花后漬水時長對小麥根系形態(tài)和抗氧化酶活性及產(chǎn)量的影響

馬尚宇,劉雅男，王笑然，姚科郡，黃正來，張文靜，樊永惠

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部黃淮南部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，安徽合肥 230036; 2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210095)

小麥是世界范圍內(nèi)重要的糧食作物之一，其生產(chǎn)對保障全球糧食安全具有重要的意義[1]。長江中下游麥區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)小麥播種面積占全國的20%，產(chǎn)量占全國小麥總產(chǎn)的22%[2]。近年來持續(xù)性降雨等極端氣候事件頻發(fā)，長江中下游小麥在生長中后期常受到漬害脅迫，使根系生長發(fā)育受阻[3]，造成產(chǎn)量減少 20%～50%[4-5]。漬水脅迫會影響小麥正常的有氧呼吸，導(dǎo)致生物量降低50%[6-7]。漬水后小麥根系生物量越到中后期下降幅度越大，在灌漿期漬水10 d和20 d后根系生物量與不漬水處理相比分別下降41.3%和53.6%[8]。小麥種子發(fā)芽后淹水1～4 d和4～8 d時，初生根長度減少93.7%～94.5%；分蘗期和拔節(jié)期分別漬水15 d時，開花期次生根總根長比對照減少20%～31%[9]。盆栽試驗條件下，在小麥群體最大時漬水15 d后，開花期根系平均直徑比不漬水處理高50%，但挑旗期漬水15 d處理下開花期根系平均直徑與不漬水處理無顯著差異[10]。同時，漬水后小麥根系細胞膜脂過氧化程度加劇，大量有害物質(zhì)產(chǎn)生，丙二醛和超氧陰離子自由基含量升高，超氧化物歧化酶活性顯著降低，加速了根系細胞的衰老或死亡[11]。

田間試驗條件下，分蘗期漬水15 d后，小麥產(chǎn)量降低47%，其主要原因是小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)分別降低50%和28%[12]。在盆栽試驗條件下，小麥拔節(jié)期和開花期漬水對穗數(shù)影響不顯著，但降低了穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，且漬水時間越長，三者下降幅度越大[13]。其主要原因是漬水會縮短小麥籽粒灌漿持續(xù)時間，抑制營養(yǎng)器官貯藏物質(zhì)向籽粒的再分配，最終影響粒重，導(dǎo)致其產(chǎn)量下降[14-15]。在小麥分蘗期連續(xù)漬水60 d會減少穗數(shù)和穗粒數(shù)，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低27%[16]。

目前關(guān)于漬水脅迫對小麥根系形態(tài)和根系衰老相關(guān)酶活性的影響已有較多研究，但對于花后漬水對小麥根系形態(tài)和抗氧化酶活性的影響研究較少。本研究選用小麥品種齊民7號和淮麥44為材料，人工模擬花后漬水逆境，分析了花后漬水時長對兩個小麥品種根系形態(tài)和抗氧化酶活性及產(chǎn)量的影響，以期加深認識小麥對漬水脅迫響應(yīng)的機理，為小麥抗?jié)n水栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2018年11月-2019年5月在安徽省合肥市廬江縣郭河鎮(zhèn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)郭河試驗基地(117°01′E,30°57′N)進行，供試材料為小麥品種齊民7號和淮麥44。試驗基地小麥生長季降水量和日平均氣溫如圖1所示。

選用直徑11 cm、長度100 cm的PVC管作為栽培容器。將PVC管埋入田間，使其上沿與地表持平，底部通過溝渠相連，保證小麥生長期間水分的排灌。取田間地表土，過篩后裝入管中，用水把土沉實，重復(fù)多次，最終實現(xiàn)灌水后PVC管中土壤不塌陷，土層距PVC管上沿2～3 cm。播種前土壤pH值為6.30，有機質(zhì)含量23.41 g·kg-1，全氮含量0.99 g·kg-1，堿解氮含量 121.00 mg·kg-1，有效磷含量33.60 mg·kg-1，速效鉀含量356.00 mg·kg-1。播種前每管施有機肥80 g、復(fù)合肥1.7 g、尿素1.08 g，將肥料撒施于管中土壤表層，然后與5 cm以上表層土混勻。播種時間為2018年11月1日，收獲時間為2019年5月28日，每個品種種植100管。每管播種3粒，小麥三葉期后定苗，每管留苗1株。小麥拔節(jié)期每管追施純氮0.5 g。其他管理措施按照大田高產(chǎn)要求進行。

漬水處理前，PVC管底部溝渠開放，地上部正常灌溉。開花期開始漬水，每個品種設(shè)置0 d、3 d、6 d和9 d四個漬水時長，分別用W0、W3、W6和W9表示。漬水處理開始后，封閉PVC管底部溝渠，從地上部灌水，使土壤表層保持1 cm水層，漬水處理結(jié)束后打開底部溝渠將水排凈，之后保持正常灌溉。W0處理保持PVC管底部溝渠開放，地上部正常灌溉。開花后每7 d進行一次調(diào)查取樣，取樣時將PVC管從土壤中取出，用高壓水槍沖洗PVC管中的土壤，然后迅速將根系與地上部分開，洗凈后測定各項指標。每處理每次取樣6管，其中三管用于掃描根系形態(tài)，另外3管用于測定抗氧化酶活性等指標。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根系形態(tài)及干重測定

將根系洗凈后使用WinRHIZO Pro2016根系形態(tài)掃描儀進行根系形態(tài)掃描，并分析根系平均直徑、總根體積和總根長數(shù)據(jù)，然后將其置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量根干重。

1.2.2 根系丙二醛(MDA)含量和抗氧化酶活性測定

將洗凈后的根系放入液氮中保存，帶回實驗室測定MDA含量及抗氧化酶活性。其中，MDA含量用硫代巴比妥酸法測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性用NBT光化還原法測定；過氧化物酶(POD)活性用紫外吸收法測定；過氧化氫酶(CAT)活性用紫外線吸收法測定[17]。

1.2.3 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素測定

成熟期各處理調(diào)查5管有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，并收獲脫粒，籽粒自然晾干后測定千粒重及含水率，折算為含水量13%的產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2019進行數(shù)據(jù)計算和繪圖，用SPSS 10.0進行單因素方差分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 花后漬水時長對小麥根系平均直徑的影響

由表1可知，花后0 d和7 d，齊民7號和淮麥44的根系平均直徑在不同漬水處理之間無顯著差異?；ê?4 d，齊民7號和淮麥44根系平均直徑在W6和W9處理間無顯著差異，但二處理均顯著低于W0和W3處理；W0和W3處理之間無顯著差異。花后21 d，齊民7號和淮麥44的W9處理根系平均直徑顯著低于其他處理；其次為W6處理；W3和W0處理的根系平均直徑最大，二者之間無顯著差異。以上結(jié)果表明，花后漬水3 d對小麥根系平均直徑無顯著影響，漬水6 d和9 d會顯著降低灌漿中后期根系平均直徑。

表1 不同漬水時長下小麥根系平均直徑

2.2 花后漬水時長對小麥根系總體積的影響

由表2可知，花后0 d和7 d，兩個品種的根系總體積在不同處理間無顯著差異。花后14 d和21 d，齊民7號和淮麥44的根系總體積在W3與W0處理間均無顯著差異，W6和W9處理的根系總體積顯著低于W0和W3處理，且W9處理顯著低于W6處理，表明漬水3 d對小麥根系總體積無顯著影響，隨著漬水時長的增加，小麥根系總體積顯著減小。

表2 不同漬水時長下小麥系總體積

2.3 花后漬水時長對小麥總根長的影響

由表3可知，花后0 d和7 d，兩品種的總根長在不同處理間無顯著差異?；ê?4 d，兩品種W9處理的總根長顯著低于其他處理，其他處理之間無顯著差異?；ê?1 d，兩品種W0與W3處理的總根長顯著高于W6和W9處理，W0與W3處理之間無顯著差異，W9處理的總根長顯著低于W6處理。這表明，花后漬水3 d對小麥總根長無顯著影響，漬水9 d會導(dǎo)致小麥灌漿中后期總根長顯著下降。

表3 不同漬水時長下小麥總根長

2.4 花后漬水時長對小麥根系干重的影響

由表4可知，花后0 d、7 d和14 d，兩品種根系干重在不同漬水處理之間無顯著差異?；ê?1 d，齊民7號和淮麥44 W6和W9處理的根系干重均顯著低于W0和W3處理。這說明漬水時長增加會導(dǎo)致小麥灌漿后期根系干重顯著下降。

表4 不同漬水時長下小麥根系干重

2.5 花后漬水時長對小麥根系丙二醛(MDA)含量的影響

由圖2可知，在花后7 d、14 d和21 d時，兩個品種的W6和W9處理根系MDA含量均顯著高于W0和W3處理，W0和W3處理之間無顯著差異；花后7 d，W6和W9處理間無顯著差異；花后14 d和21 d，W9處理的根系MDA含量顯著高于W6處理。這表明，花后漬水3 d對小麥根系MDA含量無顯著影響，漬水6 d和9 d會導(dǎo)致根系MDA含量顯著增加，加劇膜脂過氧化程度。

圖柱上不同小寫字母表示同一時間不同漬水時長間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.6 花后漬水時長對小麥根系超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

由圖3可知，花后7 d和14 d，齊民7號的W6和W9處理根系SOD活性顯著低于W0和W3處理，W6和W9處理之間無顯著差異；花后21 d，W9處理根系SOD活性顯著低于其他處理?；贷?4花后7 d的根系SOD活性在不同處理間無顯著差異；花后14 d和21 d，W6和W9處理的根系SOD活性顯著低于W0和W3處理，且W9處理的根系SOD活性顯著低于W6處理，W0和W3處理之間無顯著差異。以上試驗結(jié)果表明，隨著漬水時長的增加和生育進程的推進，小麥根系的SOD活性顯著降低，其中漬水6 d和9 d后小麥灌漿中期根系SOD活性顯著下降。

圖3 不同漬水時長下小麥根系超氧化物歧化酶(SOD)活性

2.7 花后漬水時長對小麥根系過氧化物酶(POD)活性的影響

由圖4可知，花后7 d，齊民7號的根系POD活性在不同處理之間無顯著差異；花后14 d和21 d，W6和W9處理的POD活性顯著高于W0和W3處理，W9處理顯著高于W6處理，但W0和W3處理之間無顯著差異。淮麥44花后7 d的根系POD活性在不同處理之間無顯著差異；花后14 d，W9和W6處理間無顯著差異，但均顯著高于W0和W3處理，W3處理顯著高于W0處理；花后21 d，W9處理的POD活性顯著高于W6處理，W0和W3處理的POD活性最低。因此，隨漬水天數(shù)的增加，小麥根系POD活性呈上升趨勢，漬水6 d和9 d時根系POD活性顯著提高。

圖4 不同漬水時長下小麥根系過氧化物酶(POD)活性

2.8 花后漬水時長對小麥根系過氧化氫酶(CAT)活性的影響

由圖5可知，花后7 d和14 d，齊民7號和淮麥44的根系CAT活性在不同處理之間無顯著差異；花后21 d，W3處理的根系CAT活性與W0處理無顯著差異，W6和W9處理的CAT活性均顯著低于W0和W3處理，且W9處理的CAT活性顯著低于W6處理。這表明，漬水3 d對小麥根系CAT活性無顯著影響，漬水6 d和漬水9 d均顯著降低了小麥灌漿后期根系CAT活性。

圖5 不同漬水時長下小麥根系過氧化氫酶(CAT)活性

2.9 花后漬水時長對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表5可知，漬水對兩品種有效穗數(shù)無顯著影響；穗粒數(shù)均表現(xiàn)為W9處理顯著低于其他處理，其他處理之間無顯著差異；千粒重和產(chǎn)量均為W0>W3>W6>W9。隨漬水時長的增加，產(chǎn)量損失率增加，漬水9 d時兩品種的產(chǎn)量損失率均達到51%以上。這表明花后漬水主要通過影響籽粒灌漿，導(dǎo)致成熟期千粒重顯著降低，進而引起產(chǎn)量下降，并且漬水時間越長，產(chǎn)量損失越大。

表5 不同漬水時長下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討 論

3.1 花后漬水時長對小麥根系形態(tài)的影響

研究表明，對出苗后30 d的小麥連續(xù)漬水 28 d后，初生根數(shù)顯著增加，但初生根長度和次生根數(shù)顯著下降，分蘗數(shù)減少56.25%[18]；但Malik等對出苗后21 d的小麥連續(xù)漬水28 d后，發(fā)現(xiàn)初生根數(shù)減少50%以上，次生根數(shù)減少35%，分蘗數(shù)減少高達75%[19]。這可能與兩者的試驗條件及所用品種不同有關(guān)。盆栽試驗條件下，小麥播種后18～28 d進行漬水處理后，苗期次生根數(shù)較不漬水處理減少了12.50%，根系干重較不漬水處理降低了27.45%[20]。也有研究指出，小麥生育前期遭受漬水脅迫后，不定根增多，總根長大、分蘗能力強的小麥品種產(chǎn)量高[9]。本研究選用齊民7號和淮麥44兩個小麥品種，以柱栽方式種植，在開花后設(shè)置不同漬水時長，結(jié)果表明，花后漬水3 d對根系平均直徑、總根體積、總根長和根干重等無顯著影響，漬水6 d和9 d后灌漿中后期各指標均顯著下降，導(dǎo)致最終千粒重和產(chǎn)量顯著降低。

3.2 花后漬水時長對小麥根系抗氧化酶活性的影響

在植物受到漬水脅迫時無氧呼吸產(chǎn)生乳酸、乙醛、MDA等有毒物質(zhì)，影響細胞的新陳代謝，導(dǎo)致電解質(zhì)在細胞內(nèi)的滲透和其吸收功能的喪失[21]。有研究表明，小麥拔節(jié)期漬水7 d后旗葉POD活性顯著降低[22]；孕穗期漬水10 d后，旗葉MDA含量較不漬水處理提高了10.42%，加劇了膜脂過氧化程度，加速了旗葉衰老進程[23]。也有研究結(jié)果顯示，孕穗期漬水5 d后，小麥根系MDA含量增加22%，SOD活性降低5%[3]。有研究者認為，漬水過程中小麥根系SOD及POD活性的變化是先增強而后下降，但SOD活性在漬水3 d左右開始下降，POD活性在漬水10 d以后才由峰值下降[24]。本試驗結(jié)果表明，花后短期漬水(漬水3 d)對小麥根系MDA含量、POD活性、SOD和CAT活性無顯著影響，漬水時長增加到6 d以上時，根系SOD活性和CAT活性顯著下降，而MDA含量和POD活性顯著增加，說明本試驗條件下，花后短期漬水不會對小麥根系造成傷害，延長漬水時間會導(dǎo)致根系膜脂過氧化水平提高，但小麥能通過提高POD活性緩解根系內(nèi)過氧化物過多積累對生物膜結(jié)構(gòu)的破壞。

3.3 花后漬水時長對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

有研究認為，在小麥生長早期漬水會推遲小麥分蘗，但能顯著提高分蘗能力，對穗數(shù)不會產(chǎn)生顯著影響[25]。分蘗期漬水40 d和60 d后小麥產(chǎn)量分別減少19%和30%，其主要原因是漬水影響了小穗形成，最終導(dǎo)致穗粒數(shù)顯著降低[26]。田間晚播試驗條件下，小麥主莖4葉齡前漬水15 d后，產(chǎn)量降低40%；主莖10葉齡至開花期漬水15 d后，產(chǎn)量降低92%，其中穗粒數(shù)降低50%，千粒重降低83%；開花后漬水15 d后，產(chǎn)量降低60%，其中穗粒數(shù)無明顯變化，千粒重降低55%[27]。也有研究發(fā)現(xiàn)，花前漬水24 d后小麥產(chǎn)量比不漬水處理低50.00%[28]；而花后漬水25 d后產(chǎn)量比不漬水處理低73.90%[29]。本研究在田間柱栽試驗條件下于小麥開花后設(shè)置不同漬水時長，結(jié)果表明，隨漬水時長的增加，千粒重和最終產(chǎn)量顯著下降，漬水9 d處理的穗粒數(shù)也出現(xiàn)明顯下降，兩品種漬水9 d處理的產(chǎn)量損失率均達到51%以上。