藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果發(fā)育的影響*

翁 穎，王捧娜，于 敏，代雯慈，吳 宇，蔡洪梅，鄭寶強(qiáng)，李金才，2**，陳 翔**

藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果發(fā)育的影響*

翁 穎1，王捧娜1，于 敏1，代雯慈1，吳 宇1，蔡洪梅1，鄭寶強(qiáng)1，李金才1，2**，陳 翔1**

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)站，合肥 230036；2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210095)

以抗倒春寒性弱的小麥品種新麥26（XM26）和抗倒春寒性強(qiáng)的煙農(nóng)19（YN19）為試驗(yàn)材料，進(jìn)行大田盆栽試驗(yàn)。于小麥幼穗分化的藥隔形成期在智能超低溫光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行低溫（2℃和?2℃）脅迫處理，以10℃作為對(duì)照組（CK）。于花后每隔7d進(jìn)行取樣，對(duì)小麥強(qiáng)勢(shì)和弱勢(shì)穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度進(jìn)行觀測(cè)分析，同時(shí)采用石蠟切片技術(shù)觀察果皮、胚乳細(xì)胞及大、小淀粉粒的顯微結(jié)構(gòu)，以探明藥隔期倒春寒脅迫下小麥穎果發(fā)育的顯微結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：（1）藥隔期倒春寒會(huì)降低小麥穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度，且降幅隨倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃）而增大，成熟期小麥穎果長(zhǎng)度、寬度和厚度分別減小1.17%～4.41%、1.57%～10.22%和1.42%～9.40%，倒春寒脅迫下成熟期兩品種小麥各處理弱勢(shì)粒穎果長(zhǎng)/寬、長(zhǎng)/厚、寬/厚比值均高于強(qiáng)勢(shì)粒穎果。（2）藥隔期倒春寒會(huì)減緩早期穎果果皮降解速率，同時(shí)還會(huì)抑制兩品種小麥穎果胚乳細(xì)胞淀粉粒的發(fā)育。（3）藥隔期倒春寒降低小麥強(qiáng)、弱勢(shì)穎果胚乳細(xì)胞內(nèi)大、小淀粉粒的周長(zhǎng)和面積，花后28d強(qiáng)勢(shì)粒穎果胚乳細(xì)胞內(nèi)大、小淀粉粒周長(zhǎng)和面積分別下降8.17%～14.66%和14.08%～17.98%、0.94%～5.00%和2.59%～10.03%，弱勢(shì)粒穎果分別下降3.08%～10.31%和6.56%～8.70%、3.17%～6.39%和11.85%～16.17%，且強(qiáng)勢(shì)粒穎果內(nèi)大淀粉粒周長(zhǎng)和面積下降較多，而弱勢(shì)粒穎果內(nèi)小淀粉粒周長(zhǎng)和面積下降較多。綜上所述，藥隔期倒春寒通過(guò)減緩小麥穎果發(fā)育早期果皮降解，抑制胚乳細(xì)胞淀粉粒的發(fā)育，降低胚乳細(xì)胞內(nèi)大、小淀粉粒的周長(zhǎng)和面積，從而降低小麥穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度，導(dǎo)致小麥籽粒庫(kù)容降低，最終降低小麥粒重。

小麥；倒春寒；強(qiáng)弱勢(shì)；穎果；淀粉粒

小麥(L)籽粒營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高，含有蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是主要口糧作物[1?2]。隨著城市化的發(fā)展，對(duì)小麥的需求量也隨之持續(xù)增加。近10a來(lái)，中國(guó)小麥總產(chǎn)量從2012年的1.22×108t增至2021年的1.37×108t，年平均增長(zhǎng)率為1.17%；對(duì)小麥的需求量也從2012年的1.28×108t增至2021年的1.52×108t，年均增長(zhǎng)率為1.73%（http://www.agdata.cn/）。因此，小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展對(duì)保障國(guó)家糧食安全和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展均具有極其重要的意義。

小麥在不同生育時(shí)期對(duì)溫度的要求不盡相同，若在敏感期遭遇低溫脅迫，則會(huì)對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量品質(zhì)產(chǎn)生不利影響[3]。近年來(lái)，全球氣候變化造成大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致極端低溫氣候?yàn)?zāi)害事件的發(fā)生頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間不斷增加[4?6]。倒春寒主要指小麥在拔節(jié)?孕穗期遭遇突然降溫天氣，造成幼穗受傷或死亡，部分小穗不結(jié)實(shí)甚至全穗不結(jié)實(shí)，從而導(dǎo)致小麥減產(chǎn)的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[7]。作為中國(guó)最大的小麥主產(chǎn)區(qū)，黃淮麥區(qū)倒春寒災(zāi)害的年際發(fā)生頻率更是達(dá)到了40%[8]。一般輕中度倒春寒危害后小麥減產(chǎn)10%～30%，重度倒春寒危害后小麥減產(chǎn)幅度可達(dá)50%以上[3]，其已成為限制小麥生產(chǎn)高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展的重要因素之一。

前人關(guān)于倒春寒脅迫對(duì)小麥的光合特性[9?13]、ROS代謝[14]、蔗糖代謝[15?17]、籽粒灌漿[18]和基因的差異表達(dá)[19]等生理生化過(guò)程做了大量研究。劉蕾蕾等[12]研究發(fā)現(xiàn)倒春寒會(huì)降低小麥葉片最大光化學(xué)效率和凈光合速率，從而降低光合同化有機(jī)物的積累?？骆骆碌萚10]研究表明藥隔期倒春寒通過(guò)降低小麥花前干物質(zhì)的積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)效率以及花前貯藏干物質(zhì)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率，從而減少光合同化有機(jī)物向小麥穗部的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配。Zhang等[17]研究發(fā)現(xiàn)，孕穗期低溫通過(guò)誘導(dǎo)小麥穗部脫落酸積累，改變了蔗糖代謝關(guān)鍵酶活性，從而影響幼穗的正常發(fā)育，造成穗粒數(shù)的減少。孕穗期低溫還會(huì)降低小麥籽粒灌漿過(guò)程中ADP?葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、顆粒結(jié)合淀粉合成酶(GBSS)等關(guān)鍵酶活性，進(jìn)而降低灌漿速率，最終造成粒重降低[18]。此外，Jiang等[19]對(duì)藥隔期不同程度倒春寒脅迫下的小麥幼穗進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序，其中?4℃處理下從敏感型小麥發(fā)現(xiàn)1353個(gè)差異表達(dá)基因（Differential expressed gene，DEG），從抗倒春寒性強(qiáng)的小麥品種發(fā)現(xiàn)1882個(gè)DEGs，經(jīng)生物信息學(xué)分析發(fā)現(xiàn)這些DEGs主要參與蔗糖和淀粉代謝、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控等過(guò)程。但鮮有研究報(bào)道倒春寒災(zāi)害對(duì)小麥穎果發(fā)育，尤其是強(qiáng)、弱勢(shì)穎果發(fā)育的影響。小麥穗部籽粒的位置決定了籽粒灌漿進(jìn)程與干物質(zhì)積累的空間分布特征，因此，強(qiáng)弱勢(shì)籽粒對(duì)養(yǎng)分的供應(yīng)存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，且在粒重、蛋白質(zhì)含量等方面存在差異性[20]。本研究以抗倒春寒性強(qiáng)弱不同的小麥品種煙農(nóng)19和新麥26為材料，在小麥幼穗分化的藥隔形成期（低溫敏感期[10]）模擬大田倒春寒災(zāi)害的溫變規(guī)律進(jìn)行低溫脅迫處理，從穎果形態(tài)和解剖生理等方面探究倒春寒災(zāi)害對(duì)小麥強(qiáng)弱勢(shì)穎果發(fā)育的影響，以期為小麥生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)和高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

在前期研究的基礎(chǔ)上[21]，選用抗倒春寒性弱的小麥品種新麥26（XM26）和抗倒春寒性強(qiáng)的小麥品種煙農(nóng)19（YN19）為供試材料。試驗(yàn)于2021年11月1日?2022年5月18日在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園基地（31°52′01″N，117°16′58″E，海拔21.3m）進(jìn)行。該地區(qū)屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)和無(wú)霜期分別為15℃、875mm、2100h和230d[10]。供試土壤類型為黃棕壤，0?20cm土層含有機(jī)質(zhì)16.3g·kg?1，pH值為6.5，速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為112.2、23.0和161.6mg·kg?1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用大田盆栽方式進(jìn)行種植，盆栽土壤取自于農(nóng)萃園土壤耕層(0?20cm土層)。PVC盆栽桶直徑為25cm，高度為30cm，每盆裝土10kg。播種日期為2021年11月1日，盆栽桶內(nèi)土壤經(jīng)水沉實(shí)后播種，每盆播種18粒種子，三葉期定苗，最終留苗9株。播種前每盆施6.67g氮磷鉀復(fù)合肥（N:P2O5:K2O= 15:15:15）和0.44g尿素（N=46.4%），拔節(jié)期每盆追施尿素0.87g。盆栽桶周圍大田種植相同品種的小麥，田間管理措施按當(dāng)?shù)匦←湼弋a(chǎn)栽培管理要求進(jìn)行。

通過(guò)伸長(zhǎng)節(jié)間診斷法（第三節(jié)間開(kāi)始伸長(zhǎng)）、葉齡余數(shù)診斷法（倒二葉出生）結(jié)合顯微鏡鏡檢觀察小麥幼穗發(fā)育進(jìn)程，試驗(yàn)于小麥幼穗分化的藥隔形成期（2022年3月17日）選取植株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的盆栽，于當(dāng)日18：00放入智能超低溫光照培養(yǎng)箱（DGXM?1008型，長(zhǎng)1300mm ×寬 630mm ×高1305mm）內(nèi)，進(jìn)行溫度處理，試驗(yàn)期間培養(yǎng)箱內(nèi)溫度變化如圖1所示。處理結(jié)束后，將盆栽小麥轉(zhuǎn)移至大田生長(zhǎng)直至成熟。

圖1 試驗(yàn)期間培養(yǎng)箱內(nèi)溫度變化

注：小麥幼穗分化的藥隔形成期（2022年3月17日）進(jìn)行低溫脅迫處理（2℃和?2℃）4h，處理時(shí)間為1：00?5：00，箱內(nèi)相對(duì)濕度設(shè)置為70%，光照強(qiáng)度0Lx，溫度變幅±0.5℃，以10℃培養(yǎng)箱的小麥盆栽作為對(duì)照組CK，低溫處理于次日7：00上升至CK處理溫度。

Note:Low temperature stress treatments (2°C and ?2°C) were applied for 4h (treatment time 1:00?5:00am, humidity set to 70% in the incubator, light intensity 0Lx, temperature variation ±0.5°C) during the anther differentiation period of young wheat spike differentiation (17 March, 2022), with wheat potted plants in a 10°C incubator as control CK, rising to CK treatment temperature at 7:00am the following day.

1.3 項(xiàng)目測(cè)定

1.3.1 花后不同時(shí)期小麥穎果形態(tài)觀察

于小麥花后7d（2022年4月17日）、14d（2022年4月24日）、21d（2022年5月1日）、28d（2022年5月8日）和成熟期（2022年5月18日）取主莖穗第10小穗位不同粒位籽粒，在體視顯微鏡（SMZ171，中國(guó))下觀察拍攝穎果形態(tài)。根據(jù)前人研究結(jié)果[22?23]，小穗第1、2位籽粒（G1、G2）為強(qiáng)勢(shì)籽粒，第3、4位（G3、G4）籽粒為弱勢(shì)籽粒，但不同品種間也存在一定差異，故以G2（強(qiáng)勢(shì)粒）和G3（弱勢(shì)粒）作為研究對(duì)象。

1.3.2 花后不同時(shí)期小麥穎果長(zhǎng)度、寬度和厚度的測(cè)定

于小麥花后7d、14d、21d、28d和成熟期（38d）取主莖穗，各時(shí)期同一處理選取大小、長(zhǎng)短基本一致的3株小麥穗，取麥穗第10小穗位穎果，用游標(biāo)卡尺（MNT-150，中國(guó)）分別測(cè)量穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度，重復(fù)測(cè)定3次，同時(shí)計(jì)算長(zhǎng)/寬比、長(zhǎng)/厚比和寬/厚比值。

1.3.3 花后不同時(shí)期小麥穎果顯微結(jié)構(gòu)觀察

于小麥花后7d、14d、21d和28d取主莖穗第10小穗位不同粒位穎果，采用石蠟切片法進(jìn)行穎果組織結(jié)構(gòu)觀察，將制成的切片在裝有CCD（電荷耦合器件）相機(jī)的光學(xué)顯微鏡（DMLS，德國(guó)）下觀察并拍照。通過(guò)CaseViewer 2.4（濟(jì)南）軟件對(duì)小麥穎果大、小淀粉粒的周長(zhǎng)和面積進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2019軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖。采用SPSS 26.0進(jìn)行方差分析，通過(guò)LSD法進(jìn)行處理間的差異顯著性比較（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果外觀形態(tài)的影響

2.1.1 穎果外觀形態(tài)觀察

由圖2可知，隨著花后天數(shù)的增加，小麥穎果體積不斷變大，28d時(shí)達(dá)到最大，之后隨著穎果成熟，含水量降低，穎果體積變小。?2℃倒春寒脅迫下，XM26和YN19的G3粒位穎果均未結(jié)實(shí)?；ê?d，XM26第10小穗位不同粒位穎果體積較小，YN19穎果體積較小且呈乳白色；花后14d，XM26在CK和2℃處理下的穎果為綠色，?2℃處理下的穎果為乳白色，而YN19穎果均為淺綠色。隨著小麥穎果灌漿進(jìn)程的推進(jìn)，穎果體積增大，顏色逐漸變?yōu)辄S綠色；成熟期（38d）小麥穎果皺縮，長(zhǎng)度、寬度和厚度均變小。

2.1.2 穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度

由圖3和圖4可知，隨著花后天數(shù)的增加，XM26和YN19各處理G2、G3穎果的長(zhǎng)、寬和厚度均呈遞增趨勢(shì)，于花后28d達(dá)到最大，在成熟期（38d）由于穎果含水量降低呈下降趨勢(shì)。

與CK相比，成熟期XM26在2℃和?2℃倒春寒脅迫下G2粒位長(zhǎng)度、寬度和厚度分別下降2.75%、4.41%，4.30%、10.22%和4.18%、9.40%；G3粒位2℃處理長(zhǎng)度、寬度和厚度分別下降3.30%、2.05%和6.80%。與CK相比，成熟期YN19在2℃和?2℃倒春寒脅迫下G2粒位長(zhǎng)度、寬度和厚度分別下降1.17%、2.77%，3.41%、5.68%和1.42%、1.70%；G3粒位2℃處理長(zhǎng)度、寬度和厚度分別下降1.95%、1.57%和6.23%。因此，藥隔期倒春寒導(dǎo)致兩品種小麥穎果長(zhǎng)度、寬度和厚度均減小，且降幅隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃）而增大，抗倒春寒性弱的品種XM26降幅更明顯。此外，藥隔期倒春寒對(duì)兩品種小麥弱勢(shì)粒位（G3）的長(zhǎng)度、寬度和厚度的影響大小順序均表現(xiàn)為厚度＞長(zhǎng)度＞寬度；對(duì)兩品種小麥強(qiáng)勢(shì)粒位（G2）的影響則存在差異性，其中對(duì)XM26的G2穎果長(zhǎng)度、寬度和厚度的影響大小表現(xiàn)為寬度＞厚度＞長(zhǎng)度，對(duì)YN19的G2穎果影響則表現(xiàn)為寬度＞長(zhǎng)度＞厚度。

圖2 兩品種小麥第10小穗位G2、G3粒位花后不同天數(shù)穎果形態(tài)發(fā)育觀測(cè)結(jié)果

注：XM26（新麥26）為抗倒春寒性弱的小麥品種，煙農(nóng)19（YN19）為抗倒春寒性強(qiáng)的小麥品種。第1、2位（G1、G2）籽粒為強(qiáng)勢(shì)粒；第3、4位（G3、G4）籽粒為弱勢(shì)粒，在?2℃處理下不結(jié)實(shí)。下同。

Note: XM26 (Xinmai 26) is a wheat variety with weak resistance to late spring coldness and YN19 (Yanong 19) is a wheat variety with strong resistance to late spring coldness. The 1stand 2nd(G1 and G2) grains are the superior grains; the 3rdand 4th(G3 and G4) grains are the inferior grains, which did not grow caryopsis at ?2℃. The same as below.

圖3 品種XM26花后不同天數(shù)第10小穗位G2(a)、G3(b)粒位穎果長(zhǎng)度(1)、寬度(2)和厚度(3)的觀測(cè)結(jié)果

注：短線表示標(biāo)準(zhǔn)誤差。下同。

Note: The bar is standard error. The same as below.

圖4 品種YN19花后不同天數(shù)第10小穗位G2(a)、G3(b)粒位穎果長(zhǎng)度(1)、寬度(2)和厚度(3)的觀測(cè)結(jié)果

2.2 藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果長(zhǎng)寬比、長(zhǎng)厚比及寬厚比的影響

2.2.1 長(zhǎng)寬比

由圖5可知，兩品種小麥在成熟期由于穎果含水量降低、體積縮小，長(zhǎng)度/寬度比值達(dá)到最大值。成熟期XM26和YN19的G2粒位穎果在CK、2℃、?2℃處理下比值分別為1.95、1.98、2.08和1.95、1.99、2.01；G3粒位在CK、2℃處理下分別為2.04、2.01和2.10、2.09?？傮w來(lái)看，隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃），成熟期XM26和YN19的G2粒位穎果長(zhǎng)/寬度比值均呈增加趨勢(shì)，而G3粒位則均呈降低趨勢(shì)。

2.2.2 長(zhǎng)厚比

由圖6可知，成熟期XM26和YN19的G2粒位穎果在CK、2℃、?2℃處理長(zhǎng)度/厚度比值分別為1.90、1.92、2.00和1.95、1.95、1.92；G3粒位在CK、2℃處理下分別為2.04、2.01和2.08、2.17?？傮w來(lái)看，隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃），成熟期XM26的G2粒位穎果長(zhǎng)度/厚度比值呈增加趨勢(shì)，G3粒位呈降低趨勢(shì)；而成熟期YN19的G2粒位穎果長(zhǎng)度/厚度比呈降低趨勢(shì)，G3粒位呈增加趨勢(shì)。

2.2.3 寬厚比

由圖7可知，XM26的G2、G3粒位穎果在CK、2℃、?2℃處理下寬度/厚度比值均呈下降趨勢(shì)，成熟期達(dá)到最小值。成熟期XM26和YN19的G2在CK、2℃、?2℃處理穎果寬度/厚度比值分別為0.97、0.97、0.96和1.00、0.98、0.96；G3粒位在CK、2℃處理下分別為0.97、1.02和0.99、1.04?？傮w來(lái)看，隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃），成熟期XM26和YN19的G2粒位穎果寬/厚比值均呈降低趨勢(shì)，G3粒位均呈增加趨勢(shì)。

圖5 兩品種小麥XM26(a)和YN19(b)花后不同天數(shù)第10小穗位G2(1)、G3(2)粒位穎果長(zhǎng)/寬比值變化

圖6 兩品種小麥XM26(a)和YN19(b)花后不同天數(shù)第10小穗位G2(1)、G3(2)粒位穎果長(zhǎng)/厚比值變化

圖7 兩品種小麥XM26(a)和YN19(b)花后不同天數(shù)第10小穗位G2(1)、G3(2)粒位穎果寬/厚比值變化

綜上所述，成熟期兩品種小麥各處理弱勢(shì)粒（G3）穎果長(zhǎng)/寬、長(zhǎng)/厚、寬/厚比值均高于強(qiáng)勢(shì)粒（G2）。藥隔期倒春寒脅迫對(duì)成熟期小麥強(qiáng)、弱勢(shì)穎果的長(zhǎng)/寬、長(zhǎng)/厚、寬/厚比值影響均呈相反趨勢(shì)。

2.3 藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果顯微結(jié)構(gòu)的影響

2.3.1 小麥穎果果皮顯微結(jié)構(gòu)觀察

由圖8可見(jiàn)，藥隔期倒春寒對(duì)兩品種小麥果皮顯微結(jié)構(gòu)影響明顯，主要表現(xiàn)在中果皮的凋亡及其細(xì)胞內(nèi)淀粉粒的降解。XM26的G2粒位穎果在花后7d各處理穎果的中果皮細(xì)胞開(kāi)始凋亡，出現(xiàn)凋亡空腔，CK較2℃和?2℃處理穎果的中果皮細(xì)胞內(nèi)淀粉粒降解較多；花后21d各處理中果皮細(xì)胞內(nèi)淀粉粒未完全降解；花后28d各處理中果皮凋亡（圖8a）。XM26的G3粒位穎果在花后7d時(shí)CK處理中果皮凋亡較多，2℃處理中果皮剛開(kāi)始凋亡；花后21d在2℃處理下中果皮凋亡；花后28d時(shí)CK處理中果皮凋亡（圖8c）。YN19的G2粒位穎果在花后 7d各處理中果皮開(kāi)始凋亡，出現(xiàn)凋亡空腔；21d時(shí)各處理中果皮凋亡（圖8b）。YN19的G3粒位穎果在花后7d時(shí)CK處理中果皮開(kāi)始凋亡，2℃處理中果皮未出現(xiàn)凋亡；花后21d在CK和2℃處理下果皮凋亡（圖 8d）。由此可知，藥隔期倒春寒會(huì)減緩早期穎果果皮細(xì)胞的降解及中果皮細(xì)胞中淀粉粒的降解速率。

2.3.2 小麥穎果胚乳大、小淀粉粒觀察

從圖9可見(jiàn)，XM26的G2粒位穎果在CK處理花后7d穎果胚乳細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)淀粉粒和細(xì)胞核，花后14d淀粉粒聚集在細(xì)胞壁周圍，花后21～28d出現(xiàn)大、小淀粉粒，并充滿整個(gè)胚乳細(xì)胞；2℃和?2℃處理7d胚乳細(xì)胞暫未出現(xiàn)淀粉粒，只有細(xì)胞核，14d開(kāi)始出現(xiàn)淀粉粒（圖9a）。XM26的G3粒位穎果在CK和2℃處理7d胚乳細(xì)胞只有細(xì)胞核，暫未出現(xiàn)淀粉粒，14d開(kāi)始出現(xiàn)淀粉粒（圖9c）。YN19的G2粒位穎果在CK、2℃和?2℃處理7d均未出現(xiàn)淀粉粒，只有細(xì)胞核，14d才出現(xiàn)淀粉粒，21～28d大、小淀粉體逐漸充滿整個(gè)胚乳細(xì)胞（圖9b）；YN19的G3粒位穎果在CK和2℃處理7d均未出現(xiàn)淀粉粒，只有細(xì)胞核，14d才出現(xiàn)淀粉粒（圖9d）。綜上所述，花后14d之前胚乳先積累大淀粉粒，花后14d之后開(kāi)始積累小淀粉粒并逐漸充滿整個(gè)胚乳細(xì)胞。藥隔期倒春寒抑制了兩品種小麥穎果胚乳細(xì)胞淀粉粒的發(fā)育，抗倒春寒性弱的品種XM26較抗倒春寒性強(qiáng)的品種YN19先積累淀粉粒，且弱勢(shì)粒（G3）較強(qiáng)勢(shì)粒（G2）受倒春寒影響更大。

由圖10可知，隨著花后天數(shù)的增加，穎果胚乳中大淀粉粒周長(zhǎng)和面積也隨之增加。兩品種小麥強(qiáng)勢(shì)粒（G2）胚乳細(xì)胞中大淀粉粒的周長(zhǎng)和面積均大于弱勢(shì)粒（G3）?？沟勾汉匀醯钠贩NXM26在花后28d強(qiáng)勢(shì)粒（G2）胚乳細(xì)胞中大淀粉粒在2℃、?2℃處理下周長(zhǎng)和面積分別下降8.17%、14.27%和14.11%、16.49%；弱勢(shì)粒（G3）在2℃處理下周長(zhǎng)和面積下降10.31%和6.56%。抗倒春寒性強(qiáng)的品種YN19在花后28d強(qiáng)勢(shì)粒（G2）穎果胚乳細(xì)胞中大淀粉粒在2℃、?2℃處理下周長(zhǎng)和面積下降8.67%、14.66%和14.08%、17.98%；弱勢(shì)粒（G3）在2℃處理周長(zhǎng)和面積下降3.08%和8.70%。綜上所述，隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃），強(qiáng)勢(shì)粒穎果胚乳中大淀粉粒周長(zhǎng)和面積較弱勢(shì)粒下降較多。

圖8 兩品種小麥花后不同天數(shù)第10小穗位G2、G3粒位穎果果皮細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)

注：Me為中果皮；Ex為外果皮；En為內(nèi)果皮；SG為淀粉粒。G3粒位穎果在?2℃處理下不結(jié)實(shí)，故不顯示。下同。

Note: Me is mesocarp; Ex is exocarp; En is endocarp; SG is starch granule. G3 grain caryopsis did not set at ?2℃, so it did not show. The same as below.

圖9 兩品種小麥花后不同天數(shù)第10小穗位G2、G3粒位穎果胚乳細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)

注：Nu為細(xì)胞核；LA為大淀粉粒；SA為小淀粉粒。

Note: Nu is nucleus; LA is large amyloplast; SA is small amyloplast.

圖10 兩品種小麥花后不同天數(shù)第10小穗位G2、G3粒位籽粒大淀粉粒周長(zhǎng)和面積

注：小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

由圖11可知，花后7～14d籽粒胚乳細(xì)胞中暫未出現(xiàn)小淀粉粒，花后21～28d小淀粉粒的周長(zhǎng)和面積逐漸增加。兩品種小麥強(qiáng)勢(shì)粒（G2）胚乳細(xì)胞中小淀粉粒的周長(zhǎng)和面積均大于弱勢(shì)粒（G3）?？沟勾汉匀醯钠贩NXM26在花后28d強(qiáng)勢(shì)粒（G2）穎果胚乳細(xì)胞中小淀粉粒在2℃、?2℃處理下周長(zhǎng)和面積分別下降1.55%、2.58%和3.96%、9.57%；弱勢(shì)粒（G3）在2℃處理下周長(zhǎng)和面積下降3.17%和11.85%?？沟勾汉詮?qiáng)的品種YN19在花后28d強(qiáng)勢(shì)粒（G2）穎果胚乳細(xì)胞中小淀粉粒在2℃、?2℃處理下周長(zhǎng)和面積下降0.94%、5.00%和2.59%、10.03%；弱勢(shì)粒（G3）在2℃處理下周長(zhǎng)和面積下降6.39%和16.17%。綜上所述，隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→?2℃），弱勢(shì)粒穎果胚乳中小淀粉粒周長(zhǎng)和面積較強(qiáng)勢(shì)粒下降較多。

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

3.1.1 藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果形態(tài)的影響

朱啟迪等[24]研究表明從受精到籽粒成熟，小麥籽粒歷時(shí)30～40d，隨著花后天數(shù)的增加，其籽粒長(zhǎng)和寬整體呈增加趨勢(shì)，后期隨著籽粒成熟和含水量的下降，籽粒長(zhǎng)寬略有降低。本研究結(jié)果與其一致，但倒春寒脅迫會(huì)延緩小麥穎果發(fā)育進(jìn)程，降低穎果體積。低溫脅迫影響小麥籽粒的粒徑大小，Liu等[25]研究表明拔節(jié)期低溫會(huì)降低小麥穎果的長(zhǎng)度和寬度。本研究也表明藥隔期倒春寒會(huì)降低兩品種小麥穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度，降幅隨著倒春寒脅迫程度的加重而增大，且抗倒春寒性弱的品種XM26較抗倒春寒性強(qiáng)的品種YN19降幅更大。此外，倒春寒脅迫對(duì)弱勢(shì)粒穎果的厚度影響最大，對(duì)強(qiáng)勢(shì)粒穎果的影響則存在差異。這可能是因?yàn)閷?duì)粒形相關(guān)性狀的QTL進(jìn)行定位分析發(fā)現(xiàn)相較于籽粒長(zhǎng)度和寬度，穎果厚度最易受環(huán)境變化的影響[26?27]。Liu等[25]研究表明拔節(jié)期低溫導(dǎo)致小麥穎果的長(zhǎng)/寬值增加，本研究也表明成熟期兩品種小麥的G2粒位的穎果長(zhǎng)/寬均隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)呈增加趨勢(shì)。成熟期兩品種小麥穎果長(zhǎng)/寬、長(zhǎng)/厚比值約為2.0，而寬/厚比值約為1.0，穎果形狀呈現(xiàn)“長(zhǎng)大寬小厚小”的形態(tài)，表明倒春寒脅迫會(huì)降低穎果的庫(kù)容和充實(shí)度，這可能是粒重降低的主要原因。

3.1.2 藥隔期倒春寒對(duì)小麥胚乳淀粉粒分布的影響

小麥穎果的生長(zhǎng)發(fā)育伴隨著胚乳發(fā)育和淀粉積累，淀粉的合成與積累過(guò)程直接影響小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)[28?29]。淀粉是小麥穎果胚乳中碳儲(chǔ)備的主要形式，占籽粒最終干重的65%～75%[30]。積累在胚乳細(xì)胞淀粉體內(nèi)的淀粉可分為大、小兩種類型，即A型和B型淀粉粒[31]。前人研究表明，小麥花后14～16d之前穎果胚乳中先積累較大的A型淀粉粒，隨后較小的B型淀粉?？焖僭黾覽32?34]。這與本研究結(jié)果基本一致，且倒春寒脅迫并沒(méi)有改變小麥穎果胚乳細(xì)胞中大、小淀粉體發(fā)育的時(shí)間順序，但抗倒春寒性弱的品種XM26較抗倒春寒性強(qiáng)的品種YN19先積累淀粉粒。譚秀山等[22，35]研究表明，強(qiáng)勢(shì)籽粒中大、小淀粉體積累量均高于弱勢(shì)籽粒，這與幼穗發(fā)育過(guò)程中強(qiáng)勢(shì)小花形成早、開(kāi)花早及花后營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累早且淀粉積累速率高有著密切關(guān)系。譚植等[36]研究表明，拔節(jié)期低溫對(duì)小麥穎果大、小淀粉粒體積和表面積百分比有顯著影響，小淀粉粒體積和表面積百分比受低溫脅迫后顯著降低。本研究則表明，藥隔期倒春寒會(huì)降低小麥強(qiáng)、弱勢(shì)穎果中的大、小淀粉粒周長(zhǎng)和面積，強(qiáng)勢(shì)粒位籽粒中大淀粉粒周長(zhǎng)和面積下降較多，而弱勢(shì)粒位籽粒中小淀粉粒周長(zhǎng)和面積下降較多。這可能是因?yàn)椴煌笮〉牡矸哿Ｔ谂呷榘l(fā)育過(guò)程中表現(xiàn)出不同的理化和功能特性[37]，藥隔期倒春寒對(duì)不同粒位籽粒中的大、小淀粉粒影響也不同。

Calderini等[38]研究指出花前是決定小麥粒重潛力的關(guān)鍵時(shí)期。楊佳慶等[39]研究表明，花后低溫降低小麥胚乳發(fā)育早期和中期淀粉體和蛋白體的積累量，縮短灌漿時(shí)期，降低小麥粒重。汪巧菊等[40]研究表明強(qiáng)勢(shì)粒較弱勢(shì)粒的胚乳質(zhì)地更加致密且背部胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體的相對(duì)面積大、充實(shí)度高。陳紅陽(yáng)等[41]研究表明結(jié)實(shí)期低溫脅迫對(duì)弱勢(shì)粒中淀粉合成關(guān)鍵酶活性變化影響大于強(qiáng)勢(shì)粒，且弱勢(shì)粒淀粉合成積累速率慢、含量降低，最終導(dǎo)致千粒重顯著降低。本研究表明，藥隔期倒春寒抑制了小麥穎果胚乳細(xì)胞淀粉粒的發(fā)育，從而導(dǎo)致小麥粒重降低，且弱勢(shì)粒較強(qiáng)勢(shì)粒受倒春寒影響更大。這可能是因?yàn)樾←溁ê蟾鲿r(shí)期強(qiáng)勢(shì)粒的粒重、蛋白質(zhì)積累量和蛋白質(zhì)含量顯著大于弱勢(shì)粒[20]，且強(qiáng)勢(shì)粒在灌漿期間獲得的光合產(chǎn)物多、物質(zhì)積累快，而弱勢(shì)粒同化物供應(yīng)不足、物質(zhì)積累慢[42]。

本研究分析了藥隔期倒春寒對(duì)小麥中部小穗（第10小穗位）不同粒位穎果的粒徑、胚乳細(xì)胞和大、小淀粉粒的影響，明確了倒春寒脅迫對(duì)弱勢(shì)粒穎果產(chǎn)生的影響更大。由于試驗(yàn)低溫脅迫處理是培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行的，與大田自然倒春寒有所不同，會(huì)存在一定差異性。故后續(xù)還需增加倒春寒脅迫降溫的梯度和幅度以及脅迫持續(xù)時(shí)間，同時(shí)選取上部和下部小穗不同粒位穎果進(jìn)行測(cè)定，以進(jìn)一步量化不同等級(jí)倒春寒脅迫對(duì)小麥穎果發(fā)育的傷害機(jī)理，并與大田自然倒春寒災(zāi)害和防災(zāi)減災(zāi)措施相結(jié)合，以期最大限度地降低倒春寒災(zāi)害對(duì)小麥產(chǎn)量的影響。

3.2 結(jié)論

（1）藥隔期倒春寒會(huì)降低小麥穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度，且降幅隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)（2℃→ ?2℃）而增大，對(duì)小麥弱勢(shì)粒穎果的長(zhǎng)度、寬度和厚度的影響均表現(xiàn)為厚度＞長(zhǎng)度＞寬度，對(duì)強(qiáng)勢(shì)粒穎果的影響則存在差異。倒春寒脅迫下成熟期小麥各處理弱勢(shì)粒穎果長(zhǎng)/寬、長(zhǎng)/厚、寬/厚比值均高于強(qiáng)勢(shì)粒穎果。

（2）藥隔期倒春寒會(huì)減緩早期穎果果皮降解速率，同時(shí)還會(huì)抑制兩品種小麥穎果胚乳細(xì)胞淀粉粒的發(fā)育。藥隔期倒春寒降低小麥強(qiáng)、弱勢(shì)穎果胚乳中大、小淀粉粒的周長(zhǎng)和面積，隨著倒春寒脅迫程度的加強(qiáng)，強(qiáng)勢(shì)粒中大淀粉粒周長(zhǎng)和面積較弱勢(shì)粒下降較多，而弱勢(shì)粒中小淀粉粒周長(zhǎng)和面積較強(qiáng)勢(shì)粒下降較多。

（3）藥隔期倒春寒對(duì)小麥弱勢(shì)粒的影響大于強(qiáng)勢(shì)粒，且對(duì)小麥穎果的影響隨脅迫強(qiáng)度的加重而增加。生產(chǎn)中可通過(guò)選用抗倒春寒小麥品種加上氮磷鉀肥的合理運(yùn)籌來(lái)提高植株對(duì)倒春寒的抵抗能力，減輕倒春寒脅迫對(duì)小麥弱勢(shì)粒的不利影響，從而提高小麥生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)能力。

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Effect of Late Spring Coldness during the Anther Differentiation Period on the Caryopsis Development of Wheat

WENG Ying1, WANG Peng-na1, YU Min1, DAI Wen-ci1, WU Yu1, CAI Hong-mei1, ZHENG Bao-qiang1, LI Jin-cai1,2, CHEN Xiang1

(1. College of Agronomy, Anhui Agricultural University/Crop Cultivation Science Observatory in East China of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hefei 230036, China; 2. Collaborative Innovation Center of Modern Crop Production in Jiangsu, Nanjing 210095)

A field pot experiment was conducted using Xinmai26 (XM26) with weak resistance to late spring coldness and Yannong19 (YN19) with strong resistance to late spring coldness. Low temperature (2℃ and ?2℃) stress treatment was carried out in intelligent ultra-low temperature light incubator during the anther differentiation period of young wheat spike differentiation, and 10℃ was used as CK control group. The length, width and thickness of the superior and inferior caryopsis of wheat were analyzed by sampling every 7 days after anthesis. At the same time, the microstructures of pericarp, endosperm cells and large and small starch grains were observed by paraffin sectioning technique, so as to explore the microstructures of caryopsis development in wheat under the late spring coldness during the anther differentiation period. The results showed as follows: (1) the length, width and thickness of wheat caryopsis decreased with the increase of cold stress (2℃→?2℃). The length, width and thickness of wheat caryopsis decreased by 1.17%?4.41%, 1.57%?10.22% and 1.42%?9.40%, respectively, at the mature stage. The ratios of length/width, length/thickness and width/thickness of inferior grain caryopsis were higher than that of superior grain caryopsis in all treatments at maturity stage. (2) The degradation rate of early caryopsis pericarp was slowed down. Meanwhile, the development of starch granules in caryopsis endosperm cells of two wheat cultivars was inhibited. (3) The circumference and area of large and small starch grains in wheat superior and inferior caryopsis were decreased by 8.17%?14.66%, 14.08%?17.98%, 0.94%?5.00% and 2.59%?10.03% in endosperm cells of dominant caryopsis at 28 days after anthems. The circumference and area of large and small starch grains decreased by 3.08%?10.31%, 6.59%?8.70%, 3.17%?6.39% and 11.85%?16.17% in endosperm cells of inferior grain caryopsis. The circumference and area of large starch grains decreased more in dominant grain caryopsis, while the circumference and area of small and medium starch grains decreased more in inferior grain caryopsis. In conclusion, late spring coldness during the anther differentiation period can slow down the degradation of pericarp cells of early wheat caryopsis development, inhibit the development of starch grains in endosperm cells, reduce the circumference and area of large and small starch grains in endosperm cells, and thus reduce the length, width and thickness of wheat caryopsis, resulting in the decrease of grain storage capacity of wheat, and ultimately reduce wheat grain weight.

Wheat; Late spring coldness; Superior and inferior; Caryopsis; Amyloplast

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.10.006

收稿日期：2022?10?26

安徽省高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2023AH051016）；安徽省自然科學(xué)基金(2008085QC122)；淮北市重大科技專項(xiàng)（HK2021013）；安徽省重大科技專項(xiàng)（202003b06020021）；“十四五”安徽省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金

通訊作者：陳翔，講師，主要從事作物生理生態(tài)研究，E-mail：cxagricultural@163.com；李金才，教授，主要從事作物生理生態(tài)研究，E-mail：ljc5122423@126.com

翁穎，E-mail：wengying0918@163.com

翁穎,王捧娜,于敏,等.藥隔期倒春寒對(duì)小麥穎果發(fā)育的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2023,44(10):929-942