河南省不同年代小麥品種苗期滲透脅迫的生理響應

張鵬鈺，衛 麗，白田田，張寶娜，楊明達，韓靜麗，關小康，王同朝

(1.河南農業大學 農學院，河南 鄭州 450002；2.河南糧食作物協同創新中心，河南 鄭州 450002)

河南省不同年代小麥品種苗期滲透脅迫的生理響應

張鵬鈺1，衛 麗1，白田田1，張寶娜1，楊明達2，韓靜麗1，關小康1，王同朝1

(1.河南農業大學 農學院，河南 鄭州 450002；2.河南糧食作物協同創新中心，河南 鄭州 450002)

為探討河南省小麥品種更替過程中抗旱性演變規律，選用20世紀60年代以來河南省主推的11個小麥品種，在小麥幼苗長至兩葉一心期用20% PEG6000(m/V)滲透脅迫處理48，120 h，研究不同品種的生理抗旱特性，采用模糊隸屬函數方法計算每個指標的隸屬函數值，并對幼苗期抗旱性進行綜合評價。結果表明：河南省小麥品種9次更新換代過程中，小麥幼苗期抗旱性逐漸增強。滲透脅迫條件下，各品種葉片相對含水量、葉綠素含量均呈下降趨勢，SOD活性和POD活性均呈上升趨勢。通過系統聚類分析法對11個品種的抗旱性進行分類，洛旱2號和洛旱12號2個為強抗旱性品種；鄭麥9023、豫麥21、豫麥49-198和周麥18為中抗旱性品種；豫麥18、鄭麥366和豐產3號為弱抗旱性品種；百農3217和鄭引1號為水分敏感型品種。11個小麥品種苗期抗旱性表現為：洛旱2號>洛旱12號>鄭麥9023>豫麥21>豫麥49-498>周麥18>豫麥18>鄭麥366>豐產3號>百農3217>鄭引1號。

小麥；苗期；抗旱性；生理響應

小麥是河南省主要夏糧作物，每年播種面積約534萬hm2，其產量占全國小麥總產的1/4，因而河南小麥生產對我國糧食安全及國民經濟發展起到十分重要的作用。干旱是影響小麥生長發育和分布的最主要環境因子，周期性或難以預測性干旱常常造成小麥大面積減產，旱災已成為影響小麥生產安全的主要非生物脅迫因子[1-2]。作物的抗旱性是一個極其復雜的生物學性狀，是多個因素共同作用的結果[3-5]。近年來，國內外專家學者對小麥的抗旱性進行了廣泛的研究，提出了小麥抗旱性鑒定的一些方法和評價依據[6-7]。金善寶[8]研究發現，小麥抗旱性差異的內在原因在于水分脅迫條件下小麥生理生化的差異。王敏杰[9]研究認為，葉片葉綠素含量直接決定光合作用效率，水分脅迫對葉綠素造成破壞，導致光合速率和光合生產率的下降、作物減產。干旱脅迫條件下，一些保護酶類，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)等通過調節自身活性使作物適應干旱的環境條件[10-11]。陳紅兵等[12]通過對不同小麥品種抗旱性研究發現，幼苗在水分脅迫條件下MDA與抗旱性呈負相關，SOD、POD活性的變化與小麥的抗旱性呈顯著正相關。抗旱性強的品種，其MDA變化程度越小、SOD活性則大幅度地升高。小麥幼苗時期的形態指標和部分生理生化指標受干旱脅迫影響較大，不同的品種間差異較為明顯，因此，從不同側面反映了品種的抗旱能力。

我國是世界上主要的干旱缺水國家之一，旱地農業耕作面積約3 300萬hm2，據報道，至2050年，我國仍將處于一個大范圍干旱頻數顯著增加的時期[13]，要減緩干旱對作物造成的危害，除了開展節水灌溉、改進耕作栽培技術外，提高小麥自身的抗旱能力是實現抗旱減災的根本措施。因此，培育高產優質抗旱小麥品種顯得尤為重要[14]。為此，選取河南省小麥品種更替過程中自60年代(第3次)至今仍大面積推廣種植的11個品種，通過分析水分脅迫下小麥苗期的生理特征變化，利用抗旱系數與隸屬函數相結合的方法，對河南省不同年代小麥品種苗期抗旱性進行綜合分析，旨在為培育耐旱性強且水分高效利用的新品種提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗選用的材料為河南省第3～9次小麥品種更新過程中的11個品種，由國家小麥工程技術研究中心2013年種植提供，詳見表1。

表1 小麥品種Tab.1 Wheat varieties

1.2 試驗方法

各個品種選取籽粒飽滿、大小均一的小麥種子，用75%酒精沖洗2次，每次30 s。用蒸餾水反復沖洗3～5次，每次沖洗5 min。在黑暗條件下浸泡過夜，然后置于(25±2)℃暗培養箱中12 h催芽。待種子萌動露白后，取萌發一致的種子，腹溝向下擺在培養皿里，每個培養皿中80粒種子，置于(25±2)℃培養箱中培養，16 h光照，8 h 黑暗交替培養。待小麥長至兩葉一心期時添加用1/2MS營養液配置成20%的PEG6000(-0.975 1 MPa)進行滲透脅迫處理，對照繼續添加1/2MS營養液培養。

1.3 測定指標及方法

滲透脅迫處理48，120 h后，隨機抽取植株葉片中間部位進行生理生化指標的測定。每個指標設對照和處理，各3次重復。用烘干法測定葉片相對含水量(RWC)[15]；分光光度計法測定葉綠素含量[16]；NBT光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[17]；愈創木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[18]。硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛(MDA)含量[19]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件處理數據并作圖，用SPSS.V12.0生物統計軟件進行差異顯著性分析，用SPSS.V 12.0軟件對數據進行系統聚類。

1.5 抗旱性能評價

1.5.1 抗旱系數的計算 各個指標的抗旱系數(DRC)=滲透脅迫指標的測定值(T)/對照指標的測定值(CK)。

1.5.2 隸屬函數的計算 采用模糊隸屬函數法，對不同年代的小麥品種各個測定指標的隸屬函數值計算加權平均值，來評價不同年代小麥品種抗旱性的差異[20]。

隸屬函數值(正相關)的計算公式：U(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1，2，3……；

隸屬函數值(負相關) 的計算公式：U(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1、2、3……；

2 結果與分析

2.1 滲透脅迫對不同年代小麥品種幼苗相對含水量的影響

參試品種幼苗葉片的相對含水量為82%～95%。滲透脅迫后，各品種幼苗相對含水量均不同程度的降低(圖1)。滲透脅迫48 h后，洛旱12、鄭麥366仍保持較高的相對含水量，而鄭引1號、豫麥21相對含水量由原來的82%，84%分別下降至68%，74%，與其他品種存在顯著差異。滲透脅迫120 h，鄭麥366、鄭麥9023、百農3217相對含水量下降趨勢較為明顯，與處理48 h相比，下降了12%～17%。洛旱2號一直保持較高的相對含水量，與其他品種存在顯著差異(圖1)。

圖1 20% PEG6000滲透脅迫對小麥葉片相對含水量的影響Fig.1 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on leaf relative water content

2.2 滲透脅迫對不同年代小麥品種幼苗葉綠素含量的影響

不同年代小麥品種的葉綠素含量不同，含量較高的為洛旱2號和洛旱12，較低的為百農3217和鄭引1號。滲透脅迫48 h，鄭麥366和洛旱2號葉綠素含量降低，與其他品種存在顯著差異。隨著脅迫時間的延長，葉綠素含量呈不斷下降的趨勢。脅迫120 h，葉綠素含量下降較多的品種為豫麥21和鄭麥366，與對照相比，分別下降20%，17%，但與脅迫48 h相比，分別下降了15.0%，3.6%。在滲透脅迫下葉綠素含量依舊較高的小麥品種，其在滲透脅迫條件下具有較強的適應性(圖2)。

圖2 20% PEG6000滲透脅迫對葉綠素含量的影響Fig.2 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on chlorophyll content

2.3 滲透脅迫對不同年代小麥品種SOD活性的影響

滲透脅迫條件下小麥幼苗時期的SOD活性均呈上升趨勢，但不同小麥品種SOD活性上升的速度不同。干旱脅迫120 h上升的速度較48 h快。在整個滲透脅迫過程中，鄭引1號、豐產3號的SOD活性與對照相比上升較為緩慢，與對照相比僅增長了10%左右，周麥18、洛旱12及鄭麥366總體活性比其他品種上升快，滲透脅迫120 h與48 h相比增長了45%左右，與其他品種存在顯著差異，可能是滲透脅迫產生的自由基作為底物誘導和加強了抗氧化酶的活性(圖3)。

圖3 20% PEG6000滲透脅迫對小麥SOD活性的影響Fig.3 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on SOD activity

2.4 滲透脅迫對不同年代小麥品種POD活性的影響

在一定的滲透脅迫下，小麥幼苗可以通過提高自身保護酶POD的活性來適應干旱環境。由圖4可知，不同年代小麥品種幼苗時期葉片的POD活性迅速上升，但不同的小麥品種，POD活性增加的量不同，其中鄭麥9023和洛旱12上升幅度最大，分別為29.25%，55.33%。滲透脅迫下，120 h上升的速度比48 h上升的速度快。在整個滲透脅迫過程中，鄭麥9023的POD活性變化最為明顯，與其他品種存在顯著差異。(圖4)。

圖4 20% PEG6000滲透脅迫對小麥POD活性的影響Fig.4 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on POD activity

2.5 滲透脅迫對不同年代小麥品種MDA含量的影響

滲透脅迫下，不同品種葉片MDA的含量均呈現增多的趨勢，且不同小麥品種間差異較大，尤其是脅迫處理120 h后水分敏感型品種均表現為MDA迅速積累，鄭引1號、豐產3號與對照相比增長了23%，而抗旱性較強的品種MDA積累較為緩慢，洛旱2號與對照相比增長了1.18%，說明不同品種與不同滲透脅迫時間MDA含量變化各不相同(圖5)。

2.6 不同年代小麥品種苗期抗旱性的綜合評價

采用模糊數學隸屬函數法，對11個小麥品種的各個測定指標分別求其隸屬函數值，通過加權隸屬函數法得出不同年代小麥品種在幼苗期的抗旱隸屬函數值D值，根據D值的大小來判斷每個品種的抗旱性。由表2可知，洛旱2號和洛旱12號為強抗旱性品種，鄭麥9023、豫麥21、豫麥49-498、周麥18為2級中抗旱型品種，豫麥18、鄭麥366、豐產3號為3級弱抗旱性的品種，百農3217和鄭引1號為不抗旱的品種。

2.7 系統聚類法對不同年代小麥品種幼苗期抗旱性綜合評價

對11個不同年代小麥品種的抗旱系數進行聚類分析。其結果表明，將不同年代小麥品種分為4類，第1類為強抗旱型品種，分別為V7和V8，第2類為中抗旱型小麥品種，分別為V11、V5、V10、V9，第3類為弱抗旱型品種，分別為V4、V6、V1，第4類為不抗旱型品種，分別為V3和V2(圖6)。

圖5 20% PEG6000滲透脅迫對小麥MDA含量的影響Fig.5 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on malondialdehyde content

品種編號Cultivarscodes隸屬函數值ThesubordinatefunctionvaluesRWCChlSODPODMDAD值Dvalue抗旱性評價DroughtresistanceevaluationV10．7460．7300．4850．3660．0000．4703V20．0000．6870．0000．7390．3770．3024V30．4810．0000．5190．3350．0020．2854V40．5430．7190．5980．4460．1940．5022V50．7221．0000．3820．5000．7170．6542V60．7660．2340．8350．5060．0060．4953V70．7760．6340．7741．0000．9890．8251V80．8110．6740．8780．6280．9840．8141V90．5230．5260．8330．7760．5870．6502V101．0000．2120．8670．0000．7130．6302V110．7030．4701．0000．0521．0000．7102權重Weights0．2240．1790．2530．1360．208

圖6 系統聚類分析Fig.6 System cluster analysis

3 結論與討論

小麥幼苗期是小麥生長過程中由營養生長向生殖生長過渡的一個重要時期，與小麥的成苗率和最終產量直接相關。因此，在干旱條件下了解不同年代小麥品種幼苗期的抗旱性，對于促進成苗、減少干旱造成的損失具有重要的意義[21]。研究表明，小麥幼苗時期，滲透脅迫下，不同的小麥品種幼苗期的生長過程中形態變化與生理生化指標的變化存在顯著差異，生理生化指標如相對含水量、SOD活性等在小麥體內的變化有一定的規律性，這與滲透脅迫的時間和脅迫程度有關。在抗旱性鑒定相關的生理生化指標測定中，不同品種的抗旱性強弱在不同指標中并不相同，隨著滲透脅迫時間的延長，各個指標變化較為明顯。

小麥幼苗時期形態指標和生理生化指標受滲透脅迫影響較大，品種之間差異明顯。在生理指標測定中，各個品種抗旱性強弱在不同的指標中表現不同。葉綠素含量在不同的小麥品種間差異顯著，隨著滲透脅迫時間的延長，葉綠素含量明顯降低，但在品種之間抗旱系數差異則不顯著；但不同品種在滲透脅迫下，SOD活性存在差異，抗旱性強的品種如鄭麥366、周麥18，其SOD活性明顯高于其他品種，與其他品種存在顯著差異；在整個滲透脅迫過程中，POD的活性均比對照要高，但增加的量不同，其中鄭麥9023和洛旱12上升幅度最大，分別為29.25%，55.33%。隨著滲透脅迫時間延長，脅迫處理120 h上升的速度比48 h快。MDA的含量不僅表示膜脂過氧化程度，也間接表示了組織中自由基的含量。在PEG6000模擬的滲透脅迫條件下，各個小麥品種葉片細胞內丙二醛含量差別很大，尤其是脅迫處理120 h后水分敏感型品種普遍表現為MDA迅速積累，如鄭引1號、百農3217，而抗旱性較強的品種洛旱2號、洛旱12號MDA積累量較少，膜損傷程度較低。與郜俊紅等[21]、蘆靜等[22]、齊秀東等[23]，王曙光等[24]的結果基本一致。由此可推斷出小麥幼苗期適應干旱環境主要是通過降低相對含水量、調節保護酶的活性等來降低干旱對其損傷的程度。

干旱作為一個非生物脅迫因子，是一個復雜的、交互作用的系統，并不能用單一的指標來判斷一個品種的抗旱性強弱。同一個小麥品種的不同抗旱指標的抗旱系數并不相同，且不同的小麥品種的同一抗旱指標的抗旱性也不相同。因此，用任何單一指標的抗旱系數來評價小麥品種幼苗期的抗旱性都存在片面性。為了彌補單一指標帶來的偏差，多采用隸屬函數法，即累加指定品種各指標的抗旱隸屬值，求其平均值，根據各品種平均值大小確定抗旱性強弱。該方法使單個指標對評定抗旱性的局限性得到其他指標的彌補和緩解，從而使評定的結果與實際結果較為接近。

干旱是影響小麥生長發育的主要環境因子，隨著水資源的匱乏，干旱將逐漸成為限制我國糧食生產的主要瓶頸因素，因此培育節水抗旱、耐旱小麥品種已成為主要的育種目標。從本試驗研究結果來看，河南省小麥品種更替過程中，現代育成的小麥品種抗旱性要好于20世紀70-80年代，一是歸結于抗旱種質資源的利用和創新，二是在選育過程中注重了抗旱指標的篩選。同時發現相對含水量是植物組織水分狀況的重要指標，對于抗旱育種的選擇具有重要意義。滲透脅迫條件下，作物減產的主要原因是水分脅迫造成葉片光合作用的減弱[23]。在滲透脅迫下葉片如可以保持較高的含水量品質，表明在滲透條件下具有較強的適應性，仍可以維持較高的相對含水量，對維持一定的氣孔開度和光合作用具有重要的作用。通過主成分分析計算的權重分析表明SOD活性、葉片相對含水量對苗期抗旱性影響較大，因此可在苗期對育種后代材料進行抗旱性初步篩選，對于提高育種效率具有較大的應用價值。

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Physiological Response to Osmotic Stress at Seedling Stage of Wheat Cultivars from Different Periods in Henan Province

ZHANG Pengyu1，WEI Li1，BAI Tiantian1，ZHANG Baona1，YANG Mingda2，HAN Jingli1，GUAN Xiaokang1，WANG Tongchao1

(1.Agronomy College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China； 2.Henan Food Crops Collaborative Innovation Center，Zhengzhou 450002，China)

Eleven representative wheat varieties from 1960s to now were selected to explore the evolution of wheat varieties of Henan Province under drought stress.At two-leaf stage，the drought stress was carried out by 20%-PEG6000(m/V) for 48，120 h，and the physiological drought resistance of different cultivars at seedling stage was analyzed by fuzzy subordinate function of each index.The results indicated that drought stress presented an increasing trend in the nine times of wheat variety upgrading in Henan Province.Under drought stress，relative water content and chlorophyll were reduced，while SOD and POD activity kept rising.Clustering analysis indicated that the 11 cultivars could be classified as four types：highly resistant type (Luohan 2 and Luohan 12)；drought resistant type (Zhengmai 9023，Yumai 21，Yumai 49-198 and Zhoumai 18)，weakly resistant type (Yumai 18，Zhengmai 366 and Fengchan 3) and highly sensitive type (Bainong 3217 and Zhengyin 1).The performance of drought resistance in 11 wheat varieties was Luohan 2>Luohan 12>Zhengmai 9023>Yumai 21>Yumai 49-198>Zhoumai 18>Yumai 18>Zhengmai 366>Fengchan 3>Bainong 3217>Zhengyin 1.

Wheat；Seedling stage；Drought resistance；Physiological response

2016-05-20

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAD14B08；2012BAD04B07)；國家自然科學基金項目(31471452)

張鵬鈺(1991-)，女，河南鄭州人，在讀碩士，主要從事作物生理生態研究。

王同朝(1964-)，男，河南社旗人，教授，博士，主要從事作物生理生態研究。

S512.01

A

1000-7091(2016)06-0119-06

10.7668/hbnxb.2016.06.019