花后早期增溫對(duì)小麥旗葉光合和抗氧化特性及籽粒發(fā)育的影響

胡燕美，蘇 慧，朱玉磊，李金鵬，李金才，宋有洪

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽合肥 230036)

IPCC報(bào)告顯示，過(guò)去5年(2014-2018年)的全球平均溫度與工業(yè)化前相比增加了 1.04 ℃，到2030年增溫幅度將達(dá)到1.5 ℃[1-2]。近50年以來(lái)，我國(guó)年平均地表氣溫升高了1.1 ℃，預(yù)測(cè)未來(lái)的30～50年年平均氣溫將持續(xù)上升1.7～ 2.2 ℃，半干旱地區(qū)的升溫幅度更大，為1.9～ 2.3 ℃[3]。小麥?zhǔn)俏覈?guó)第二大糧食作物，約占中國(guó)糧食總產(chǎn)量的27%[4]。小麥作為喜涼作物，開(kāi)花期增溫對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)影響較大[5]。因此，研究小麥花后早期增溫效應(yīng)具有重要意義。

花后旗葉功能期長(zhǎng)短和籽粒形態(tài)以及干物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力是衡量小麥產(chǎn)量和品質(zhì)形成的重要指標(biāo)。研究表明，高溫會(huì)使得小麥籽粒建成加速，導(dǎo)致葉片提前衰老，縮短灌漿時(shí)間，從而影響產(chǎn)量[6]。開(kāi)花后遭遇31 ℃的高溫小麥籽粒灌漿期縮短5～11 d，產(chǎn)量下降13%～16%，淀粉和蛋白質(zhì)含量顯著降低，影響小麥品質(zhì)[7]。日平均氣溫高于25 ℃時(shí)，小麥葉片會(huì)因失水過(guò)快而影響葉綠體生物合成，致使葉片光合速率下降，影響了粒重和產(chǎn)量[8]。采用開(kāi)放增溫系統(tǒng)從小麥?zhǔn)蓟ㄆ诘匠墒炱冢瑹o(wú)論全天增溫、夜間增溫，還是白天增溫，均導(dǎo)致小麥減產(chǎn)[9]。在春小麥全生育期增溫1、2和3 ℃后，產(chǎn)量均下降，籽粒淀粉含量隨溫度的增加而降低，籽粒蛋白質(zhì)含量則呈上升趨勢(shì)[10]。春小麥拔節(jié)期之前增溫0.5 ℃可提高葉片光系統(tǒng)Ⅱ的潛在活性，增加葉片抗逆性，促進(jìn)光合作用和光合產(chǎn)物累積量，增溫梯度過(guò)大或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)則會(huì)使春小麥?zhǔn)芨邷孛{迫，影響光系統(tǒng)Ⅱ原初光能捕獲，降低電子傳遞等效率，破壞光合機(jī)構(gòu)，致使葉片凈光合速率、水分利用效率等性狀值下降，減少光合產(chǎn)物累積量和產(chǎn)量[11]。小麥開(kāi)花期增溫或者短暫高溫均會(huì)降低旗葉光合速率，加快葉片衰老，減少莖稈中水溶性碳水化合物積累量，直接影響生長(zhǎng)后期莖稈中貯存物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而對(duì)粒重的增長(zhǎng)產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[12-13]。

目前，關(guān)于花后早期增溫脅迫對(duì)小麥旗葉生理特性和籽粒發(fā)育影響的研究鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)搭棚蓋膜人工模擬自然增溫，調(diào)查冬小麥花后早期小幅增溫后旗葉光合參數(shù)、葉綠素含量、抗氧化酶活性、MDA含量和籽粒性狀的變化，以期為未來(lái)氣候變暖下小麥豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種選用近幾年皖北地區(qū)主推品種安農(nóng)0711(半冬性，抗早衰)和黃淮海地區(qū)主栽品種煙農(nóng)19(冬性，不抗早衰)，均于2018年11月10日播種于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園試驗(yàn)基地(北緯N31°52′0.99″，東經(jīng)E117°16′57.72″)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。小區(qū)面積為4 m2(2 m×2 m)，行距20 cm。種植密度為225×104株·hm-2；施氮量為225 kg·hm-2，基追比為5∶5；磷(P2O5)、鉀(K2O)肥全部基施，施用量均為112.5 kg·hm-2。麥穗上出現(xiàn)一朵小花記為開(kāi)花，選擇同一天開(kāi)花且長(zhǎng)勢(shì)一致的麥穗掛牌標(biāo)記。開(kāi)花期搭棚(高約 3 m)，蓋PO薄膜(0.08 cm，透光率≥95%)，底部預(yù)留30 cm透風(fēng)，進(jìn)行人工模擬自然增溫(HT)，處理時(shí)間為每天9:00-17:00，其他時(shí)間掀膜，未增溫處理為對(duì)照(CK)，增溫10 d(花后 0～10 d)。溫濕度儀(精創(chuàng)RC-4，江蘇)實(shí)時(shí)記錄棚內(nèi)外小麥冠層溫度，增溫結(jié)果如圖1。于花后10、15、20、25、30和35 d，上午10時(shí)各處理組剪取10株掛牌標(biāo)記的麥穗和旗葉，用液氮冷凍30 min，置于-80 ℃冰箱保存，用于后續(xù)試驗(yàn)測(cè)定。

CK：為棚外溫度；HT：為棚內(nèi)溫度。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 旗葉葉綠素含量測(cè)定

葉綠素含量測(cè)定方法采用浸提法，稱取旗葉0.02 g，加入5 mL N,N二甲基甲酰胺，于4 ℃黑暗條件下浸提24 h，材料完全變白，過(guò)濾浸提液并用UV-1800紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(島津，日本)測(cè)定647、664、470 nm處的OD值[14-15]。

1.3.2 旗葉光合特性測(cè)定

在花后20 d測(cè)定了標(biāo)記小麥植株旗葉的光合特性。每個(gè)小區(qū)選取3片生長(zhǎng)和受光方向一致旗葉，采用便攜式光合速率測(cè)定儀LI-6400XT光合儀(LI-COR 公司，美國(guó))測(cè)定其凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)。系統(tǒng)采用開(kāi)放式氣路，選擇紅藍(lán)光源葉室，光合有效福射(PAR)設(shè)定為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度約為380 μmol·L-1[16-17]。

1.3.3 旗葉MDA含量測(cè)定

用硫代巴比妥酸法測(cè)定旗葉MDA含量[18-19]。

1.3.4 旗葉保護(hù)性酶活性測(cè)定

稱取0.05 g旗葉，用液氮研磨，加5 mL 0.05 mol·L-1磷酸緩沖液(PBS，pH=7.8，0.1% PVPP)，4 ℃，12 000 r離心10 min，上清液即為酶液。過(guò)氧化物酶(POD)活性測(cè)定參考李合生愈創(chuàng)木酚法[20]。采用紫外吸收法測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性[21]。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定[5]。

1.3.5 植株地上部干物質(zhì)測(cè)定分配

選取長(zhǎng)勢(shì)一致的小麥植株，齊地面割下，迅速剝?nèi)∏o稈、莖鞘、葉片和穗部。105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱量其干重[22-23]。器官同化物分配率=器官干重/植株總干重×100%。

1.3.6 優(yōu)、弱勢(shì)粒形態(tài)測(cè)定

籽粒形態(tài)包括籽粒長(zhǎng)度、寬度和厚度，優(yōu)勢(shì)粒為優(yōu)先開(kāi)花、形成籽粒和灌漿的位于麥穗中部的籽粒，弱勢(shì)粒為開(kāi)花遲、灌漿速率慢的位于穗基部和上部或小穗頂部的籽粒[24]。剝?nèi)深愖蚜＃謩e隨機(jī)選取10個(gè)籽粒，手尾連接排成一排，用直尺測(cè)量其長(zhǎng)度，求平均值即為粒長(zhǎng)；10個(gè)籽粒肩并肩連成一排，測(cè)量其長(zhǎng)度，求平均值即為粒寬；在試驗(yàn)臺(tái)上貼雙面膠，將10個(gè)籽粒側(cè)放在雙面膠上，測(cè)量其長(zhǎng)度，求平均值即為粒厚。

1.3.7 產(chǎn)量測(cè)定

收獲期統(tǒng)計(jì)1 m雙行穗數(shù)，測(cè)定穗粒數(shù)和穗粒重及千粒重，計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖，用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan分析方法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 花后早期增溫對(duì)小麥旗葉葉綠素含量的 影響

開(kāi)花后小麥旗葉葉綠素含量先增后降(圖2)。花后10、15、20、25和30 d，與CK相比，增溫處理下安農(nóng)0711葉綠素a含量分別降低 11.82%、11.88%、4.19%、42.85%、90.11%，葉綠素b含量分別降低6.28%、29.73%、36.83%、 37.31%、58.06%，除花后10 d外增溫效應(yīng)均顯著；煙農(nóng)19葉綠素a和b含量較CK分別降低了26.90%、16.68%、18.79%、28.51%、49.68%和16.01%、16.48%、26.69%、25.29%、38.51%，各時(shí)期增溫效應(yīng)均顯著。這表明增溫減少了小麥旗葉葉綠素含量，加快其衰老進(jìn)程。

2.2 花后早期增溫對(duì)小麥旗葉光合特性的影響

花后20 d測(cè)定結(jié)果(表1)表明，增溫后安農(nóng)0711和煙農(nóng)19旗葉凈光合速率顯著低于CK,降幅分別為32.02%和15.49%；增溫導(dǎo)致旗葉胞間CO2濃度較CK顯著升高，增幅分別為38.57%和31.02%；增溫后兩個(gè)品種的旗葉蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和水分利用效率較CK分別降低了 0.89%、5.09%，15.41%、34.36%和35.00%、 3.23%，但對(duì)安農(nóng)0711均影響不顯著。由此可見(jiàn)，增溫不利于小麥花后旗葉光合作用。

2.3 花后早期增溫對(duì)旗葉丙二醛(MDA)含量的影響

增溫后，在花后10～20 d，兩個(gè)小麥品種旗葉MDA含量均高于CK(圖3)。其中，花后20～ 30 d，安農(nóng)0711和煙農(nóng)19分別增加了43.60%、 5.09%、20.46%和37.73%、40.49%、19.51%，增溫效應(yīng)均顯著。由此表明，增溫增加了小麥旗葉膜脂過(guò)氧化程度，加速葉片衰老。

2.4 花后早期增溫對(duì)旗葉保護(hù)性酶活性的影響

增溫后兩個(gè)品種旗葉POD和CAT活性較CK均不同程度降低。其中，增溫后安農(nóng)0711的兩種酶活性在花后10和15 d變化均顯著，降幅分別為17.98%、18.12%和43.37%、 22.92%；煙農(nóng)19的兩種酶活性在花后10～30 d均變化顯著，降幅分別為17.54%、14.71%、 15.06%、 50.40%、70.22%和28.46%、24.64%、15.36%、 63.90%、91.75%。安農(nóng)0711和煙農(nóng)19旗葉SOD活性受增溫影響相對(duì)較小，增溫后安農(nóng)0711只在花后10和20 d時(shí)分別較CK顯著升高和降低，煙農(nóng)19在各時(shí)期均差異不顯著。總體上看，增溫對(duì)三種酶活性有一定的抑制效應(yīng)。

圖柱上的小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

表1 花后早期增溫對(duì)小麥花后20 d旗葉光合特性的影響

2.5 花后早增溫對(duì)小麥地上部干物質(zhì)分配的影響

花后小麥葉片、莖稈和莖鞘的干物質(zhì)分配比例隨著時(shí)間的變化呈降低趨勢(shì)，穗部干物質(zhì)分配比例逐漸增加(圖5)。增溫后葉片、穗部、莖鞘和莖稈干物質(zhì)分配比例較CK不同程度下降，葉鞘和莖稈的分配比例有所提高。其中安農(nóng)0711的葉片和葉鞘干物質(zhì)分配比例變化較大，而煙農(nóng)19的莖稈和穗部的分配比例變化較大。由此可見(jiàn)，增溫導(dǎo)致小麥光合同化物在莖鞘中積累，減少其向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖3 花后早期增溫對(duì)小麥旗葉MDA含量的影響

圖4 花后早期增溫對(duì)小麥旗葉POD、CAT和SOD活性的影響

圖5 花后早期增溫處理對(duì)小麥不同器官干物質(zhì)分配比例的影響

2.6 花后早期增溫對(duì)小麥籽粒形態(tài)的影響

從圖6可見(jiàn)，增溫后，安農(nóng)0711優(yōu)勢(shì)粒長(zhǎng)度在花后10～35 d較CK均顯著降低，降幅分別為2.61%、2.45%、1.50%、1.57%、1.10%、1.59%；煙農(nóng)19的優(yōu)勢(shì)粒長(zhǎng)度也呈降低趨勢(shì)，其中花后15～35 d增溫處理與CK差異均顯著，且降幅分別為2.49%、2.86%、2.49%、2.50%。增溫處理也降低了兩個(gè)品種的優(yōu)勢(shì)粒寬度，其中安農(nóng)0711在花后25～35 d變化顯著，降幅分別為2.94%、6.33%、1.27%；煙農(nóng)19在花后20～35 d變化顯著，降幅分別為6.57%、3.76%、8.07%、5.85%。增溫導(dǎo)致兩個(gè)品種的優(yōu)勢(shì)粒厚度變小，其中安農(nóng)0711在花后10、20、25和35 d變化顯著，而煙農(nóng)19只在花后20、25 d變化顯著。增溫后，安農(nóng)0711和煙農(nóng)19的弱勢(shì)粒長(zhǎng)度、寬度、厚度較CK均不同程度降低，花后25和35 d時(shí)，弱勢(shì)粒長(zhǎng)度、寬度、厚度分別降低 5.07%、2.97%、2.88%和0.83%、2.20%、 1.99%，且均達(dá)到顯著水平(圖7)。總體來(lái)看，增溫不利于小麥優(yōu)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖6 花后早期增溫對(duì)小麥優(yōu)勢(shì)粒長(zhǎng)度、寬度、厚度的影響

2.7 花后早期增溫對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

與CK相比，增溫后，安農(nóng)0711和煙農(nóng)19的穗粒數(shù)分別降低0.85%和6.2%，穗粒重分別降低11.01%和13.88%，千粒重分別降低5.43%和7.34%，籽粒產(chǎn)量分別降低6.24%和7.64%，但只有千粒重對(duì)增溫響應(yīng)顯著。

表2 花后早期增溫對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

圖7 花后早期增溫處理對(duì)小麥弱勢(shì)粒長(zhǎng)度、寬度、厚度的影響

3 討 論

植株在經(jīng)過(guò)逆境脅迫后，會(huì)調(diào)整其組織結(jié)構(gòu)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)適應(yīng)外界逆境，保障植物體正常的生長(zhǎng)和發(fā)育[25]。植物葉片是植物體進(jìn)行光合、呼吸、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化以及蒸騰作用的主要場(chǎng)所，小麥旗葉光合對(duì)籽粒生長(zhǎng)發(fā)育的貢獻(xiàn)巨大，旗葉功能期的長(zhǎng)短影響產(chǎn)量形成[26-27]。小麥葉片中的光合產(chǎn)物主要是以蔗糖的形式存在和運(yùn)輸，保持葉片較高的光合性能和充足的蔗糖供應(yīng)以及較高的蒸騰作用強(qiáng)度，有利于產(chǎn)量的提高[28-30]。本研究中，小麥花后0～10 d增溫處理后，千粒重顯著降低，籽粒變小，可能是由于增溫顯著減弱了葉片凈光合作用，致使光合產(chǎn)物合成變少，同時(shí)高溫加大了光合產(chǎn)物消耗，導(dǎo)致輸向籽粒的光合產(chǎn)物減少，影響籽粒生長(zhǎng)發(fā)育。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，增溫后兩個(gè)品種籽粒形態(tài)變化程度不同，安農(nóng)0711優(yōu)勢(shì)粒形態(tài)受影響較大，而煙農(nóng)19弱勢(shì)粒受影響較大。其原因可能是煙農(nóng)19的蒸騰速率大于安農(nóng)0711，植株根系通過(guò)蒸騰作用吸收營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)籽粒生長(zhǎng)，且蒸騰速率的增加可以將光合產(chǎn)物更多地運(yùn)輸?shù)阶蚜Ｖ校┳蚜９酀{。增溫也可能對(duì)籽粒成熟過(guò)程起到阻礙作用，或者是縮短了物質(zhì)的有效轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，致使光合產(chǎn)物積累量顯著下降，粒重顯著降低，在籽粒形態(tài)上表現(xiàn)為籽粒粒徑低于 對(duì)照。

冬小麥地上部干物質(zhì)的積累與分配影響籽粒產(chǎn)量，尤其是花后干物質(zhì)積累是籽粒產(chǎn)量的主要物質(zhì)來(lái)源[32]。本研究表明，花后早期增溫不同程度地影響了地上部干物質(zhì)的分配，增加了莖鞘和莖稈干物質(zhì)分配比例，降低了穗部和葉片干物質(zhì)分配比例。這說(shuō)明光合產(chǎn)物在莖鞘中滯留，向籽粒的輸送減少。

4 結(jié) 論

花后早期增溫顯著降低了小麥旗葉光合和抗氧化能力，導(dǎo)致籽粒變小和粒重下降，但對(duì)產(chǎn)量影響不明顯。