低溫脅迫對小麥葉綠素熒光參數(shù)及產量的響應

岳俊芹，張素瑜，李向東，邵運輝，方保停，葛勝修，王漢芳，張德奇，楊 程，時艷華，秦 峰

(1.河南省農業(yè)科學院小麥研究所，小麥國家工程實驗室，農業(yè)部黃淮中部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，農業(yè)部中原地區(qū)作物栽培科學觀測實驗站，河南省小麥生物學重點實驗室，河南鄭州 450002；2.克明面業(yè)股份有限公司，湖南長沙 410004)

近年來隨著全球氣候變暖，極端低溫發(fā)生的頻率、強度和持續(xù)時間均在不斷加強[1-3]，其對農業(yè)生產的災害性影響日益加重。低溫凍害是河南小麥生產常見的氣象災害之一，已成為限制小麥高產和優(yōu)質的重要因素[4-5]。拔節(jié)期是小麥生長發(fā)育、幼穗分化的重要時期，此時小麥對溫度變化的反應極其敏感，低溫脅迫后小麥分蘗節(jié)會全部或部分凍死，導致不可逆轉的傷害[6]。因此，前人對小麥拔節(jié)期低溫脅迫效應的研究較多。河南省每年在3月下旬至4月上旬常有寒潮侵襲，此時期凍害后小麥易因穗粒數(shù)減少而減產[7-8]。試驗結果顯示，拔節(jié)期低溫脅迫后，小麥品種泰山6426、泰山4033 和濟麥22的葉綠素含量均呈現(xiàn)下降趨勢，下降的幅度因品種而異，且低溫脅迫對葉綠素熒光參數(shù)也有明顯影響,除泰山6426外,其余2個品種Fv/Fm均顯著下降[9]。有研究者認為，低溫主要是通過降低葉片ΦPSⅡ和qP，使小麥光合速率下降，進而降低小麥干物質積累量，導致減產[10]。綜合來看，目前在相關小麥低溫效應研究中，處理設置多以單一品種或單一溫度為主[11-12]，研究內容也以低溫對光合和生理特性的影響分析居多[9,13-17]，而對不同低溫條件下多個小麥品種的葉片熒光參數(shù)變化報道不多。本試驗利用人工氣候室模擬低溫逆境，研究拔節(jié)期不同低溫脅迫對小麥熒光參數(shù)及產量的效應，以期為小麥高產抗低溫逆境栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與田間設計

試驗于2017-2019年在河南省現(xiàn)代農業(yè)研究開發(fā)基地(新鄉(xiāng)市平原新區(qū)，35°00′N，113°40′E)進行，采用柱栽方式。土壤取自大田0～30 cm耕層，為壤土，有機質含量11.58 g·kg-1，全氮含量1.18 g·kg-1，速效氮含量78.4 mg·kg-1，速效磷含量9.0 mg·kg-1，速效鉀含量98.8 mg·kg-1。采用直徑21 cm、長60 cm的圓柱裝土，柱子底部固定紗網，便于裝土。裝土前土壤過篩，裝土后壓實，柱子埋于大田土壤中，柱內土面與地面基本持平。2017年和2018年小麥播種時間均為10月26日播種。選用鄭麥366和新麥26為供試材料。每個品種種植44柱，每個柱子種植15株左右，三葉期定苗，每柱定苗10株，小麥生育期間管理同一般大田。

1.2 低溫處理方法

設5 ℃、0 ℃和-5 ℃3個溫度梯度，以自然條件(平均溫度10 ℃)作為對照(CK)。于3月25日晚上20:00將柱栽小麥移入人工氣候室(每個溫度梯度移入8柱)，進行低溫脅迫處理10 h，第二天早上6:00取出后埋于大田原位置，小麥自然生長至成熟。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 株高構成因素的測定

小麥成熟后每個處理隨機選取10株，分別測量每株倒一節(jié)、倒二節(jié)、倒三節(jié)的長度和總株高，求平均值。

1.3.2 葉綠素相對含量(SPAD)的測定

低溫處理后每7 d，采用日產SPAD-502型葉綠素計，每個柱選取10片最上部展開葉(挑旗后測定旗葉)，每片葉測定一次最寬處的SPAD值，求平均值作為該小區(qū)葉片SPAD值。

1.3.3 葉綠素熒光參數(shù)的測定

小麥低溫處理后每7 d，利用美國 PP SYSTEMS 公司中國總部漢莎科學儀器有限公司生產的FMS2 脈沖調制式熒光儀于上午9：00- 11：00，分別測定一次經過30 min暗適應后的PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和充分進行光適應后的PSⅡ實際光化學效率(ΦPSⅡ)，每個柱測定10片最上部展開葉，求10片葉的平均值。

1.3.4 產量性狀的測定

小麥成熟后收獲每個柱子的全部植株，常規(guī)考種測定穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和單株產量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進行初步處理，用DPS 9.5進行方差分析，用Sigmaplot 10.0作圖。

2 結果與分析

2.1 低溫對小麥株高及節(jié)間長度的影響

隨著處理溫度的降低，2個小麥品種的株高及倒一節(jié)、倒二節(jié)、倒三節(jié)長度均呈下降趨勢(表1)。低溫處理后，新麥26和鄭麥366的株高較CK分別下降4.04%～15.15%和3.76%～ 11.83%，5和0 ℃處理與CK差異均不顯著， -5 ℃處理與CK差異均顯著。從株高構成看，低溫處理對新麥26節(jié)間長度的影響較大，其中對倒一節(jié)長度影響最大，不同處理間差異均顯著；低溫對鄭麥366三個節(jié)間長度的影響較小，三個低溫處理間差異均不顯著，但-5 ℃處理與CK差異均顯著。

表1 不同低溫處理對小麥株高的影響Table 1 Effects of different low temperature stresses on plant height of wheat

2.2 低溫對小麥葉片葉綠素含量(SPAD值)的影響

低溫處理后0～36 d，2個小麥品種的SPAD值變化均不大，從處理后42 d開始呈下降趨勢(圖1)。低溫處理的小麥葉片SPAD值顯著低于CK(新麥26在處理后21 d除外)，且處理溫度越低，SPAD值越小。低溫處理后49 d時，5、0和-5 ℃處理的新麥26 SPAD值相對于CK分別下降4.71%、30.9%和42.6%，鄭麥366分別下降 3.0%、26.5%和37.45%。這說明拔節(jié)期低溫脅迫會導致小麥葉片葉綠素減少，不利于生育中后期光合作用，其中對新麥26的影響較大。

2.3 低溫對小麥葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ的影響

低溫處理后，隨著小麥生育期的延長，2個品種葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ均先下降，在處理后21 d達到最低后又逐漸升高(圖2和圖3)。兩個品種的Fv/Fm和ΦPSⅡ均隨處理溫度的降低而下降，其中新麥26的Fv/Fm在5、0和-5 ℃處理后21 d時分別比CK下降2.54%、4.05%和5.46%，ΦPSⅡ分別下降8.23%、16.58%和21.65%；鄭麥366的Fv/Fm分別下降2.27%、3.54%和 4.41%，ΦPSⅡ分別下降11.09%、13.47%和 17.48%，說明拔節(jié)期低溫脅迫對新麥26的Fv/Fm和ΦPSⅡ的影響大于鄭麥366。

表2 不同低溫脅迫對小麥產量及其構成因素的影響Table 2 Effects of different low temperature stress on yield and its components of wheat

2.4 低溫對小麥產量及其構成因素的影響

由表2可知，與CK相比，低溫脅迫導致小麥單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和單株產量均不同程度降低。新麥26的穗粒數(shù)在低溫(5、0、-5 ℃)處理間差異顯著，鄭麥366的穗粒數(shù)在不同處理間只有-5 ℃處理與CK差異顯著；三個低溫處理中，新麥26和鄭麥366的穗數(shù)和千粒重均與CK差異顯著。新麥26和鄭麥366的低溫處理單株產量降幅分別為29.58%～55.52%和23.65%～47.95%，產量變化均顯著。

3 討 論

低溫凍害是黃淮海麥區(qū)頻發(fā)的自然災害之一,嚴重影響并制約小麥的生長發(fā)育及產量的提高[18-19]。葉綠素是植物重要的光合色素，低溫脅迫下小麥旗葉葉綠素含量下降，可能是低溫脅迫導致植株體內代謝減弱，養(yǎng)分吸收轉運速度下降，抑制葉綠素合成，也可能是因為低溫脅迫產生超氧自由基積累并引發(fā)葉綠素的分解[20]。低溫脅迫對葉片葉綠素合成的抑制程度與低溫程度和品種的耐寒性有關[21]。陳思思等[11]分析得出，在小麥拔節(jié)期，隨低溫程度的增加，揚麥16葉綠素含量呈下降趨勢，-2和-4 ℃脅迫48 h后，葉片葉綠素含量分別比對照降低29.7%和46.6%。Li等[22]研究表明，拔節(jié)期低溫脅迫(5 d低于外界 8 ℃)顯著降低小麥葉片相對葉綠素含量，且低溫處理后7 d葉片葉綠素含量不能恢復到對照水平。本試驗條件下，處理溫度越低，小麥SPAD值越小，說明受低溫脅迫程度越重，新麥26低溫脅迫后SPAD值下降的幅度大于鄭麥366，說明不同品種對低溫的抗性不同[21]。

葉綠素熒光技術能夠快速無損地檢測作物葉片對環(huán)境脅迫的敏感性，近年來被廣泛應用于評估環(huán)境脅迫對作物的影響[23]。低溫脅迫下，大麥葉片葉綠素熒光參數(shù)的變化與低溫程度有關[25]。Li等[22]分析得出，小麥拔節(jié)期低溫脅迫(5 d低于外界8 ℃)顯著降低葉片F(xiàn)v/Fm，且低溫處理7 d后葉片F(xiàn)v/Fm不能恢復到對照水平，表明拔節(jié)期低溫脅迫顯著抑制了小麥葉片光能利用能力。本研究結果表明，低溫脅迫后，小麥葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ隨處理溫度的降低呈下降趨勢，處理后21 d達到最低值，隨后又逐漸恢復。不同品種下降的程度不同，新麥26的Fv/Fm和ΦPSⅡ值在低溫處理21 d時的下降幅度均大于鄭麥366，說明拔節(jié)期低溫脅迫對新麥26葉片F(xiàn)v/Fm和ΦPSⅡ的影響大于鄭麥366。

有關低溫脅迫對小麥產量的影響，已有很多研究[9,27-28]。王永華等[29]研究表明，拔節(jié)期間溫度越低，對小麥危害越重，可造成小麥大面積減產，減產幅度達到40%～60%。本研究結果表明，低溫脅迫下2個品種的單株產量較CK均顯著下降，且降幅隨著脅迫程度的加重總體上呈增大趨勢，低溫脅迫對新麥26影響大于鄭麥366。同時低溫也導致單株穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重下降，說明低溫不利于穗部發(fā)育，進而影響產量形成。這與前人研究規(guī)律一致[29]。

本研究中，設置的溫度梯度較大，測定的日期間隔較長，下一步將會進一步縮小低溫脅迫的梯度，縮短測定時間間隔，探討不同品種在不同低溫脅迫下的致死臨界溫度，以期為小麥春季低溫診斷和及時采取補救措施提供理論支撐。