黃淮地區(qū)主推小麥品種種子發(fā)芽期耐淹性研究

歐行奇， 李新華， 歐陽娟

(1.河南科技學(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)

淹水脅迫指植物處于周期或長期厭氧或缺氧環(huán)境下，其有氧呼吸和維持生命活動所需能量產(chǎn)生受到限制，是植物常遭受的非生物脅迫之一[1]。種子耐淹性的篩選是世界范圍內(nèi)關(guān)注的問題,長期淹水使小麥發(fā)芽和發(fā)芽能力下降，且不同小麥品種之間差異顯著[2]。長時間浸泡種子則顯著降低種子中溶解氧的含量，從而降低其發(fā)芽率，其苗期的生物量、葉面積等都會受到影響[3]。小麥籽粒的耐淹性研究中,研究較多的有抗氧化酶系統(tǒng)包括SOD/CAT系統(tǒng)和硫氧還蛋白還原酶/1-Cys過氧化氫還原酶(1-Cys peroxiredoxin,1-Cys prx)系統(tǒng)[4-6]。淹水脅迫引起細胞內(nèi)活性氧的積累，對植物造成嚴重的氧化損傷，從而抑制植株的生長和產(chǎn)量[7-8],為了緩解活性氧對植物細胞的損傷，植物長期進化并形成了復(fù)雜的酶類和非酶類的防御體系[9-10]。植物在逆境條件下也會產(chǎn)生大量的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如：脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿等，這些物質(zhì)能緩解ROS(reactive oxygen species)的損傷作用[11],研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸不僅僅是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，而且可以作為抗氧化劑和細胞程序性死亡的抑制劑[12]。灌漿期淹水脅迫導(dǎo)致小麥根、葉片中氮總量降低,葉片中超氧化物歧化酶、過氧化物酶、抗氧化酶等活性降低,抗壞血酸、谷胱甘肽等抗氧化劑含量減少,氧含量升高，使根細胞死亡、旗葉衰老加劇[13]。

在冬小麥生長初期土壤澇漬會造成嚴重的產(chǎn)量損失[2]，拔節(jié)期和花后漬水處理顯著降低了小麥產(chǎn)量、穗粒數(shù)、千粒重[14]，耐淹種質(zhì)資源選育是保障穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的基礎(chǔ)之一。我國秦嶺、淮河以南，青藏高原以東，屬南方冬麥區(qū)，大部分地區(qū)實行麥稻兩熟制或麥稻稻、麥豆稻、稻麥肥等三熟制。水稻是唯一一種能夠很好地適應(yīng)洪澇、部分洪水或完全淹沒的谷類作物[15]，小麥作為旱地栽培作物，其耐淹性則顯著低于水稻。因此，在稻麥輪作系統(tǒng)中，因其特殊的種植環(huán)境則更需要關(guān)注小麥種子發(fā)芽出苗期的耐淹性。本研究選用黃淮南部麥區(qū)四個主推半冬性小麥品種(百農(nóng)207、周麥18、周麥22、百農(nóng)AK 58)，采用不同時間淹水浸種處理，正常管理至發(fā)芽，測定其形態(tài)、酶活性和非酶物質(zhì)的變化，研究其在種子發(fā)芽期的淹水敏感性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

四個小麥品種均為半冬性小麥品種，分別為百農(nóng)207、周麥18、周麥22、百農(nóng)AK 58，均為黃淮南部麥區(qū)的主推品種。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置淹水1、2、3、4、5、6、7、8、9、10 d，每個處理重復(fù)3次，每次重復(fù)50粒，對照(0 d)為正常發(fā)芽管理的種子。

具體操作方法：選擇健康均勻的小麥種子50粒，用5%雙氧水消毒2 min后，用自來水沖洗3次，再用純凈水將種子浸泡12 h充分吸脹，將吸脹的種子放入玻璃培養(yǎng)皿中，用純凈水將種子全部淹沒，每天早晨和晚上將培養(yǎng)皿中的水倒出，用自來水沖洗后重新放入培養(yǎng)皿中，再倒入純凈水將種子全部淹沒，設(shè)定淹水時間結(jié)束后進行正常的發(fā)芽管理，均統(tǒng)一管理到淹水解除后10 d。發(fā)芽管理均在光照培養(yǎng)箱中25 ℃培養(yǎng)，光照和黑暗各12 h。

1.3 植物形態(tài)調(diào)查和生理指標測定

發(fā)芽管理第7天時調(diào)查各處理的發(fā)芽數(shù)，正常管理10 d時各處理每重復(fù)隨機抽取5株，測量根長、苗高、根干重和苗干重，同時測定根系活力和10 d苗齡小麥葉片過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、根系活力、脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量、葉片可溶性蛋白含量[16]。

1.4 試驗數(shù)據(jù)處理

小麥發(fā)芽率、苗高、苗干重、根干重均以對照為100%，將淹水處理的相應(yīng)結(jié)果除以對照獲得相對發(fā)芽率、相對苗高、相對苗干重、相對根干重。淹水4 d處理有一個品種的相對發(fā)芽率為0，因此相對苗高、相對苗干重、相對根干重統(tǒng)計到淹水4 d處理。淹水2 d處理有2個品種的相對發(fā)芽率低于50%，因此根系活力、葉片SOD活性、葉片POD活性、葉片MDA含量、葉片脯氨酸含量、葉片可溶性蛋白含量數(shù)據(jù)統(tǒng)計到淹水2 d處理。數(shù)據(jù)用SPSS 18.0軟件進行方差分析和Duncan檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫對小麥種子相對發(fā)芽率、小麥相對苗高和根長、干物質(zhì)的影響

由表1可知，隨著種子淹水天數(shù)的增加，各品種種子相對發(fā)芽率呈降低趨勢。淹水1 d處理，百農(nóng)207、周麥22、百農(nóng)AK 58種子相對發(fā)芽率同對照相比差異不顯著，周麥18種子相對發(fā)芽率同對照相比差異顯著。淹水2 d處理，種子相對發(fā)芽率同對照相比差異顯著，周麥22和周麥18種子相對發(fā)芽率同對照相比差異極顯著，二者的相對發(fā)芽率均小于50%；百農(nóng)207種子相對發(fā)芽率為81.95%，百農(nóng)AK 58種子相對發(fā)芽率為72.04%，百農(nóng)207種子相對發(fā)芽率最高。淹水3 d處理，各品種種子相對發(fā)芽率均極顯著小于對照處理，百農(nóng)207種子相對發(fā)芽率最高，為63.16%，周麥22種子相對發(fā)芽率最低，為10.38%，百農(nóng)AK 58種子相對發(fā)芽率為30.18%，周麥18種子相對發(fā)芽率為11.29%。淹水4 d處理，周麥22、百農(nóng)207、百農(nóng)AK 58和周麥18的相對發(fā)芽率分別為0、39.1%、21.42%和4.52%。淹水5 d處理，周麥18、百農(nóng)207和百農(nóng)AK 58種子相對發(fā)芽率分別為0、24.06%和5.84%。淹水6 d處理和淹水7 d處理，百農(nóng)207種子相對發(fā)芽率降低不顯著，百農(nóng)AK 58種子相對發(fā)芽率均為0。淹水8 d處理和淹水9 d處理，百農(nóng)207種子相對發(fā)芽率分別為6.77%和5.26%，其余品種種子相對發(fā)芽率均為0。淹水10 d處理，各小麥品種種子相對發(fā)芽率均為0。

表1 各小麥品種淹水處理相對發(fā)芽率

由表2可知，百農(nóng)207平均相對根長最高，為84.99%，極顯著高于百農(nóng)AK 58、周麥22和周麥18。百農(nóng)207平均相對苗高最高，為95.06%，顯著高于周麥18，與周麥22和百農(nóng)AK 58差異不顯著。百農(nóng)AK 58平均相對根干重最高，為94.23%，與百農(nóng)207和周麥18差異不顯著，周麥22的平均相對根干重最小，為82.41%。百農(nóng)207平均相對苗干重最高，為90.63%,周麥18次之，周麥22平均相對苗高最低，各品種差異不顯著。

表2 淹水處理后各品種農(nóng)藝性狀差異分析 單位：%

2.2 淹水脅迫處理后小麥根系活力

由圖1可知，各小麥品種種子淹水處理后，10 d苗齡根系活力呈降低趨勢。各品種對照處理的根系活力百農(nóng)207最高，極顯著高于其余3個品種。淹水1 d處理百農(nóng)207和百農(nóng)AK 58根系活力同對照相比差異不顯著，周麥22根系活力顯著小于對照，周麥18根系活力極顯著小于對照，淹水1 d處理百農(nóng)207根系活力極顯著高于其余3個品種。淹水2 d處理百農(nóng)207根系活力顯著小于對照處理，百農(nóng)AK 58、周麥22和周麥18根系活力極顯著小于對照處理，淹水2 d處理百農(nóng)207根系活力極顯著高于其余3個品種。

圖1 淹水處理各小麥品種根系活力

2.3 淹水處理對小麥抗氧化酶活性及膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物含量的影響

由圖2可知，淹水處理后各品種葉片SOD活性和POD活性均呈增加趨勢。對照處理百農(nóng)207葉片SOD活性最高，極顯著高于其他品種。淹水1 d處理百農(nóng)207葉片SOD活性極顯著高于其他品種，周麥18葉片SOD活性最低，極顯著小于其他品種。淹水2 d處理百農(nóng)207葉片SOD活性極顯著高于周麥18和周麥22，顯著高于百農(nóng)AK 58。淹水2 d處理百農(nóng)207葉片SOD活性均高于其他處理。葉片POD活性隨著淹水天數(shù)的增加呈增加趨勢，不同處理的POD活性變化趨勢同SOD活性變化趨勢基本一致。百農(nóng)207淹水1 d處理葉片POD活性最高，極顯著高于其他品種，淹水2 d處理百農(nóng)207葉片POD活性顯著高于百農(nóng)AK 58，極顯著高于周麥22和周麥18，極顯著高于淹水1 d處理和對照。

圖2 淹水處理不同小麥品種葉片SOD、POD活性

由圖3可知，隨著淹水天數(shù)的增加，各處理10 d苗齡葉片膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量呈降低趨勢。對照處理中周麥22和周麥18葉片MDA含量極顯著高于百農(nóng)207和百農(nóng)AK 58，淹水1 d處理周麥22葉片MDA含量顯著高于周麥18，極顯著高于百農(nóng)207和百農(nóng)AK 58。淹水2 d處理周麥22葉片MDA含量最高，顯著高于周麥18，極顯著高于百農(nóng)207和百農(nóng)AK 58，百農(nóng)207葉片MDA含量最低，顯著低于其他品種。

圖3 不同小麥品種淹水處理后葉片MDA含量

2.4 淹水脅迫處理后小麥葉片可溶性蛋白和Pro含量

由圖4可知，淹水處理后各小麥品種10 d齡苗葉片的可溶性蛋白和Pro含量均呈降低趨勢。對照處理中百農(nóng)207葉片Pro含量極顯著高于其他品種，周麥18葉片Pro含量最低。淹水1 d處理百農(nóng)207葉片Pro含量顯著高于百農(nóng)AK 58，極顯著高于周麥22和周麥18。淹水2 d處理百農(nóng)207葉片Pro含量顯著高于百農(nóng)AK 58，極顯著高于周麥22和周麥18，周18的Pro含量最低。種子淹水處理后各品種10 d葉齡葉片可溶性蛋白含量同對照相比呈降低趨勢。對照處理百農(nóng)207葉片可溶性蛋白含量極顯著高于其他品種，周麥18葉片可溶性蛋白含量最低。淹水1 d處理百農(nóng)207葉片可溶性蛋白含量顯著高于百農(nóng)AK 58,極顯著高于周麥22和周麥18，淹水2 d葉片可溶性蛋白含量變化趨勢同淹水1 d處理一致。

圖4 不同小麥品種淹水處理后葉片可溶性蛋白和Pro含量

3 小結(jié)與討論

黃淮南片麥區(qū)四個主推小麥品種在出苗期種子遭遇淹水脅迫時，隨著淹水處理天數(shù)的增加，品種間種子相對發(fā)芽率差異極顯著。淹水處理4 d周麥22種子相對發(fā)芽率為0，淹水處理5 d周麥22和周麥18種子相對發(fā)芽率均為0，淹水處理6 d百農(nóng)AK 58種子相對發(fā)芽率也為0。淹水處理4 d后各品種種子相對發(fā)芽率均小于50%，百農(nóng)207種子淹水處理7 d時相對發(fā)芽率為24.06%，各品種各處理相對發(fā)芽率數(shù)據(jù)顯示，百農(nóng)207在種子出苗期具有較強的耐淹水能力。百農(nóng)207的10 d苗齡的平均相對根長、平均相對苗高、平均相對苗干重均高于其他品種，百農(nóng)AK58平均相對根干重則高于其他品種，周麥18的平均相對根長和平均相對苗高小于其他品種。小麥耐水淹基因型形態(tài)機制包括具有良好通氣組織的側(cè)根的發(fā)育，淹水后苗高和干物重降低[17-18]。10 d苗齡小麥根系活力隨著種子淹水天數(shù)的增加呈降低趨勢，同一淹水處理條件下百農(nóng)207根系活力顯著高于其余三個品種，品種間根系活力差異顯著。本研究中百農(nóng)207種子淹水脅迫后其相對干物量、相對苗高、根系活力等顯著高于其他品種，具有較好的耐淹特性。

淹水處理后小麥葉片SOD活性和POD活性變化趨勢一致，均隨淹水天數(shù)的增加呈顯著增加趨勢，百農(nóng)207葉片SOD活性和POD活性均極顯著高于其余品種同一淹水處理。不同小麥品種種子淹水處理后10 d齡苗葉片膜脂過氧化產(chǎn)物MDA隨種子淹水天數(shù)增加呈降低趨勢，同一淹水天數(shù)處理百農(nóng)207葉片MDA含量最低。不同小麥品種種子淹水處理后，10 d齡苗葉片的可溶性蛋白和Pro含量均隨淹水天數(shù)增加呈降低趨勢，不同品種同一淹水天數(shù)處理百農(nóng)207葉片可溶性蛋白含量顯著高于其余三個品種，百農(nóng)207對照處理葉片Pro含量極顯著高于其他品種和淹水處理，不同品種同一淹水天數(shù)處理百農(nóng)207葉片Pro含量顯著高于其他品種。

小麥灌漿期淹水處理能導(dǎo)致小麥根、葉片中SOD、POD、抗氧化酶活性等活性降低,MDA含量增加[13]。當發(fā)生水澇脅迫時，芍藥通過提高葉片SOD和POD酶活，提高葉片可溶性蛋白含量等途徑提高自身適應(yīng)澇漬的能力[19]。MDA是膜脂過氧化指標之一，逆境條件下抗性弱的品種MDA含量通常較高，另外脅迫發(fā)生時細胞質(zhì)和液泡中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)Pro會急速上升，一般抗逆性強的品種往往積累較多的Pro[20]。本研究中百農(nóng)207同一淹水天數(shù)處理葉片SOD酶活性、POD酶活性、Pro和可溶性蛋白含量顯著高于其余品種，MDA含量則顯著低于其余品種，說明在淹水脅迫條件下，百農(nóng)207的抗逆性生理代謝快速響應(yīng)，提高自身對澇漬的適應(yīng)能力，說明百農(nóng)207具有較好的耐淹性。有研究表明，種子滲出液和葉片MDA含量隨著逆境脅迫的增加而增加[21-24]，采取相應(yīng)措施緩解脅迫條件后則作物葉片MDA含量降低[25-26]。而本研究中小麥種子淹水脅迫發(fā)芽后，小麥葉片MDA含量則降低，可能由于短時間的淹水脅迫，植物的抗氧化系統(tǒng)快速反應(yīng)，降低了葉片中MDA的含量。綜合以上討論和研究結(jié)果，百農(nóng)207在種子發(fā)芽出苗期有較強的耐淹性，其耐淹性顯著高于其余三個品種。