外源海藻糖對高溫脅迫小麥干物質(zhì)積累和籽粒灌漿的影響

李 哲，姜灃益，代夢雪，李宇星，張文靜，馬尚宇，黃正來，樊永惠

(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)

小麥(L.)是我國三大糧食作物之一，生長最適溫度在24～30℃，屬于喜涼不耐高溫作物，超過30℃就會造成高溫脅迫，尤其在生育后期，高溫?zé)岷?dǎo)致灌漿停滯，甚至出現(xiàn)籽粒干物質(zhì)向營養(yǎng)器官運輸?shù)默F(xiàn)象。21世紀(jì)來，氣候波動較20世紀(jì)更加劇烈，極端高溫脅迫發(fā)生頻率逐年上升，致使小麥生育后期遭受高溫脅迫的概率增加。長江中下游麥區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)之一，每年因高溫脅迫造成的減產(chǎn)量可高達10%～30%，并且小麥花后高溫脅迫發(fā)生的概率呈現(xiàn)逐年增加的趨勢。因此，提升高溫脅迫下小麥產(chǎn)量，減輕高溫天氣對小麥產(chǎn)量的影響是亟待解決問題。干物質(zhì)是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，干物質(zhì)在各部位的分配比例與籽粒產(chǎn)量密切相關(guān)。大量研究表明，高溫?zé)岷种菩←湽夂贤锏倪\輸，降低籽粒中干物質(zhì)分配量，造成產(chǎn)量降低。提高光合同化物的轉(zhuǎn)運率及其在籽粒中的分配比例是提高小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵。高溫脅迫下小麥灌漿時長縮短，導(dǎo)致籽粒灌漿不充分，也是造成產(chǎn)量降低的重要因素。

海藻糖由兩分子葡萄糖構(gòu)成，是蔗糖的同分異構(gòu)體，在生物界內(nèi)廣泛存在。目前已有大量研究證實，海藻糖能夠提高植物在低溫、干旱、高溫等脅迫條件下植株生物量，增強抗逆能力，而且海藻糖能夠改變植物器官中的碳分配比例?；诖?，本試驗選用在安徽淮南大面積推廣的兩個小麥品種為材料，探索不同生育時期噴施不同濃度海藻糖，對高溫脅迫下小麥干物質(zhì)積累、分配以及籽粒灌漿特性的影響，以期為小麥耐高溫栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2020—2021年度在安徽省淮南國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)鳳臺縣種子公司制種基地進行，試驗田前茬作物為水稻，土壤為潮褐土，肥力中等。選用當(dāng)?shù)卮竺娣e推廣的春性品種揚麥18及半冬性品種煙農(nóng)19為供試材料。2020年11月4日進行播種，播種方式為機條播，行距設(shè)置為20 cm，基本苗為300×10株hm，小區(qū)寬度為2 m，長2.5 m，面積為5 m，三次重復(fù)。設(shè)置三個海藻糖噴施時期：抽穗期(T1)、開花期(T2)、花后10 d(T3)；噴施濃度設(shè)置為5、10、15 mmol·L，分別記為C1、C2、C3，以噴施等量清水作為對照(CK)，噴施量為200 mL·m。在花后15～19 d通過搭建聚乙烯塑料大棚進行高溫處理，高溫處理期間無有效降雨。每天 10:00—18:00進行高溫處理，以RC-4HC溫度計每隔10 min記錄一次溫度(圖1)。

Inside:棚內(nèi)溫度; Outside:棚外溫度。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 取樣方法

灌漿動態(tài)取樣方法：掛牌標(biāo)記同一天開花且長勢相近的植株，開花后5 d開始取樣，每處理取10穗，取樣間隔為5 d，80℃烘干后測千粒重。三次重復(fù)。

干物質(zhì)相關(guān)指標(biāo)取樣方法：在開花期、成熟期每個處理取30單莖，分為莖鞘+葉片、穎殼+穗軸以及籽粒三部分，80℃烘干至恒重，并計算干物質(zhì)積累、轉(zhuǎn)運及分配量。三次重復(fù)。

1.2.2 相關(guān)指標(biāo)計算公式

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量(kg·hm)=開花期營養(yǎng)器官干重-成熟期營養(yǎng)器官干重

花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運效率=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/開花期營養(yǎng)器官干重×100%

花前干物質(zhì)對籽粒貢獻率=花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量/籽粒重量×100%

花后干物質(zhì)同化量(kg·hm)=成熟期籽粒產(chǎn)量-花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量花后干物質(zhì)對籽粒貢獻率=花后干物質(zhì)同化量/籽粒重量×100%

1.2.3 灌漿動態(tài)指標(biāo)測定

參照馬冬云等方法使用三次多項式=+++對籽粒干物質(zhì)積累過程進行擬合，并對其求導(dǎo)得灌漿持續(xù)期()、理論最大粒重()、平均灌漿速率()、最大灌漿速率出現(xiàn)時間()、最大灌漿速率()、有效持續(xù)灌漿期(e)、有效持續(xù)灌漿期平均灌漿速率(s)。

1.2.4 產(chǎn)量測定

成熟期每小區(qū)收獲2 m具有代表性樣方，風(fēng)干后脫粒，稱重并折合成13%含水量計產(chǎn)。

1.3 統(tǒng)計分析

使用Excel 2019對數(shù)據(jù)進行處理與做圖，使用DPS v7.05進行方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻糖處理對高溫脅迫下小麥產(chǎn)量的影響

由表1可知，與對照比較，海藻糖處理能夠顯著提升高溫脅迫下的小麥產(chǎn)量，在T1時期進行海藻糖處理的產(chǎn)量提升幅度高于其他時期。T1時期，C3處理產(chǎn)量更高，兩個品種表現(xiàn)一致；揚麥18的千粒重和產(chǎn)量分別較對照提升了18.79%和17.75%，煙農(nóng)19千粒重和產(chǎn)量分別較對照提升了16.08%和15.87%。從海藻糖處理時期對產(chǎn)量的效應(yīng)來看，T1>T3>T2，T1時期較T3和T2時期產(chǎn)量增加了0.64%和2.54%。從海藻糖噴施濃度來看，C3濃度處理較C2和C1濃度處理產(chǎn)量提升了2.35%和10.30%。

表1 海藻糖處理對高溫脅迫下小麥千粒重及產(chǎn)量的影響

2.2 海藻糖處理對花后高溫脅迫下小麥干物質(zhì)分配的影響

由表2可知，海藻糖處理較對照顯著提高了花后高溫脅迫下小麥籽粒中干物質(zhì)的分配量和比例，就各時期對籽粒干物質(zhì)分配量及比例而言，表現(xiàn)為T1>T3和T2，T1處理下籽粒干物質(zhì)分配比例較T2、T3處理分別增加了0.24%和 0.15%。處理濃度間比較，C3處理較C1、C2處理下籽粒干物質(zhì)分配比例分別增加了3.07%和 0.82%。整體而言，海藻糖處理較對照顯著提高了全株的干物質(zhì)積累量及干物質(zhì)在籽粒中的分配量，兩品種表現(xiàn)一致。

表2 海藻糖處理對高溫脅迫下小麥干物質(zhì)分配的影響

2.3 海藻糖處理對花后高溫脅迫下小麥干物質(zhì)積累的影響

由表3可以看出，海藻糖處理較對照顯著提高了高溫脅迫下花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量、轉(zhuǎn)運效率及其對籽粒的貢獻率，顯著降低了花后干物質(zhì)對籽粒的貢獻率，說明海藻糖處理提高了營養(yǎng)器官中干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)運的能力。噴施時期間比較，T1時期進行海藻糖噴施處理，揚麥18的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量及對籽粒的貢獻率低于T3和T2時期，而花后干物質(zhì)積累量，及其對籽粒的貢獻率高于T3和T2時期；煙農(nóng)19的3個時期間的趨勢則相反。

表3 海藻糖處理對高溫脅迫下小麥干物質(zhì)積累與轉(zhuǎn)運的影響

2.4 海藻糖處理對高溫脅迫下小麥千粒重和灌漿速率的影響

由圖2可知，小麥千粒重隨生育期進程呈現(xiàn)S型變化，花后25 d后各處理間出現(xiàn)差異。海藻糖處理較對照在生育后期均有較高的灌漿速率。由圖3可知，花后15～20 d，揚麥18的CK處理灌漿速率高于其海藻糖處理，而生育后期灌漿速率則低于海藻糖處理，這是由于高溫脅迫導(dǎo)致籽粒灌漿速率上升，而海藻糖處理減緩了高溫脅迫帶來的傷害。煙農(nóng)19在灌漿后期各處理間籽粒灌漿速率差異較大，海藻糖處理在脅迫結(jié)束后灌漿速率均大于CK。

T1、T2和T3分別表示抽穗期、開花期、花后10 d；C1、C2和C3分別表示5 mmol·L-1、10 mmol·L-1、15 mmol·L-1；CK表示清水對照；A、B分別表示揚麥18和煙農(nóng)19。下同。

圖3 海藻糖處理對灌漿期高溫脅迫下灌漿速率的影響

2.5 海藻糖處理對小麥籽粒灌漿特性的影響

以花后時間為自變量，粒重為因變量，對不同處理使用三次多項式方程進行擬合，由表4可知，兩個品種各處理間擬合方程均表現(xiàn)為>0.99，說明該方程能夠客觀反映籽粒灌漿動態(tài)。由表5可知，海藻糖處理較對照有效提高了高溫脅迫下兩個小麥品種籽粒平均灌漿速率、有效灌漿時長、最大灌漿速率，延緩了最大灌漿速率出現(xiàn)時間。

表4 海藻糖噴施濃度與時期及花后高溫脅迫下的灌漿動態(tài)模擬方程

表5 海藻糖噴施濃度與時期及花后高溫脅迫下的灌漿動態(tài)參數(shù)

3 討 論

花后高溫脅迫導(dǎo)致小麥千粒重下降是造成產(chǎn)量降低的主要原因，具體表現(xiàn)在同時降低了花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量及花后干物質(zhì)積累量。本研究表明，海藻糖處理后花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量及花后干物質(zhì)積累量均顯著高于對照，并且兩個品種表現(xiàn)一致；兩個品種的增加幅度稍有差別，這可能與小麥品種的耐高溫性及對海藻糖的敏感性有關(guān)。

灌漿天數(shù)減少、灌漿速率降低是花后高溫脅迫降低小麥千粒重的主要原因。高溫脅迫會導(dǎo)致灌漿進程加快，出現(xiàn)灌漿速率增加的現(xiàn)象，但灌漿速率的增加并不能彌補灌漿時長縮短導(dǎo)致的粒重降低。在本試驗中，海藻糖處理在花后20 d至籽粒成熟期間籽粒灌漿速率均大于對照，這說明海藻糖處理能夠有效提高小麥耐熱性。

海藻糖不僅作為碳源參與植物代謝，也具有信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的作用。逆境條件下植物海藻糖相關(guān)基因被激活，其含量顯著上升。Luo等研究表明，海藻糖處理降低了高溫脅迫下小麥葉綠素分解速度，提高了光合同化能力。Aghmad等在棗椰樹開花期噴施海藻糖發(fā)現(xiàn)，外源海藻糖激活了植株的氧化應(yīng)激系統(tǒng)，改變了植株的碳分配。Liang等發(fā)現(xiàn)，逆境條件下海藻糖相關(guān)基因表達量上升，影響了玉米中干物質(zhì)在各器官中的分配與積累。本研究表明，海藻糖處理提高了高溫脅迫小麥的花前干物質(zhì)轉(zhuǎn)運量及花后干物質(zhì)積累量，這說明噴施海藻糖較對照不僅提高了高溫脅迫下小麥光合同化能力，也影響了干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運過程。由于本研究只進行了一年試驗，不同年際間氣候會有所變化，產(chǎn)量會有所波動。目前，關(guān)于海藻糖通過何種途徑影響干物質(zhì)積累及轉(zhuǎn)運過程仍需進一步深入的研究。

4 結(jié) 論

海藻糖處理能夠有效提高小麥耐熱性，并且以抽穗期噴施15 mmol·L濃度的海藻糖效果最佳；海藻糖處理濃度對小麥產(chǎn)量的影響大于噴施時期對產(chǎn)量的影響。