王玉玲,李新華,喬 紅,歐行奇,何鴻舉,郭景麗,4*
(1.河南科技學(xué)院 生命科技學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.新鄉(xiāng)市農(nóng)樂種業(yè)有限責(zé)任公司,河南 新鄉(xiāng) 453003;3.河南科技學(xué)院 食品學(xué)院,河南 新鄉(xiāng) 453003;4.河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司,河南 新鄉(xiāng) 453003)
河南是我國小麥生產(chǎn)的第一大省,小麥種植面積占全國的1/4,對保障國家糧食安全具有舉足輕重的地位。近年來,氣候變暖,天氣異常,暖冬、冬季低溫、倒春寒和干熱風(fēng)等極端天氣“頻發(fā)、重發(fā)、疊發(fā)”,對實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn),培育和推廣抗逆穩(wěn)產(chǎn)小麥品種已勢在必行。2014年小麥新品種百農(nóng)207通過國家審定,自2016年起,該品種已成為河南省及黃淮南片種植面積第一大高產(chǎn)品種[1],產(chǎn)生了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,對實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中,小麥越冬期抗寒性越差,遭受倒春寒的危害會(huì)越嚴(yán)重。2018 年4 月6 日21:00 至次日6:00,河南滑縣等多地< 0 ℃氣溫持續(xù)約9 h,草面溫度-7.28 ℃,小麥遭受倒春寒嚴(yán)重危害。經(jīng)本課題組調(diào)查,百農(nóng)207和西農(nóng)511平均凍穗率僅4.8%和9.9%,其他6個(gè)品種平均凍穗率達(dá)16%以上,如豐德存5號和鄭麥366平均凍穗率分別達(dá)77.0%和81.3%,可見百農(nóng)207表現(xiàn)出了較好的耐倒春寒能力[2]。小麥品種耐倒春寒能力除與其自身遺傳特性有密切關(guān)系外,還與栽培條件、越冬期耐寒性有關(guān)[3-5]。歐行奇和王玉玲認(rèn)為越冬期抗寒性為春季抗寒性奠定了基礎(chǔ),越冬期抗寒性好,春季抗寒性不一定好,但越冬期抗寒性差,春季抗寒性必然降低[3]。播期是重要的栽培措施,適期播種可以使小麥整個(gè)生育階段處于較佳的溫、光、水等條件下,有利于小麥壯苗、分蘗多、成大蘗,避開不良?xì)夂虻挠绊?,?shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[6-8]。關(guān)于百農(nóng)207播期雖有報(bào)道,但還不能明確適宜播期[9-11],如王玉玲等[9]研究認(rèn)為百農(nóng)207在10月01日、10月08日和10月22日適宜播期下能夠獲得較高的產(chǎn)量,但沒有確定10月15日是否為適宜播期;另外,對于不同播期下百農(nóng)207越冬期耐寒性生理生化方面的評價(jià)還鮮有報(bào)道。鑒此,本試驗(yàn)以周麥18為對照,研究在不同播期下小麥品種百農(nóng)207越冬期根系活力及葉片脯氨酸含量、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、丙二醛含量、SOD活性和POD活性,以期為評價(jià)百農(nóng)207耐寒性及確定適宜黃淮南部麥區(qū)播種時(shí)期提供理論參考。
供試小麥品種為百農(nóng)207和周麥18,屬半冬性,均由河南科技學(xué)院百農(nóng)207小麥育種團(tuán)隊(duì)提供。
試驗(yàn)于2016年10月至2017年6月,在河南省輝縣市北云門鎮(zhèn)河南科技學(xué)院小麥遺傳改良研究中心育種基地進(jìn)行。該基地地勢平坦,土壤肥力中等,灌溉條件好。2016年8月中上旬前茬玉米掩青,播種前一次性基施N 20 kg/hm2,P2O516 kg/hm2和K2O 12 kg/hm2,旋耕混勻。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),每小區(qū)行長8 m,6行,行距0.22 m。試驗(yàn)分為5個(gè)播期,分別為10月08日、10月15日、10月22日、10月29日和11月05日,基本苗均為300萬/hm2。取樣時(shí)期為越冬期(2017年01月19日),在氣溫最低時(shí)(-8 ℃)當(dāng)日上午8:00—10:00,選取生長均勻一致且有代表性的植株,取其上部完全展開葉片,用蒸餾水沖洗3次后,濾紙吸干,剪成小段,用錫箔紙包裹后放于液氮罐速凍,置于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?,用于測定葉片葉綠素、脯氨酸和可溶性蛋白等含量;選取20 cm土層的根系進(jìn)行根系活力測定。
根系活力用TTC法測定,葉綠素含量用丙酮提取法測定,Pro含量用磺基水楊酸提取—茚三酮顯色法測定,Pr 含量用考馬斯亮藍(lán)法測定,MDA 含量用硫代巴比妥顯色法測定,SOD 活性用氮藍(lán)四唑顯色法測定,POD活性用愈創(chuàng)木酚顯色法測定,每項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)3次。
采用DPS?數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行差異顯著性分析,用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制。
在小麥生長發(fā)育過程中,根系活力的強(qiáng)弱與小麥生長狀況有密切關(guān)系,是植物抗寒性鑒定的重要指標(biāo)之一。由圖1可看出,隨著播期推遲,百農(nóng)207和周麥18越冬期根系活力呈“先升高后下降”趨勢,各播期下百農(nóng)207根系活力均顯著高于對照周麥18(P<0.05)。5個(gè)播期中,2個(gè)小麥品種均以10月15日播期根系活力最強(qiáng),百農(nóng)207根系活力較其他播期顯著提高(1.86~2.51倍),周麥18根系活力與10月22日差異不顯著(P<0.05),但顯著高于其他播期(1.04~2.18倍)。百農(nóng)207在10月08日播期有較高的根系活力,10月22日與10月29日播期根系活力持平,而11月05日播期根系活力顯著下降。周麥18在10月15日播期后根系活力下降比較平緩。
圖1 不同播期下小麥越冬期根系活力變化Figure 1 Changes of wheat root activity during overwintering period under different sowing dates
由圖2可知,隨著播期推遲,2個(gè)小麥品種葉片葉綠素含量均呈“先升高后降低”趨勢。各播期百農(nóng)207葉片葉綠素含量均顯著高于周麥18(P<0.05),且以10月15日和10月22日播期葉片葉綠素含量較高,分別為1.14 和1.15 mg/g,顯著高于其他播期(P< 0.05),而周麥18 以10 月15 日葉片葉綠素含量最高,為0.45 mg/g。
圖2 不同播期下小麥越冬期葉片葉綠素含量變化Figure 2 Changes of wheat leaf chlorophyll content during overwintering period under different sowing dates
脯氨酸是一種小分子的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),植物在遭受不良環(huán)境脅迫時(shí)會(huì)積累大量的脯氨酸,其含量可作為逆境脅迫的生理指標(biāo)之一。由圖3可見,隨播期推遲,2個(gè)小麥品種葉片Pro含量變化趨勢基本一致,大體呈先增后降的趨勢。除11月05日播期外,在10月08日至10月29日播期百農(nóng)207葉片Pro含量均顯著高于對照周麥18(P<0.05),百農(nóng)207以10月15日播期葉片Pro含量最高,顯著高于其他播期(P<0.05),而周麥18葉片Pro含量以10月29日播期最高,其次是10月15日播期。
圖3 不同播期下小麥越冬期葉片Pro含量變化Figure 3 Changes of wheat leaf proline(Pro)content during overwintering under different sowing dates
植物在生長和發(fā)育過程中受到逆境脅迫時(shí),會(huì)主動(dòng)合成并積累大量的蛋白質(zhì)和與滲透條件有關(guān)的小分子物質(zhì),以減輕逆境的傷害。很多植物可溶性蛋白質(zhì)含量與抗寒性密切相關(guān)。由圖4可見,隨播期推遲,2個(gè)小麥品種越冬期葉片Pr 含量呈逐漸增加趨勢,在11 月05 日播期達(dá)到了最高值,且差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。5個(gè)播期中百農(nóng)207葉片Pr含量均顯著高于周麥18(P<0.05)。
圖4 不同播期下小麥越冬期葉片Pr含量變化Figure 4 Changes of wheat leaf soluble protein(Pr)content during overwintering period under different sowing dates
小麥遭受到低溫、高溫、鹽害和澇漬等逆境時(shí),會(huì)引發(fā)膜脂的過氧化作用。MDA是植物膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一,其含量高低可作為膜結(jié)構(gòu)損傷程度的一個(gè)重要指標(biāo)。圖5顯示,2個(gè)小麥品種越冬期葉片MDA含量變化趨勢不盡一致,隨播期推遲,百農(nóng)207葉片MDA含量呈逐漸增加,周麥18則呈先上升后下降趨勢,且百農(nóng)207葉片MDA 含量均顯著低于對照周麥18(P<0.05)。同一品種不同播期葉片MDA 含量差異均達(dá)極顯著水平(P<0.05),百農(nóng)207以10月08日和10月15日葉片MDA含量較低,周麥18以10月22日最低,均顯著低于其他播期。
圖5 不同播期下小麥越冬期葉片MDA含量變化Figure 5 Changes of wheat leaf malondialdehyde(MDA)content during overwintering period under different sowing dates
2.6.1 對葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響
圖6 不同播期下小麥越冬期葉片SOD含量變化Figure 6 Changes of wheat leaf SOD activity during overwintering period under different sowing dates
2.6.2 對葉片過氧化物酶(POD)活性的影響
POD是定位于植物葉綠體中清除H2O2的重要保護(hù)酶類,能夠?qū)2O2分解H2O,從而降低H2O2對植物的毒害作用,其活性與植物抗寒性關(guān)系密切。圖7顯示,隨著播期推遲,百農(nóng)207越冬期葉片POD活性呈“先降后升再降”趨勢,而周麥18呈逐漸降低趨勢。各播期下百農(nóng)207葉片POD 活性均高于對照周麥18,且以10月08日和10月29日較高,其次是10月15日和10月22日,11月05日最低。而周麥18葉片POD活性以10月08日播期最高,顯著高于其他播期(P<0.05),10月15日和10月22日播期葉片POD活性無明顯差異。說明小麥品種百農(nóng)207在播期較晚(10月29日)時(shí),有較強(qiáng)的自身調(diào)節(jié)能力,表現(xiàn)為保護(hù)酶活性增強(qiáng),以減輕低溫對小麥活性氧代謝的破壞。
圖7 不同播期下小麥越冬期葉片POD含量變化Figure 7 Changes of wheat leaf POD activity during overwintering period under different sowing dates
小麥根系是吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,其活力高低直接影響著作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量,越冬期至抽穗期抗寒性強(qiáng)的小麥品種根系活力一直高于抗寒性弱的品種[12-14]。本研究中,隨著播期推遲,越冬期2個(gè)小麥品種根系活力呈先升高后下降的趨勢,各播期下百農(nóng)207 根系活力均顯著高于對照周麥18(P<0.05),2個(gè)小麥品種均以10月15日播期根系活力最強(qiáng),說明百農(nóng)207抗寒性強(qiáng)于周麥18,10月15日播期有利于增強(qiáng)2個(gè)小麥品種的根系活力和抗寒性,提高營養(yǎng)吸收能力,促進(jìn)植株健壯生長和發(fā)育。研究還發(fā)現(xiàn),百農(nóng)207根系活力在10月08日播期也較高,而周麥18根系活力最低,表明播種早時(shí)氣溫較高,百農(nóng)207表現(xiàn)出生長發(fā)育穩(wěn)健,周麥18則發(fā)育較快,生長過旺,根系活力相對偏低,因此周麥18不能太早播種。
葉色深淺是葉綠素含量的外觀表現(xiàn),葉綠素含量能夠反映作物葉片光合性能,可作為越冬期抗寒性選擇的一個(gè)簡單有效指標(biāo),低溫脅迫下小麥葉片葉綠素含量明顯下降[15-16]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著播期推遲,2個(gè)小麥品種葉片葉綠素含量均呈先升高后降低趨勢,百農(nóng)207以10月15日和10月22日播期葉片葉綠素含量較高,而周麥18 以10 月15 日最高,各播期下百農(nóng)207 葉綠素含量均高于周麥18。表明在自然低溫脅迫下,播期過早或過晚均會(huì)影響小麥葉綠素的合成,葉綠素含量低。田間觀察發(fā)現(xiàn),百農(nóng)207冬前大分蘗多,葉色深綠,越冬抗寒性較好。
脯氨酸與和可溶性蛋白是植物重要的小分子滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),是植物抗逆性的重耍指標(biāo)[17-18]。在逆境下,植物能夠積累較多的脯氨酸和可溶性蛋白,增強(qiáng)對不良環(huán)境的適應(yīng)性,有效緩解細(xì)胞外結(jié)冰后細(xì)胞失水,保持了細(xì)胞液的流動(dòng)性,增強(qiáng)膜的穩(wěn)定性,減少傷害的發(fā)生,提高植物的耐寒性[19-22]。本研究中,隨播期推遲,2個(gè)小麥品種葉片Pro含量大體呈先增后降的趨勢,這與張軍等[17]研究結(jié)果基本一致;而Pr含量呈逐漸增加趨勢,這與孫淑欣[23]研究結(jié)果相似。試驗(yàn)結(jié)果表明,10月08日至10月29日播期下百農(nóng)207葉片Pro含量和Pr含量均顯著高于對照周麥18(P<0.05),說明在低溫脅迫下,百農(nóng)207能夠產(chǎn)生更多的低溫誘導(dǎo)蛋白,耐寒性優(yōu)于對照周麥18。
在逆境下,植物遭受傷害時(shí),會(huì)發(fā)生膜脂過氧化作用,使膜系統(tǒng)受到損傷,引起膜脂過氧化產(chǎn)物MDA積累,MDA可以較好地評判植物對逆境傷害的抵抗力,其含量低的小麥品種細(xì)胞膜系統(tǒng)受到逆境脅迫傷害越輕,抗寒性強(qiáng)于含量高的品種[24-25]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著播期推遲,百農(nóng)207葉片MDA含量呈逐漸增加趨勢,而周麥18呈先上升后下降趨勢,且百農(nóng)207葉片MDA 含量均顯著低于對照周麥18(P<0.05),說明早播時(shí)百農(nóng)207較周麥18越冬期細(xì)胞膜受到的損傷較少,耐早播能力強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn),百農(nóng)207以10月08日和10月15日較低,而周麥18以10月22日最低,說明不同小麥品種應(yīng)選擇適宜的播種時(shí)期,降低膜脂過氧化作用,減少細(xì)胞膜透性,使細(xì)胞膜受傷害程度減輕。
在低溫脅迫下植物體內(nèi)活性氧的形成和清除之間的平衡被打破,活性氧自由基活性氧積累,就會(huì)損傷細(xì)胞,植物會(huì)啟動(dòng)自身保護(hù)機(jī)制——增強(qiáng)保護(hù)酶活性來提高植物的抗寒性,其活性高低在一定程度上能夠反映植物抗寒性強(qiáng)弱[17,26]。本試驗(yàn)中,不同播期下,百農(nóng)207和周麥18越冬期葉片SOD和POD活性均以10月08日播期最高,10月15日和10月22日較高,且百農(nóng)207葉片SOD和POD活性均高于對照周麥18。究其原因,在10月08日至10月22日播期下,積溫較高,百農(nóng)207冬前生長健壯,根系活力較強(qiáng),葉綠素含量較高,表現(xiàn)出了更強(qiáng)的耐寒性。綜上所述,10月08日至10月15日可作為百農(nóng)207的適宜播期,周麥18應(yīng)適當(dāng)晚播。
在生產(chǎn)實(shí)踐中,百農(nóng)207和周麥18雖然同為半冬性類型品種,但是不同品種幼苗生長速度對溫度的反應(yīng)明顯不同,在同樣溫度和積溫條件下,周麥18生長速度快,表現(xiàn)為葉色淺、葉片薄,百農(nóng)207生長穩(wěn)健,表現(xiàn)為葉色深、葉片厚。因此,在播期偏早的情況下,周麥18凍害嚴(yán)重,百農(nóng)207凍害輕。多年育種經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查表明,周麥18常年葉片凍害程度為3級左右,百農(nóng)207常年葉片凍害程度為2級左右。由于百農(nóng)207越冬期抗凍性強(qiáng),也為春季耐倒春寒奠定了良好基礎(chǔ)。