褪黑素對干旱脅迫下小麥生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響

苗含笑，李東曉,王久紅，孫亞倩，劉 立，劉 睿，李紅葉

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院省部共建華北作物改良與調(diào)控國家重點實驗室河北省作物生長調(diào)控實驗室，河北 保定 071000)

水資源短缺是制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的全球性問題。近年來，我國冬春季節(jié)干旱已成為制約小麥持續(xù)增產(chǎn)的關(guān)鍵生態(tài)因素[1]。此外，受華北地區(qū)地下水資源嚴(yán)重不足限制，通過增加種植面積和灌溉面積提高小麥產(chǎn)量的難度越來越大，而增強小麥個體生產(chǎn)力逐漸成為高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑。褪黑素作為一種色胺類激素，在提高作物的抗逆境能力上表現(xiàn)突出[2]，它可以促進(jìn)胚芽鞘、側(cè)根生長[3-4]，改變花期[5]，延緩葉片衰老，提高作物生產(chǎn)力[6-7]。環(huán)境脅迫可以增加植物的內(nèi)源褪黑素含量，其作為一個重要的抗氧化劑能促進(jìn)植物抵御生物或非生物脅迫，如增強植物對干旱、鹽害、重金屬、高溫、冷害等多種逆境的抗性[8-9]。因此，外施褪黑素在旱地麥區(qū)對持續(xù)提高植物的抗逆性將具有廣闊的應(yīng)用前景。

褪黑素可通過提高活性氧清除酶系活性以及抗氧化物質(zhì)的含量來清除干旱脅迫引起的氧化脅迫，進(jìn)而上調(diào)植株自身防御因子的轉(zhuǎn)錄水平，以增強植物對干旱的抵御能力[10-13]。小麥幼苗受到干旱脅迫后，根施褪黑素處理的植株表現(xiàn)出較好的水分狀況和較輕的氧化傷害，有利于其維持較高的光合能力，從而提高其抗旱性及恢復(fù)生長的能力[10]。外施0.5 mmol·L-1褪黑素可以增強田間小麥苗期的耐旱能力，降低細(xì)胞膜損害，保護葉綠體基粒片層完整，提高光合速率，維持細(xì)胞膨壓和植株持水能力，同時增加谷胱甘肽、抗壞血酸含量及其基因表達(dá)，增強抗氧化能力[14]。孟祥萍[15]利用褪黑素引發(fā)小麥種子后明顯促進(jìn)了水分脅迫下小麥穗、莖、葉生物量的積累，顯著增加了灌漿期水分脅迫下小麥的經(jīng)濟產(chǎn)量、經(jīng)濟系數(shù)和生物學(xué)產(chǎn)量。Li等[16]發(fā)現(xiàn)不同褪黑素濃度對不同小麥品種發(fā)揮的生理效應(yīng)不同。目前，褪黑素改善作物抗逆效果的機理等方面積累了很多研究[17-20]，但有關(guān)不同褪黑素濃度對華北地區(qū)小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量影響的研究鮮見報道。本研究以華北地區(qū)抗旱性不同的‘濟麥22號’和‘衡觀35’為供試材料，研究褪黑素對干旱脅迫下小麥植株形態(tài)和產(chǎn)量的影響，以明確其對干旱脅迫下小麥生長狀況的改善程度，分析其作用機理，為保證小麥在干旱脅迫下的增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為‘濟麥22號’和‘衡觀35’。其中，‘衡觀35’由河北省農(nóng)林科學(xué)院衡水旱作農(nóng)業(yè)研究所提供，抗旱性較強；濟麥22號由山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，抗旱性一般。

1.2 試驗處理

本試驗在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)重點實驗室的大型人工氣候室進(jìn)行，共設(shè)6個處理：正常水分(CK)、水分虧缺(D)、D+1 μmol·L-1褪黑素、D+10 μmol·L-1褪黑素、D+100 μmol·L-1褪黑素、D+300 μmol·L-1褪黑素處理。采用栽培箱土培，栽培箱大小為長×寬×高=55 cm×41 cm×36 cm。土壤取自農(nóng)田表層0～20 cm土壤，風(fēng)干后碾碎，混勻并裝箱，每箱土壤干重為73.5 kg，施基肥量為磷酸二銨5.9 g、尿素7.5 g和硫酸鉀(50%)11.8 g。每箱澆灌水79.82 mm，待土壤相對含水量達(dá)75%，使用小鏟人工破碎、翻整土層15 cm。播種日期為2017年1月14日，每箱播種3行，每行35粒，行距10 cm。

自小麥穗分化期開始，采用稱重法控制水分。正常水分(CK)處理每個栽培箱補水79.82 mm，補水下限為55.43 mm，即相對含水量控制范圍為60%～80%；虧缺處理(D)則補水55.43 mm(相對含水量為40%～60%)，補水下限為24.39 mm。CK和D處理的小麥種子為蒸餾水包衣，褪黑素處理的小麥種子分別使用1、10、100、300 μmol·L-1褪黑素(M8600，分析純，北京索萊寶科技有限公司)溶液包衣，每個處理重復(fù)3次。春化階段設(shè)置人工氣候室晝/夜溫度9℃/7℃，12 h/12 h，春化時間約40 d。返青及后期生長階段設(shè)定溫度20℃/15℃(晝/夜)，14 h/10 h(晝/夜)，光照28 000～30 000 lx，相對濕度為60%。7 d左右稱重一次，按照設(shè)定處理澆水并計算階段耗水量[21](圖1)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高 在拔節(jié)期、抽穗期、開花期，每處理隨機選取5株，用刻度尺測量，以小麥地上部莖基部到頂端的長度為準(zhǔn)。

1.3.2 葉面積(LA) 與株高測定植株一致，用刻度尺量取小麥植株每片完全展開葉完整葉片的長度和最大寬度。計算公式為：LA=L×W×K。其中，L為葉片長度(cm)，W為葉片最寬處的寬度(cm)，K為小麥葉面積系數(shù)，取0.83[22]。

1.3.3 葉綠素相對含量(SPAD值) 在抽穗期、開花前期、開花后期、灌漿期，利用葉綠素測定儀(SPAD-502，Minolta Camera Co. Ltd，日本)測量小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD值)，每處理測定5株，單株讀數(shù)5次，取平均值。

1.3.4 干物質(zhì)量 與株高測定植株一致，待前期指標(biāo)測量完后，將植株穗、葉、莖稈分別裝袋做好標(biāo)記，105℃殺青30 min，于75℃烘干至恒重稱量。收獲之后每處理隨機選取10株小麥植株測定干物質(zhì)量。

1.3.5 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素 收獲后統(tǒng)計各處理每箱小麥的總穗數(shù)；隨機取長勢一致的10株小麥，人工脫粒，記錄單株穗粒數(shù)，取均值；各處理隨機取100粒進(jìn)行稱重，計算出千粒重(g)，重復(fù)3次取均值。產(chǎn)量(kg·hm-2)=穗數(shù)(穗·箱-1)×穗粒數(shù)×千粒重/(0.2255×100)

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行繪圖和數(shù)據(jù)分析，選用SPSS 17.0軟件中Duncan法進(jìn)行顯著性比較(α=0.05和α=0.01)。

2 結(jié)果與分析

2.1 褪黑素對干旱脅迫下小麥產(chǎn)量的影響

由表1可知，與對照CK相比，D處理‘濟麥22號’的產(chǎn)量顯著降低，降幅為25.43%；千粒重則顯著增加，增幅為18.43%。D+100 μmol·L-1處理的產(chǎn)量顯著高于D處理，增幅為24.73%，這與該處理下千粒重顯著高于其他處理有關(guān)。干旱顯著降低了‘濟麥22’的穗數(shù)，外施300 μmol·L-1褪黑素后得到緩解，但未恢復(fù)至對照水平。‘衡觀35’同樣表現(xiàn)為D處理的穗數(shù)顯著低于CK，降幅為37.09%，施加褪黑素未顯著改善；但D處理的穗粒數(shù)、千粒重顯著高于CK，增幅分別為21.46%和32.63%，因此兩處理間產(chǎn)量無顯著差異。D+10 μmol·L-1處理下穗粒數(shù)與千粒重均顯著高于CK，增幅分別為17.41%和39.05%；產(chǎn)量亦顯著增加，增幅為10.46%。D+100 μmol·L-1和D+300 μmol·L-1處理下的穗粒數(shù)和千粒重也均顯著高于CK，但產(chǎn)量顯著降低，降幅分別為23.81%和24.94%，這與兩處理下穗數(shù)降幅較大有關(guān)，分別較CK降低43.19%和46.95%。

2.2 褪黑素對干旱脅迫下小麥株高的影響

由圖2A可知，‘濟麥22號’的株高表現(xiàn)為CK和D處理之間差異不顯著，在D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1處理下株高改善比較明顯。其中，D+1 μmol·L-1處理下的株高值最大，且在抽穗期、開花期顯著高于其他處理；D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理下株高在3個時期均顯著高于CK和D?！庥^35’的株高在拔節(jié)期表現(xiàn)為D顯著高于其他處理；抽穗期表現(xiàn)為D+300 μmol·L-1顯著高于D和CK處理；開花期則為D及褪黑素處理與CK差異均不顯著，而D+100 μmol·L-1處理下株高顯著低于D及其他褪黑素處理(圖2B)。以上結(jié)果說明，在干旱條件下，不同濃度褪黑素對小麥株高的影響不同，且與品種的抗旱性相關(guān)。

圖1 各處理生育期耗水量Fig.1 Water consumption of different treatments during growing season

表1 不同褪黑素濃度對干旱脅迫下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量要素的影響

2.3 褪黑素對干旱脅迫下小麥葉面積的影響

由圖3A可知，在D+300 μmol·L-1處理下，‘濟麥22號’的葉面積在拔節(jié)期、抽穗期、開花期均最低，且顯著低于對照，分別降低了33.01%、26.80%、22.86%，而其他處理與對照之間均沒有顯著差異?！庥^35’的葉面積表現(xiàn)為拔節(jié)期各處理間差異不顯著(圖3B)；抽穗期，D+300 μmol·L-1處理的葉面積顯著高于其他處理；開花期，D處理的葉面積顯著低于對照，降幅為19.21%。施加褪黑素處理后并無顯著改善效應(yīng)。

注：同一時期不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note: Different letters in the same growth stage mean significant difference (P<0.05)，the same below．圖2 不同處理各生育期小麥株高的變化Fig.2 Effect of melatonin on plant height of wheatunder different treatments

2.4 褪黑素對干旱脅迫下小麥旗葉葉綠素含量的影響

由表2可知，抽穗期和開花后期，‘濟麥22號’各處理間的SPAD值差異不顯著。開花前期，D+10 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理的SPAD值顯著高于其他處理，分別比對照增加4.36%和3.73%；灌漿期，D+10 μmol·L-1及以上各濃度褪黑素處理的SPAD顯著高于對照，增幅分別為10.19%、8.66%、11.36%。‘衡觀35’不同處理間的SPAD值在抽穗期和灌漿期均無顯著差異。開花前期，D處理的SPAD顯著低于CK，降幅為6.16%，而不同濃度褪黑素處理后均可明顯改善D處理下的SPAD，達(dá)到與CK無顯著差異水平；開花后期，D+100 μmol·L-1處理的SPAD值最高，比D處理顯著提高了10.94%。

2.5 褪黑素對干旱脅迫下小麥干物質(zhì)積累及分配的影響

2.5.1 褪黑素對干旱脅迫下小麥地上各部位干重的影響 由表3可知，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，‘濟麥22號’的穗干重在各處理下大多呈增長趨勢，且在成熟期達(dá)到最大值。在開花期，除D+300 μmol·L-1外，其余處理的穗干重均顯著高于對照；D+10 μmol·L-1顯著高于其他處理。灌漿期，D+100 μmol·L-1的穗干重最大，顯著高于其他處理。成熟期，與CK相比，D+10 μmol·L-1處理下的穗干重顯著降低，而D、D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理下的穗干重顯著增加，其中，D+100 μmol·L-1處理下的穗干重最大，顯著高于其他處理。莖桿干重表現(xiàn)為：開花期，D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1比D處理顯著增加，而與CK無顯著差異；灌漿期，D+300 μmol·L-1顯著低于其他處理；成熟期，D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1顯著高于D和CK，且以D+100μmol·L-1的莖稈干重最高。葉干重表現(xiàn)為：開花期，D+1 μmol·L-1顯著高于D、D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1處理，與CK差異不顯著；灌漿期，D+300 μmol·L-1的葉干重顯著低于其他處理，其他各處理間無顯著變化；成熟期，D和D+100μmol·L-1處理均與CK無顯著差異，其余褪黑素處理下的葉干重顯著低于CK。

圖3 不同處理各生育期小麥葉面積的變化Fig.3 Effect of melatonin on leaf area of wheat underdifferent treatments

‘衡觀35’的穗干重在3個時期D處理均顯著高于CK。開花期，各處理的穗干重均顯著高于對照，其中D+300 μmol·L-1的穗干重顯著高于其他處理；灌漿期，褪黑素處理的穗干重均與D無顯著差異，而D+100 μmol·L-1的值最大；成熟期，D+10 μmol·L-1處理的穗干重顯著高于其他處理。莖桿干重表現(xiàn)為：開花期，D以及各褪黑素處理均顯著高于CK，且D+300 μmol·L-1顯著高于其他處理；灌漿期，D+10 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1處理均顯著高于D，且D+300 μmol·L-1顯著高于CK；成熟期，D、D+1 μmol·L-1、D+10 μmol·L-1顯著高于其他處理，三者間無顯著差異。葉干重表現(xiàn)為：開花期，D、D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理與CK無顯著差異，D+300 μmol·L-1處理下的葉干重值最高，且顯著高于其他處理;灌漿期，D的葉干重顯著低于CK，施加褪黑素亦無改善效應(yīng);成熟期，D、D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1與對照無顯著差異，D+10μmol·L-1、D+300 μmol·L-1則顯著降低。

2.5.2 褪黑素對干旱脅迫下小麥各部位干重分配比的影響 由圖4A可知，開花期，D處理下‘濟麥22號’的莖稈干重分配比較對照減少了13.94%，穗干重分配比增加了37.60%。褪黑素各處理的莖稈干重分配比與對照差異不明顯，但分別比D增加了11.67%、5.32%、19.99%、13.47%；其中，D+10 μmol·L-1的穗干重分配比較CK處理增加了33.35%。灌漿期，D、D+1 μmol·L-1、D+10 μmol·L-1的莖稈干重分配比較對照分別增加8.79%、12.05%、5.44%，穗干重分配比分別減少了8.65%、14.73%、10.16%；D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1的穗干重分配比分別較D處理增加了18.46%和23.97%。成熟期，D、D+300 μmol·L-1的穗干重比較對照有所增加，而葉干重比較對照分別降低了9.79%和55.87%。

表2 不同處理小麥旗葉SPAD值的變化

表3 不同處理小麥地上部各器官干重的變化/g

由圖4B可知，‘衡觀35’的干物質(zhì)積累分配也是由葉片和莖桿逐漸轉(zhuǎn)移到穗部。開花期，D和各褪黑素處理的莖稈和穗干重分配比之和較對照分別增加了10.27%、8.64%、18.29%、11.85和7.34%。至灌漿期，穗部干物質(zhì)積累加快，各處理的穗干重分配比較對照分別增長了34.14%、22.44%、22.84%、35.75%、14.07%；相應(yīng)地，葉片干重分配比較對照下降，莖稈變化不明顯。成熟期，D及各褪黑素處理的莖稈和穗干重分配比之和較對照有所增加，但增幅不大；葉片干重變化不明顯；D、D+10 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1的穗干重分配比較對照分別增加了5.43%、6.69%和5.48%。

注 Note: 1-CK;2-D;3-D+1 μmol·L-1;4-D+10 μmol·L-1;5-D+100 μmol·L-1;6-D+300 μmol·L-1。圖4 各處理不同生育期小麥不同器官干重的分配比Fig.4 The allocation ratios of melatonin on dry weight in each organ under all treatments at different stages

3 討論與結(jié)論

研究表明，褪黑素引發(fā)小麥種子可提高小麥成穗數(shù)、增加單穗穗重，進(jìn)而增加產(chǎn)量[23]。在干旱脅迫下，褪黑素處理促進(jìn)了小麥穗、莖、葉的生物量積累,并顯著增加了小麥的產(chǎn)量[15]。本試驗結(jié)果顯示，干旱主要降低了小麥穗數(shù)，施加褪黑素可以促進(jìn)干物質(zhì)向籽粒的運轉(zhuǎn)和積累，增加粒重，以保證和提高產(chǎn)量。濟麥22號在D+100 μmol·L-1褪黑素處理下產(chǎn)量顯著高于D處理，這主要在于千粒重的顯著提高，而總穗數(shù)和穗粒數(shù)變化不明顯。千粒重的提高主要是由于該品種從開花期開始在D+100 μmol·L-1褪黑素濃度處理下麥穗干重顯著增高。此外，干旱脅迫下施加不同濃度褪黑素處理均對濟麥22號開花前期的SPAD和后期的株高有促進(jìn)作用，為積累較多的干物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。這與前人研究得出褪黑素可以通過促進(jìn)株高和葉面積增加，進(jìn)而提高植株生產(chǎn)力的結(jié)論基本一致[24]。衡觀35的產(chǎn)量在D+10 μmol·L-1褪黑素處理下有明顯提高，主要是由于千粒重和成熟期的穗部干物質(zhì)分配比顯著增加。褪黑素處理對該品種的株高以及拔節(jié)和開花期葉面積的作用并不明顯，說明褪黑素的類生長素效應(yīng)目前仍存在一定爭議[25-26]。

不同褪黑素濃度的抗旱效應(yīng)不同。有研究表明，干旱脅迫后，施加褪黑素處理明顯延緩小麥葉綠素的降解速度，使小麥葉片維持較高的葉綠素含量和光合能力[10]。本試驗結(jié)果顯示，在開花期，施加1 μmol·L-1、100 μmol·L-1、300 μmol·L-1褪黑素對D處理下衡觀35的SPAD值有顯著提高效應(yīng)，尤其100 μmol·L-1褪黑素發(fā)揮作用時間較長，這說明植株葉片光合生理具有動態(tài)變化性，不同濃度褪黑素在改善葉片生理過程中對光合色素的敏感性不同，調(diào)控機制也可能不同[27-28]。而100 μmol·L-1、300 μmol·L-1褪黑素處理并未增加最終產(chǎn)量，甚至是顯著降低了衡觀35的產(chǎn)量。同樣，濟麥22號的產(chǎn)量在100 μmol·L-1褪黑素處理下提高幅度最大，300 μmol·L-1褪黑素處理的提高幅度有所降低。褪黑素處理未顯著增加干旱脅迫下濟麥22號的葉面積，甚至300 μmol·L-1降低了干旱脅迫下的葉面積，這可能由于高濃度褪黑素抑制了葉片細(xì)胞面積、細(xì)胞數(shù)目以及細(xì)胞分化率[29]的增加，從而對產(chǎn)量產(chǎn)生一定的抑制效應(yīng)[30]。

此外，不同品種施加褪黑素后產(chǎn)生的效應(yīng)也不同。干旱脅迫明顯抑制作物的生長發(fā)育，褪黑素對干旱脅迫下小麥株高有顯著性影響，由于2個品種抗旱性不同，不同褪黑素濃度對其影響也有差異。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下施加不同濃度褪黑素處理均對濟麥22號株高有明顯促進(jìn)作用，而對衡觀35株高的影響不顯著。由于該品種可能屬于較抗旱品種，褪黑素包衣處理對其無明顯改善作用，甚至后期D+100 μmol·L-1褪黑素的小麥株高顯著低于D處理。從產(chǎn)量角度分析，干旱顯著降低濟麥22號的產(chǎn)量，而衡觀35屬于抗旱品種，D處理的產(chǎn)量與對照并無顯著性差異，這可能與水分相對不足或有限虧缺條件下，抗旱品種能加速同化物向籽粒轉(zhuǎn)運，提高收獲指數(shù)[31-32]有關(guān)。施加褪黑素可使?jié)?2號在干旱脅迫中的產(chǎn)量最高增幅達(dá)24.73%，可使衡觀35在干旱脅迫中產(chǎn)量最高增幅達(dá)10.46%(表1)，可能是因為褪黑素處理種子對強勢粒和弱勢粒的影響效應(yīng)不同[23]。在本試驗水分虧缺條件下，衡觀35能很好地發(fā)揮品種優(yōu)勢，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)作物和品種特性合理選用適宜濃度的褪黑素等調(diào)節(jié)物質(zhì)。

綜上所述，干旱脅迫降低了濟麥22號的產(chǎn)量，施加褪黑素可以通過增加株高、葉面積和儲存干物質(zhì)的重量，保持較高的穗粒數(shù)和籽粒重量來補償水分缺失帶來的產(chǎn)量損失，以D+100 μmol·L-1褪黑素處理的效果較佳；衡觀35在本試驗干旱條件下，產(chǎn)量并未降低，施加10 μmol·L-1褪黑素對該品種產(chǎn)量有明顯提高效果，主要是增加了穗部干物質(zhì)積累和千粒重；而過高褪黑素濃度(100 μmol·L-1、300 μmol·L-1)則降低了干旱條件下該品種的產(chǎn)量水平。因此，干旱脅迫下，應(yīng)根據(jù)小麥品種特性，合理、適量施加褪黑素以改善小麥植株形態(tài)和促進(jìn)產(chǎn)量提升。