濃度為1 mmol·L-1，噴施量為每株5 mL。在每個品種的開花期進行噴施，連續(xù)噴施3 d，于每天17:00-18:00實施噴施。CK對照噴施同等量的清水。小區(qū)面積9 m2(3 m×3 m)，隨機區(qū)組排列，3次重復。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 籽粒灌漿動態(tài) 在開花期，選擇同一天開花的植株，進行標記。在開花后，每隔5 d取樣1次。取樣后，按照Jiang等[23]的方法，取4至14位小穗，將這些小穗第1位小花作為強勢粒，第3位小花作為弱勢粒。將強勢粒和弱勢粒分裝，烘干至恒質(zhì)量后，進行稱量。其后磨粉，以備測定可溶性糖和淀粉。

籽粒灌漿參數(shù)運用Logistic方程Y=K/ (1+aebx) 進行擬合。其中Y為籽粒質(zhì)量(mg)，K為最終籽粒質(zhì)量(mg)，x為開花后的時間(d)；活躍灌漿期定義為Y達到最終粒質(zhì)量A的5% 和95% 所經(jīng)歷的時間。這段時間內(nèi)籽粒增加的質(zhì)量除以灌漿時間為平均灌漿速率。

1.2.2 籽粒可溶性總糖和淀粉測定 可溶性總糖采用80%乙醇提取，淀粉采用36 mol·L-1高氯酸提取，蒽酮比色法測定其含量[24]。

1.2.3 抗氧化酶測定 花后10 d和20 d，取標記過的植株旗葉，液氮速凍后存放于-40 ℃冰箱，采用NBT光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，采用240 mm光密度比色法測定過氧化氫酶(CAT)活性，MDA含量通過TBA顯色反應(yīng)測定[25]。

1.2.4 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素 成熟期，每個小區(qū)取1 m2植株進行收獲，測定產(chǎn)量及單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，SPSS 16.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

表1結(jié)果顯示，外源JA顯著降低2個品種產(chǎn)量，‘西農(nóng)538’和‘雙大1號’2個品種JA處理產(chǎn)量較CK分別下降9.89%和11.68%。同時產(chǎn)量構(gòu)成因素結(jié)果表明，外源JA對2個品種單位面積穗數(shù)和每穗粒數(shù)均無顯著影響，但其顯著降低2個品種小麥千粒質(zhì)量。這表明，開花期外源JA通過降低千粒質(zhì)量降低小麥產(chǎn)量。

表1 不同處理下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 1 Grain yield and grain yield components of wheat under different treatments

注：同列內(nèi)標以不同字母的值在0.05水平上差異顯著?！?*”代表F值在0.01水平有顯著差異。

UNote:Values in each column followed by different letters are significantly different at 0.05 level.“**”Fvalues are significantly different at the 0.01 level.

2.2 籽粒灌漿

外源JA對小麥籽粒灌漿的影響與籽粒著生部位密切相關(guān)。外源JA顯著影響小麥弱勢粒灌漿，但是對強勢粒灌漿無顯著影響(圖1)。圖2表明，2個品種強勢粒平均灌漿速率顯著高于弱勢粒，外源JA顯著降低了弱勢粒灌漿速率，但是對強勢粒灌漿速率無顯著影響。與此不同，籽粒活躍灌漿期2個品種強弱勢粒之間表現(xiàn)不同，‘西農(nóng)538’強勢籽粒活躍灌漿期長于弱勢粒，而‘雙大1號’強勢粒活躍灌漿期短于弱勢粒。但是，外源JA對2個品中強勢粒、弱勢?；钴S灌漿期無顯著影響。這表明，外源JA主要通過降低弱勢籽粒灌漿速率抑制小麥籽粒灌漿，降低千粒質(zhì)量。

SS和IS分別表示強勢粒和弱勢粒 SS and IS represent superior grain and inferior grain, respectively。A和C為‘西農(nóng)538’，B和D為‘雙大1號’，下同 A and C represent ‘Xinong 538’, B and D represent ‘Shuangda 1’，the same below.

圖1 不同處理下小麥籽粒灌漿速率和粒質(zhì)量
Fig.1 Grain filling and grain mass of wheat under different treatments

圖2 不同處理下小麥籽粒灌漿特征參數(shù)Fig.2 Grain filling characteristics of wheat under different treatments

2.3 旗葉抗氧化酶活性和葉綠素

2個品種旗葉抗氧化酶活性和葉綠素含量表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，隨著灌漿期的推進，旗葉SOD、POD和CAT活性和葉綠素含量降低，MDA含量升高(圖3～圖4)。但是，圖3結(jié)果表明外源JA對于旗葉SOD、POD和CAT活性、葉綠素含量以及MDA含量均無顯著影響。這表明，開花期外源噴施JA并未顯著影響旗葉的抗氧化酶活性及葉片衰老。

A～D為‘西農(nóng)538’ A-D represents ‘Xinong 538’，E～H為‘雙大1號’ E-H represents ‘Shuangda 1’.

A和B分別為‘西農(nóng)538’和‘雙大1號’ A and B represent ‘Xinong 538’ and ‘Shuangda 1’,respectively.

2.4 籽粒糖和淀粉含量

開花期外源噴施JA對不同粒位籽粒糖轉(zhuǎn)運和淀粉合成的影響不同，外源JA對籽粒灌漿過程中強勢?？扇苄蕴呛偷矸酆繜o顯著影響。但是，其顯著影響弱勢?？扇苄蕴呛偷矸酆?圖5)。花后10 d，JA處理弱勢?？扇苄蕴呛匡@著低于CK處理。這表明，在灌漿早期，噴施JA處理抑制可溶性糖向弱勢粒的轉(zhuǎn)運。但是，花后20 d JA處理弱勢粒可溶性糖含量顯著高于弱勢粒。同時，JA處理弱勢粒中淀粉含量顯著低于CK。這表明，而灌漿中早期，外源JA抑制籽粒中可溶性糖向淀粉的轉(zhuǎn)化。

2.5 籽粒品質(zhì)

2個小麥品種間籽粒粗蛋白、面筋、面團穩(wěn)定時間和最大阻力均存在顯著差異，‘西農(nóng)538’籽粒粗蛋白、面筋、面團穩(wěn)定時間和最大阻力均低于‘雙大1號’(表2)。但2個品種間面團形成時間無顯著差異。除此之外，外源噴施JA處理顯著提高了2個品種籽粒粗蛋白、面筋、面團穩(wěn)定時間、形成時間和最大阻力。這表明，開花期外源噴施JA顯著影響小麥籽粒品質(zhì)。

SS和IS分別表示強勢粒和弱勢粒 SS and IS represent superior grain and inferior grain, respectively;A和B為‘西農(nóng)538’ A and B represent ‘Xinong 538’，C和D為‘雙大1號’ C and D represent ‘Shuangda 1’.

圖5 籽粒灌漿過程中小麥籽?？扇苄蕴呛偷矸酆?br/>Fig.5 Total soluble sugar and starch content in grain during grain filling period of wheat

表2 不同處理下小麥籽粒品質(zhì)Table 2 Grain quality of wheat under different treatments

注：同列內(nèi)標以不同字母的值在0.05水平上差異顯著?！?*”代表F值在0.01水平有顯著差異。

Note:Values in each column followed by different letters are significantly different at 0.05 level. **Fvalues significant at the 0.01 level.

3 討 論

激素顯著影響作物的籽粒灌漿，IAA、CTK、ABA、ETH等多種激素均參與調(diào)控水稻、小麥等作物籽粒灌漿[6-10]。茉莉酸是存在于高等植物體內(nèi)的激素，屬于脂肪酸的衍生物，被認為作為內(nèi)源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)直接或者作為第二信使間接影響植物的生長發(fā)育。前人研究表明，JA顯著促進水稻和小麥籽粒灌漿，提高千粒質(zhì)量[17-22]。但是，本研究結(jié)果表明，無論是重穗型品種(‘雙大1號’)還是輕穗形品種(‘西農(nóng)538’)，JA均抑制了其籽粒灌漿，顯著降低了其千粒質(zhì)量。這與前人研究結(jié)果不一致。這種差異可能與環(huán)境因子有關(guān)。前人關(guān)于JA調(diào)控禾谷類作物籽粒灌漿的研究，大多是在高溫、干旱等逆境條件下進行[17-22]。JA作為一種重要的逆境激素，參與了植物生長對高溫、低溫、干旱、重金屬、鹽脅迫等多種逆境的響應(yīng)[14-16]。在高溫、干旱等逆境條件下，外源JA發(fā)揮了其逆境激素的作用，通過清除自由基、提高植株抗氧化能力等提高了植株的抗逆性[26]，從而改善了逆境脅迫對籽粒灌漿的不利影響，促進了灌漿，提高了粒質(zhì)量。但是，本研究外源JA噴施試驗是在正常大田條件下進行，未專門設(shè)置逆境脅迫，因此JA逆境響應(yīng)的功能沒有發(fā)揮。與逆境條件不同，在正常條件下，JA表現(xiàn)出對小麥籽粒灌漿的抑制作用。這表明，在小麥生產(chǎn)上，使用JA要慎重，要根據(jù)氣候或環(huán)境因子的不同，采用不同的施用策略，以免造成不良影響。

前人研究認為，作物籽粒灌漿過程是同化物從源到庫的轉(zhuǎn)運過程，源庫之間在此過程中相互影響，共同作用于同化物轉(zhuǎn)運，籽粒灌漿持續(xù)期和籽粒灌漿速率可以代表源和庫對籽粒灌漿過程的影響[7]。源的衰老顯著影響籽粒灌漿持續(xù)期和粒質(zhì)量，植株衰老過快，會使葉片光合作用下降，造成籽粒灌漿“源”不足，致使籽粒灌漿期縮短，不利于籽粒的粒質(zhì)量形成[27]。抗氧化系統(tǒng)與植株衰老密切相關(guān)，前人研究表明，逆境脅迫下JA能夠顯著提高SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，清除植株體內(nèi)的自由基，保護葉綠體不受傷害[28]。與此不同，也有研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸會加速植株一些特定器官或部位的細胞程序性死亡和衰老[29]。但是，本研究結(jié)果表明，開花期外源噴施JA對于籽粒灌漿過程中小麥植株葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性、MDA含量無顯著影響。這可能是由于本試驗JA是在開花期噴施，而抗氧化酶的測定是在花后10 d和20 d，這可能超出了JA對抗氧化酶作用的持續(xù)期。同時，外源JA對2個品種活躍灌漿期無顯著影響。這表明，在本試驗條件下，開花期外源JA對小麥籽粒灌漿的抑制作用與源無顯著關(guān)系，其對小麥籽粒灌漿的影響可能與庫關(guān)系緊密。

根據(jù)籽粒灌漿情況的不同，可以將小麥等作物籽粒庫分為強勢粒和弱勢粒。強勢粒開花早、灌漿好、粒質(zhì)量高，弱勢粒開花晚、灌漿差、粒質(zhì)量低。前人研究表明，弱勢粒灌漿差是限制作物粒質(zhì)量提高的重要因素[7]。本研究結(jié)果表明，著生在小穗下部的強勢粒，其籽粒灌漿和粒質(zhì)量對外源JA無顯著響應(yīng)。而著生在小穗上部的弱勢粒，外源JA對其籽粒灌漿和粒質(zhì)量有顯著影響。外源JA顯著降低了弱勢粒灌漿速率，同時，本研究發(fā)現(xiàn)JA對弱勢粒灌漿速率的影響主要在籽粒灌漿前期。這表明，外源JA主要通過降低弱勢粒前期灌漿速率抑制了小麥籽粒灌漿，其對小麥籽粒灌漿的影響主要通過對庫的調(diào)控實現(xiàn)。

淀粉是小麥籽粒的主要組分，小麥籽粒灌漿主要是淀粉的合成積累過程[23]。小麥籽粒淀粉積累主要包括可溶性糖從營養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)運和籽粒中淀粉合成2個步驟[30]。前人研究表明，強勢粒具有先生優(yōu)勢，維管束相對發(fā)達，因此其蔗糖轉(zhuǎn)運量顯著高于弱勢粒[1]。也有研究表明，強勢粒和弱勢粒粒質(zhì)量差異的主要生理原因是淀粉合成能力的不同，強勢?？扇苄蕴窍虻矸鄣霓D(zhuǎn)化效率顯著高于弱勢粒[7]。本研究結(jié)果表明，2個小麥在籽粒灌漿前期強勢?？扇苄蕴呛匡@著高于弱勢粒，這表明強勢粒具有較強的糖轉(zhuǎn)運能力，這與前人研究一致。外源噴施JA顯著降低了灌漿前期弱勢籽粒中可溶性糖含量，這表明外源JA抑制了糖向弱勢粒的轉(zhuǎn)運過程。前人研究表明可溶性糖主要通過韌皮部運輸進入籽粒[7]。Nitschke等[29]研究表明，JA能夠促進韌皮部等組織器官的衰老。這可能是JA抑制可溶性糖向弱勢粒轉(zhuǎn)運的生理原因。賓金華等[31]研究發(fā)現(xiàn)，MeJA促進了水稻籽粒淀粉降解。這表明，JA可能不利于淀粉的合成。本研究結(jié)果表明，外源噴施JA抑制了小麥籽粒淀粉形成。這與前人研究結(jié)果相似。Yang等[1]研究表明，ETH顯著抑制小麥籽粒淀粉合成和灌漿。而JA能夠促進ETH的生物合成[32]。這表明，JA對小麥籽粒淀粉合成的抑制作用可能是間接的，其通過調(diào)控其他激素調(diào)控籽粒淀粉合成。但是，關(guān)于JA調(diào)控小麥籽粒淀粉合成的具體生理機制，還需要進行深入的研究。

除高產(chǎn)外，優(yōu)質(zhì)日益成為作物生產(chǎn)的重要目標。本研究結(jié)果表明，外源JA顯著提高了2個品種籽粒蛋白質(zhì)含量和粗面筋含量。同時顯著提高了面團形成時間和最大阻力。這表明，JA有利于提高小麥籽粒品質(zhì)。這可能與JA抑制了小麥籽粒淀粉形成，從而提高了蛋白質(zhì)含量有關(guān)。前人研究表明，小麥等農(nóng)作物的高產(chǎn)在某些特定條件下可能和優(yōu)質(zhì)不相吻合[33]。但是，通過合理的栽培措施，可以協(xié)同提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[34]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，JA不利于小麥產(chǎn)量形成，但是有利于小麥的優(yōu)質(zhì)。在生產(chǎn)上，如何合理的使用JA和其他調(diào)控措施，促進小麥高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，還需進行進一步的研究探討。