遲播對冬小麥灌漿后期高溫脅迫下旗葉光合能力和產(chǎn)量的影響

費立偉，初金鵬，鄭飛娜，孫立臣，代興龍，賀明榮

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點實驗室/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室, 山東泰安271018)

小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物，在保障我國國家糧食安全中占有舉足輕重的地位。黃淮麥區(qū)是我國的小麥主產(chǎn)區(qū)之一，但該地區(qū)小麥灌漿后期易遭受高溫影響，進而導(dǎo)致葉片早衰、青枯，籽粒灌漿受到抑制，粒重降低[1-4]。因此，增強灌漿后期小麥的抗高溫能力，對于提高區(qū)域小麥產(chǎn)量，確保國家糧食安全，具有重要的意義。

光合作用是對高溫脅迫最為敏感的生理過程[5]。光合作用的降低會影響小麥的生長和籽粒產(chǎn)量[6-7]。關(guān)于高溫對于作物光合作用的影響研究報道較多。研究表明，高溫脅迫通過引起葉綠體結(jié)構(gòu)和功能的紊亂、葉綠素含量的降低影響光合作用[4,8-9]。高溫脅迫對于作物PSⅡ的影響較大，尤其是受體側(cè)轉(zhuǎn)運[10-11]。類囊體膜是植物進行光合作用的關(guān)鍵光合膜，因此高溫下的損傷會對光合作用造成較大的影響[12-13]。高溫脅迫也會導(dǎo)致葉片抗氧化酶活性的降低[13-16]。谷類作物的產(chǎn)量形成主要依賴開花后的光合作用，小麥旗葉是花后最重要的光合器官[10-12]，此時的高溫脅迫會造成作物大幅度減產(chǎn)[4]。推遲小麥播期可在提高莖稈抗倒伏能力[20]的同時，優(yōu)化群體、個體、葉片和細胞水平上氮素的分配，增大旗葉最大羧化速率，增強二氧化碳擴散能力，從而提高旗葉光合能力和冠層光合氮素利用率[21-22]。目前關(guān)于高溫脅迫和推遲播期單因素的影響研究較多，而關(guān)于推遲播期條件對冬小麥灌漿后期高溫脅迫下旗葉光合系統(tǒng)是否具有調(diào)控效應(yīng)未見報道。因此，本研究設(shè)置兩個播期，采用開放式大田增溫的方法，分析了推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫條件下旗葉光合能力、抗氧化酶活性、類囊體膜脂組分含量變化以及粒重和產(chǎn)量的影響，以期為冬小麥抗逆高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

試驗于2017-2018年在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實驗站進行。試驗地土壤類型為壤土，播前0～20 cm土層有機質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量分別為13.16 g·kg-1、0.81 g·kg-1、25.61 mg·kg-1、103.01 mg·kg-1。播前基施純氮120 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2，拔節(jié)期追施純氮 120 kg·hm-2。

試驗采用大穗型品種泰農(nóng)18為供試材料，種植密度為225萬株·hm-2。設(shè)置10月8日(常規(guī)播期)和10月22日(推遲播期)2個播期。記錄各播期下的開花時間，且均以開花時間為起點，于花后21 d開始進行高溫脅迫，持續(xù)時間3 d。小區(qū)完全隨機排列，三次重復(fù)，小區(qū)面積為3 m2。

高溫處理采用開放式大田增溫方式：借助工業(yè)用大功率暖風(fēng)機(20 kW)，由自帶風(fēng)扇輸送出的熱風(fēng)依次到達總輸風(fēng)帶、小麥行間的支風(fēng)帶，熱風(fēng)由支風(fēng)帶上大小分布均勻的風(fēng)口擴散到田間，從而達到均勻增溫的效果。高溫脅迫時間為 10:00-16:00，脅迫期間田間氣溫比周圍自然環(huán)境溫度高4～7 ℃，濕度維持在43.52%左右，高溫期間日均溫濕度見圖1。其他管理措施與高產(chǎn)田相同。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 溫濕度監(jiān)測

將迷你型溫濕度實時監(jiān)測記錄儀(RC-4HA/C)懸掛于旗葉層位置，每隔1 min測定一次空氣溫濕度，直至高溫脅迫結(jié)束。

1.2.2 光合作用相關(guān)參數(shù)的測定

每個處理均從花后18 d開始，每4 d測定一次光合參數(shù)，共計4次。采用CIRAS-3(PP Systems公司，英國)便攜式光合作用測定系統(tǒng)，于每天上午9:00-11:30測定旗葉光合速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度等指標(biāo)。

1.2.3 葉綠素含量的測定

從花后18 d開始在各小區(qū)長勢均勻一致的區(qū)域選取15片旗葉。參照Lichtenthaler[23]的方法提取葉綠素，應(yīng)用紫外可見分光光度計在470、649和665 nm下測定吸光度值(A470、A649和A665)。每4 d取樣一次，共計4次。按照公式“葉綠素含量=1 000A470-20.05Ca- 114.8Cb)/245”、“Ca=13.95A665-6.88A649”、和“Cb=24.96A649-7.32A665”計算葉綠素 含量。

1.2.4 快速葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)曲線測定

在測定前將小麥旗葉暗適應(yīng)30 min，然后暴露在飽和脈沖光(PFD=3 000 μmol·m-2·s-1)下1s，用M-PEA連續(xù)激發(fā)式熒光儀(Hansatech，UK)測定快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線(OJIP熒光誘導(dǎo)曲線)及相關(guān)參數(shù)[24]。根據(jù)?z等[25]的方法, 將OJIP曲線進行標(biāo)準(zhǔn)化, 通過JIP-test對OJIP曲線進行分析。在同一處理小區(qū)內(nèi)測定6株。

NT:自然溫度；HT:高溫處理溫度；NH：自然濕度；HH：高溫處理濕度。

1.2.5 抗氧化酶活性和丙二醛含量的測定

自花后18 d起每4 d取旗葉樣一次，4次樣品-80 ℃下保存。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用過氧化氫法測定。丙二醛(MDA)含量參照趙世杰等[26]的方法測定。

1.2.6 旗葉類囊體膜組分及其配比的測定

根據(jù)Dunahay等[27]方法進行類囊體膜的制備，參照俞紅國等[28]方法提取膜脂，膜脂甲酯化后，取上清液，采用日本島津公司GCMS-QP2010 Plus型氣質(zhì)聯(lián)用儀檢測脂肪酸。脂肪酸標(biāo)準(zhǔn)樣品購自Sigma公司。計算不飽和脂肪酸指數(shù)(IUFA)。

IUFA=[W(C16∶1)+W(C18∶1)+2× W(C18∶2)+3×W(C18∶3)]

式中，C16∶1、C18∶1、C18∶2和C18∶3分別代表棕櫚烯酸、油酸、亞油酸和亞麻酸；W為脂肪酸相對含量(%)或摩爾數(shù)。

1.2.7 植株干物質(zhì)的測定

開花期和成熟期在各小區(qū)選取長勢均勻的區(qū)域，隨機取50個小麥植株單莖，按莖(包括葉鞘)、葉、穎殼(包括穗軸)或穗、籽粒進行分樣，于烘箱105 ℃下殺青30 min后，并在75 ℃下烘干至恒重，稱干物重。

1.2.8 籽粒產(chǎn)量的測定

在各個小區(qū)隨機選取長勢均勻的區(qū)域3 m2(2 m×6行)，3次重復(fù)，進行人工收割、脫粒，自然風(fēng)干，并進行室內(nèi)考種，測定小麥的含水量和千粒重，最終以籽粒含水量折合為13%計算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)用Excel 2016及DPS 7.05進行統(tǒng)計分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 遲播對灌漿期高溫脅迫下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

與自然溫度(CN)相比，灌漿期高溫(CH)脅迫不影響小麥單位面積穗數(shù)和粒數(shù)，但顯著降低粒重和產(chǎn)量(表1)。在自然溫度下，相對于常規(guī)播期，遲播處理的單位面積穗數(shù)降低6.50%，而穗粒數(shù)則提高6.26%，單位面積粒數(shù)、粒重和產(chǎn)量均無顯著變化。在高溫脅迫下，遲播處理的粒重和產(chǎn)量比常規(guī)播期分別提高4.70%和4.86%，差異均顯著，說明推遲播期可緩解高溫脅迫對小麥粒重的負效應(yīng)，進而提高產(chǎn)量。

表1 遲播對灌漿期高溫脅迫下冬小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 1 Effect of delayed sowing on grain yield and its components of winter wheat under heat stress at late grain-filling stage

2.2 遲播對灌漿期高溫脅迫下小麥花前貯存干物質(zhì)轉(zhuǎn)運和花后干物質(zhì)生產(chǎn)的影響

在相同播期下，與正常溫度相比，高溫脅迫顯著增加了小麥花前營養(yǎng)器官貯存干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率和對籽粒產(chǎn)量的貢獻率，降低了花后干物質(zhì)生產(chǎn)量和貢獻率(表2)。在高溫脅迫下，與常規(guī)播期相比，遲播小麥的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率及貢獻率分別減少25.70%、17.36%和29.18%，花后干物質(zhì)生產(chǎn)量和貢獻率分別增加14.21%和8.86%，表明高溫條件下推遲播期可促進提高小麥花后干物質(zhì)生產(chǎn)，有助于提高粒重和產(chǎn)量。

2.3 遲播對灌漿期高溫脅迫下小麥旗葉葉綠素含量與光合參數(shù)的影響

隨小麥花后的生長發(fā)育，各處理旗葉凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素含量均呈降低趨勢，胞間CO2濃度則呈上升趨勢，且自然溫度下光合速率、蒸騰速率和葉綠素含量高于高溫脅迫，胞間CO2濃度則相反(圖2)。在正常溫度下，遲播的光合速率較常規(guī)播種增加2.32%～ 3.01%；而在高溫條件下，遲播的光合速率較常規(guī)播種增加 2.49%～37.25%。播期也顯著影響小麥旗葉氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和葉綠素含量(圖2)。與常規(guī)播種相比，遲播小麥的氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和葉綠素含量在自然溫度下分別增加 3.98%～6.25%、0.62%～1.87%和 3.77%～12.44%，高溫條件下分別增加 3.98%～ 29.50%、0.72%～3.06%和3.77%～ 54.88%。由此說明推遲播期可緩解高溫脅迫對小麥光合作用的抑制效應(yīng)。

圖2 推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫下旗葉光合速率的影響

2.4 遲播對灌漿期高溫脅迫下小麥旗葉抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

播期顯著影響冬小麥旗葉SOD、POD、CAT活性和MDA含量(圖3)。相對于常規(guī)播期，在正常溫度和高溫脅迫下遲播小麥的SOD活性分別提高3.11%～8.23%和3.11%～25.05%，POD活性分別提高6.18%～7.33%和4.97%～17.35%，CAT活性分別提高12.86%～31.44%和12.86%～56.69%，而MDA含量分別降低 7.96%～20.21%和12.59%～23.62%。這表明推遲播期可顯著提高小麥灌漿后期活性氧清除能力，減輕灌漿后期高溫脅迫對小麥造成的過氧化損傷。

圖3 推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫旗葉抗氧化酶活性和MDA含量的影響

2.5 遲播對灌漿期高溫脅迫下小麥旗葉類囊體膜脂肪酸組分相對含量及配比的影響

由測定結(jié)果(表3)可知，與常規(guī)播期相比，遲播冬小麥的旗葉類囊體膜中棕櫚酸(C16∶0)、硬脂酸(C18∶0)和油酸(C18∶1)相對含量降低，棕櫚烯酸(C16∶1)和亞麻酸(C18∶3)相對含量增加，而亞油酸(C18∶2)相對含量無明顯變化規(guī)律。其中，在正常溫度和高溫脅迫下，亞麻酸含量增幅分別為2.05%～5.75%和0.89%～ 18.02%，棕櫚酸含量降幅分別為3.83%～ 8.80%和3.94%～ 16.81%，硬脂酸含量降幅分別為8.67%～27.75%和 25.52%～34.64%。播期也顯著影響冬小麥旗葉類囊體膜不飽和脂肪酸含量、飽和脂肪酸含量、不飽和脂肪酸指數(shù)(圖4)。與常規(guī)播期相比，遲播小麥的不飽和脂肪酸含量在正常溫度和高溫脅迫下分別增加 2.14%～4.04%和2.14%～ 13.07%，飽和脂肪酸含量分別減少8.33%～ 11.84%和11.84%～ 20.29%，不飽和脂肪酸指數(shù)分別增加2.14%～ 4.13%和2.14%～ 13.07%。這表明，推遲播期條件下小麥旗葉類囊體膜不飽和脂肪酸含量的增加主要是由亞麻酸相對含量的增加而引起的，飽和脂肪酸含量的降低主要是由于棕櫚酸和硬脂酸含量的共同降低所致，從而導(dǎo)致小麥具有相對較高的不飽和脂肪酸指數(shù)。

圖4 推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫下旗葉類囊體膜相關(guān)脂肪酸指標(biāo)的影響

表3 推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫下旗葉類囊體膜脂肪酸組分相對含量的影響Table 3 Effect of delayed sowing on relative content of fatty acid composition of thylakoid membrane in wheat under heat stress at late grain-filling stage %

2.6 遲播對灌漿期高溫脅迫下小麥旗葉熒光特性的影響

由灌漿期旗葉快速葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動力學(xué)曲線(OJIP曲線)可知，高溫脅迫前JIP-test曲線基本不受播期的影響，說明此時播期對PSⅡ供體側(cè)和受體側(cè)的影響較小。而高溫脅迫后，遲播處理的JIP-test曲線在J點和I點顯著低于常規(guī)播期，表明高溫脅迫下常規(guī)播期處理葉片QA-QB的電子傳遞過程受阻嚴重(圖5)。

圖5 推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫下相對可變熒光強度的影響

播期顯著影響冬小麥旗葉單位面積內(nèi)有活性的反應(yīng)中心數(shù)目(RC/CSm)、捕獲的光能(TRo/CSm)、電子傳遞的量子產(chǎn)額(ETo/CSm)和用于熱耗散的能量(DIo/RC)。在正常溫度和高溫脅迫下，與常規(guī)播期相比，遲播條件下，RC/CSm分別增加4.32%～38.55%和4.32%～101.17%，TRo/CSm分別增加0.58%～16.51%和0.58%～39.24%，ETo/CSm分別增加4.56%～ 11.76%和4.56%～50.03%，而DIo/RC分別降低5.24%～13.51%和0.98%～6.86%(表4)。在吸收光能的分配比率方面，播期顯著影響最大光化學(xué)效率(ΦPo)、捕獲的電子向電子傳遞鏈傳遞的效率(ψo)、用于電子傳遞的量子產(chǎn)額(ΦEo)以及用于熱耗散的量子比率(ΦDo)。在正常溫度和高溫脅迫下，遲播小麥較常規(guī)播期ΦPo分別增加 1.19%～9.05%和1.48%～11.44%、ψo分別增加1.10%～ 24.46%和4.08%～48.88%、ΦEo分別增加2.94%～28.55%和 5.46%～69.43%，而ΦDo分別降低3.10%～9.32%和2.15%～ 23.57%(表5)。以上結(jié)果表明，遲播小麥的旗葉中有較高比例的能量進入電子傳遞，提高了光化學(xué)反應(yīng)中可以利用的能量，而常規(guī)播期下旗葉中有較高比例的能量用于熱耗散方面，且高溫脅迫下推遲播期效應(yīng)更顯著。

表4 推遲播期對冬小麥灌漿后期高溫脅迫旗葉單位橫截面積能量分配的影響Table 4 Effect of delayed sowing on the energy fluxes per cross sectional area in wheat flag leaves under heat stress at late grain-filling stage

3 討 論

冬小麥灌漿后期是籽粒充實的關(guān)鍵時期，此階段高溫脅迫會影響小麥籽粒灌漿進而影響產(chǎn)量[29-30]。本試驗中，在自然溫度下，由于兩播期間單位面積粒數(shù)和粒重均差異不顯著，因此兩播期下產(chǎn)量也無顯著差異，這與Dai等[20]和Yin等[21]研究結(jié)果一致。而相對于常規(guī)播期，高溫脅迫下推遲播期可在單位面積粒數(shù)不變條件下通過提高小麥粒重實現(xiàn)增產(chǎn)，表明推遲播期是一項有效應(yīng)對小麥灌漿后期高溫脅迫的栽培管理措施。而從籽粒光合產(chǎn)物的來源角度分析，高溫脅迫下推遲播期主要是提高了花后干物質(zhì)的生產(chǎn)量及其對產(chǎn)量的貢獻率，進而提高了小麥產(chǎn)量。由此亦說明高溫脅迫下較強的光合能力是遲播小麥耐高溫脅迫的生理基礎(chǔ)。

高溫脅迫顯著影響冬小麥光合作用，光合電子傳遞鏈?zhǔn)枪夂掀鞴僦挟a(chǎn)生活性氧(ROS)的主要來源[31]。高溫脅迫下，PSⅡ的過剩激發(fā)能增加，造成大量ROS產(chǎn)生，進而對光合機構(gòu)造成損傷[32-33]。本試驗中，與常規(guī)播期處理相比，高溫脅迫后遲播小麥的SOD、POD、CAT活性增加，有利于清除更多的ROS，維持ROS的產(chǎn)生與清除的動態(tài)平衡，并降低膜脂過氧化程度，提高冬小麥抗高溫能力。

光合作用過程中的光化學(xué)反應(yīng)和電子傳遞反應(yīng)都發(fā)生在類囊體膜上，而類囊體膜的功能是以流動性和完整性為基礎(chǔ)的。脂肪酸組成能夠影響生物膜的流動性和膜結(jié)合酶活性的高低[34-35]。高溫脅迫下類囊體膜的流動性和電子載體的完整性是PSⅡ?qū)Ω邷仨憫?yīng)敏感的重要原因[4]。本研究中，與常規(guī)播期處理相比，推遲播期通過提高高溫脅迫后旗葉亞麻酸含量，增加不飽和脂肪酸的相對含量，通過減少棕櫚酸和硬脂酸相對含量，進而降低飽和脂肪酸的相對含量，由此提高了不飽和脂肪酸指數(shù)。不飽和脂肪酸指數(shù)是判斷類囊體膜損傷程度的重要標(biāo)志，較低的不飽和脂肪酸指數(shù)值會降低膜的流動性，不利于類囊體膜的穩(wěn)定[36]。本研究中，與常規(guī)播期處理相比，推遲播期后小麥旗葉高溫脅迫下的不飽和脂肪酸指數(shù)值較高，提高了類囊體膜的穩(wěn)定性，進而保持了光化學(xué)反應(yīng)和電子傳遞反應(yīng)的穩(wěn)定性。

在光合機構(gòu)捕獲光能發(fā)生電子傳遞的同時，還有一部分能量以熱和熒光的形式耗散掉，這三者之間互相競爭，任何一者的改變都會導(dǎo)致其他二者發(fā)生變化[37]。OJIP標(biāo)準(zhǔn)化曲線的J點、I點分別與QA的氧化還原狀態(tài)、質(zhì)體醌的氧化還原狀態(tài)有關(guān)[24]。本試驗中，常規(guī)播期處理的J點、I點均比推遲播期處理高，表明高溫脅迫后常規(guī)播期的小麥Q(jìng)A-QB電子傳遞受阻。與常規(guī)播期相比，推遲播期可以利用更多的有活性的反應(yīng)中心來捕獲更多能量，使更多的激發(fā)能進入電子傳遞鏈，從而減少熱耗散，提高在高溫脅迫下光合系統(tǒng)的同化能力。

在Rubisco等酶的催化作用下，植物利用光反應(yīng)所提供的NADPH和ATP，將細胞間隙的CO2轉(zhuǎn)化為糖等有機物。胞間CO2作為暗反應(yīng)的底物，其濃度顯著影響光合速率；胞間CO2濃度與CO2的擴散密切相關(guān)，而其擴散受到氣孔阻力的影響[38-39]。本研究表明，推遲播期后冬小麥氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、光合速率和葉綠素含量均大于常規(guī)播期處理。這說明，與常規(guī)播期相比，推遲播期通過提高氣孔導(dǎo)度提升了胞間CO2濃度，保障了在高溫脅迫下光合作用的底物供應(yīng)，進而獲得較高的光合速率。

綜上所述，高溫脅迫下推遲播期通過提高小麥旗葉類囊體膜不飽和脂肪酸指數(shù)，確保了類囊體膜的穩(wěn)定性，減輕了高溫對小麥旗葉光合機構(gòu)的損傷，并通過提高小麥旗葉的活性氧清除能力，保障光合電子傳遞鏈上的能量傳輸，進而提高光化學(xué)反應(yīng)中可利用能量的分配比例，提高光合系統(tǒng)的同化力；同時通過提高氣孔導(dǎo)度提升胞間CO2濃度，確保光合作用的底物供應(yīng)。總之，遲播冬小麥可在灌漿期高溫脅迫下保持旗葉較高光合速率，保障花后干物質(zhì)生產(chǎn)，進而提高粒重和產(chǎn)量。