外源茉莉酸對(duì)小麥籽粒灌漿的影響

羅 建，魏 彬，李玉娟，廖允成，劉 楊

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

小麥產(chǎn)量取決于單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量。籽粒灌漿是小麥重要農(nóng)藝性狀，決定了小麥千粒質(zhì)量，顯著影響小麥產(chǎn)量。關(guān)于小麥等作物籽粒灌漿的生理機(jī)制，前人從遺傳改良、基因表達(dá)、碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)、光合作用、植株衰老等多個(gè)方面進(jìn)行了研究[1-5]，形成了一系列假說(shuō)，但關(guān)于其具體生理機(jī)制，目前尚不清晰。

激素在調(diào)控禾谷類(lèi)作物籽粒灌漿過(guò)程中起著重要作用。生長(zhǎng)素(IAA)與水稻強(qiáng)勢(shì)籽粒灌漿的“頂端優(yōu)勢(shì)”有關(guān)[6]。較高的脫落酸(ABA)含量和較低的乙烯(ETH)釋放量是小麥強(qiáng)勢(shì)粒灌漿優(yōu)于弱勢(shì)粒的重要原因[7]。外源細(xì)胞分裂素(CTK)能夠顯著提高小麥粒質(zhì)量[8]。干旱脅迫下外源亞精胺(Spd)顯著促進(jìn)了小麥籽粒灌漿[9]。水稻籽粒灌漿與油菜素甾醇(BR)密切相關(guān)[10]。這些研究表明，禾谷類(lèi)作物籽粒灌漿與多種激素密切相關(guān)。

茉莉酸(JA)是一類(lèi)新型植物激素，顯著調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育。Cai等[11]研究表明，JA合成受到抑制會(huì)導(dǎo)致植物花器官屬性和數(shù)目的改變, 造成花分生組織不能正常生長(zhǎng)。Browse[12]研究發(fā)現(xiàn)，JA在擬南芥花器官的后期發(fā)育過(guò)程中起著重要作用。Yan等[13]研究表明JA能夠促進(jìn)玉米雌雄花的性別轉(zhuǎn)變。同時(shí)，在植物響應(yīng)逆境脅迫的過(guò)程中，JA也發(fā)揮著重要作用。忽雪琦等[14]研究表明外源茉莉酸甲酯(MeJA)能夠顯著提高玉米對(duì)干旱脅迫的抗性。李楊洋和焦湞[15]發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下JA能促進(jìn)小麥幼苗生長(zhǎng)。除此之外，JA還參與了植物對(duì)蟲(chóng)害的響應(yīng)[16]。這表明，在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，JA發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。

前人研究表明，JA對(duì)作物后期的生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著影響。馬超等[17-18]研究表明，干旱脅迫下噴施MeJA能夠顯著提高小麥籽粒灌漿期葉片葉黃素、β-胡蘿卜素及葉黃素循環(huán)組分含量，同時(shí)提高了灌漿期葉片脂氧合酶活性，減緩了葉片衰老，提高了籽粒質(zhì)量。謝靜靜等[19]研究表明，干旱脅迫下外源JA能夠促進(jìn)小麥葉片光合作用，提高植株的抗氧化能力。在水稻上的研究表明，開(kāi)花期噴施MeJA能夠有效提高雜交水稻粒質(zhì)量[20-21]。劉霞等[22]研究表明高溫脅迫下外源MeJA能夠提高水稻千粒質(zhì)量。這些研究表明，JA顯著影響作物的灌漿期生長(zhǎng)發(fā)育及粒質(zhì)量。但是，關(guān)于JA對(duì)小麥等作物籽粒灌漿的影響及其生理機(jī)制，鮮有相關(guān)研究。基于此，本研究選擇粒質(zhì)量不同的小麥品種，在小麥開(kāi)花期外源噴施JA，測(cè)定小麥不同粒位籽粒的灌漿情況、灌漿過(guò)程中籽粒糖和淀粉含量、旗葉抗氧化酶活性等指標(biāo)，擬探討JA對(duì)小麥籽粒灌漿的影響，并從糖-淀粉轉(zhuǎn)化、旗葉抗氧化角度分析其生理機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年10月至2019年6月小麥生長(zhǎng)季在西北農(nóng)林科技大學(xué)標(biāo)本園(34°20′N(xiāo), 108°04′E,)進(jìn)行田間試驗(yàn)。供試土壤為土婁土，耕層(0～20 cm)土壤含有機(jī)質(zhì)11.54 g·kg-1、全氮1.55 g·kg-1、速效氮52.68 mg·kg-1、速效磷 18.12 mg·kg-1、速效鉀109.46 mg·kg-1。供試材料為‘雙大1號(hào)’和‘西農(nóng)538’，于10月14日播種，播量為150 kg·hm-2，行距0.25 m。播種前基施375 kg·hm-2尿素和375 kg·hm-2磷酸二胺。小麥生長(zhǎng)期進(jìn)行常規(guī)大田管理。

每個(gè)品種設(shè)2個(gè)處理，外源噴施JA處理(JA)和噴施清水對(duì)照(CK)。噴施JA的濃度為1 mmol·L-1，噴施量為每株5 mL。在每個(gè)品種的開(kāi)花期進(jìn)行噴施，連續(xù)噴施3 d，于每天17:00-18:00實(shí)施噴施。CK對(duì)照噴施同等量的清水。小區(qū)面積9 m2(3 m×3 m)，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 籽粒灌漿動(dòng)態(tài) 在開(kāi)花期，選擇同一天開(kāi)花的植株，進(jìn)行標(biāo)記。在開(kāi)花后，每隔5 d取樣1次。取樣后，按照J(rèn)iang等[23]的方法，取4至14位小穗，將這些小穗第1位小花作為強(qiáng)勢(shì)粒，第3位小花作為弱勢(shì)粒。將強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒分裝，烘干至恒質(zhì)量后，進(jìn)行稱量。其后磨粉，以備測(cè)定可溶性糖和淀粉。

籽粒灌漿參數(shù)運(yùn)用Logistic方程Y=K/ (1+aebx) 進(jìn)行擬合。其中Y為籽粒質(zhì)量(mg)，K為最終籽粒質(zhì)量(mg)，x為開(kāi)花后的時(shí)間(d)；活躍灌漿期定義為Y達(dá)到最終粒質(zhì)量A的5% 和95% 所經(jīng)歷的時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)籽粒增加的質(zhì)量除以灌漿時(shí)間為平均灌漿速率。

1.2.2 籽粒可溶性總糖和淀粉測(cè)定 可溶性總糖采用80%乙醇提取，淀粉采用36 mol·L-1高氯酸提取，蒽酮比色法測(cè)定其含量[24]。

1.2.3 抗氧化酶測(cè)定 花后10 d和20 d，取標(biāo)記過(guò)的植株旗葉，液氮速凍后存放于-40 ℃冰箱，采用NBT光化還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性，采用240 mm光密度比色法測(cè)定過(guò)氧化氫酶(CAT)活性，MDA含量通過(guò)TBA顯色反應(yīng)測(cè)定[25]。

1.2.4 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素 成熟期，每個(gè)小區(qū)取1 m2植株進(jìn)行收獲，測(cè)定產(chǎn)量及單位面積穗數(shù)、每穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，SPSS 16.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素

表1結(jié)果顯示，外源JA顯著降低2個(gè)品種產(chǎn)量，‘西農(nóng)538’和‘雙大1號(hào)’2個(gè)品種JA處理產(chǎn)量較CK分別下降9.89%和11.68%。同時(shí)產(chǎn)量構(gòu)成因素結(jié)果表明，外源JA對(duì)2個(gè)品種單位面積穗數(shù)和每穗粒數(shù)均無(wú)顯著影響，但其顯著降低2個(gè)品種小麥千粒質(zhì)量。這表明，開(kāi)花期外源JA通過(guò)降低千粒質(zhì)量降低小麥產(chǎn)量。

表1 不同處理下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 1 Grain yield and grain yield components of wheat under different treatments

注：同列內(nèi)標(biāo)以不同字母的值在0.05水平上差異顯著。“**”代表F值在0.01水平有顯著差異。

UNote:Values in each column followed by different letters are significantly different at 0.05 level.“**”Fvalues are significantly different at the 0.01 level.

2.2 籽粒灌漿

外源JA對(duì)小麥籽粒灌漿的影響與籽粒著生部位密切相關(guān)。外源JA顯著影響小麥弱勢(shì)粒灌漿，但是對(duì)強(qiáng)勢(shì)粒灌漿無(wú)顯著影響(圖1)。圖2表明，2個(gè)品種強(qiáng)勢(shì)粒平均灌漿速率顯著高于弱勢(shì)粒，外源JA顯著降低了弱勢(shì)粒灌漿速率，但是對(duì)強(qiáng)勢(shì)粒灌漿速率無(wú)顯著影響。與此不同，籽粒活躍灌漿期2個(gè)品種強(qiáng)弱勢(shì)粒之間表現(xiàn)不同，‘西農(nóng)538’強(qiáng)勢(shì)籽粒活躍灌漿期長(zhǎng)于弱勢(shì)粒，而‘雙大1號(hào)’強(qiáng)勢(shì)粒活躍灌漿期短于弱勢(shì)粒。但是，外源JA對(duì)2個(gè)品中強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)粒活躍灌漿期無(wú)顯著影響。這表明，外源JA主要通過(guò)降低弱勢(shì)籽粒灌漿速率抑制小麥籽粒灌漿，降低千粒質(zhì)量。

SS和IS分別表示強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒 SS and IS represent superior grain and inferior grain, respectively。A和C為‘西農(nóng)538’，B和D為‘雙大1號(hào)’，下同 A and C represent ‘Xinong 538’, B and D represent ‘Shuangda 1’，the same below.

圖1 不同處理下小麥籽粒灌漿速率和粒質(zhì)量
Fig.1 Grain filling and grain mass of wheat under different treatments

圖2 不同處理下小麥籽粒灌漿特征參數(shù)Fig.2 Grain filling characteristics of wheat under different treatments

2.3 旗葉抗氧化酶活性和葉綠素

2個(gè)品種旗葉抗氧化酶活性和葉綠素含量表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，隨著灌漿期的推進(jìn)，旗葉SOD、POD和CAT活性和葉綠素含量降低，MDA含量升高(圖3～圖4)。但是，圖3結(jié)果表明外源JA對(duì)于旗葉SOD、POD和CAT活性、葉綠素含量以及MDA含量均無(wú)顯著影響。這表明，開(kāi)花期外源噴施JA并未顯著影響旗葉的抗氧化酶活性及葉片衰老。

A～D為‘西農(nóng)538’ A-D represents ‘Xinong 538’，E～H為‘雙大1號(hào)’ E-H represents ‘Shuangda 1’.

A和B分別為‘西農(nóng)538’和‘雙大1號(hào)’ A and B represent ‘Xinong 538’ and ‘Shuangda 1’,respectively.

2.4 籽粒糖和淀粉含量

開(kāi)花期外源噴施JA對(duì)不同粒位籽粒糖轉(zhuǎn)運(yùn)和淀粉合成的影響不同，外源JA對(duì)籽粒灌漿過(guò)程中強(qiáng)勢(shì)粒可溶性糖和淀粉含量無(wú)顯著影響。但是，其顯著影響弱勢(shì)粒可溶性糖和淀粉含量(圖5)。花后10 d，JA處理弱勢(shì)粒可溶性糖含量顯著低于CK處理。這表明，在灌漿早期，噴施JA處理抑制可溶性糖向弱勢(shì)粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。但是，花后20 d JA處理弱勢(shì)粒可溶性糖含量顯著高于弱勢(shì)粒。同時(shí)，JA處理弱勢(shì)粒中淀粉含量顯著低于CK。這表明，而灌漿中早期，外源JA抑制籽粒中可溶性糖向淀粉的轉(zhuǎn)化。

2.5 籽粒品質(zhì)

2個(gè)小麥品種間籽粒粗蛋白、面筋、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和最大阻力均存在顯著差異，‘西農(nóng)538’籽粒粗蛋白、面筋、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和最大阻力均低于‘雙大1號(hào)’(表2)。但2個(gè)品種間面團(tuán)形成時(shí)間無(wú)顯著差異。除此之外，外源噴施JA處理顯著提高了2個(gè)品種籽粒粗蛋白、面筋、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間和最大阻力。這表明，開(kāi)花期外源噴施JA顯著影響小麥籽粒品質(zhì)。

SS和IS分別表示強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒 SS and IS represent superior grain and inferior grain, respectively;A和B為‘西農(nóng)538’ A and B represent ‘Xinong 538’，C和D為‘雙大1號(hào)’ C and D represent ‘Shuangda 1’.

圖5 籽粒灌漿過(guò)程中小麥籽粒可溶性糖和淀粉含量
Fig.5 Total soluble sugar and starch content in grain during grain filling period of wheat

表2 不同處理下小麥籽粒品質(zhì)Table 2 Grain quality of wheat under different treatments

注：同列內(nèi)標(biāo)以不同字母的值在0.05水平上差異顯著。“**”代表F值在0.01水平有顯著差異。

Note:Values in each column followed by different letters are significantly different at 0.05 level. **Fvalues significant at the 0.01 level.

3 討 論

激素顯著影響作物的籽粒灌漿，IAA、CTK、ABA、ETH等多種激素均參與調(diào)控水稻、小麥等作物籽粒灌漿[6-10]。茉莉酸是存在于高等植物體內(nèi)的激素，屬于脂肪酸的衍生物，被認(rèn)為作為內(nèi)源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)直接或者作為第二信使間接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。前人研究表明，JA顯著促進(jìn)水稻和小麥籽粒灌漿，提高千粒質(zhì)量[17-22]。但是，本研究結(jié)果表明，無(wú)論是重穗型品種(‘雙大1號(hào)’)還是輕穗形品種(‘西農(nóng)538’)，JA均抑制了其籽粒灌漿，顯著降低了其千粒質(zhì)量。這與前人研究結(jié)果不一致。這種差異可能與環(huán)境因子有關(guān)。前人關(guān)于JA調(diào)控禾谷類(lèi)作物籽粒灌漿的研究，大多是在高溫、干旱等逆境條件下進(jìn)行[17-22]。JA作為一種重要的逆境激素，參與了植物生長(zhǎng)對(duì)高溫、低溫、干旱、重金屬、鹽脅迫等多種逆境的響應(yīng)[14-16]。在高溫、干旱等逆境條件下，外源JA發(fā)揮了其逆境激素的作用，通過(guò)清除自由基、提高植株抗氧化能力等提高了植株的抗逆性[26]，從而改善了逆境脅迫對(duì)籽粒灌漿的不利影響，促進(jìn)了灌漿，提高了粒質(zhì)量。但是，本研究外源JA噴施試驗(yàn)是在正常大田條件下進(jìn)行，未專門(mén)設(shè)置逆境脅迫，因此JA逆境響應(yīng)的功能沒(méi)有發(fā)揮。與逆境條件不同，在正常條件下，JA表現(xiàn)出對(duì)小麥籽粒灌漿的抑制作用。這表明，在小麥生產(chǎn)上，使用JA要慎重，要根據(jù)氣候或環(huán)境因子的不同，采用不同的施用策略，以免造成不良影響。

前人研究認(rèn)為，作物籽粒灌漿過(guò)程是同化物從源到庫(kù)的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程，源庫(kù)之間在此過(guò)程中相互影響，共同作用于同化物轉(zhuǎn)運(yùn)，籽粒灌漿持續(xù)期和籽粒灌漿速率可以代表源和庫(kù)對(duì)籽粒灌漿過(guò)程的影響[7]。源的衰老顯著影響籽粒灌漿持續(xù)期和粒質(zhì)量，植株衰老過(guò)快，會(huì)使葉片光合作用下降，造成籽粒灌漿“源”不足，致使籽粒灌漿期縮短，不利于籽粒的粒質(zhì)量形成[27]。抗氧化系統(tǒng)與植株衰老密切相關(guān)，前人研究表明，逆境脅迫下JA能夠顯著提高SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，清除植株體內(nèi)的自由基，保護(hù)葉綠體不受傷害[28]。與此不同，也有研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸會(huì)加速植株一些特定器官或部位的細(xì)胞程序性死亡和衰老[29]。但是，本研究結(jié)果表明，開(kāi)花期外源噴施JA對(duì)于籽粒灌漿過(guò)程中小麥植株葉片SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性、MDA含量無(wú)顯著影響。這可能是由于本試驗(yàn)JA是在開(kāi)花期噴施，而抗氧化酶的測(cè)定是在花后10 d和20 d，這可能超出了JA對(duì)抗氧化酶作用的持續(xù)期。同時(shí)，外源JA對(duì)2個(gè)品種活躍灌漿期無(wú)顯著影響。這表明，在本試驗(yàn)條件下，開(kāi)花期外源JA對(duì)小麥籽粒灌漿的抑制作用與源無(wú)顯著關(guān)系，其對(duì)小麥籽粒灌漿的影響可能與庫(kù)關(guān)系緊密。

根據(jù)籽粒灌漿情況的不同，可以將小麥等作物籽粒庫(kù)分為強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒。強(qiáng)勢(shì)粒開(kāi)花早、灌漿好、粒質(zhì)量高，弱勢(shì)粒開(kāi)花晚、灌漿差、粒質(zhì)量低。前人研究表明，弱勢(shì)粒灌漿差是限制作物粒質(zhì)量提高的重要因素[7]。本研究結(jié)果表明，著生在小穗下部的強(qiáng)勢(shì)粒，其籽粒灌漿和粒質(zhì)量對(duì)外源JA無(wú)顯著響應(yīng)。而著生在小穗上部的弱勢(shì)粒，外源JA對(duì)其籽粒灌漿和粒質(zhì)量有顯著影響。外源JA顯著降低了弱勢(shì)粒灌漿速率，同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)JA對(duì)弱勢(shì)粒灌漿速率的影響主要在籽粒灌漿前期。這表明，外源JA主要通過(guò)降低弱勢(shì)粒前期灌漿速率抑制了小麥籽粒灌漿，其對(duì)小麥籽粒灌漿的影響主要通過(guò)對(duì)庫(kù)的調(diào)控實(shí)現(xiàn)。

淀粉是小麥籽粒的主要組分，小麥籽粒灌漿主要是淀粉的合成積累過(guò)程[23]。小麥籽粒淀粉積累主要包括可溶性糖從營(yíng)養(yǎng)器官向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)和籽粒中淀粉合成2個(gè)步驟[30]。前人研究表明，強(qiáng)勢(shì)粒具有先生優(yōu)勢(shì)，維管束相對(duì)發(fā)達(dá)，因此其蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著高于弱勢(shì)粒[1]。也有研究表明，強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒粒質(zhì)量差異的主要生理原因是淀粉合成能力的不同，強(qiáng)勢(shì)粒可溶性糖向淀粉的轉(zhuǎn)化效率顯著高于弱勢(shì)粒[7]。本研究結(jié)果表明，2個(gè)小麥在籽粒灌漿前期強(qiáng)勢(shì)粒可溶性糖含量顯著高于弱勢(shì)粒，這表明強(qiáng)勢(shì)粒具有較強(qiáng)的糖轉(zhuǎn)運(yùn)能力，這與前人研究一致。外源噴施JA顯著降低了灌漿前期弱勢(shì)籽粒中可溶性糖含量，這表明外源JA抑制了糖向弱勢(shì)粒的轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。前人研究表明可溶性糖主要通過(guò)韌皮部運(yùn)輸進(jìn)入籽粒[7]。Nitschke等[29]研究表明，JA能夠促進(jìn)韌皮部等組織器官的衰老。這可能是JA抑制可溶性糖向弱勢(shì)粒轉(zhuǎn)運(yùn)的生理原因。賓金華等[31]研究發(fā)現(xiàn)，MeJA促進(jìn)了水稻籽粒淀粉降解。這表明，JA可能不利于淀粉的合成。本研究結(jié)果表明，外源噴施JA抑制了小麥籽粒淀粉形成。這與前人研究結(jié)果相似。Yang等[1]研究表明，ETH顯著抑制小麥籽粒淀粉合成和灌漿。而JA能夠促進(jìn)ETH的生物合成[32]。這表明，JA對(duì)小麥籽粒淀粉合成的抑制作用可能是間接的，其通過(guò)調(diào)控其他激素調(diào)控籽粒淀粉合成。但是，關(guān)于JA調(diào)控小麥籽粒淀粉合成的具體生理機(jī)制，還需要進(jìn)行深入的研究。

除高產(chǎn)外，優(yōu)質(zhì)日益成為作物生產(chǎn)的重要目標(biāo)。本研究結(jié)果表明，外源JA顯著提高了2個(gè)品種籽粒蛋白質(zhì)含量和粗面筋含量。同時(shí)顯著提高了面團(tuán)形成時(shí)間和最大阻力。這表明，JA有利于提高小麥籽粒品質(zhì)。這可能與JA抑制了小麥籽粒淀粉形成，從而提高了蛋白質(zhì)含量有關(guān)。前人研究表明，小麥等農(nóng)作物的高產(chǎn)在某些特定條件下可能和優(yōu)質(zhì)不相吻合[33]。但是，通過(guò)合理的栽培措施，可以協(xié)同提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)[34]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，JA不利于小麥產(chǎn)量形成，但是有利于小麥的優(yōu)質(zhì)。在生產(chǎn)上，如何合理的使用JA和其他調(diào)控措施，促進(jìn)小麥高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)，還需進(jìn)行進(jìn)一步的研究探討。