水分虧缺條件下褪黑素對春小麥光合特性及產(chǎn)量性狀的影響

葉君，于美玲，曹夢龍，崔國惠，王小兵，吳曉華，張海斌，趙軒微，李元清，李娟，路戰(zhàn)遠(yuǎn)，，耿志勇

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北保定071001；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010031；3.內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特010020；4.奈曼旗新鎮(zhèn)綜合保障和技術(shù)推廣中心，內(nèi)蒙古新鎮(zhèn)028300）

春小麥?zhǔn)俏覈饕目诩Z作物，在作物生產(chǎn)中占有重要地位。內(nèi)蒙古春麥區(qū)是國家重要小麥商品糧生產(chǎn)基地，常年播種面積近66.67萬hm2[1-2]。隨著全球氣候不斷變暖，水分虧缺頻繁發(fā)生，特別對于春小麥水地品種而言，水分虧缺嚴(yán)重制約其種植范圍及產(chǎn)量的挖潛[3-4]?；ê笏痔澣币种菩←湽δ苋~片光合同化能力，并對籽粒干物質(zhì)積累帶來一系列無法逆轉(zhuǎn)的影響，導(dǎo)致小麥減產(chǎn)[5-6]。近年來，植物生長調(diào)節(jié)劑由于具有高效且見效快的特點(diǎn)而廣泛用于調(diào)節(jié)作物生長和抗逆能力。因此，探索綠色的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)是增強(qiáng)春小麥適應(yīng)能力、應(yīng)對水分虧缺頻繁發(fā)生的重要途徑[7-8]。

褪黑素是一種吲哚類色胺，分子式是C13H16N2O2，相對分子量為232.27，它是一種激素類物質(zhì)，存在于從藻類到人類等眾多生物。褪黑素是在牛松果體里發(fā)現(xiàn)的，很長一段時(shí)間內(nèi)人們認(rèn)為褪黑素是動(dòng)物特有的一種神經(jīng)激素。從1995年開始，不同學(xué)者先后使用高效液相色譜和放射免疫法從植物組織檢測出褪黑素[9-11]。此后，正式開啟有關(guān)植物內(nèi)源褪黑素研究。研究表明，不同植物的褪黑素含量差異很大，同一植物的不同器官中褪黑素含量也不盡相同[12]。

隨著研究深入，褪黑素被證明在植物中具有多種功能，包括調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育，如改變花期、延緩葉片衰老、促進(jìn)側(cè)根生長等；此外，外施褪黑素還可增強(qiáng)植物應(yīng)對多種逆境的能力，如干旱、高溫、冷害、鹽害等[13-16]。盡管褪黑素在應(yīng)對逆境的研究上已有報(bào)道，但還存在很大的局限性。前期研究主要針對園藝作物，而且多數(shù)集中于苗期。以大田糧食作物為研究對象較少，特別是針對春小麥產(chǎn)量的影響，鮮見報(bào)道。因此，本研究以春小麥水地主栽品種為試驗(yàn)材料，通過大田試驗(yàn)，研究水分虧缺條件下褪黑素對春小麥光合特性及產(chǎn)量性狀的調(diào)控作用，為春小麥抗逆栽培措施提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以內(nèi)蒙古春小麥水地主栽品種農(nóng)麥2號與永良4號為試驗(yàn)材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田（40°46′N，111°40′E）開展。年平均氣溫6.7℃，海拔1 040 m，無霜期為130～134 d。前茬作物為玉米，土質(zhì)為壤土。2019年小麥生育期內(nèi)月平均氣溫和月降水量見圖1。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積4.0 m×3.0 m=12.0 m2，小區(qū)之間設(shè)置保護(hù)行。播種量為675萬粒/hm2，其他田間管理同大田。試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行以下4個(gè)處理，3次重復(fù)。①正常灌水：全生育期灌水4次，分別于苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期進(jìn)行。每次灌水量均為60 mm。播種前，農(nóng)麥2號與永良4號種子分別用蒸餾水黑暗浸種1 d。小麥開花開始用蒸餾水噴施，共噴施3次，每次相隔7 d，每次每小區(qū)用量為500 mL。②水分虧缺：全生育期灌水1次，于苗期進(jìn)行。灌水量為60 mm。播種前，農(nóng)麥2號與永良4號種子分別用蒸餾水黑暗浸種1 d。小麥開花開始用蒸餾水噴施，共噴施3次，每次相隔7 d，每次每小區(qū)用量為500 mL。③正常灌水+褪黑素：全生育期灌水4次，分別于苗期、拔節(jié)期、抽穗期和灌漿期進(jìn)行。每次灌水量均為60 mm。播種前，農(nóng)麥2號與永良4號種子分別用褪黑素（100 μmol/L）黑暗浸種1 d。小麥開花開始用褪黑素（100 mmol/L）噴施，共噴施3次，每次相隔7 d，每次每小區(qū)用量為500 mL。④水分虧缺+褪黑素：全生育期灌水1次，于苗期進(jìn)行。灌水量為60 mm。播種前，農(nóng)麥2號與永良4號種子分別用褪黑素（100 μmol/L）黑暗浸種1 d。小麥開花開始用褪黑素（100 mmol/L）噴施，共噴施3次，每次相隔7 d，每次每小區(qū)用量為500 mL。

圖1 2019年試驗(yàn)點(diǎn)氣象條件

1.3 數(shù)據(jù)測定及方法

1.3.1 月平均氣溫與降水量通過玉泉區(qū)農(nóng)業(yè)氣象站獲取。

1.3.2 土壤含水量在春小麥灌漿期（花后25 d）通過打土鉆取0～100 cm土層土樣，20 cm為1層，置于鋁盒中，采用烘干法測定土壤水分指標(biāo)。

1.3.3 葉綠素含量在春小麥灌漿期（花后25 d）通過SPAD分析儀（SPAD-502，Konica-Minolta，Japan）測定功能葉片葉綠素相對含量SPAD值。

1.3.4 光合速率在春小麥灌漿期（花后25 d），于9：00—11：00使用便攜式光合分析儀測定（LI-6400XT；LI-COR Biosciences，Lincoln，USA）測定功能葉片。光照強(qiáng)度設(shè)為1 000 μmol/（m2·s）。

1.3.5 單株生物量將單株地上部分離，于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重并記錄。

1.3.6 籽粒產(chǎn)量及構(gòu)成因素成熟期測定各小區(qū)籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。籽粒產(chǎn)量通過小區(qū)實(shí)際的籽粒產(chǎn)量折合成公頃產(chǎn)量，穗數(shù)通過代表性1 m2的穗數(shù)折合成公頃穗數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 18.0軟件及RStudio-1.2.5019軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過最小顯著性（LSD）分析平均值的差異性（P＜0.05）。為了便于統(tǒng)計(jì)分析，常用的名詞術(shù)語用英文縮寫替代（表1）。

表1 常用名詞英文名稱及縮寫

2 結(jié)果與分析

2.1 春小麥灌漿期不同處理土壤含水量的變化

由圖2可知，在春小麥灌漿期，正常灌水處理的土壤含水量維持在14.28%～19.02%。其中，0～20 cm土層土壤含水量維持在14.28%～15.96%，20～40 cm土層土壤含水量維持在15.64%～16.33%，40～60 cm土層土壤含水量維持在16.48%～17.42%，60～80 cm土層土壤含水量維持在17.56%～19.02%，80～100 cm土層土壤含水量維持在16.44%～18.95%。水分虧缺處理的土層土壤含水量維持在7.00%～12.95%。其中，0～20 cm土層土壤含水量維持在7.32%～9.53%，20～40 cm土層土壤含水量維持在7.00%～9.49%，40～60 cm土層土壤含水量維持在8.26%～10.45%，60～80 cm土層土壤含水量維持在8.94%～10.96%，80～100 cm土層土壤含水量維持在11.08%～12.95%。褪黑素處理后，土壤含水量沒有顯著影響（P＞0.05）。隨著土層深度的加大，土壤含水量有逐漸升高的趨勢，總的來看，正常灌水處理的土壤含水量顯著高于水分虧缺處理（P＜0.05）。

圖2 灌漿期不同處理土壤含水量

2.2 褪黑素對春小麥SPAD值的影響

較高的葉綠素含量是保證葉片光合能力的重要因素。由圖3可知，正常灌水處理下，W+NM2+M處理SPAD值為40.18，較W+NM2處理降低0.59%，差異不顯著（P＞0.05），W+YL4+M處理SPAD為43.5，較W+YL4提高4.62%，差異不顯著（P＞0.05）；水分虧缺處理下，D+NM2+M處理SPAD值為31.08，較D+NM2處理提高7.62%，差異不顯著（P＞0.05），D+YL4+M處理SPAD值為32.38，較D+YL4處理提高8.73%，差異不顯著（P＞0.05）。

圖3 春小麥灌漿期不同處理旗葉葉綠素相對含量

2.3 褪黑素對春小麥光合速率的影響

充足的水分供應(yīng)能夠維持葉片較高的光合速率，延長葉片光合作用時(shí)間。由圖4可知，不同處理的光合速率差異顯著。水分虧缺條件下各處理光合速率顯著低于正常灌水處理。正常灌水處理下，W+NM2+M處理光合速率21.18 CO2μmol/（m2·s），較W+NM2處理降低6.20%，差異不顯著（P＞0.05），W+YL4+M處理光合速率24.50 CO2μmol/（m2·s），較W+YL4提高14.38%，差異顯著（P＜0.05）；水分虧缺處理下，D+NM2+M處理光合速率15.08 CO2μmol/（m2·s），較D+NM2處理提高9.43%，差異不顯著（P＞0.05），D+YL4+M處理光合速率16.38 CO2μmol/（m2·s），較D+YL4處理提高42.68%，差異顯著（P＜0.05）。

圖4 春小麥灌漿期不同處理旗葉光合速率

2.4 褪黑素對春小麥單株生物量的影響

由圖5可知，不同處理的生物量差異顯著（P＜0.05）。水分虧缺條件下各處理單株生物量顯著低于正常灌水處理（P＜0.05）。正常灌水處理下，W+NM2+M處理單株生物量6.29 g，較W+NM2處理提高2.92%，差異不顯著（P＞0.05），W+YL4+M處理單株生物量6.59 g，較W+YL4提高7.02%，差異顯著（P＜0.05）；水分虧缺處理下，D+NM2+M處理單株生物量5.28 g，較D+NM2處理提高8.6%，差異顯著（P＜0.05），D+YL4+M處理單株生物量5.58 g，較D+YL4處理提高9.32%，差異顯著（P＜0.05）。

圖5 春小麥成熟期不同處理單株生物量

2.5 褪黑素對春小麥籽粒產(chǎn)量及構(gòu)成因素的影響

由表2可知，水分虧缺條件下處理籽粒產(chǎn)量顯著低于正常灌水處理（P＜0.05），減產(chǎn)19.01%～20.35%。品種間產(chǎn)量表現(xiàn)沒有顯著差異（P＞0.05）。褪黑素處理后，NM2和YL4的籽粒產(chǎn)量得到不同程度的提高。正常灌水處理下，W+NM2+M處理產(chǎn)量7 066 kg/hm2，較W+NM2處理增產(chǎn)8.09%，差異顯著（P＜0.05），W+YL4+M處理產(chǎn)量7 449 kg/hm2，較W+YL4增產(chǎn)10.65%，差異顯著（P＜0.05）；水分虧缺處理下，D+NM2+M處理產(chǎn)量6 106 kg/hm2，較D+NM2處理增產(chǎn)17.27%，差異顯著（P＜0.05），D+YL4+M處理產(chǎn)量6 172 kg/hm2，較D+YL4處理增產(chǎn)13.19%，差異顯著（P＜0.05）。從構(gòu)成因素來看，千粒重和穗粒數(shù)表現(xiàn)尤為顯著。正常灌水處理下，W+NM2+M處理千粒重48.12 g，較W+NM2處理提高9.39%，差異顯著（P＜0.05），W+YL4+M處理千粒重47.45 g，較W+YL4處理提高7.74%，差異顯著（P＜0.05）；水分虧缺處理下，D+NM2+M處理千粒重37.95 g，較D+NM2處理提高15.21%，差異顯著（P＜0.05），D+YL4+M處理千粒重34.26 g，較D+YL4處理提高3.08%，差異不顯著（P＞0.05）。另外，W+NM2+M處理下穗粒數(shù)42，較W+NM2提高5.00%，差異不顯著（P＞0.05），W+YL4+M處理穗粒數(shù)43，較W+YL4提高4.88%，差異顯著（P＜0.05）。D+NM2+M穗粒數(shù)處理穗粒數(shù)34，較D+NM2提高6.25%，差異不顯著（P＞0.05）。D+YL4+M處理穗粒數(shù)36，較D+YL4提高9.09%，差異顯著（P＜0.05）。

表2 不同處理籽粒產(chǎn)量及構(gòu)成因素

2.6 主要表型性狀的相關(guān)性分析

由圖6可知，各處理主要表型性狀均表現(xiàn)出較高的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.85～0.99，尤其是籽粒產(chǎn)量與其他表型性狀的相關(guān)性表現(xiàn)顯著。其中，GYPH與SNPH的相關(guān)系數(shù)為0.95，與TKW的相關(guān)系數(shù)為0.93，與GNPS的相關(guān)系數(shù)為0.96，與BPP的相關(guān)系數(shù)為0.97，與PN的相關(guān)系數(shù)為0.92，與SPAD的相關(guān)系數(shù)為0.93。產(chǎn)量構(gòu)成因素之間也表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性。其中，SNPH與TKW的相關(guān)系數(shù)為0.85，與GNPS的相關(guān)系數(shù)為0.92；與GNPS的相關(guān)系數(shù)為0.95。

圖6 主要表型性狀的相關(guān)性熱圖

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)中，褪黑素處理改善了春小麥籽粒產(chǎn)量，特別在水分虧缺條件下，這種改善作用更加明顯。褪黑素處理比對照增產(chǎn)13.19%～17.27%（表2）。在前人研究中，綠豆和冬小麥也報(bào)告了類似的增產(chǎn)趨勢[17-18]。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，褪黑素處理對春小麥千粒重和穗粒數(shù)改善效果尤為顯著（表2）。正常灌水處理下，褪黑素處理后千粒重提高7.74%～9.39%，水分虧缺處理下，褪黑素處理千粒重提高3.08%～15.21%。另外，正常灌水處理下，褪黑素處理的穗粒數(shù)提高4.88%～5.00%；水分虧缺處理下，褪黑素處理穗粒數(shù)提高6.25%～9.09%。上述結(jié)果表明，褪黑素不僅可以改善春小麥籽粒產(chǎn)量，也對春小麥應(yīng)對水分虧缺的能力具有重要價(jià)值。

相關(guān)性分析表明，籽粒產(chǎn)量的提高與生物量累積密切相關(guān)（圖6）。研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素處理可以促進(jìn)生長，顯著增加生物量的積累。前期研究也有類似的結(jié)果[19-21]。生物量高效的積累要?dú)w于光合同化能力的改善。本試驗(yàn)研究中，無論是正常灌水還是水分虧缺條件下，褪黑素處理的小麥葉片不同程度地維持了較高的葉綠素含量與光合速率，從而增強(qiáng)了植株光合同化能力。這與前期研究結(jié)果印證[14]，褪黑素作為一種抗氧化劑及抗氧化系統(tǒng)的調(diào)節(jié)劑可有效清除葉綠體內(nèi)過量的活性氧，延緩葉綠素的降解，保持生物膜的流動(dòng)性，從而保護(hù)光合系統(tǒng)免遭氧化損傷而維持較高的光合能力。