葉片遮陰處理對逆序小麥灌漿特性的影響

邢建軍，湯毛月，杜光源, 唐 燕，王長發，汪自慶

(1.西北農林科技大學 理學院，陜西楊凌，712100； 2.西北農林科技大學 生命科學學院，陜西楊凌，712100； 3.西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌，712100)

小麥(TriticumaestivumL.)是世界三大糧食作物之一，傳統的表型觀察和生理育種仍然是小麥育種的重要手段[1]。逆序衰老小麥是近年來生理育種和表型觀察相結合而發現的一類具有高產潛力的小麥品種[2]。逆序衰老小麥不僅具有較低冠溫、較高的光合蒸騰活性，而且其葉片衰老模式較為特別，并非傳統衰老理論所認為的各葉位葉片中旗葉最后衰老，而是旗葉較之倒二葉先出現泛黃和衰老[3-4]。近年來，關于逆序小麥的研究從關注逆向衰老的生理表現向源庫關系及同化物轉運特性深入，還研究減源(如遮光)、縮庫(如剪穗)、干旱等處理對逆向衰老的影響[5-11]，相關研究為探究逆序小麥源庫互作、生理代謝及與環境的相互關系奠定了理論基礎。這方面王長發和苗芳課題組開展了較為細致和深入的研究工作。小麥的籽粒灌漿是源到庫的碳同化物運輸過程，逆序衰老小麥的灌漿特性可能與頂二葉源活性的協同調節、莖暫時貯存庫的活化和載出以及籽粒庫的庫容密切相關。小麥籽粒灌漿期是小麥發育的重要階段，也是對環境較為敏感且對產量形成起至關重要的階段，該階段如光照不足，籽粒質量明顯降低[12]。本試驗以典型的逆序衰老小麥為試驗材料，區別以往的搭棚遮陰，在灌漿期對頂二葉進行局部遮光處理，調節頂二葉的源庫平衡，探討不同葉源在籽粒灌漿各個階段的貢獻，由此揭示逆序衰老小麥頂二葉的源庫特征以及它們在籽粒灌漿過程中的功能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

選取‘小偃22’和‘蘭考矮早8號’為試驗材料，其中‘小偃22’為黃淮海地區主栽品種，其灌漿期冠層溫度較低，生態適應性較強，高產穩產；‘蘭考矮早8號’為較典型的逆序衰老小麥品種，其在灌漿后期的非順序衰老莖比率超過50%。田間試驗于2014-10-06至2015-06-07在西北農林科技大學國家節水灌溉試驗站進行(108°04′E，34°20′N)，位于中國小麥主產區黃淮平原冬麥區。試驗地前茬為空地。試驗品種在田間隨機區組排列，3次重復，每個小區30行，行長 1 m，行距 0.25 m，株距 0.033 m。2014-10-06進行點播，一次性施足底肥，冬灌一次。田間管理根據黃淮平原冬麥區品種耕作要求進行。

開花期將同一天開花的蘗莖掛牌標記，作為基礎采樣材料。為探討籽粒灌漿各個階段頂二葉對籽粒灌漿的貢獻，對旗葉和倒二葉分別進行遮光“縮庫”處理，特定葉位葉片對籽粒灌漿的貢獻，可由該葉位葉片遮光處理后的穗粒質量相對于對照的減小量來表征。具體試驗方案如下：從基礎采樣材料中隨機選擇樣本，對旗葉或倒二葉進行套袋遮光處理，遮光袋與葉片等長，由黑色遮光布和防水硫酸紙兩層構成，其中內層為硫酸紙，外層為黑色遮光布。從花后5 d開始，每5 d對樣本葉片套袋一次，每次處理選擇20株蘗莖進行套袋，其中旗葉套袋和倒二葉套袋均為10株。蘗莖的套袋時長分為 5 d 和 10 d 兩種處理水平，即每種葉位葉片每種處理水平為 5 個重復。采樣時間為花后10 d、15 d、20 d、25 d、30 d以及35 d，基本采樣樣本群未被套袋的植株作為對照(CK)。

1.2 測定指標及灌漿速率模型

測定指標包括葉片葉綠素質量分數、籽粒灌漿速率以及葉、葉鞘以及莖的干物質量。采集的蘗莖按籽粒、旗葉、倒二葉、穗下莖以及倒二節間莖等部分，分別稱取鮮質量。穗粒體積采用排水法測定。所有材料稱量完鮮質量后，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質量，稱量干質量。

葉綠素測定方法參照高俊鳳[13]的方法。

小麥籽粒灌漿過程的Logistic方程表達式為[14]：y=A/(1+Be-kt)

①

式中，y為千粒質量，t為花后時間(days after anthesis)，A、B和k均為待定參數，其中A為千粒質量的最大積累量，B和k與灌漿活躍期有關。

將①式對t求導即為灌漿速率函數，其表達式為:dy/dt=ABke-kt/(1+Be-kt)2

②

由②式可知，最大灌漿速率出現的時間為tmax=ln(B)/k，最大灌漿速率為(dy/dt)max=Ak/4；灌漿活躍期被定義為6/k，即為粒質量增長至90%所需時間。

特定時期小麥莖段的干物質量轉運量可定義為：Δmstem=m(t1)-m(t2)

③

其中m(t1) 和m(t2) 分別為該時期莖段的初始質量和最終質量[15]。Δmstem為正值說明莖段中臨時貯存的碳同化物發生了外運，為負值則表明莖段仍處于碳同化物的載入和積累階段。

特定葉位葉片對籽粒灌漿的貢獻由該葉片遮光處理導致的穗粒質量減小量來表征，其中穗粒質量減小量為:Δmgrain=mCK-mtreated

④

其中mCK和mtreated分別為對照蘗莖和遮光處理蘗莖的穗粒干質量。

1.3 數據處理

采用SPSS17進行顯著性差異分析，用Sigmaplot進行作圖分析；采用Matlab2010a對灌漿速率模型進行Logistic曲線擬合，擬合算法采用Trust-Region算法。對小麥葉片遮光處理后的穗粒質量與對照之間的差異作2個獨立樣本的t檢驗，置信水平設置為90%。

2 結果與分析

2.1 小麥灌漿過程及擬合模型

分別對2個小麥品種灌漿過程進行Logistic擬合和Richards擬合，發現2種擬合的優度極為接近，因此選擇了更為常用的Logistic模型進行分析。根據Logistic擬合結果(圖1)，逆序衰老小麥品種‘蘭考矮早8號’的千粒質量最大積累量比對照品種‘小偃22’高出26.3%，其最大灌漿速率出現的時間與‘小偃22’相近，灌漿活躍期則較‘小偃22’稍長。從灌漿速率曲線來看，‘蘭考矮早8號’的灌漿速率在整個灌漿結實期內均高于‘小偃22’，最大灌漿速率出現時的優勢最為明顯。從圖1-a的實測點來看，‘小偃22’在 35 d時千粒質量降低，表明基本進入完熟期，而‘蘭考矮早8號’在 35 d時千粒質量才達到最大值，表明仍處于蠟熟期，因此，實際上‘蘭考矮早8號’具有更長的灌漿期。

2.2 小麥花后頂二葉干物質量的變化

如圖2所示，‘蘭考矮早8號’的頂二葉干物質量顯著(P<0.05)高于‘小偃22’。同一蘗莖上所著不同葉位葉片相比較，‘小偃22’和‘蘭考矮早8號’均有旗葉的干物質量明顯高于倒二葉，而‘蘭考矮早8號’的旗葉干物質量相對于倒二葉的優勢尤為明顯。在灌漿前中期‘小偃22’的旗葉干物質量有2個峰值，分別出現在 15 d和 25 d，倒二葉干物質量經歷灌漿初期的略降后保持穩定；25 d以后‘小偃22’的旗葉和倒二葉干物質量均逐漸降低，其中旗葉干物質量的下降幅度相對較小；‘蘭考矮早8號’頂二葉的干物質量積累和載出并不同步，其中旗葉干物質量在灌漿初期略有增加，10 d達到最大值，以25 d為臨界點之后出現明顯的下降變化；與之相應，‘小偃22’‘蘭考矮早8號’的倒二葉干物質量在 25 d才到達最大值，與旗葉相比滯后了 10 d；20 d后‘蘭考矮早8號’倒二葉干物質量的降低比較平緩。葉片干物質量的明顯下降表明葉片的營養缺失過快，營養集中向籽粒分配，導致源庫失調，同時也預示了光合功能的明顯減弱。

誤差線為標準偏差 Vertical bars represent standard deviation

a.小偃22 Xiaoyan 22；b.蘭考矮早8號 Lankaoaizao 8;誤差線為標準偏差 Vertical bars represent standard deviation;圖3、4同 The same as fig.3 and fig.4

圖2小麥頂二葉干物質量的變化
Fig.2Drymattermassoftoptwoleaves

2.3 小麥花后頂二葉葉綠素質量分數的變化

如圖3所示，‘小偃22’的旗葉和倒二葉的葉綠素質量分數隨灌漿過程的變化趨勢相似，它們在灌漿初期保持穩定，15 d后逐漸增大，20 d達到最大值，之后葉綠素質量分數隨葉片的衰老而迅速降低；總體來看，‘小偃22’在灌漿初期至灌漿中期(20 d之前)旗葉的葉綠素質量分數略高于倒二葉，之后二者保持相近。‘蘭考矮早8號’在灌漿初期旗葉的葉綠素質量分數保持較高水平，且明顯高于倒二葉的葉綠素質量分數；20 d后旗葉和倒二葉的葉綠素質量分數均迅速降低，但二者的相對大小發生逆轉，即倒二葉的葉綠素質量分數高于旗葉。說明‘蘭考矮早8號’旗葉的衰老早于倒二葉，表現出明顯的逆序衰老變化。值得注意的是，雖然在灌漿初期‘蘭考矮早8號’2種葉位葉片的葉綠素質量分數與‘小偃22’相當，但是由于‘蘭考矮早8號’的旗葉和倒二葉的鮮質量比‘小偃22’相應葉位葉片分別高出40%和20%，‘蘭考矮早8號’頂二葉的葉綠素總量明顯高于‘小偃22’。

2.4 小麥花后莖干物質轉移量的變化

如圖4所示。‘小偃22’和‘蘭考矮早8號’的倒二節間莖的干物質轉運量幾乎都大于穗下莖。從轉運時間來看，‘小偃22’在 5～10 d即出現明顯的莖暫時貯存庫的碳同化物輸出，‘蘭考矮早8號’的莖暫時貯存庫的碳同化物輸出出現在 25～30 d，明顯晚于‘小偃22’。

圖3 小麥頂二葉葉綠素質量分數的變化Fig.3 Chlorophyll mass fraction of top two leaves

圖4 小麥莖干物質轉移量的變化(誤差線為90%置信區間)Fig.4 Stem dry matter remobilization (Vertical bars represent 90% confidence interval)

2.5 遮光處理對小麥籽粒質量的影響

如圖5所示，無論是遮光 5 d還是遮光 10 d，2個品種均有旗葉遮光的穗粒質量減小量大于倒二葉遮光處理。相對于倒二葉遮光，‘小偃22’旗葉遮光對穗粒質量減小量的影響尤其明顯。在灌漿初期，‘小偃22’旗葉遮光5 d和倒二葉遮光5 d對穗粒質量的影響都不大，灌漿中后期影響較明顯，其中在15～20 d遮光對穗粒質量的影響最為顯著；‘小偃22’頂二葉遮光10 d對穗粒質量的影響明顯高于5 d的遮光處理，20～30 d遮光導致的穗粒質量減小量達到最大；‘蘭考矮早8號’穗粒質量受遮光處理的影響明顯高于相同處理水平的‘小偃22’，甚至在30～35 d遮光對穗粒質量仍然有較大影響。比較‘蘭考矮早8號’的2種不同遮光處理水平，發現 20 d時旗葉和倒二葉遮光10 d對穗粒質量的影響均大于同時期的遮光 5 d，而灌漿期其他時段遮光 10 d 的影響與灌漿 5 d相比未見明顯差異。尤其值得注意的是，灌漿后期對‘蘭考矮早8號’的頂二葉進行遮光處理，仍然導致了穗粒質量的減小，說明其頂二葉在該時期仍然具有一定的灌漿能力。

2.6 遮光處理對莖干物質量的影響

如圖6所示，遮光處理對‘小偃22’與‘蘭考矮早8號’的莖暫時貯存庫活化的影響剛好相反，旗葉和倒二葉遮光 5 d均推遲了‘小偃22’的莖暫時貯存庫的載出；而同樣的處理卻導致了‘蘭考矮早8號’莖暫時貯存庫的碳同化物輸出的提前。與‘小偃22’相比，‘蘭考矮早8號’的莖暫時貯存庫對葉源活性的漲落更為敏感，當葉片光合作用被抑制后，莖暫時貯存庫立即被活化成為重要的碳同化物輸出源。本研究發現倒二節間莖對籽粒灌漿的貢獻大于穗下莖，這與王征宏等的研究結果一致[15]。

a.遮光 5 d 5 d shading；b.遮光 10 d 10 d shading;誤差線為90%置信區間 Vertical bars represent 90% confidence interval;圖6同 The same with fig.6

圖5遮光處理對小麥穗粒質量的影響
Fig.5Effectofshadingofleafonkernelmass

圖6 遮光處理對小麥莖干物質量轉運的影響Fig.6 Effect of shading of leaf on stem dry matter remobilization

2.7 遮光處理對穗粒體積的影響

如表1所示，2種小麥品種的生育期相近，最大穗粒體積均出現在 30 d。‘蘭考矮早8號’的最大穗粒體積比‘小偃22’高出41.9%，表明逆序衰老小麥‘蘭考矮早8號’具有更大的潛在庫容。無論對‘小偃22’的旗葉還是倒二葉進行遮光處理，其最大穗粒體積均顯著減小；對比旗葉遮光和倒二葉遮光對各個時期穗粒體積的影響，發現‘蘭考矮早8號’的倒二葉遮光導致穗粒體積的減小程度大于旗葉遮光，這種影響一直持續到灌漿末期。

表1 頂二葉遮光 10 d 處理后穗粒體積的變化Table 1 The changes of grain volume per ear after 10 d of shading treatmentof top-two leaves cm3

3 結論與討論

本研究對逆序衰老和對照小麥頂二葉進行套袋遮光處理，重點關注遮陰對逆序小麥同化物運輸分配的影響。結果表明，遮陰對2個小麥品種的籽粒質量、莖干物質的量和穗粒體積均有明顯的影響，但相對而言在灌漿中后期對逆序衰老小麥的影響小些，說明逆序衰老小麥的適應環境的能力更強些。馬亞琴[16]的遮陰處理是通過搭建透光率70%的遮陰棚模擬弱光環境，主要分析比較了逆序衰老小麥對遮陰適應的生理機制，其研究表明，30%遮陰處理顯著降低了順序和逆序小麥的產量，減少了旗葉與倒二葉倒置的差異，逆序衰老小麥具有較強的抗陰性。由于逆序衰老小麥品種指那些逆序衰老比率在20%以上的小麥品種，并非所有蘗莖都出現逆序衰老[7]。由于無法在灌漿初期將逆序衰老小麥的逆序衰老蘗莖與正常衰老蘗莖作區分，本研究是田間管理條件下隨機取樣的研究結果，由此得出的規律性結論對于指導遺傳育種應更具實際價值。

葉片衰老是植物在長期進化過程中形成的發育和自我保護機制，是在葉位、內生信號以及環境等多種因素作用下由基因控制的程序性死亡過程[17]。盡管植物衰老機制有糖信號學說、自由基學說以及營養虧缺學說等多種理論，但是它們并非非此即彼的關系，而是植物葉片衰老在不同層面上的體現[18-19]。

本研究發現，正常衰老小麥的頂二葉在功能下降前都有一個干物質量增加的過程，說明正常衰老小麥從葉源至籽粒庫的碳同化物運輸受阻，葉片中碳同化物積累導致葉片衰老程序的啟動，這與葉片衰老的糖信號學說相一致[20]；而逆序衰老小麥品種未見明顯的干物質量增加，其原因可能是逆序衰老小麥具有更為通暢的碳同化物運輸流。對比逆序衰老小麥的旗葉和倒二葉的遮光處理對穗粒質量、碳同化物轉運的影響，未發現倒二葉灌漿活性超過旗葉的情況，然而對穗粒體積的分析發現，逆序衰老小麥籽粒庫庫容對倒二葉的源活性有積極響應，這可能是逆序衰老小麥維持其倒二葉的活力，從而具有獨特衰老模式的重要原因之一。總之，頂二葉具有較高的光合活性、籽粒庫具有較大庫容以及對莖暫時貯存庫活化的嚴謹調控，是逆序衰老小麥具有較高籽粒灌漿活性以及較長灌漿活躍期的重要原因。