花后高溫脅迫下外施多胺對不同耐熱性小麥產量性狀及旗葉生理的影響

靖建國，李有芳，賈姝萍，向雪純，李衛華

(石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態重點實驗室，新疆石河子 838202)

溫度是影響小麥產量和品質的重要環境因子。小麥生育后期的高溫脅迫會引起許多生理變化，如葉片細胞結構與功能受到破壞、葉綠素含量下降、光合能力減弱及葉片早衰等，最終導致籽粒灌漿速率降低，縮短灌漿期，造成減產[1-4]。隨著全氣候變暖，小麥產區出現高溫天氣的頻率在過去幾十年一直呈上升趨勢，且在未來會不斷提高[5]。因此，采用有效的調控措施緩解高溫脅迫對小麥籽粒灌漿的抑制作用，對小麥的高產穩產具有重要意義。

多胺是一類廣泛存在于生物體內的具有生物活性的低分子量脂肪族含氮堿，被認為是生長調節物質或激素的第二信使[6-7]，不僅能促進小麥籽粒灌漿[8]，而且在植物抗逆方面發揮著重要作用[9-10]。研究表明，小麥種子成熟脫水過程中，游離Spd和Spm水平明顯上升[11]，抗旱性強的小麥品種中較高的Spm和Spd含量能夠拮抗逆境對小麥生長的抑制作用[7]。但有關多胺是否參與高溫脅迫下小麥灌漿過程中旗葉凈光合速率(Pn)、葉綠素熒光特性、冠層溫度、葉綠素含量、旗葉表面溫度以及產量性狀調控的報道極少。本研究以兩個耐熱性不同的新疆春小麥品種新春6號和新春31號為試驗材料，探討外施多胺對小麥花后高溫脅迫的減緩效應，以期為春小麥抗高溫生產提供理論依據和技術指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗供試春小麥為耐熱品種新春6號和熱敏感品種新春31號[12]，兩者開花期一致，生育期相同。兩品種均于2018年3月2日播種，7月3日收獲。供試精胺和亞精胺純度分別≥98%、 ≥97%(sigma公司)。

1.2 試驗地點

試驗在石河子大學農學試驗站進行。試驗地土壤為壤土，含全氮0.76 g·kg-1、堿解氮 0.058 g·kg-1、速效磷0.025 g·kg-1、全鉀149 g·kg-1、有機質12.5 g·kg-1，土壤pH為7.6。2017年9月基施磷酸二銨(N含量為16.5%，含P2O547.5%)155 kg·hm-2；2018年在小麥三葉期、拔節期、抽穗期和灌漿前中期(花后14 d左右)隨灌水分別追施尿素70、150、80和80 kg·hm-2。高溫處理期間未出現自然降雨。

1.3 試驗設計與方法

試驗設置4個處理：對照(棚外自然條件)，記為CK；人工模擬高溫，記為HT；人工模擬高溫+外施精胺(1mmol·L-1)，記為HT+Spm；人工模擬高溫+外施亞精胺(1 mmol·L-1)，記為HT+Spd。小區面積為1 m2，播種密度為300 粒·m-2，行距為0.2 m，每個處理重復3次，采用完全隨機排列。參照江文文等[10]的高溫脅迫方法，稍作改進，增溫棚用0.1 mm高透光聚乙烯塑料薄膜制成，面積與總試驗面積相同，高約1.5 m，與小麥冠層之間的距離50 cm左右。于花后8～12 d，每天10:00-18：00蓋棚模擬高溫環境。棚四周保持通風順暢。外源多胺噴施從高溫處理前一天開始，連續處理5 d，處理時間為每天傍晚8點，噴施于旗葉和穗上，每次噴施量為20 mL(對照噴等量清水)。溫度記錄儀(RC-4HA/C，江蘇精創電氣股份有限公司)掛在棚內外距小麥冠層約30 cm處，自動記錄溫度(圖1)。由圖1可見，高溫處理期間棚內平均溫度為 34.92 ℃，顯著高于棚外溫度(30.52 ℃)。除溫度和外施多胺外，其他管理措施同當地大田小麥生產。

在開花期選擇同一日開花的穗子掛牌標記。旗葉生理指標每隔5 d測定一次，其中花后7 d為高溫處理前，花后13 d、19 d、25 d和31 d為高溫處理后。

1.4 測試項目與方法

1.4.1 凈光合速率(Pn)的測定

用便攜式光合測定系統Li-6400(Li-Cor. Inc.，USA)，于11:00-13:00天氣晴朗時采用閉路方法測定小麥旗葉Pn。測定時內部溫度調節器控制葉室溫度為30 ℃，參比室CO2流速為500 μmol·s-2，光照強度1 700 μmol·m-2·s-1。每個小區測定9片旗葉，取平均值。

1.4.2 葉綠素含量的測定

用SPAD 502儀測定旗葉葉綠素相對含量，每個小區測定10片旗葉，每個葉片分葉尖、葉中和葉基測量3次，取平均值。

1.4.3 葉綠素熒光動力學參數及葉溫測定

采用便攜式調制熒光儀PAM-2100進行田間活體測定。選取受光方向相同且生長一致的旗葉，測定葉表面溫度及葉綠素熒光動力學參數，每個小區測定5片旗葉，參照李秀等[13]的方法計算相關參數。

1.4.4 冠層溫度的測定

花后24 d，采用作物冠層溫度測量儀TOP-500測定冠層溫度，每個處理3次 重復。

1.4.5 旗葉相對含水量的測定

采用張志良等[14]的方法對旗葉含水量進行測定。將旗葉沖洗干凈，用濾紙吸干表面水分后稱其質量，得鮮重；將測完的葉片標記后放入105 ℃烘箱中殺青20 min，之后于80 ℃下烘干至恒重，稱其質量，得干重；相對含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%。每個小區測定10片旗葉。

不同小寫字母表示棚內外差異顯著。

Different letters mean significant difference between outside and inside at 0.05 level.

圖1 處理期間大棚內外平均溫度日變化

Fig.1Diurnal variation of average temperatureinside and outside the shed during treatments

1.4.6 產量及其構成測定

成熟時各小區隨機選取10株小麥，測定穗粒數(grain number per spike，GNP)、結實小穗數(seeding spikelet number per spike，SeSN)、不育小穗數(sterile spikelet number per spike，StSN)和單穗重(grain weight per spike，GWP)，并計算不同處理理論產量(theoretical yield，TY)；使用GAC-2100AGRI型谷物水分測定儀測定籽粒容重(test weight，TW)；隨機選取1 000粒籽粒測定千粒重(thousand-grain weight，TGW)，3次重復；理論產量=公頃穗數×穗粒數×千粒重×10-6×85%，由于春小麥分蘗成穗率較低，而且試驗處理在開花后進行，對穗數影響較小，因此公頃穗數統一用基本苗數來代替。

1.5 數據分析

處理數據和作圖用Microsoft Excel 2010和Origin 2018軟件，數據方差分析和顯著性檢驗用SPSS 22.0軟件。

2 結果與分析

2.1 多胺對高溫脅迫下小麥產量性狀的影響

由表1可知，與CK相比，HT處理導致兩個品種的穗粒數、千粒重、容重、結實小穗數、單穗重和理論產量均顯著降低，其中耐熱品種新春6號降幅分別為18%、13%、2%、6%、25%和29%，熱敏感品種新春31號分別為26%、15%、3%、15%、32%和37%。同時高溫導致兩個品種不育小穗數分別升高210%和212%，說明高溫脅迫對小麥產量性狀產生明顯影響，且影響程度存在品種間差異，對新春31號的影響大于新春6號，HT處理的減產效應主要歸因于穗粒數和千粒重的降低。與HT處理相比，HT+Spm和HT+Spd處理均使兩個品種的穗粒數、千粒重、結實小穗數、單穗重和理論產量顯著升高，其中HT+Spm處理下新春6號的增幅分別為17%、7%、5%、19%和25%，新春31號增幅分別為24%、10%、15%、35%和36%，而HT+Spd處理下新春6號的增幅分別為5%、5%、3%、5%和11%，新春31號增幅分別為17%、12%、12%、32%和31%；同時，HT+Spm和HT+Spd處理顯著降低了不育小穗數，新春6號的降幅分別為57%和25%，新春31號降幅分別為27%和37%。這說明高溫脅迫下噴施外源Spm和Spd可顯著緩解高溫對小麥產量形成的不利影響，Spm的緩解效果優于Spd，且對熱敏感品種的緩解效果更好。

2.2 多胺對高溫脅迫下凈光合速率(Pn)的影響

兩個品種的旗葉Pn隨灌漿進程基本呈下降趨勢(圖2)。與CK相比，HT處理使兩個品種旗葉Pn在花后13 d、19 d和25 d均顯著降低，其中花后13 d的降幅最大，新春6號和新春31號分別下降38%和53%，說明小麥旗葉Pn對高溫脅迫的響應存在品種間差異。與HT處理相比，HT+Spm處理后兩個品種的旗葉Pn在花后 13 d、19 d、25 d和31 d均顯著升高，升幅分別在花后19 d和25 d最高，分別為22%和109%； HT+Spd處理后兩個品種的旗葉Pn在花后 13 d、19 d、和31 d均顯著升高，升幅均在花后 13 d最高，分別為72%和179%。

表1 多胺對高溫脅迫下小麥產量性狀的影響Table 1 Effect of polyamines on yield traits of wheat under high temperature stress

數據后不同字母表示處理間有顯著差異(P<0.05)。下表同。

Different values followed by different letters in the same columns are significantly different among the treatments at 0.05 level.The same in the other tables.

圖柱上的字母不同表示處理間差異顯著。下圖同。

Different letters above the columns are significantly different among the treatments at 0.05 level. The same in figures 3-6.

圖2高溫脅迫下多胺處理后不同時期小麥旗葉凈光合速率的變化

Fig.2Changes of net photosynthetic rate in wheat flagleaves at different stages after polyaminetreatment under high temperature stress

2.3 多胺對高溫脅迫下小麥旗葉相對含水量和葉綠素含量的影響

2.3.1 多胺對高溫脅迫下小麥旗葉相對含水量(WC)的影響

小麥旗葉WC隨灌漿進程基本呈下降趨勢，前期下降緩慢，后期急劇降低(圖3A)。高溫處理前(花后7 d)兩個品種的旗葉WC在四個處理之間差異不顯著，說明待處理的植株水分狀況基本一致。HT處理后(花后13 d)新春6號的旗葉WC與CK相比顯著降低，新春31號的旗葉WC雖然有所降低，但差異不顯著，說明耐熱品種新春6號在高溫脅迫過程中旗葉水分蒸騰較多，即能快速響應高溫脅迫。HT+Spm處理后兩個品種的旗葉WC在花后13 d、19 d和25 d均顯著高于HT處理，而HT+Spd處理后兩個品種的旗葉WC僅在花后13 d顯著提高，說明噴施外源Spm后高溫脅迫下小麥旗葉保水作用較持久。

2.3.2 多胺對高溫脅迫下小麥旗葉SPAD值的影響

新春6號和新春31號的旗葉SPAD值隨著生育進程基本呈下降趨勢(圖3B)。高溫脅迫前(花后7 d)，兩個品種的旗葉SPAD值在四個處理之間差異不顯著?；ê?3 d，兩個品種的SPAD值以HT+Spd處理最高，與HT+Spm處理和CK差異均顯著，與HT處理差異不顯著，HT處理高于HT+Spm處理和CK?；ê?9 d，兩個品種的SPAD值均以CK最高，HT+Spd處理次之，HT處理最低。花后31 d，兩個品種的SPAD值均以HT+Spm處理最高，HT+Spd處理次之，且二處理與其余處理差異均顯著。這說明噴施外源多胺可緩解高溫脅迫對小麥旗葉衰老的促進效應，且外源Spm緩解效果較好。

圖3 高溫脅迫下多胺處理后不同時期小麥旗葉含水量和葉綠素含量的變化

2.4 多胺對高溫脅迫下小麥旗葉葉綠素熒光參數的影響

2.4.1 多胺對高溫脅迫下小麥旗葉非光化學猝滅系數(NPQ)的影響

新春6號和新春31號旗葉NPQ隨著生育進程基本呈上升趨勢(圖4A)。高溫脅迫前(花后7 d)，新春6號和新春31號的NPQ在四個處理之間差異不顯著。與CK相比，HT處理下兩個品種旗葉的NPQ在花后13 d和19 d顯著降低，而花后25 d和31 d顯著升高，說明高溫脅迫前期兩個品種光化學反應過程中熱耗散增多。與HT處理相比，花后13 d，HT+Spm處理使兩個品種的NPQ顯著升高，HT+Spd處理無顯著變化；花后25 d和31 d，HT+Spm和HT+Spd處理均顯著降低，且HT+Spm處理降幅較大，說明高溫脅迫下噴施外源多胺在脅迫初期可有效提高NPQ，消耗過剩的激發能，從而保護光化學反應中心，緩解高溫對小麥旗葉的傷害，且外源Spm緩解效果較優。

2.4.2 多胺對高溫脅迫下小麥旗葉激發能分配不平衡性(β/α-1)的影響

新春6號和新春31號的旗葉β/α-1在灌漿前期上升緩慢，后期急劇上升(圖4B)。HT處理導致兩個品種旗葉β/α-1全生育期顯著高于CK，外源噴施Spm和Spd可以可顯著抑制其上升。值得一提的是花后25 d和31 d，兩個品種旗葉的β/α-1均以HT處理最高，CK次之，HT+Spm處理最低，處理之間差異達到顯著水平(花后25 d新春6號CK和HT+Spd處理除外)。這說明高溫脅迫造成兩個光系統之間激發能分配不平衡，噴施外源Spm和Spd可緩解高溫脅迫對小麥旗葉的傷害，Spm在生育后期緩解效果優于Spd。

圖4 高溫脅迫下多胺處理后不同時期小麥旗葉葉綠素熒光參數的變化

2.5 多胺對高溫脅迫下小麥冠層溫度和旗葉表面溫度的影響

小麥旗葉的表面溫度隨灌漿進程呈上升趨勢(圖5和圖6)。與CK相比，HT處理顯著提高花后24 d的冠層溫度。與HT處理相比，HT+ Spm處理顯著降低兩個品種的冠層溫度，而HT+Spd處理雖然降低了新春31號的冠層溫度，但差異不顯著；HT+Spd處理使新春6號和新春31號花后13 d的旗葉表面溫度分別降低12%和13%，HT+Spm處理分別降低4%和8%，但HT+Spm處理下兩個品種花后19 d和31 d的旗葉表面溫度顯著低于HT+Spd處理。這表明高溫處理下噴施外源多胺可降低春小麥冠層溫度和旗葉表面溫度，其中Spd的效果優于Spm。

圖5 高溫脅迫下多胺處理后冠層溫度變化

圖6 高溫脅迫下多胺處理后不同時期小麥旗葉溫度變化

3 討 論

3.1 外源多胺對高溫脅迫下小麥產量性狀的 影響

高溫脅迫對小麥籽粒產量及品質的影響在國內外已被開展了多年的研究。一些研究表明，灌漿期高溫脅迫致使冬小麥產量降低[15-16]，在不同灌漿階段高溫脅迫的效應不同[17]。本研究中，花后8～13 d，HT處理使兩個小麥品種的千粒重、容重、穗粒數、結實小穗數、穗粒重和理論產量均顯著降低，不育小穗數顯著升高，這與前人研究結果一致[18-19]。高溫使兩個品種的穗粒數顯著降低18%和26%，千粒重顯著下降13%和15%，說明花后高溫導產量降低的主要原因是降低了穗粒數和千粒重。多胺被認為參與了禾谷類籽粒灌漿的調控[20]。正常玉米籽粒的多胺濃度明顯高于敗育玉米籽粒，多胺濃度與胚乳核數呈正相關[21]。Yang等發現，較高水平的Spd和Spm會促進水稻籽粒灌漿，增加水稻的粒重[22]。本研究結果表明，高溫脅迫下噴施外源Spm和Spd使兩個小麥品種的千粒重、穗粒數、結實小穗數、穗粒重和理論產量與HT處理相比顯著升高，不育小穗數率顯著降低，且就最終理論產量來看，外源Spm對兩個品種灌漿期高溫傷害的緩解優于外源Spd。

3.2 外源多胺對高溫脅迫下小麥產量性狀的調控與旗葉光合等生理指標的關系

光合作用是植物對高溫最敏感的生理過程之一，在其他脅迫效應出現前，可以完全被抑制[23]。高溫脅迫下，光合作用的關鍵酶Rubisco失活，RuBP羧化酶活性降低[24]，從而影響同化二氧化碳的能力，使Pn顯著下降[25]。本研究中，不同小麥品種光合特性對高溫的反應差異明顯，這與前人在高溫弱光下和高溫下的觀測結果一致[26-27]。高溫處理后(花后13 d)，新春6號的旗葉Pn與CK相比下降38%，新春31號下降53%，這與李召峰對高溫脅迫后新春6號與新春31號變化分析的結果一致[12]；高溫處理下兩個品種的Pn在花后13 d下降后又升高(花后19 d)，這可能與植物的自我調節有關。有研究表明，外源多胺可快速進入完整的葉綠體(對逆境脅迫最敏感的細胞器之一)，參與逆境條件下光合元件的保護；外源添加Put和Spm可有效提高葉綠體內抗氧化酶活性，清除ROS，恢復葉綠體構型[28-29]。本研究中，高溫脅迫下，花后13 d，噴施Spd使兩個品種旗葉Pn與HT處理相比分別升高72%和179%，噴施Spm使新春31號旗葉Pn顯著升高47%，這可能與外源Spm和Spd能緩解高溫脅迫下小麥旗葉葉綠素分解和激發能分配的失衡，提高脅迫初期旗葉NPQ，消耗過剩的激發能，從而保護光化學反應中心有關。

在正常情況下，植物的葉片溫度通過蒸騰失水來維持相對的穩定，一旦受到逆境脅迫的影響，葉片溫度會發生變化，葉溫的改變通常會改變葉片表面熱量和葉片含水量狀況，而冠層溫度測量儀可以快速精確地檢測植物葉片因氣孔開度變化而導致的微小溫度差異，并且能把這種通過傳統手段很難量化的指標以可視化的圖像呈現出來，可以被用來監測診斷植株的受脅迫情況[30-31]。本研究表明，高溫脅迫后兩個品種旗葉表面溫度和冠層溫度均升高，旗葉WC降低，這可能是植物在面臨逆境時做出的應激調整；花后13 d新春6號葉片表面溫度高于新春31，新春6號旗葉WC在HT處理下顯著降低，而新春31號降低不顯著，此時兩個品種旗葉Pn分別下降38%和53%，這都可能是高溫造成新春31號減產幅度較大的主要原因之一。高溫脅迫下噴施外源多胺對兩個品種冠層溫度、旗葉表面溫度和WC的不利變化均能起到一定緩解作用。本試驗觀察到，花后13 d，HT+Spd處理使兩個品種旗葉表面溫度與HT處理相比分別降低12%和13%，HT+Spm處理使表面溫度分別降低4%和8%，而花后19 d和31 d，HT+Spm處理下兩個品種的旗葉表面溫度均顯著低于HT+Spd處理，HT+Spm處理使兩個品種旗葉WC在花后13 d、19 d和25 d均顯著高于同時期的HT處理，而外源Spd僅在花后13 d使兩個品種旗葉WC顯著提高，這表明高溫處理下外源Spm緩解高溫傷害的效果更持久，這可能是由于兩個品種內源多胺含量差異造成的，有待未來研究進一步分析。另外，高溫脅迫下噴施Spm和Spd處理的小麥旗葉Pn在某些時間顯著高于CK，這可能與新疆小麥灌漿期的溫度本身就高于小麥灌漿最佳溫度有關，未來需要進一步完善試驗計劃，增加對照下噴施Spm和Spd處理,以及擴大小區面積。綜上所述，本研究認為，外源Spm和Spd均能緩解高溫脅迫對小麥造成的傷害，緩解由高溫造成的產量損失，且外源Spm緩解效果比外源Spd更持久，其調控作用與葉片凈光合速率、葉綠素熒光參數、葉綠素含量、含水量及氣孔開閉密切相關。