外源14-羥基蕓苔素甾醇對冬小麥小花成粒及生理特性的影響*

劉北城,段劍釗,戎亞思,張艷艷,賀 利,王永華,郭天財,馮 偉

(河南農業(yè)大學農學院/國家小麥工程技術研究中心 鄭州 450046)

小麥()是我國主要糧食作物之一,在保障我國糧食安全戰(zhàn)略中具有極其重要的地位。穗數、穗粒數和千粒重是小麥產量構成三要素,目前大田生產上穗數已達飽和,千粒重受遺傳因素影響較大,二者調控余地較小,但穗粒數因具有較高可塑性而成為小麥增產的重要突破口。爭取多穗粒數的前提是減少穗花成粒階段可育小花的退化和敗育,提高結實率,增加穗粒數。研究表明,穗花分化和發(fā)育受營養(yǎng)物質供應影響較大,可孕花數及小花存活率與穗碳營養(yǎng)和氮營養(yǎng)關系密切。小麥穗花發(fā)育關鍵期充足的水氮供應可以有效促進植株的營養(yǎng)物質積累和分配,利于小麥小花分化和生長發(fā)育,進而起到減少小花的退化和敗育,以達到增加穗粒數的目的。此外,外源調節(jié)類物質也可以調控植株營養(yǎng)物質的合成與代謝,蕓苔素甾醇類化合物(BRs)、6-芐基腺嘌呤(6-BA)、脫落酸(ABA)等已被廣泛應用于不同作物的生產實踐,這些也可以調控植株的營養(yǎng)代謝。其中,BRs作為一種高效的植物生長調節(jié)劑,可以參與植物種子萌發(fā)、營養(yǎng)運輸、生殖器官發(fā)育等生理過程,對于調控植物生長發(fā)育具有重要作用。研究表明,BRs能通過改變參與卡爾文循環(huán)的多種酶的磷酸化來調節(jié)光合活性,并能與多種激素相互作用共同調控植物的生長,還能促進同化物向庫的轉運和積累從而調節(jié)源庫關系。在作物產量形成方面,外源噴施BRs能增加小麥葉面積、葉綠素含量、可溶性蛋白含量,提高光合作用,增加千粒重和穗粒數,進而提高小麥產量。前人有關BRs的應用已有較多研究,但不同類型的BRs因生物活性存在明顯差異,導致其生理功能及作用效果不同。其中人工合成的蕓苔素活性單一,長期施用效果低于天然蕓苔素甾醇,而天然提取的14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR),因其母液中含有多種蕓苔素甾醇結構類似物,活性更佳,但關于14-HBR調控小麥生長發(fā)育尤其是調控穗花發(fā)育結實的研究報道較少。本研究以大田條件下多穗型品種‘豫麥49-198’和大穗型品種‘周麥16’為材料,小麥小花退化前外源噴施14-HBR,探究其調控不同類型小麥品種穗花發(fā)育和結實的生理機制,為小麥綠色生產和產量持續(xù)增加提供關鍵技術手段和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2018-2020年在河南省新鄉(xiāng)市原陽縣河南農業(yè)大學科教園區(qū)(35°6N,113°56E)進行,前茬作物為玉米()。供試材料為多穗型小麥品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型小麥品種‘周麥16’(V2),播量為180 kg·hm,兩年度分別于10月12日和18日播種,5月31日和6月5日收獲。土壤為潮土,0～20 cm土層pH為8.2、有機質17.3 g·kg、全氮0.83 g·kg、速效磷12.7 mg·kg和速效鉀132.7 mg·kg。每公頃施純氮180 kg,其中50%基施,50%拔節(jié)期追施; 每公頃施純磷120 kg和純鉀90 kg,磷肥和鉀肥均播前基施; 氮、磷和鉀肥分別采用尿素(46%)、過磷酸鈣(46%)和氯化鉀(60%)。于小麥拔節(jié)后20 d (小花退花前調控關鍵期)在晴天或多云的傍晚,外源噴施0.05 μmol·L(預試驗驗證比較后確定的該濃度)的14-HBR,并設噴施清水處理作為對照(CK)。噴施時,以葉面表層形成一層水霧但不下滴為準。小區(qū)面積為12 m(4 m×3 m),各處理重復3次。其他栽培管理同一般高產田。

1.2 測定內容與方法

1.2.1 小麥幼穗發(fā)育觀測

自噴施處理當天開始至開花期,每6 d在各處理中取長勢一致的小麥植株3株,在EMZ解剖鏡下觀測幼穗發(fā)育進程,記錄單莖小穗數、可孕小花數等指標。穗發(fā)育狀態(tài)劃分參考崔金梅等方法?？稍行』ńY實率為成熟期穗粒數與可孕小花數之比。小穗結實率為結實小穗數與總小穗數之比。

1.2.2 穗與非穗器官干物質的測定

在觀察不同時期小花發(fā)育同時,每6 d取各處理長勢均勻一致的20株,分為葉、莖(莖+鞘)、穗3部分,在105 ℃下殺青30 min,80 ℃下烘干至恒重,測定各部位干物質重。

1.2.3 可溶性糖含量的測定

稱取0.05 g樣品(烘干粉碎后的葉、莖、穗器官)放入10 mL離心管,加入4 mL 80%酒精,在80 ℃浴中加熱40 min,離心,收集上清液,對其殘渣加2 mL酒精重復提取兩次,合并上清液。上清液中加入10 mg活性炭,80 ℃脫色30 min,定容至10 mL,離心后取上清液0.1 mL并加入0.9 mL 80%酒精,再加入7 mL蒽酮試劑混合液,在沸水浴中煮10 min,使用酶標儀在625 nm處測OD值。

1.2.4 植株氮含量的測定

采用凱氏定氮法測定植株不同組織器官(烘干粉碎后的葉、莖、穗器官)全氮含量,各器官生物量與其氮含量(%)的乘積即為各器官的氮積累量。碳氮比(C/N)為可溶性糖含量與氮含量之比。

1.2.5 旗葉相關酶活性的測定

采用XRF法[15]檢測樣品（NaCl、城市固體廢棄物模擬組分和廚余沼渣）中的Cl含量；取約3 g樣品，分別將硼酸和樣品用壓片機（10 MPa下恒壓30 s）壓制成片放入 XRF儀器中，測定其中的 Cl含量。

自噴施處理當天開始至開花期,每6 d取小麥旗葉若干,用液氮速凍帶回,置于-80 ℃冰箱保存。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)、谷氨酰胺合成酶(GS)和硝酸還原酶(NR)的活性測定參考文獻[19]。

1.2.6 產量及其構成因子的調查

成熟期測定單位面積穗數,每處理取30株小麥測定穗粒數,每小區(qū)收獲4 m小麥測產并測定千粒重,穗數、穗粒數、千粒重和產量均測定3次重復。

1.3 數據分析

采用Excel 2019進行數據處理,使用SPSS 23.0軟件進行方差分析,Duncan法進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 外源噴施14-HBR對小麥產量及其構成因素的影響

由表1可知,外源噴施14-HBR對小麥穗數的影響不顯著,這與噴施之前群體兩極分化基本完成,大分蘗成穗基本確定有關。‘豫麥49-198’(V1)為多穗型品種,而‘周麥16’(V2)為大穗型品種,V1的穗數顯著高于V2品種(17.9%)。噴施14-HBR在一定程度上提高了千粒重,但處理間差異未達顯著水平; 兩品種間千粒重的差異顯著(＜0.05),V1品種較V2品種千粒重降低12.5%。噴施14-HBR對穗粒數的增加效應最明顯,處理間達顯著水平。從兩年度均值看,噴施14-HBR較CK每穗增加3.45粒(V1)和4.42粒(V2),提高幅度為9.85% (V1)和11.4% (V2)。兩品種間穗粒數也表現顯著差異,V1品種較V2品種穗粒數降低10.96%。品種與處理間的互作效應對穗數、穗粒數和千粒重的影響均未達顯著水平。產量為3因子的綜合表現,品種、處理及其互作效應均對產量影響達顯著水平,其中兩品種噴施14-HBR處理的產量較CK處理分別增加690.13 kg·hm(V1)和993.53 kg·hm(V2),提高幅度分別為9.31% (V1)和12.03% (V2)。綜上,外源噴施14-HBR主要是通過增加穗粒數來提高產量,且對大穗型品種V2促粒增產的效果優(yōu)于多穗型品種V1。

表1 外源噴施14- 羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對不同小麥品種產量及其構成因素的影響Table 1 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on yield and yield components of different wheat cultivars

2.2 外源噴施14-HBR對冬小麥可孕小花數量變化的影響

由圖1可知,隨生育進程各處理的每穗小花數動態(tài)趨勢一致,可分為快速退化(0～6 d)和緩慢敗育階段(6～24 d),年際間及兩品種表現趨勢一致。各時期小花分化數量均為大穗型品種V2 (‘周麥16’)高于多穗型品種V1 (‘豫麥49-198’),處理間具體表現為V2BR＞V2CK＞V1BR＞V1CK。噴 施14-HBR處 理 較CK處理的效應在年度間及品種上存在一定差異,以噴施后24 d為例,2019-2020年度,V1和V2品種的可孕小花數分別增加2.63個和4.14個,增幅為6.04%和8.41%; 2018-2019年度,V1和V2品種的可孕小花數分別增加3.7個和4.94個,增幅為8.39%和9.65%。相比于CK,外源噴施14-HBR顯著提高了兩品種的可孕小花結實率和小穗結實率。V1品種的可孕小花結實率在2018-2019年度和2019-2020年度分別提高2.17%和1.73%,而V2品種分別提高2.74%和2.03%; V1品種的小穗結實率在以上兩個年度分別提高3.12%和5.52%,而V2品種分別提高5.82%和4.97%。綜上,外源噴施14-HBR減少了小花退化和敗育數量,增加了可育小花數量,提高了可孕小花結實率和小穗結實率,對大穗型品種促進效果更明顯。

圖1 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)穗花發(fā)育及結實的影響Fig.1 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on spike and floret development and setting of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.3 外源噴施14-HBR對冬小麥干物質積累分配的影響

將植株地上部器官劃分為穗器官和非穗器官(葉、莖+鞘)進行分析,由圖2可知,隨幼穗發(fā)育進程,兩個年度及兩品種的穗和非穗器官干物質積累量以及穗/非穗比例均呈逐漸增加的趨勢。大穗型品種V2較多穗型品種V1有較高的穗和非穗器官干物質積累量以及穗/非穗比例,其中,穗和非穗干物質在品種間和年度間均表現出差異性。外源噴施14-HBR處理后,兩品種的穗和非穗器官干物質量以及穗/非穗比均高于CK處理; 在處理后24 d,2018-2019和2019-2020兩年度間,V1品種的穗干物質量較CK分別提高12.75%和14.17%,非穗器官分別提高7.64%和6.08%,穗/非穗比分別提高4.75%和7.51%; V2品種的穗干物質量較CK分別提高15.95%和13.42%,非穗器官干物質量分別提高9.40%和6.99%,穗/非穗比分別提高5.99%和5.93%。可見,外源噴施14-HBR可以促進冬小麥穗和非穗器官干物質積累量增加以及干物質向穗部的分配能力增強,進而提高穗/非穗干物質比例; 其中對大穗型品種V2的促進效應較高。

圖2 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)穗和非穗器官干物質積累的影響Fig.2 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on dry matter accumulation in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.4 外源噴施14-HBR對冬小麥氮素積累分配的影響

圖3 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)穗與非穗器官氮含量和氮積累量的影響Fig.3 Effects of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on nitrogen content and nitrogen accumulation in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.5 外源噴施14-HBR對冬小麥各器官可溶性糖含量的影響

由圖4可知,兩個年度小麥非穗器官可溶性糖含量在0～24 d呈先上升后下降趨勢,而穗可溶性糖含量在6～24 d呈先下降再上升特征。噴施14-HBR處理提高了兩品種各器官可溶性糖含量,較CK提高的幅度因器官、品種及年度而異,噴后24 d (開花期),非穗器官可溶性糖含量平均增幅為9.48% (V1)和10.06%(V2); 穗的增幅為19.90% (V1)和14.73% (V2)。這說明,外源噴施14-HBR可以提高穗和非穗器官的可溶性糖含量,進而為小麥營養(yǎng)器官和生殖器官的生長發(fā)育提供更多的碳同化物。相比而言,多穗型品種V1可溶性糖的增幅稍高于大穗型品種V2,但大穗型品種V2可溶性糖絕對含量高于多穗型品種V1。

圖4 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)穗和非穗器官可溶性糖含量的影響Fig.4 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on soluble sugar content in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.6 外源噴施14-HBR對冬小麥各器官碳氮比的影響

由圖5可知,兩年度小麥植株不同器官C/N比隨生育時期的推進表現出差異,非穗器官C/N先升后降,穗C/N比先升后降再升,這與可溶性糖含量的變化趨勢整體一致。噴施14-HBR處理的穗器官C/N高于CK處理,而非穗器官C/N略低于CK,兩年度一致。與CK相比,噴施后24 d,噴施14-HBR處理穗器官的C/N比CK處理平均提高0.338 (V1)和0.291(V2),非穗器官的C/N平均降低3.998和2.149。這說明外源噴施14-HBR提高了小麥穗器官C/N比,而降低了非穗器官C/N,促進了穗器官碳代謝增強和非穗器官氮代謝提高。相比而言,對多穗型品種V1 C/N的促進效應高于大穗型品種V2。

圖5 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)穗和非穗器官C/N比的影響Fig.5 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on C / N ratio in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.7 外源噴施14-HBR對冬小麥旗葉碳代謝酶活性的影響

由圖6可知,小麥旗葉各個碳代謝酶活性的動態(tài)變化并不完全一致,Rubisco酶整體呈下降趨勢,SPS酶變化不明顯,而SS酶為前期下降后期升高的變化特征,兩年度趨勢整體一致。外源噴施14-HBR對以上3種酶活性均表現明顯的正效應,較CK提高的幅度因酶種類而不同。從兩年度的開花期平均值來看,噴施14-HBR處理的SPS酶提高幅度為4.80%(V1)和4.15% (V2),Rubisco酶提高幅度為6.22%(V1)和9.77% (V2),而SS酶提高幅度為7.77% (V1)和9.14% (V2)。這表明,外源噴施14-HBR提高了小麥葉片光合產物的同化能力,為小麥幼穗發(fā)育生長提供更多的底物供應; 相比而言,整體上對大穗型品種V2的促進效應更好。

圖6 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)旗葉Rubisco、蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影響Fig.6 Effects of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on activities of Rubisco,sucrose phosphate synthase (SPS)and sucrose synthase (SS)enzymes in flag leaf of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.8 外源噴施14-HBR對冬小麥旗葉氮代謝酶活性的影響

由圖7可知,兩品種GS和NR酶活性整體趨勢表現一致,均隨幼穗發(fā)育進程呈先升后降的變化特征,于噴施后第18 d達峰值,兩年際表現相同,且在數值上差異較小。噴施14-HBR后GS、NR酶活性均高于CK處理,噴施后24 d,BR處理V1和V2兩品種較各自CK處理GS酶活性分別平均提高6.04%和10.14%,NR酶活性分別平均提高6.47%和5.98%。噴施14-HBR對多穗型品種V1的GS酶活性調控效應高于大穗型品種V2，對于大穗型品種V2的NR酶活性調控效應高于多穗型品種V1。這說明,外源噴施14-HBR提高了小麥旗葉GS和NR酶活性,增強了植株對氮素吸收和同化的能力,但對不同穗型品種酶活性的調控因酶種類不同而強度不同。

圖7 外源噴施14-羥基蕓苔素甾醇(14-HBR)對小麥多穗型品種‘豫麥49-198’(V1)和大穗型品種‘周麥16’(V2)旗葉谷氨酰胺合成酶(GS)和硝酸還原酶(NR)活性的影響Fig.7 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on activities of glutamine synthetase (GS)and nitrate reductase (NR)enzymes in flag leaf of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

3 討論

小麥小花能否成粒與其是否可以順利發(fā)育成為可孕小花有關,小花發(fā)育總數很大,但只有20%～30%的小花可以發(fā)育為可孕小花,而可孕小花也只有70%左右能發(fā)育結實,小花退化和敗育決定了可孕小花數量,也基本確定了最終的穗粒數。因此,減少小花退化和敗育可以有效提高穗粒數。研究認為,噴施外源生長調節(jié)劑如6-BA可以有效減少小花退化和敗育,提高結實粒數。本研究發(fā)現,外源噴施14-HBR能夠增加可育小花數量,減少小花退化和敗育數量,提高可孕小花結實率和小穗結實率,最終增加穗粒數,而穗粒數的增加則可以有效地提高產量。相比于多穗型品種,外源噴施14-HBR對大穗型品種促粒增產效果更好,大穗型品種由于群體數相對小而種內競爭小,更利于光合作用產生更多同化物,外源噴施14-HBR進一步促進了這一效應,更加利于促進穗花發(fā)育成粒增產; 另外,大穗型品種穗大花多,外源噴施14-HBR可以有效減少小花退化和敗育,保留較多的可孕小花數以形成較多粒數,從而促進增產。研究表明,小花退化的主要原因是開花前莖和穗部的快速生長所引起的二者之間對有限營養(yǎng)資源的激烈競爭,穗部生長營養(yǎng)供應不足導致小花退化和敗育。促進同化物向穗的積累和轉運,有利于穗花發(fā)育結實。外源噴施6-BA和BRs等生長調節(jié)物質可以調控植株中營養(yǎng)物質向穗器官分配和轉運。本研究發(fā)現,充足的穗部營養(yǎng)是小麥可孕小花發(fā)育成粒的基礎,外源噴施14-HBR能有效提高光合同化能力,提高穗干物質和穗氮積累量,并能促進更多的營養(yǎng)物質向穗部器官分配,為小花兩極分化階段提供良好的物質基礎和營養(yǎng)保障,促進更多的可孕小花成粒,進而通過增加穗粒數達到增產的目的。

碳氮代謝影響著穗花生長發(fā)育,前人研究表明,BRs可以通過調控Rubisco、SPS、SS和GS、NR酶活性來調節(jié)植物的碳氮代謝。高的Rubisco、SPS、SS酶活性可以提高植物光合能力和同化能力。本研究結果顯示,外源14-HBR可以提高小麥旗葉Rubisco酶活性以促進CO同化能力增加和同化物的合成,可以增強旗葉碳代謝酶SPS和SS的活性,增加葉、莖、穗的可溶性糖含量,從而為小花發(fā)育提供充足的碳營養(yǎng)供應。此外,外源BRs能提高植物氮代謝酶的活性,促進特異性蛋白的表達和可溶性蛋白含量增加,進而提高對氮素的吸收同化。在本試驗中,外源噴施14-HBR可以提高旗葉GS和NR的活性,以增強氮素同化能力,從而促進穗器官和非穗器官的氮積累絕對量增加,為小麥穗花發(fā)育奠定充足的氮素基礎; 另外,相比于多穗型品種V1,大穗型品種V2前期具有較高的穗氮含量,這有利于該類型品種小花發(fā)育為更多可孕小花。此外,分析碳氮平衡與穗花發(fā)育成粒的關系發(fā)現,充足的穗和非穗器官碳氮營養(yǎng)是穗花良好發(fā)育成粒的基礎,較多的碳營養(yǎng)向穗器官分配有利于保證穗花分化和發(fā)育,較多的氮營養(yǎng)向非穗器官分配有利于提高光合作用進而增加營養(yǎng)物質源供應,穗器官和非穗器官營養(yǎng)物質供應充分才能有效促進穗花發(fā)育成粒。此外,穗器官碳氮比(C/N)也對穗花發(fā)育成粒影響較大,孕穗至灌漿期較高的穗器官C/N值利于穗花成粒。本研究結果顯示,小花退化前外源噴施14-HBR可以提高小麥穗器官C/N值,同時增加非穗器官氮含量,進而促進營養(yǎng)器官光合產物合成并向穗部分配,高的穗部碳營養(yǎng)積累有利于小麥開花與結實?？梢?外源噴施14-HBR可以有效地通過調控光合酶、碳代謝酶和氮代謝酶來調節(jié)小麥植株碳氮代謝,提高穗部營養(yǎng)積累和C/N值以利于穗花發(fā)育成粒,進而實現增產。

4 結論

在小麥小花退化高峰前外源噴施14-HBR可以有效增加多穗型品種‘豫麥49-198’和大穗型品種‘周麥16’的可孕小花數量,提高可孕小花和小穗結實率,增加穗粒數; 可以提高小麥旗葉光合作用關鍵酶Rubisco、碳代謝酶SPS和SS以及氮代謝酶GS和NR活性,增強小麥光合同化及氮素吸收能力,促進碳氮營養(yǎng)物質向穗部轉運,尤其是促進可溶性糖向穗部多分配,提高穗器官C/N比,為小花兩極分化提供充足的物質基礎,進而促進穗花發(fā)育結實成粒,通過增加穗粒數實現增產。就多穗型‘豫麥49-198’和大穗型‘周麥16’兩品種而言,噴施14-HBR對大穗型品種的促粒增產效果更好。