外源6-BA和KH2PO4對花后受漬小麥根系抗氧化酶和無氧呼吸酶活性的影響

耿兵婕,葉苗苗,陳 研,王孟昌,馬尚宇,2,*,黃正來,2,張文靜,樊永惠

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,農(nóng)業(yè)農(nóng)村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; 2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210095)

隨著極端氣候事件的頻繁發(fā)生,漬害已成為全球作物生產(chǎn)的限制性因素[1]。有報道指出,每年有1 000萬～1 500萬hm2小麥受到漬害的影響[2],占小麥年播種面積的15%～35%[3]。我國長江中下游地區(qū)是冬小麥的主產(chǎn)區(qū),該地區(qū)約60%的降雨發(fā)生在3月至5月(相當于冬小麥拔節(jié)期至成熟期)[4]。因此,花后漬水成為長江中下游地區(qū)小麥產(chǎn)量提高的主要限制因子[5-6]。

漬害導(dǎo)致小麥根系與大氣之間氣體交換受到限制,進而抑制根系正常生長[7],光合作用和地上部干物質(zhì)積累受抑制,從而降低小麥粒重和產(chǎn)量,最終導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低[6,8-10]。漬害對植株的影響不僅存在于當時,對之后植株的生長發(fā)育也有持續(xù)不利影響[11]。小麥在生育后期和生殖生長階段對周圍環(huán)境的水分十分敏感,土壤水分過多,會影響小麥根系對水分和礦物質(zhì)的吸收,加速小麥的衰老和死亡[12-13]。盆栽試驗條件下,花后連續(xù)漬水22 d,用外源激素或其他生長調(diào)節(jié)物質(zhì)可以增強小麥抗逆性并延緩根系衰老[14]。田間試驗條件下,孕穗期漬水初期小麥單株根干重有所增加,漬水5 d后,單株根干重開始下降,10 d后下降幅度加大,根系質(zhì)膜相對透性隨漬水時間延長逐漸增大[15]。桶栽試驗條件下,孕穗期漬水初期(0～5 d),單株根干重略有增加[16]。有研究表明,孕穗期漬水5 d后,噴施6-芐氨基嘌呤(6-BA)使根系干重增加[17]。漬害降低根系活力和根系超氧化物歧化酶(SOD)活性,使根系質(zhì)膜相對透性和丙二醛(MDA)含量提高[18],嚴重影響根系礦質(zhì)營養(yǎng)吸收、運輸和分配,從而加速根系衰老甚至死亡[19]。

外源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)會引起作物生理和形態(tài)上的正效應(yīng)[20-21],這種效應(yīng)主要是外源物質(zhì)影響了作物體內(nèi)某些激素的含量和激素間的平衡關(guān)系[22]。有研究發(fā)現(xiàn),小區(qū)試驗條件下,在小麥花后葉面噴施0.3% KH2PO4溶液,對小麥旗葉的抗氧化酶活性有積極影響,并且能夠顯著提高SOD活性[23]。灌漿期噴施0.3% KH2PO4溶液可以顯著提高小麥的千粒重[24]。盆栽試驗條件下,漬水前葉面噴施0.01 mmol·L-16-BA溶液有助于小麥孕穗期漬水后旗葉凈光合速率和干物質(zhì)積累量的恢復(fù),且可以顯著降低旗葉和倒三葉的MDA含量,對穗粒數(shù)和產(chǎn)量也有很好的恢復(fù)效果[25]。漬水顯著抑制了0～60 cm各土層根系活力和根系谷氨酸脫氫酶(GDH)、硝酸還原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性,根系硝態(tài)氮和氨態(tài)氮轉(zhuǎn)運蛋白基因表達量降低30%～60%,導(dǎo)致產(chǎn)量顯著降低[26]。有研究發(fā)現(xiàn),用外源激素或其他生長調(diào)節(jié)物質(zhì)可以增強小麥抗逆性并延緩衰老,有效提高同化干物質(zhì)輸入籽粒量和其對籽粒產(chǎn)量的貢獻率[27-28]。田間試驗條件下,花后漬水7 d后噴施6-BA處理的小麥干物質(zhì)總量較漬水處理高6.8%～8.3%,產(chǎn)量提高13.7%～33.3%[29]。

前人試驗主要在盆栽或大田試驗條件下研究不同生育時期漬水對小麥根系形態(tài)、抗氧化酶活性和旗葉光合特性的影響,關(guān)于花后不同修復(fù)處理對小麥根系不同土層根系抗氧化酶活性和無氧呼吸酶綜合影響的研究較少。本研究使用長度為100 cm的聚氯乙烯(PVC)管作為栽培容器,在小麥開花后設(shè)置2種漬水時長,噴施對漬水處理調(diào)控效果較好的0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA,研究不同外源修復(fù)物質(zhì)對小麥根系抗氧化酶、無氧呼吸酶活性和產(chǎn)量的影響,以期為長江中下游地區(qū)小麥抗?jié)n栽培提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2020—2021年小麥生長季在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖中綜合試驗站進行。試驗基地2020年11月至2021年5月的月降水量和月平均氣溫如圖1所示。

11月、12月為2020年;1、2、3、4、5月為2021年。November and December were in 2020; January, February, March, April and May were in 2021.圖1 2020年11月至2021年5月試驗基地月降水量和月平均氣溫Fig.1 Monthly precipitation and temperature at the experiment site from November 2020 to May 2021

1.2 試驗設(shè)計

以揚麥18為試驗材料,選用直徑11 cm、高度100 cm的PVC管為栽培容器,PVC管底部用3層無紡布包裹,以保證土壤不泄漏,同時確保灌排順利。試驗用土過篩后裝入PVC管中,用水沉實,重復(fù)多次,保證土層距離管子上沿5 cm。播種前將PVC管置于定制的鐵架上,裝土完成后每管施用純氮0.9 g、磷肥(P2O5)0.49 g、鉀肥(K2O)0.46 g;在拔節(jié)期追施氮肥,基追比為5∶5。每個處理種植50管,每管播種3粒,小麥三葉后定苗,每管留苗1株。其他管理措施按照大田高產(chǎn)要求進行。

于小麥開花期開始漬水,每個處理設(shè)置0 d和9 d兩個漬水時長,其中0 d作正常灌溉處理,分別用W0和W9表示。漬水處理使用自來水持續(xù)灌溉,使土壤水層保持1～2 cm,漬水處理結(jié)束后保持正常灌溉。各水分處理分別于開花期當天(即W9處理漬水前)、開花后第5天(即W9處理第5天)和開花后第9天(即W9處理漬水后當天)進行葉面噴施不同的修復(fù)劑,共計噴施3次。各水分處理分別采取以下修復(fù)措施,所有噴施處理溶液均含有體積分數(shù)0.01%吐溫-20:T0,噴施蒸餾水;T1,噴施質(zhì)量分數(shù)0.3% KH2PO4;T2,噴施 0.01 mmol·L-16-BA;T3,噴施0.3% KH2PO4+ 0.01 mmol·L-16-BA復(fù)配劑。

在開花后7 d(4月18日)、14 d(4月25日)和成熟期調(diào)查取樣,取樣時將PVC管取出,用高壓水槍沖洗PVC管中的土壤,然后迅速將根系與地上部分開,洗凈后測定各項指標。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系相關(guān)指標

花后7 d和14 d每個根系處理取3管,將PVC管中的小麥根系用清水迅速沖洗干凈,保留整根,放于液氮冷凍保存,之后放入-80 ℃超低溫冰箱保存。根系分0～20、<20～40和<40～60 cm共3個土層,采用硫代巴比妥酸法測定MDA含量,氮藍四唑(NBT)光化還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,紫外吸收法測定超氧化物酶(POD)活性[30-31],使用ELISA檢測試劑盒測定小麥根系的乙醇脫氫酶(ADH)、乳酸脫氫酶(LDH)和丙酮酸脫羧酶(PDC)活性。

1.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

成熟期各處理分別取5管,調(diào)查有效穗數(shù)和穗粒數(shù),并收獲計產(chǎn)。脫粒自然晾干,測定千粒重和含水率,折算為含水率13%的產(chǎn)量并計算產(chǎn)量修復(fù)率。

R=(Y1-Y0)/Y0。

(1)

式(1)中,R表示產(chǎn)量修復(fù)率;Y1表示漬水并噴施修復(fù)劑處理產(chǎn)量;Y0表示漬水并噴施蒸餾水處理產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2019軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù),用SPSS 10.0軟件分別對2種水分處理條件下的試驗數(shù)據(jù)進行單因素方差分析和顯著性檢驗,采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥根系SOD活性的影響

花后7 d(圖2),不漬水條件下,T1和T3處理0～20 cm土層根系SOD活性顯著高于T0處理,T3處理<20～40 cm土層根系SOD活性顯著高于T0,T3處理<40～60 cm土層根系SOD活性顯著高于其他處理;漬水條件下,T3處理0～20 cm土層根系SOD活性顯著高于T0處理,T1、T2和T3處理<20～40 cm和<40～60 cm土層根系SOD活性均顯著高于T0處理,其中,T3處理<40～60 cm土層根系SOD活性顯著高于其他處理。

花后14 d(圖2),漬水處理各土層根系SOD活性均顯著低于不漬水處理。不漬水條件下,T3處理0～20 cm土層根系SOD活性顯著高于其他處理,T3和T2處理<20～40 cm土層根系SOD活性無顯著差異,但均顯著高于其他處理,T1、T2和T3處理<40～60 cm土層根系SOD活性均顯著高于T0處理;漬水條件下,T3處理0～20 cm和<20～40 cm土層根系SOD活性顯著高于T0處理,T1、T2和T3處理<40～60 cm土層根系SOD活性無顯著差異,但均顯著高于T0處理。

以上結(jié)果表明,噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA能提高小麥各土層根系SOD活性,不漬水條件下,復(fù)配噴施顯著改善了各土層根系SOD活性;漬水條件下,復(fù)配噴施顯著改善了灌漿中期0～20 cm和<20～40 cm土層根系SOD活性。

2.2 不同處理對小麥根系MDA含量的影響

由圖3可知,花后14 d,不漬水條件下,T1處理0～20 cm土層根系中MDA含量與T0處理無顯著差異,T1、T2、T3處理<20～40、<40～60 cm土層根系中MDA含量顯著低于T0處理;漬水條件下,T2、T3處理0～20 cm土層根系中MDA含量均顯著低于T0、T1處理,T1、T2、T3處理<20～40 cm土層根系中MDA含量均顯著低于T0處理,T2處理與T3處理無顯著差異。<40～60 cm土層根系中,T1、T2、T3處理的MDA含量均顯著低于T0處理,其中T3處理顯著低于其他處理。

以上結(jié)果表明,噴施0.01 mmol·L-16-BA和0.3% KH2PO4+0.01 mmol·L-16-BA復(fù)配溶液能顯著降低W0、W9條件下各土層根系中的MDA含量,其中噴施0.3% KH2PO4+0.01 mmol·L-16-BA復(fù)配溶液對降低漬水后小麥0～60 cm根系中MDA含量效果顯著。

2.3 不同處理對小麥根系POD活性的影響

由圖4可知,花后7 d,不漬水條件下,T0處理0～20 cm土層根系的POD活性顯著高于其他處理,而T3處理顯著低于其他處理;T0處理<20～40 cm土層根系的POD活性顯著高于其他處理,T1、T2、T3處理間無顯著性差異;T2、T3處理<40～60 cm土層根系的POD活性顯著低于其他處理,二者間也無顯著差異。漬水條件下,T1、T2、T3處理0～20 cm和<20～40 cm土層根系的POD活性均顯著低于T0處理,T2、T3處理<40～60 cm土層根系的POD活性顯著低于T0、T1處理,T0、T1處理間無顯著差異,其中T3處理各土層根系中POD活性顯著低于其他處理。

花后14 d,不漬水條件下,T0處理0～20 cm土層根系的POD活性顯著高于其他處理,其中T3處理的POD活性顯著低于其他處理;T3處理<20～40 cm土層根系的POD活性顯著低于T0、T1、T2處理;T2和T3處理<40～60 cm土層根系的POD活性顯著低于T0、T1處理,T2、T3處理間無顯著差異。漬水處理條件下,T1、T2、T3處理0～20 cm土層根系的POD活性顯著低于T0處理,T0處理<20～40 cm土層根系的POD活性顯著高于T1和T3處理,T0處理<40～60 cm土層根系的POD活性顯著高于T2和T3處理。

以上結(jié)果表明,不漬水條件下,噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以有效降低各土層根系的POD活性;漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著降低各土層根系的POD活性。

2.4 不同處理對小麥根系PDC活性的影響

由圖5可知,花后7 d,不漬水條件下,T1、T3處理0～20 cm土層根系的PDC活性顯著高于T0、T2處理,T3處理下<20～40、<40～60 cm土層根系的PDC活性均顯著高于其他處理。漬水條件下,T3處理0～20、<40～60 cm土層根系的PDC活性均顯著高于其他處理,各處理<20～40 cm土層根系的PDC活性無顯著差異。

花后14 d,不漬水條件下,T3處理各土層根系的PDC活性均顯著高于其他處理;漬水條件下,T3處理0～20、<20～40 cm土層根系的PDC活性顯著高于其他處理;T0處理<40～60 cm土層根系的PDC活性顯著低于其他處理,T1、T2、T3處理間無顯著差異 。

以上結(jié)果表明,噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以改善各土層根系的PDC活性;不漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著提高<40～60 cm土層根系的PDC活性,漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著提高0～20 cm土層根系的PDC活性。

2.5 不同處理對小麥根系LDH活性的影響

由圖6可知,花后7 d,不漬水條件下,T1、T3處理0～20 cm土層根系的LDH活性高于T0、T2處理,各處理之間<20～40 cm土層根系的LDH活性無顯著差異,T3處理<40～60 cm土層根系的LDH活性顯著高于其他處理。漬水條件下,T3處理0～20 cm土層根系的LDH活性顯著高于其他處理,T0處理0～20、<20～40 cm土層根系的LDH活性均顯著低于其他處理。

圖6 不同處理條件下小麥根系LDH活性Fig.6 LDH activity of wheat roots under different treatments

花后14 d,不漬水條件下,T1、T3處理0～20 cm土層根系的LDH活性顯著高于T0、T2處理,T1處理與T3處理無顯著差異;T3處理<20～40 cm土層根系的LDH活性顯著高于其他處理;T2、T3處理<40～60 cm土層根系的LDH活性顯著高于其他處理,T2、T3處理無顯著差異。漬水條件下,T2、T3處理0～20 cm土層根系的LDH活性顯著高于T0、T1處理,T3處理<20～40 cm土層根系的LDH活性顯著高于其他處理;T2、T3處理<40～60 cm土層根系的LDH活性顯著高于其他處理,T2、T3處理間無顯著差異。

以上結(jié)果表明,噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以改善各土層根系的LDH活性;在不漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著提高0～20、<40～60 cm土層根系的LDH活性,漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著提高各土層根系的LDH活性。

2.6 不同處理對小麥根系A(chǔ)DH活性的影響

由圖7可知,花后7 d,不漬水條件下,T2和T3處理0～20 cm土層根系的ADH活性顯著高于T0處理,T0處理與T1處理無顯著差異;T3處理下<20～40、<40～60 cm土層根系的ADH活性顯著高于其他處理。漬水條件下,T3處理0～20 cm土層根系的ADH活性顯著高于其他處理,T0、T1、T2處理間無顯著差異,T0處理<20～40、<40～60 cm土層根系的ADH活性顯著低于其他處理。

圖7 不同處理條件下小麥根系A(chǔ)DH活性Fig.7 ADH activity of wheat roots under different treatments

花后14 d,不漬水條件下,T3處理0～20 cm土層根系的ADH活性顯著高于其他處理,T0、T1、T2處理間無顯著差異;T3處理<20～40 cm土層根系的ADH活性顯著高于其他處理;T0處理<40～60 cm土層根系的ADH活性顯著低于其他處理,T1、T2、T3處理間無顯著差異。漬水條件下,T3處理0～20 cm土層根系的ADH活性顯著高于其他處理,T0處理<20～40、<40～60 cm土層根系的ADH活性顯著低于T2、T3處理,且T2、T3處理間無顯著差異。

以上結(jié)果表明,噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以改善各土層根系的ADH活性;在不漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著提高各土層根系的ADH活性,漬水條件下,噴施復(fù)配溶液可以顯著提高0～20 cm土層根系的ADH活性。

2.7 不同處理對小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表1可知,各處理的穗數(shù)和穗粒數(shù)無顯著差異,噴施外源修復(fù)劑顯著提高了小麥千粒重,最終提高了小麥籽粒產(chǎn)量。不漬水條件下,T1、T2和T3處理的千粒重分別較T0處理高16.80%、19.75%和24.67%,籽粒產(chǎn)量分別高21.32%、19.47%和23.69%。漬水條件下,T1、T2和T3處理的千粒重分別較T0處理高19.22%、16.75%和23.34%,籽粒產(chǎn)量分別高26.21%、28.26%和37.43%。表明外源噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA能夠顯著提高花后受漬小麥的千粒重,進而減少因漬水造成的產(chǎn)量損失,二者復(fù)配后噴施可以增強其恢復(fù)效果。

表1 不同處理條件下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討論

3.1 不同修復(fù)處理對受漬小麥根系抗氧化酶活性的影響

3.2 不同修復(fù)處理對受漬小麥根系無氧呼吸酶活性的影響

無氧呼吸糖酵解產(chǎn)物丙酮酸的代謝途徑主要有2種:一種是在丙酮酸脫羧酶(PDC)作用下生成乙醛,乙醛在ADH作用下生成乙醇;另一種是丙酮酸在LDH作用下直接生成乳酸。研究表明,缺氧環(huán)境下,小麥可提高根系中無氧呼吸酶活性,通過無氧呼吸維持細胞生長和代謝的能量供應(yīng)[5,38]。6-BA可增強小麥耐漬能力,緩解漬水對小麥的傷害程度,減輕因漬害而引起的衰老[39]。前人在花生中的研究表明,漬水后噴施外源6-BA通過可以顯著提高根系A(chǔ)DH活性,增強根系呼吸性能[40]。本試驗結(jié)果表明,漬水條件下,花后7 d小麥根系中ADH活性明顯提高,而花后14 d,小麥各土層根系中PDC、ADH、LDH活性與不漬水處理相比無明顯提高,這可能與過度澇漬,超出小麥根系的自我修復(fù)能力有關(guān);而噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以顯著提高漬水后小麥根系中PDC、ADH、LDH活性,但對各時期、各層根系修復(fù)效果不盡相同。整體來看,復(fù)配噴施對漬水處理下花后14 d 0～20 cm土層根系的影響最大,其中T3處理中PDC、ADH和LDH的活性均高于其他處理。

3.3 不同修復(fù)處理對受漬小麥產(chǎn)量的影響

前人研究表明,開花期漬水影響小麥籽粒灌漿[41],導(dǎo)致小麥千粒重降低,進而減少產(chǎn)量[42-43]。有研究指出,挑旗期和開花期后噴施6-BA可顯著提高小麥花后旗葉光合作用,增加穗粒數(shù)和千粒重,顯著提高產(chǎn)量[44]。田間試驗條件下,開花后葉面噴施KH2PO4,穗粒數(shù)增加0.5粒,千粒重增加0.1 g,產(chǎn)量增加283.5 kg·hm-2,增幅達到6.0%[45]。在本試驗條件下,花后漬水對小麥的穗數(shù)和穗粒數(shù)無顯著影響,噴施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA后小麥千粒重、產(chǎn)量均得到不同程度修復(fù),其中花后漬水9 d復(fù)配噴施的千粒重提高23.34%,產(chǎn)量修復(fù)率最高,達到37.43%,這表明復(fù)配噴施可以通過提高小麥千粒重來緩解漬水對產(chǎn)量的影響。