低溫脅迫下秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗生理指標(biāo)的影響

路正禹，李任任，於麗華，王宇光，耿貴

（1.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

全球人口持續(xù)暴增，導(dǎo)致世界糧食需求量迅猛增加。與此同時(shí)，自然環(huán)境惡化、極端天氣頻發(fā)等問(wèn)題，也造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力不斷下降，其中低溫脅迫對(duì)農(nóng)作物影響尤為嚴(yán)重，已成為世界各國(guó)農(nóng)作物栽培中普遍存在的問(wèn)題[1]。低溫作為農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中不可避免的自然災(zāi)害，是限制其地理分布、生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的重要非生物脅迫之一[2]。低溫脅迫下，植株生理、生化、代謝、分子水平均受影響。其表型常為發(fā)芽不齊、幼苗發(fā)育不良、葉片變黃（黃化）、葉片萎蔫、植物組織壞死等，嚴(yán)重阻礙植物正常生長(zhǎng)發(fā)育[1]。MORADTALAB等[3]研究表明，低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)受抑制，葉片出現(xiàn)枯萎及壞死。CHO 等[4]表明水稻幼苗在低溫下生長(zhǎng)緩慢，分蘗減少，產(chǎn)量顯著降低。此外，ZHANG 等[5]發(fā)現(xiàn)低溫脅迫會(huì)導(dǎo)致水稻小穗不育，且易染病。據(jù)估計(jì)，中國(guó)每年因低溫而損失的稻米為300萬(wàn)t至500萬(wàn)t[6]。因此，低溫冷害問(wèn)題是實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中棘手并急待解決的問(wèn)題，而在幼苗時(shí)期采取物理性防寒措施尤為重要。

中國(guó)古代農(nóng)學(xué)著作《齊民要術(shù)》中對(duì)物理性防寒措施記載豐富[7-8]。其中，秸稈覆蓋作為常見(jiàn)的保護(hù)性耕作措施，可協(xié)調(diào)土壤氣、熱、肥、水[9]，改善作物生長(zhǎng)環(huán)境，從而提升作物產(chǎn)量[10]。近年，有關(guān)秸稈覆蓋的報(bào)道較多，主要集中于旱地土壤水分利用、土壤養(yǎng)分含量、作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量等方面[11]。董云云等[12]發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋蓄水能力隨覆蓋厚度增加而提升，且研究表明秸稈覆蓋下大豆產(chǎn)量提升15.69%～34.61%，水分利用效率提升28.14%～45.71%。徐鵬飛等[13]在研究中發(fā)現(xiàn)，非生長(zhǎng)季秸稈覆蓋處理土壤耗水強(qiáng)度低于常規(guī)露地處理，平均減少37.2 mm。且雨養(yǎng)旱作下,秸稈覆蓋處理春玉米吐絲期葉面積指數(shù)較露地處理提高10%。秸稈還田后土壤全氮、磷含量在一定程度上有所增加[14]。秸稈覆蓋結(jié)合保護(hù)性耕作有利于土壤養(yǎng)分和水稻產(chǎn)量增加[15]。目前，有關(guān)秸稈覆蓋與低溫脅迫的相關(guān)研究較少，甜菜上沒(méi)見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

甜菜為藜科甜菜屬，是我國(guó)北方重要制糖原料，主要種植于內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆地區(qū)。這些地區(qū)早春氣溫低，嚴(yán)重制約甜菜獲得高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。此外，全球溫室效應(yīng)愈演愈烈，導(dǎo)致北半球極端天氣頻發(fā)（主要為極端冷事件），如倒春寒和寒潮等[15]，也嚴(yán)重影響我國(guó)甜菜產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。韓振津[8]在甜菜苗期凍害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，苗齡小抗凍性弱，苗齡大抗凍性強(qiáng)。因此，在植株幼苗弱小時(shí)采取低溫防護(hù)措施十分必要。本試驗(yàn)在甜菜子葉期進(jìn)行秸稈覆蓋低溫脅迫處理，研究秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗抗凍能力和生理特性的影響，以期找出行之有效且適合農(nóng)作物實(shí)際生產(chǎn)的耐低溫策略，這對(duì)于提升實(shí)際生產(chǎn)中甜菜幼苗期耐早春低溫、防寒減災(zāi)、延長(zhǎng)生育期、擴(kuò)大種植范圍等具有重要意義，并可以合理利用秸稈資源，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)再利用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基本情況

供試甜菜品種：‘KWS1176’。試驗(yàn)于2020 年7 月6 日—7 月29 日在黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院光照培養(yǎng)室進(jìn)行。

鄧軍說(shuō)：“還記得有一天下午石老頭兒的課不？我逃課到星光錄像廳看錄像，不一會(huì)你也去了，我喊了你好幾聲，你都沒(méi)有理我，于是我就跟你開了個(gè)玩笑，模仿女孩子的筆跡給你寫了個(gè)約會(huì)的紙條，后來(lái)你就出去了。那天你真的去了？”

1.2 試驗(yàn)方法

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練方法如圖2所示，主要由前向傳播和反向傳播兩部分組成。前向傳播是樣本數(shù)據(jù)由低層到高層逐層傳播的過(guò)程，如果前向傳播得到的輸出值與目標(biāo)值存在誤差，則將誤差從高層往低層反向傳播回網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算誤差梯度，最后利用誤差梯度更新卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)每一層參數(shù)的權(quán)重，達(dá)到自主學(xué)習(xí)的能力。

低溫處理下T0、T1、T2 表型與常溫處理CK 相比差異明顯[圖1(a)]，株高呈遞增趨勢(shì)。其中T0 受凍最嚴(yán)重，與CK、T1、T2均具有明顯差異。圖1(a)表明，隨秸稈覆蓋量不斷增加，甜菜幼苗抗凍能力有所提升。4組處理下甜菜子葉期幼苗對(duì)比發(fā)現(xiàn)[圖1(b)]，T0 子葉受凍嚴(yán)重且下胚軸顏色變黑；T1 子葉皺縮卷曲，有輕微凍害；T2與CK差異不大，無(wú)明顯凍害。

表1 甜菜種子發(fā)芽及生長(zhǎng)期低溫培養(yǎng)箱溫度設(shè)置情況Table 1 Temperature setting of low temperature incubator during germination and growth of sugar beet seeds

表2 甜菜低溫鍛煉期和冷凍期溫度設(shè)置情況Table 2 Temperature setting of sugar beet during low temperature treatment exercise and freezing period

聯(lián)合國(guó)氣候變化公約秘書處（UNFCCC）對(duì)2012年后CDM的分析認(rèn)為，CDM是《京都議定書》的一部分，《京都議定書》是無(wú)限期的一個(gè)合法的框架公約。雖然通過(guò)談判形成的附件Ⅰ國(guó)家減排目標(biāo)是有承諾期的，但是CDM本身是個(gè)長(zhǎng)期的機(jī)制，其延續(xù)性并不依存于特定的承諾期。只要人們?nèi)匀魂P(guān)注氣候變化，關(guān)注人類的生存環(huán)境，即便CDM不存在，也會(huì)有一個(gè)替代機(jī)制。只有市場(chǎng)機(jī)制的參與，才能最有效地調(diào)動(dòng)各方力量解決氣候和環(huán)境問(wèn)題。以2012年年底為分界點(diǎn)，討論三種不同情況下的減排量法律后果。

歷史是一門具有重要教育意義的學(xué)科，在豐富悠久的歷史發(fā)展歷程中包含著幾千年來(lái)人類精神文明發(fā)展的結(jié)晶，在歷史教材中蘊(yùn)含著豐富的歷史文化與人文底蘊(yùn)。那么在進(jìn)行教育教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，同樣需要重視對(duì)學(xué)生人文素養(yǎng)和歷史底蘊(yùn)的培養(yǎng)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的歷史人文性，幫助學(xué)生在今后的學(xué)習(xí)過(guò)程中，能以正確的歷史眼光進(jìn)行辨別與分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用Excel和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

參照呂春華[16]的方法測(cè)定甜菜幼苗干鮮重、相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛（MDA）含量，超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）活性，脯氨酸和可溶性糖含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗生長(zhǎng)狀況的影響

設(shè)置4 組處理：低溫?zé)o秸稈覆蓋處理（T0）、低溫3 g 玉米秸稈覆蓋處理（T1）、低溫5 g 玉米秸稈覆蓋處理（T2）、常溫?zé)o秸稈覆蓋處理（CK），每組處理10 個(gè)重復(fù)。每盆裝入土壤500 g，均勻放置30 ?！甂WS1176’種子，并用100 g 土壤覆蓋。放入培養(yǎng)箱中，培養(yǎng)溫度設(shè)置見(jiàn)表1。待甜菜種子發(fā)芽，生長(zhǎng)至子葉期，進(jìn)行10 h低溫鍛煉處理,鍛煉期溫度和冷凍期溫度設(shè)置見(jiàn)表2。低溫鍛煉處理后取出，放入培養(yǎng)箱中恢復(fù)12 h，隨后進(jìn)行10 h低溫冷凍處理。低溫冷凍處理后取出，放入培養(yǎng)箱中恢復(fù)12 h后，取樣后測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

圖1 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理下甜菜子葉期幼苗(a)生長(zhǎng)情況表型和(b)單株對(duì)比Fig.1 Phenotypic differences of growth(a)and comparison of single-plant(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress with different straw covering treatments

低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理對(duì)甜菜子葉期幼苗鮮重和干重的影響（圖2），4組處理之間均具有顯著性差異（P＜0.05）。由幼苗生長(zhǎng)狀態(tài)、幼苗鮮重和干重可見(jiàn)，秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗有良好防凍效果；秸稈覆蓋量越大，其對(duì)甜菜幼苗保護(hù)能力越強(qiáng)。

本次設(shè)計(jì)中為了使調(diào)試工作比較方便，特意加入了LCD顯示模塊來(lái)顯示超聲波所測(cè)距離。LCD屏幕連接在主控板上。具體電路原理圖如圖6所示。

圖2 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理對(duì)甜菜子葉期幼苗(a)鮮重和(b)干重的影響Fig.2 Effects of different straw covering treatments on fresh weight(a)and dry weight(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

2.2 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞膜透性的影響

常溫處理（CK）甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量低[圖3(b)]。低溫脅迫后，各秸稈覆蓋處理的葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量較CK 均具有顯著性差異（P＜0.05）。其中，T0 較CK 高出99.14%。T1、T2 處理MDA 含量較CK 相比則分別高出57.72%、28.10%。此外，T1、T2 處理MDA 含量較T0 分別減少20.80%、35.67%，其中T2較T0下降幅度最大。試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫脅迫下甜菜葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量顯著提高；甜菜葉片細(xì)胞內(nèi)MDA含量隨著秸稈覆蓋量增加逐漸降低。

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

未經(jīng)低溫脅迫處理（CK）的甜菜葉片相對(duì)電導(dǎo)率較低[圖3(a)]，平均14.39%左右。當(dāng)對(duì)甜菜子葉期幼苗進(jìn)行低溫脅迫處理后，各處理組葉片相對(duì)電導(dǎo)率均有顯著上升，除T1、T2 之間，其他處理之間差異顯著（P＜0.05），T0、T1、T2 處理電導(dǎo)率較CK 分別升高278.89%、201.73%、44.08%，即低溫脅迫下甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞受損，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增強(qiáng)，相對(duì)電導(dǎo)率增加。此外，低溫脅迫下各處理組相對(duì)電導(dǎo)率隨秸稈覆蓋量增加而降低，呈遞減趨勢(shì)。其中T1、T2處理電導(dǎo)率較T0分別減少20.36%、61.97%，且T2較CK 電導(dǎo)率變化提升幅度最小，僅為6.20%。因此推測(cè)，秸稈覆蓋通過(guò)保護(hù)甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞膜，減緩電導(dǎo)率上升幅度。

重慶市兒童愛(ài)心莊園是在重慶市委、市政府的關(guān)心下，按照國(guó)內(nèi)一流標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建造的兒童福利機(jī)構(gòu)，于2011年11月正式開園，主要承擔(dān)孤殘兒童集中收養(yǎng)、保育護(hù)理、康復(fù)治療、特殊教育、科研、培訓(xùn)以及對(duì)全市孤殘兒童養(yǎng)育的指導(dǎo)工作。

圖3 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片(a)相對(duì)電導(dǎo)率和(b)MDA的影響Fig.3 Effects of different straw covering treatments on relative conductivity(a)and MDA(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

2.3 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片抗氧化酶系活性的影響

常溫處理（CK）甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞內(nèi)SOD 活性最低[圖4(a)]。T1、T2 與CK 相比分別提高了19.54%、9.58%，比T0 降低了7.69%、17.48%。與常溫處理CK 相比，低溫脅迫后甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞內(nèi)POD活性顯著上升[圖4(b)]，各處理之間差異顯著（P＜0.05），T0、T1、T2處理POD 活性分別較對(duì)照組CK增加了250%、125%、62.5%。此外，隨著秸稈覆蓋量的增加，POD 活性變化在T0、T1、T2 三個(gè)處理間也有顯著差異（P＜0.05），呈下降趨勢(shì)。其中，T1、T2較T0相比分別減少了35.71%、53.57%。常溫培養(yǎng)下甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞CAT活性相對(duì)較低[圖5(a)]。T0、T1、T2葉片細(xì)胞內(nèi)CAT活性較CK分別增加了79.16%、54.29%、22.77%；T1、T2葉片細(xì)胞內(nèi)CAT活性較T0分別減少了13.88%、31.48%。APX 活性[圖5(b)]，T0與CK 相比差異顯著（P＜0.05），其APX 活性增加了38.77%；T1、T2 與CK 相比差異不顯著。從測(cè)定結(jié)果可以得出，低溫脅迫下甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞內(nèi)各抗氧化酶系活性除APX 外，均顯著提高，且酶活性隨秸稈覆蓋量增加而降低,其中POD酶活性降低幅度最大。

圖4 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片(a)SOD和(b)POD活性的影響Fig.4 Effects of different straw covering treatments treatments on SOD(a)and POD(b)activities of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

圖5 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片(a)CAT和(b)APX活性的影響Fig.5 Effects of different straw covering treatments on CAT(a)and APX(b)activities of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

2.4 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

常溫培養(yǎng)下（CK）甜菜子葉期幼苗葉片游離脯氨酸含量較低[圖6(a)]。幼苗低溫脅迫后，T0、T1、T2 處理游離脯氨酸含量較CK相比均具有顯著性差異（P＜0.05），分別增加了243.47%、89.77%、46.87%，其中T0較CK增長(zhǎng)幅度最大；而T1、T2較CK增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。此外，T1、T2較T0相比減少了44.75%、57.24%。

不同處理之間低溫脅迫下甜菜子葉期幼苗葉片內(nèi)可溶性糖含量差異顯著（P＜0.05），T0、T1、T2 較CK 相比均有不同程度上升[圖6(b)]。其中，T0上升程度最為顯著（P＜0.05），可溶性糖含量較CK 增長(zhǎng)168.87%；T1、T2 較CK 增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小，分別為50.97%、21.18%。此外，T1、T2 較T0 相比分別減少了43.85%、54.93%。綜上，低溫脅迫下甜菜幼苗葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量整體呈遞增趨勢(shì)；秸稈覆蓋后葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量明顯下降，且對(duì)甜菜幼苗保護(hù)能力隨秸稈覆蓋量增加而增強(qiáng)。

圖6 低溫脅迫下不同秸稈覆蓋處理對(duì)甜菜子葉期幼苗葉片(a)脯氨酸和(b)可溶性糖的影響Fig.6 Effects of different straw covering treatments on proline(a)and soluble sugar(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

3 討論與結(jié)論

低溫是影響植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素之一。為確保生存，植物不斷進(jìn)化出一系列應(yīng)對(duì)策略。近年來(lái)，相關(guān)人員對(duì)耐冷機(jī)制進(jìn)行深入探索，并報(bào)道了大量植物冷應(yīng)激反應(yīng)研究，為植物的耐寒和馴化提供有益信息。但實(shí)際生產(chǎn)中，倒春寒等極端天氣依舊嚴(yán)重制約我國(guó)北方地區(qū)的甜菜種植。秸稈覆蓋是物理防寒措施，對(duì)甜菜幼苗起保護(hù)作用。因此，實(shí)際生產(chǎn)中利用秸稈覆蓋進(jìn)行防寒，是具有創(chuàng)新意義且行之有效的解決方法。其不僅適應(yīng)現(xiàn)今農(nóng)作物生產(chǎn)策略，做到資源合理再利用，而且可減少防寒投入，增加甜菜種植戶的利潤(rùn)。

（1）植株葉片相對(duì)電導(dǎo)率反映植物細(xì)胞膜透性，通常用于衡量細(xì)胞膜損害程度[17]。MDA 是膜脂過(guò)氧化作用最終產(chǎn)物[18]，具有細(xì)胞毒性[19]，其含量反映植物逆境脅迫下受損情況[20]。楊豫等人[21]研究表明，低溫處理下不同品種葡萄根系相對(duì)電導(dǎo)率均隨溫度降低而升高。姜琳琳等人[22]研究發(fā)現(xiàn)低溫下蘋果花組織受損嚴(yán)重，且MDA含量呈先增后降最后趨于平穩(wěn)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋通過(guò)保護(hù)甜菜幼苗，有效降低甜菜子葉期幼苗葉片細(xì)胞相對(duì)電導(dǎo)率和MDA 含量。甜菜子葉期幼苗因苗齡過(guò)小、膜系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致幼苗耐低溫能力較弱。而秸稈覆蓋作為防寒措施，可有效保護(hù)甜菜幼苗，維持細(xì)胞膜穩(wěn)態(tài)，減弱低溫脅迫對(duì)幼苗葉片的影響。且秸稈覆蓋量越大，其對(duì)甜菜幼苗保護(hù)能力越強(qiáng)。因此，可以考慮在實(shí)際生產(chǎn)中利用秸稈對(duì)甜菜幼苗進(jìn)行防寒覆蓋。

（2）研究表明抗氧化酶系統(tǒng)是抵御低溫脅迫的有效機(jī)制[23-25]。本研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋各處理組抗氧化酶活性明顯下降，除APX 外各保護(hù)酶活性均隨秸稈覆蓋量增加而降低，且POD活性變化幅度最大。對(duì)此猜測(cè)，葉片抗氧化酶活性降低與秸稈覆蓋量增加有關(guān)。低溫脅迫下甜菜子葉期幼苗葉片中抗氧化酶均維持于較高活性水平以抵御低溫。但受秸稈覆蓋保護(hù)的幼苗，葉片受脅迫程度較輕，導(dǎo)致未完全激活抗氧化酶調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以致各抗氧化酶活性提升幅度較緩。

（3）脯氨酸含量常反映植物適應(yīng)逆境脅迫能力[26-27]，BORMAN 等人[28]研究表明煙草抗冷能力與脯氨酸含量有明顯關(guān)聯(lián)性?？扇苄蕴峭ㄟ^(guò)改變細(xì)胞液濃度和細(xì)胞滲透勢(shì)，防止細(xì)胞脫水。KAMATA 等人[29]發(fā)現(xiàn)植物通過(guò)增加可溶性糖含量以提高滲透壓濃度，減少低溫脅迫產(chǎn)生的危害。本研究表明，低溫脅迫下甜菜子葉期幼苗脯氨酸含量和可溶性糖含量與秸稈覆蓋量呈負(fù)相關(guān)，即秸稈覆蓋在低溫脅迫下對(duì)甜菜幼苗起重要保護(hù)作用。