拔節期低溫對不同基因型小麥生理及產量的影響

摘要：以多穗型小麥品種（濟麥22、邯6172）和大穗型小麥品種（臨麥4號、濰麥8號）為試驗材料，研究了拔節期不同低溫（-1、-3 ℃）對葉片可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）含量和小麥產量的影響，以及不同處理時間（0、3、6 d）后各生理指標變化情況。結果表明，與對照相比在處理當天，-1 ℃低溫下，所有品種的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量均有不同程度的增加，SOD活性除臨麥4號外、POD活性除濟麥22外其余均降低，MDA含量除濰麥8號外其余均顯著減少；-3 ℃低溫下，可溶性糖和脯氨酸含量增加更為明顯，可溶性蛋白含量除濰麥8號外其余略有增加，SOD活性邯6172、臨麥4號顯著升高，POD活性除臨麥4號外其余均有所升高，MDA含量各品種均有所減少。處理后3 d及6 d，不同溫度處理間可溶性糖、脯氨酸含量及POD活性差異依然較為明顯。產量結果比較表明，-1、-3 ℃低溫下，多穗型小麥品種產量下降幅度明顯低于大穗型品種。進一步分析發現，多穗型小麥品種的千粒重下降幅度高于大穗型品種，但單株穗數、穗粒數下降幅度小于大穗型品種。

關鍵詞：小麥；拔節期；冷害；生理；產量

中圖分類號：Q945.78 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）14-3243-06

低溫冷（凍）害是小麥常見的自然災害之一。近些年來，受氣候變化的影響，極端氣候頻發，小麥遭遇低溫倒春寒危害的可能性逐漸增大。此外，全球變暖導致越冬溫度逐漸提高，冬小麥提前拔節，也會進一步加劇春季低溫危害。通過室內盆栽低溫處理的方式，研究拔節期低溫對不同穗型小麥品種生理特性的影響，以期探討冬小麥抗低溫倒春寒的機理，為提高小麥抗春季低溫能力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2009～2011年在山東省農業科學院試驗田進行。盆栽，供試材料為生產上大面積推廣的多穗型小麥品種濟麥22、邯6172和大穗型小麥品種臨麥4號、濰麥8號。試驗用土取自0～30 cm大田耕層，土壤堿解氮63.2 mg/kg，速效磷11.3 mg/kg，速效鉀132.5 mg/kg，有機質11.5 g/kg。盆直徑為30 cm，高30 cm，埋入大田后，盆內土壤與盆外大田齊平。播種前每盆施復合肥3.2 g，拔節期結合澆水每盆施尿素2.0 g。土壤澆透沉實后于10月初播種，3葉期定苗，每盆留小麥10株。

1.2 低溫脅迫處理

待小麥生長至拔節期（雌雄蕊原基分化期）后，將盆從大田取出，移入人工氣候室中。氣候室內空氣相對濕度70%±7%，溫度誤差±1 ℃。降溫過程參照自然條件下夜間降溫模式，以2 ℃/h的速率緩慢降溫至設定溫度后，維持5 h，再緩慢升溫至室溫。共設3個溫度水平：常溫15 ℃（CK），-1 ℃，-3 ℃。

低溫處理后，將所有處理分為兩組：第一組，處理完畢后分別于0、3和6 d取第一片完全展開葉對各項指標進行測定；第二組，低溫處理完畢后重新埋回大田，成熟后調查產量及產量構成情況，3次重復。

1.3 測定項目及方法

可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G-250染色法；脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法；MDA含量測定采用硫代巴比妥酸顯色法；SOD活性測定參考文獻[1]的方法，吸取20 mL酶液，加入3 mL反應液，4 000 lx下光照30 min，560 nm比色，以抑制NBT光化還原50%為一個酶活性單位；POD活性測定參考文獻[1]的方法略作修改，吸取20 mL酶液，加入3 mL反應液（28 μL愈創木酚、19 μL 30% H2O2、0.1 mol/L pH 6.0的磷酸緩沖液50 mL），470 nm比色，每隔1 min讀數一次，共讀3次，以每分鐘吸光度變化值表示酶活性的大小。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小麥葉片可溶性糖含量的影響

細胞內的可溶性糖作為一種重要的滲透調節物質，其含量的增加能夠減緩原生質的脫水脅迫，防止細胞過早結冰。試驗結果表明，在處理當天，與對照相比，-1 ℃及-3 ℃低溫處理均使小麥葉片內的可溶性糖含量增加，且溫度越低，增加越明顯。之后隨時間增加，不同溫度處理間的可溶性糖含量差異依然十分明顯。品種間比較發現，常溫下可溶性糖含量為濟麥22>邯6172>臨麥4號>濰麥8號；-1 ℃低溫處理后，可溶性糖含量為濰麥8號>濟麥22 >邯6172>臨麥4號；-3 ℃低溫處理后，可溶性糖含量為濟麥22>濰麥8號>臨麥4號>邯6172。3 d及6 d后，濟麥22、濰麥8號的可溶性糖含量依然較高，而臨麥4號的可溶性糖含量不論在何種溫度下都始終處于較低水平。處理后3 d及6 d，常溫處理可溶性糖含量均逐漸增加，-1 ℃及-3 ℃處理除邯6172外，其余同樣逐漸增加。

2.2 不同處理對小麥葉片可溶性蛋白含量的影響

由于可溶性蛋白的膠體親水性強，其含量增加能夠明顯提高細胞的持水力，因此其含量增加同樣有助于提高植物的抗寒能力[2]。由圖1可以看出，在處理當天，與對照相比，-1 ℃低溫處理使小麥葉片內可溶性蛋白含量增加；-3 ℃低溫處理使濟麥22、邯6172可溶性蛋白含量略微增加，臨麥4號明顯增加，而濰麥8號略微降低。品種間比較發現，常溫下臨麥4號可溶性蛋白含量明顯低于其他品種；-1 ℃低溫處理后，品種間含量差異不明顯；-3℃低溫處理后，濰麥8號可溶性蛋白含量明顯低于其他品種。3 d及6 d，濟麥22可溶性蛋白含量變為最高。處理后3 d及6 d，濟麥22可溶性蛋白含量逐漸增加，濰麥8號 -1℃可溶性蛋白含量逐漸降低，其余品種可溶性蛋白含量變化不明顯。

2.3 不同處理對小麥葉片脯氨酸含量的影響

脯氨酸具有溶解度高，在細胞內積累無毒性，水溶液水勢較高等特點。因此脯氨酸同樣是一種良好的植物抗冷性保護物質[3]。由圖2可以看出，在處理當天，與對照相比，-1 ℃低溫處理使濰麥8號小麥葉片內脯氨酸含量略微增加，其余品種明顯增加；-3 ℃低溫處理使所有小麥品種明顯增加。之后隨天數增加，經低溫處理的小麥葉片脯氨酸含量始終保持較高。品種間比較發現，脯氨酸含量整體上濟麥22 最高，邯6172次之，臨麥4號再次，濰麥8號最低。處理后不同時間比較發現，隨處理時間延長，常溫下，濟麥22、臨麥4號脯氨酸含量逐漸增加；-1 ℃下，除臨麥4號外其余逐漸增加；-3 ℃下，除濟麥22基本未變以及臨麥4號先增高后降低外，其余逐漸增加。

2.4 不同處理對小麥葉片SOD活性的影響

SOD是植物體內清除自由基的首要物質，它能維持活性氧代謝平衡，對植株起到保護作用[4]。從圖3可以看出，不同品種的SOD活性在低溫下反應不同。與對照相比處理當天濟麥22、濰麥8號的SOD活性在-1 ℃、-3 ℃低溫處理下降低；邯6172在-1 ℃下略微降低，-3 ℃下升高；臨麥4號在-1 ℃、-3 ℃低溫處理下升高。品種間比較發現，常溫下SOD活性為濰麥8號>濟麥22 >臨麥4號>邯6172；-1 ℃低溫處理后，臨麥4號高于其他品種；-3 ℃低溫處理后，SOD活性臨麥4號>邯6172>濰麥8號>濟麥22。處理后3 d及6 d，常溫下各品種SOD活性差異不明顯；-1 ℃下為臨麥4號>濟麥22>邯6172>濰麥8號；-3 ℃下邯6172高于其他品種。處理后不同時間比較發現，隨處理時間延長，除-3 ℃下邯6172 SOD活性先明顯升高后明顯降低外，其余處理SOD活性變化不明顯。

2.5 不同處理對小麥葉片POD活性的影響

POD與SOD具有協同作用，也是重要的植物保護酶類之一[5]。由圖4可知，與低溫下SOD活性反應類似，不同品種的POD活性反應也不相同。處理當天-1 ℃低溫處理使濟麥22的POD活性升高，邯6172、濰麥8號顯著降低，臨麥4號略微降低；-3 ℃低溫處理使濟麥22、濰麥8號POD活性升高，邯6172略微升高，臨麥4號略微降低。品種間比較發現，處理當天常溫下POD活性為臨麥4號>濟麥22>邯6172 >濰麥8號；-1℃及-3℃低溫處理后，濟麥22>臨麥4號>邯6172 >濰麥8號；3 d及6 d為常溫下濰麥8號>臨麥4號>濟麥22>邯6172；-1 ℃下濟麥22最高；-3 ℃下邯6172最高。處理后不同時間比較發現，隨處理時間延長，濟麥22、臨麥4號POD活性變化不明顯，邯6172經低溫處理的小麥葉片POD活性逐漸增加，濰麥8號所有處理的POD活性均逐漸增加。

2.6 不同處理對小麥葉片MDA含量的影響

MDA作為膜脂過氧化的最終產物，測定其含量的大小，常常能夠間接反映植物細胞受損傷的程度[6]。由圖5可知，在處理當天，與對照相比，-1 ℃低溫處理使濟麥22、邯6172、臨麥4號的MDA含量下降，濰麥8號略微升高；-3 ℃低溫處理使濟麥22、邯6172的MDA含量下降，濰麥8號略微下降，臨麥4號變化不明顯。品種間比較發現，處理當天常溫下MDA含量為濟麥22>邯6172 >臨麥4號>濰麥8號；-1 ℃低溫處理后為濟麥22>濰麥8號>臨麥4號>邯6172；-3 ℃低溫處理后，濟麥22>臨麥4號>邯6172>濰麥8號。3 d及6 d后，常溫下為臨麥4號>濰麥8號>濟麥22>邯6172；-1 ℃和-3 ℃下為濰麥8號>邯6172>濟麥22>臨麥4號。處理后不同時間比較發現，處理后3 d及6 d與處理當天相比，濟麥22各處理的MDA含量均降低；邯6172常溫處理降低，低溫處理有所升高；濰麥8號、臨麥4號的變化趨勢分別與濟麥22、邯6172相反。

2.7 不同處理對小麥產量的影響

不同類型小麥品種低溫處理后產量變化如表1所示。從表1可以看出，拔節期-1、-3 ℃低溫均使所有小麥品種的穗粒數、千粒重、產量明顯下降。不同品種間產量比較表明，拔節期-1 ℃低溫處理后，濟麥22、邯6172的產量下降30%左右，而臨麥4號、濰麥8號則下降40%以上；拔節期-3 ℃低溫處理后，產量下降更為明顯，其中濟麥22降幅超過50%，邯6172、臨麥4號超過60%，而濰麥8號的降幅則超過70%。不同品種間穗粒數比較結果表明，雖然常溫下大穗型小麥品種穗粒數較高，但在低溫處理后其穗粒數的下降也較為明顯。不同品種間千粒重比較發現，大穗型品種常溫下千粒重同樣高于多穗型品種，但與穗粒數不同，低溫處理后其千粒重的下降幅度要小于多穗型品種。單株穗數間比較發現，常溫下多穗型品種單株穗數較高，低溫處理后其下降幅度也較小。

3 小結與討論

3.1 細胞內滲透調節物質與抗寒性

小麥葉片內的可溶性糖作為一種重要的滲透調節物質，其積累可以明顯提高細胞液濃度，防止原生質過度脫水[6，7]。因此許多研究表明，低溫下可溶性糖含量增高有助于增強小麥抗寒力。但也有研究表明，小麥抗春霜能力與可溶性糖含量之間并無顯著相關[6，7]。試驗中-1 ℃及-3 ℃低溫下小麥葉片內可溶性糖含量均明顯增加，說明可溶性糖在小麥抗拔節期低溫中同樣起重要作用。而在低溫處理后幾天，不同溫度間含量差異依然明顯，且溫度越低含量越高，一方面說明拔節期低溫過后小麥抗寒機制持續表達，另一方面也說明在一定范圍內，溫度越低，小麥獲得的抗寒能力也越強。

由于可溶性蛋白膠體親水性較強，其含量增加能夠明顯增強細胞的持水力，防止原生質過早結冰，因而低溫脅迫條件下植株常誘導產生較多的冷響應蛋白來提高抗寒力，即表現為對植物體內可溶性蛋白的正效應。但是有研究卻發現，過低的溫度會造成水稻苗葉片內可溶性蛋白，尤其是高分子可溶性蛋白含量迅速下降，即表現為對植物體內可溶性蛋白的負效應。試驗中，-3 ℃較-1 ℃低溫下大多數小麥品種葉片內可溶性蛋白含量增加較少，說明隨著脅迫加重，低溫對蛋白質的負效應超過了正效應。而在低溫處理后6 d，不同溫度處理間可溶性蛋白含量差異不再明顯，說明低溫脅迫后受損蛋白質逐漸恢復正常。

脯氨酸作為一種重要的滲透調節物質，其含有的亞氨基能夠促進蛋白質的水合作用，使可溶性蛋白增多，有利于維持低溫狀態時酶的構象，因此許多研究認為脯氨酸在植物抗寒生理中具有重要作用 ，但Wanner等[8]研究后卻認為脯氨酸在冷鍛煉期間含量的上升是一種被動反應或者與抗寒性不相關。試驗中兩種低溫下脯氨酸含量均增多，且6 d后差異仍然明顯，說明脯氨酸在緩解拔節期低溫脅迫過程中的確起到了重要作用。

3.2 細胞內保護酶活性與抗寒性

小麥在低溫脅迫條件下會出現活性氧代謝的紊亂，過多的活性氧對植株造成傷害。SOD作為一種重要的保護酶，可以及時清除多余的超氧陰離子自由基等活性氧，保護膜系統不受損傷。但是當保護酶的清除能力不足以清除多余的氧自由基時，就會引起膜脂過氧化，最終形成有毒物質MDA[7，8]。試驗中不同品種的SOD、POD對拔節期低溫反應不同，可能與植株本身遺傳特性有關。劉艷陽等[4]在試驗中也發現了不同品種幼苗SOD、POD活性變異明顯。另外某些品種SOD活性先升高后降低，可能是過低的溫度造成了酶活性下降或降解，從而表現出與蛋白質變化相類似的正效應或負效應。其次，試驗中MDA含量在低溫脅迫后有所減少，可能與低溫激活了小麥體內的活性氧清除系統，加快了MDA的清除過程有關。

3.3 低溫下產量變化與穗型的關系

目前對于拔節期低溫脅迫下不同穗型間小麥產量變化的研究報道尚不多見。任德超等[9]利用智能霜箱對小麥進行低溫處理后發現，兩種類型小麥千粒重在處理后都呈下降趨勢，且多穗型小麥品種降低幅度較大，大穗型品種降低幅度較小。試驗中，濰麥8號、臨麥4號低溫處理后與濟麥22、邯6172相比千粒重下降幅度較小，與此結論相吻合。但是任德超等[9]的研究也發現，多穗型小麥品種的單株穗數和穗粒數在低溫處理之后與對照相比反而有所增加。試驗中，所有小麥品種的單株穗數、穗粒數在低溫處理之后均有所下降，與其研究結果有所差異。其原因主要是試驗中低溫對小麥幼穗造成了損傷，導致不孕小穗增多，且低溫導致抽穗率下降。任德超等[9]通過拔節期低溫處理后還發現，所有品種的不孕小穗數在低溫處理之后明顯增加，而千粒重和產量明顯降低。

總之，拔節期低溫下，小麥可通過積累較多滲透調節物質以及增強酶活性等來提高抗寒性，低溫脅迫后，葉片內可溶性糖、脯氨酸、POD活性等也能持續增加。不同品種生理反應不同，其可能與品種遺傳特性有關。此外，多穗型品種低溫處理后，千粒重下降幅度大于大穗型品種，但單株穗數、穗粒數下降幅度要小于大穗型品種，因而其最終產量下降小于大穗型品種。

參考文獻：

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