油菜素內(nèi)酯對(duì)寒地冬小麥越冬期生理代謝的影響

丁美云，劉麗杰，于夢(mèng)迪，王璐瑤，孫玉婷，金忠民，李珊珊，張東向

(齊齊哈爾大學(xué)生命科學(xué)與農(nóng)林學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

小麥?zhǔn)侵袊?guó)重要的糧食作物之一，小麥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與國(guó)家的糧食安全和社會(huì)穩(wěn)定息息相關(guān)。冬小麥具有產(chǎn)量高、品質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，因此長(zhǎng)期以來(lái)一直得到人們的認(rèn)可。但由于溫度的影響，我國(guó)高寒地區(qū)冬小麥的種植受到限制，東農(nóng)冬麥1號(hào)是我國(guó)首例能在黑龍江省高寒地區(qū)越冬的冬小麥品種，返青率可達(dá)85%。但如遇冬天雪少，或者田間存雪困難，部分麥苗裸漏在田間時(shí)，冬小麥次年的返青也會(huì)有所下降。因此，如何有效地提高冬小麥的耐寒能力，是進(jìn)一步在高寒地區(qū)廣泛推廣種植冬小麥的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)解決實(shí)際生產(chǎn)問(wèn)題有重要的應(yīng)用價(jià)值。

油菜素內(nèi)酯(brassinosteroids，BR)又稱蕓苔素，是一類(lèi)存在于油菜花粉中的新型植物激素，油菜素內(nèi)酯既能調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育，又能提高植物的抗逆性。低溫脅迫時(shí)，油菜素內(nèi)酯能夠降低低溫對(duì)辣椒、華山松和水稻幼苗的膜質(zhì)損傷程度，促進(jìn)植株的生長(zhǎng)，提高蔬菜甘薯、華山松和水稻幼苗的抗氧化酶(CAT、POD和SOD)活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸)含量，增加香椿幼苗和華山松葉綠素含量和光化學(xué)活性，從而增強(qiáng)植物抵抗低溫的能力。4 ℃低溫脅迫下，適當(dāng)濃度的表油菜素內(nèi)酯處理48 h和處理7 d均能降低小麥幼苗的電導(dǎo)率和MDA含量，促進(jìn)脯氨酸的積累，提高 SOD和CAT的活性，表油菜素內(nèi)酯處理7 d還可增加小麥的可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高POD的活性。目前關(guān)于油菜素內(nèi)酯對(duì)小麥低溫脅迫的影響均是在零上溫度進(jìn)行，對(duì)油菜素內(nèi)酯在冬小麥越冬期持續(xù)低溫下的影響尚不清楚。本研究以冬小麥強(qiáng)抗寒性品種東農(nóng)冬麥1號(hào)和弱抗寒品種濟(jì)麥22(在黑龍江省不能越冬)為試驗(yàn)材料，在三葉期時(shí)噴灑不同濃度的油菜素內(nèi)酯溶液(0.01 mg·L、0.1 mg·L和1 mg·L)，在越冬期不同溫度時(shí)取樣，探究在越冬期不同低溫下，油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥生理代謝的影響，以期為油菜素內(nèi)酯在冬小麥抗寒栽培中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為冬小麥品種冬小麥東農(nóng)冬麥 1 號(hào)和濟(jì)麥22，種子由齊齊哈爾大學(xué)生命學(xué)院植物代謝生理研究室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選出粒大飽滿的東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22種子，于2020年9月8日播種在試驗(yàn)田中，完全區(qū)組排列，3次重復(fù)，10行區(qū)，行長(zhǎng)2.0 m，行距 0.5 m，每行播種200粒，播深5 cm，基施二銨23 g·m和硫酸鉀7.5 g·m，常規(guī)田間管理。在冬小麥三葉期時(shí)噴施不同濃度的BR(0.01 mg·L、0.1 mg·L和1 mg·L)，對(duì)照組噴灑蒸餾水。在越冬期溫度(連續(xù)10 d最低溫度的平均值)達(dá)到5 ℃、0 ℃、-10 ℃和-25 ℃時(shí)進(jìn)行分蘗節(jié)取樣，將冬小麥分蘗節(jié)剪成1 cm長(zhǎng)小段混勻，用液氮進(jìn)行速凍，標(biāo)記清楚，放入-80 ℃冰箱進(jìn)行保存。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量利用TBA比色法測(cè)定，可溶性蛋白含量利用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定，游離脯氨酸含量利用磺基水楊酸法測(cè)定，過(guò)氧化物酶(POD)活性利用比色法測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性利用NBT顯色法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性利用高錳酸鉀滴定法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每個(gè)處理包括3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。數(shù)據(jù)用 SPSS 20.0 軟件按單因素進(jìn)行方差分析，在=0.05顯著性水平上對(duì)不同處理間差異顯著性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 越冬期不同低溫下油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)膜質(zhì)損傷的影響

在對(duì)照組和BR處理組，隨著溫度的降低，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22分蘗節(jié)的 MDA含量均逐漸上升；隨著B(niǎo)R濃度的提高，MDA含量整體呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，并且處理組始終低于對(duì)照組。當(dāng) BR濃度為0.1 mg·L時(shí)，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22膜質(zhì)損傷程度達(dá)到最低，東農(nóng)冬麥1號(hào)與對(duì)照組相比，不同溫度(5、0、-10和25 ℃)下MDA含量分別降低了19.2%、38.8%、20.2%、 37.3%，在0 ℃、 -10 ℃和-25 ℃時(shí)與對(duì)照組差異均達(dá)到顯著水平(<0.05)；濟(jì)麥22與對(duì)照組相比，不同溫度下MDA含量分別降低了 18.2%、8.2%、 1.9%、37.0%，在-25 ℃時(shí)與對(duì)照組差異達(dá)到顯著水平；東農(nóng)冬麥1號(hào)比濟(jì)麥22的膜質(zhì)損傷程度低(圖1)。

CK：對(duì)照； D：東農(nóng)冬麥1號(hào)； J：濟(jì)麥22； 1～3分別代表0.01、0.1和1 mg·L-1三種BR濃度；圖柱上不同字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.2 越冬期不同低溫下油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)抗氧化酶活性的影響

在對(duì)照組和BR處理組，隨著溫度的降低東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22的SOD活性均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，CAT活性呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)；隨著B(niǎo)R濃度的提高，SOD活性整體呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，CAT活性整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，并且處理組始終高于對(duì)照組。當(dāng)BR濃度為0.1 mg·L時(shí)東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22的SOD和CAT活性均達(dá)到最高，其中東農(nóng)冬麥1號(hào)SOD活性在5、0、-10和-25 ℃下較對(duì)照組分別上升了 61.4%、44.1%、48.4%、41.3%，CAT活性分別上升了36.6%、70.1%、73.6%、31.6%，差異均達(dá)到顯著水平；濟(jì)麥22的SOD活性在5、0、 -10和-25 ℃較對(duì)照組分別上升了 62.6%、 54.0%、45.4%、45.8%，CAT活性分別上升了 37.0%、55.2%、66.6%、52.7%，差異均達(dá)到顯著水平。東農(nóng)冬麥1號(hào)分蘗節(jié)中CAT活性顯著高于濟(jì)麥22(圖2、圖3)。

圖2 油菜素內(nèi)酯對(duì)小麥分蘗節(jié)SOD活性的影響

圖3 油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)CAT活性的影響

隨著溫度的降低，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22 的POD活性均呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)；BR處理后，隨著B(niǎo)R濃度的升高，POD活性整體呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，并且處理組始終高于對(duì)照組。當(dāng)BR濃度為0.1 mg·L時(shí)，POD活性達(dá)到最高值，其中東農(nóng)冬麥1號(hào)的POD活性較對(duì)照組分別升高了30.9%、32.2%、 39.0%、14.1%；濟(jì)麥22的POD活性分別降低了9.4%、50.4%、27.8%、23.4%，除濟(jì)麥22在5和-10 ℃下外，兩個(gè)品種的BR處理與對(duì)照組在各溫度下差異均顯著(圖4)。

圖4 油菜素內(nèi)酯對(duì)小麥分蘗節(jié)POD活性的影響

2.3 越冬期不同低溫下油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)滲透調(diào)節(jié)能力的影響

在對(duì)照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22可溶性糖含量均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，但不同溫度間差異不顯著。不同濃度的BR處理后，可溶性糖含量與對(duì)照組相比差異也均不顯著(圖5)。

圖5 油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)可溶性糖含量的影響

在對(duì)照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22可溶性蛋白含量均呈現(xiàn)先上升后降的趨勢(shì)，當(dāng)BR濃度為0.1 mg·L時(shí)可溶性蛋白含量最高，并且處理組始終高于對(duì)照組。其中，東農(nóng)冬麥1號(hào)的可溶性蛋白含量在5、0、-10和-25 ℃下與對(duì)照組相比分別增加了17.8%、23.7%、20.5%、45.9%，濟(jì)麥22的可溶性蛋白含量分別增加了 27.9%、31.9%、27.6%、35.0%，除濟(jì)麥22的5 ℃外，各溫度下兩個(gè)品種的BR處理組與對(duì)照組差異均顯著(圖6)。

圖6 油菜素內(nèi)酯對(duì)小麥分蘗節(jié)可溶性蛋白含量的影響

在對(duì)照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22脯氨酸含量均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)BR濃度為0.1 mg·L時(shí)脯氨酸含量達(dá)到峰值，并且處理組始終高于對(duì)照組。其中，東農(nóng)冬麥1號(hào)的脯氨酸含量在5、0、-10和 -25 ℃下較對(duì)照組分別增加了66.2%、 50.0%、 59.17%、38.05%；濟(jì)麥22的脯氨酸含量分別增加25.9%、50.3%、15.9%、36.3%，除濟(jì)麥22的5 ℃，兩個(gè)品種BR處理組在各溫度下與對(duì)照組差異均達(dá)到顯著水平(圖7)。

圖7 油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)脯氨酸含量的影響

2.4 越冬期不同低溫下油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)光合色素含量的影響

在對(duì)照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農(nóng)冬麥1號(hào)和濟(jì)麥22的葉綠素含量均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)BR濃度為0.1 mg·L時(shí)葉綠素含量達(dá)到最高值，并且處理組始終高于對(duì)照組。其中，東農(nóng)冬麥1號(hào)的葉綠素含量在5、0、 -10和-25 ℃下較對(duì)照組分別提高27.4%、 31.0%、 54.0%、37.2%，濟(jì)麥22的葉綠素含量分別提高 40.1%、40.9%、40.5%、49.1%，除東農(nóng)冬麥1號(hào)的-25 ℃處，各溫度下兩個(gè)品種的BR處理組與對(duì)照組差異均顯著(圖8)。

圖8 油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥分蘗節(jié)葉綠素含量的影響

2.5 越冬期不同濃度下油菜素內(nèi)酯對(duì)冬小麥越冬率的影響

濟(jì)麥22在黑龍江省種植時(shí)不能返青。BR處理后，東農(nóng)冬麥1號(hào)的返青率高于對(duì)照組，當(dāng)BR濃度為0.1 mg·L返青率達(dá)到最高，并且與對(duì)照組差異顯著，其余濃度的BR處理與對(duì)照組差異不顯著。對(duì)照組和BR處理組中東農(nóng)冬麥1號(hào)的返青率均在86%以上(表1)。

表1 油菜素內(nèi)酯對(duì)東農(nóng)冬麥1號(hào)返青率的影響

3 討 論

在自然環(huán)境條件下，溫度是非生物因素中變化最為頻繁的因素。溫度影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、器官形成等過(guò)程，同時(shí)也是最敏感的環(huán)境限制因素。低溫下細(xì)胞膜從液晶相轉(zhuǎn)變成凝膠相，細(xì)胞膜出現(xiàn)裂縫和透性增大，可溶性物質(zhì)從細(xì)胞內(nèi)滲透出來(lái)，使細(xì)胞內(nèi)的離子失衡。MDA含量可以反映逆境脅迫對(duì)植物的損害程度。本研究表明，隨著溫度的降低，冬小麥的MDA含量升高，說(shuō)明溫度使膜質(zhì)受到傷害；噴灑BR能夠降低小麥分蘗節(jié)膜質(zhì)損傷程度，兩個(gè)冬小麥品種的MDA含量在BR濃度為0.1 mg·L時(shí)最小(圖1)，并且對(duì)強(qiáng)抗寒品種東農(nóng)冬麥1號(hào)的影響大于濟(jì)麥22，說(shuō)明此濃度的BR能有效緩解低溫對(duì)東農(nóng)冬麥1號(hào)小麥細(xì)胞膜的損害，這與張煜星和劉麗杰等在4 ℃低溫脅迫下對(duì)油菜素內(nèi)酯效應(yīng)的研究結(jié)果一致。

低溫脅迫會(huì)使植物體內(nèi)的活性氧產(chǎn)生和清除失衡，從而使活性氧大量積累，破壞生物大分子，植物可以利用抗氧化防御系統(tǒng)來(lái)保護(hù)自己免受氧化應(yīng)激損傷。本研究結(jié)果表明，在越冬期不同低溫下，BR處理后，兩個(gè)冬小麥品種的SOD、POD和CAT活性較對(duì)照組都有所提高，并在BR濃度為0.1 mg·L時(shí)抗氧化酶活性達(dá)到最強(qiáng)(圖2-4)，且BR使東農(nóng)冬麥1號(hào)的抗氧化酶活性增加更多，此結(jié)果與前人的研究結(jié)果相似。這說(shuō)明在越冬期低溫下，BR能通過(guò)提高抗氧化酶的活性而降低氧自由基含量，清除過(guò)多的活性氧，從而減輕膜脂過(guò)氧化程度，進(jìn)而增強(qiáng)小麥幼苗的抗寒性。

植物受到低溫脅迫時(shí)會(huì)使細(xì)胞的滲透壓改變，植物體通過(guò)產(chǎn)生有機(jī)或無(wú)機(jī)小分子物質(zhì)作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)緩解由于低溫引起的滲透壓的變化。脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖是植物體內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本研究表明，不同濃度的BR噴灑后，小麥分蘗節(jié)的脯氨酸和可溶性蛋白增加，并在BR濃度為0.1 mg·L時(shí)脯氨酸和可溶性蛋白含量最高，此時(shí)小麥的滲透調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)，這與Kang等對(duì)苦瓜滲透調(diào)節(jié)能力的研究結(jié)果相似；BR處理后可溶性糖的含量與對(duì)照組差異不顯著，與劉麗杰等關(guān)于4 ℃低溫脅迫下得出表油菜素內(nèi)酯能提高冬小麥幼苗可溶性糖含量的結(jié)果并不一致，可見(jiàn)不同低溫以及低溫處理的持續(xù)時(shí)間會(huì)影響冬小麥滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，在越冬期BR主要通過(guò)脯氨酸和蛋白質(zhì)的積累來(lái)調(diào)節(jié)冬小麥細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，從而提高其抗寒性。

光合作用是植物的主要生命活動(dòng)，低溫會(huì)抑制葉綠素的合成，使葉綠素降解加快，因低溫會(huì)使光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ的結(jié)構(gòu)和功能破壞，阻礙電子傳遞鏈(ETC)的傳遞功能，從而使植物發(fā)生光氧化現(xiàn)象。植物可通過(guò)將過(guò)度吸收的光轉(zhuǎn)換成熱能來(lái)降低電子傳輸?shù)乃俾剩嘤嗟募ぐl(fā)能作為熱量被耗散，它可以激活散熱通道降低光系統(tǒng)Ⅱ中葉綠素激發(fā)態(tài)的濃度，進(jìn)而使植物適應(yīng)低溫環(huán)境。本研究結(jié)果表明，在低溫脅迫下，BR可使兩個(gè)品種冬小麥分蘗節(jié)中的葉綠素含量顯著提高，減少低溫對(duì)葉綠素的破壞，從而維持光合作用的進(jìn)行，在BR濃度為0.1 mg·L時(shí)葉綠素的含量達(dá)到峰值，這與前人在黃瓜和玉米上的研究結(jié)果相似。

總之，油菜素內(nèi)酯能夠有效緩解低溫對(duì)冬小麥的脅迫，提高抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，降低低溫對(duì)細(xì)胞膜的傷害，提高返青率，最適油菜素內(nèi)酯濃度為0.1 mg·L，對(duì)強(qiáng)抗寒品種東農(nóng)冬麥1號(hào)的效果好于弱抗寒品種濟(jì)麥22。