小麥穗部光合速率和穎殼抗氧化酶活性對光輻射強度變化的響應

丁位華,馮素偉,茹振鋼,胡鐵柱,孫海麗,李婷婷,陳向東

(河南科技學院 小麥中心，河南省現代生物育種協同創新中心,河南 新鄉 453003)

小麥是黃淮地區種植面積最大的糧食作物,其高產和穩產對保障國家糧食安全具有重要意義[1-2]。但由于受自身遺傳特性以及各種外部環境因素的影響,該地區小麥產量的進一步提高受到了限制,其中光照強度是外部環境中影響小麥生長發育最為重要的因素之一。近年來,由于霧霾天氣日漸增多而引起的太陽輻射減弱[3]以及某些地區強光光能過剩引發的光抑制或光氧化破壞現象[4],不僅抑制了小麥各個器官的正常生長,而且對小麥葉片的生理機制造成很大的傷害,導致小麥的光合作用受到抑制,光合效率明顯降低[5-8]。尤其在小麥籽粒灌漿期,遮光對小麥產量和經濟系數的制約作用相當明顯[9],從遮蔭到見光,由于小麥葉片光適應速度慢,可能會導致生產潛力下降21%[10]。強光引起的光抑制或光氧化也會促使葉片早衰,至少可使光合生產力降低 10%左右[11],從而導致產量大幅下降。因此,光照強度變化對小麥光合速率的影響已然成為目前生產中必須面對的現實問題,作物葉片光合作用效率適應光強變化的速度是決定其碳同化能力以及產量的一個最重要因素。

抗氧化酶是植物抵抗逆境脅迫的重要物質,可有效清除植物組織中的活性氧,對細胞有保護作用[12]。Zheng等[3]研究發現,在弱光條件下,抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性較高,其抗氧化反應對小麥產量的增加起到促進作用。李宏偉等[13]研究認為,小麥幼苗從低光到強光適應過程中,其抗氧化酶SOD、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶 (APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)等活性顯著增加。周傳鳳等[14]發現,高光脅迫下牡丹的光合器官受到氧化傷害時,其葉片SOD和APX的活性顯著上升。董杰等[15]的研究結果顯示,高光脅迫下,小麥葉片內的SOD和POD活性呈現先升后降的趨勢,CAT活性則呈上升趨勢。盡管不同植物對光照強度的響應機制可能不盡相同,但這些研究表明植物本身能通過調控自身抗氧化酶防御機制,避免葉片因吸收過多光能而引起光破壞,從而減輕光氧化脅迫帶來的危害。因此,充分發掘小麥對弱光的利用能力和對強光的防御機制,并將其應用于小麥品種選育過程,已成為許多育種者關注的目標[16-17]。

目前,人們通常在穩態條件下,研究如何提高作物的光合作用效率。而在自然條件下,葉片接受的光強經常會發生改變,穩態條件下設置的光輻射強度難以反映大田中小麥對自然光響應的實際水平。且現有的相關研究主要集中在葉片上,而對葉片以外的非葉器官的研究較少。據報道,麥類作物的非葉器官的光合作用對籽粒產量具有重要貢獻[18-19],其中麥穗各苞片不僅有光合生產的功能,而且可保護籽粒免受強光傷害[20],其光合耐逆性明顯高于葉片[18,21]。非葉器官與葉片間耐逆性的差異可能與抗氧化系統活性在逆境中發揮重要作用有著密切關系[12]。為此,通過研究大田自然環境條件下小麥穗部光合速率和穎殼抗氧化酶活性對光輻射強度變化的響應,探討高產小麥穎殼抗氧化酶活性與光合輻射之間的關系,以期為黃淮地區培育出穗部高光效、高抗逆品種提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017-2018年在河南省新鄉縣朗公廟鎮河南科技學院試驗基地進行。該地處于暖溫帶地區,屬于溫帶大陸性季風氣候,四季分明,雨量充沛,日照充足,年平均氣溫約為16.5 ℃,年平均濕度為68%,小麥生長中后期早晨、中午和傍晚光照強度差異明顯,早晨和傍晚平均日照強度約為450 μmol/(m2·s),中午平均日照強度約為1 300 μmol/(m2·s)。試驗地地勢平坦,灌排良好,土質中壤,0～20 cm土壤有機質含量17.26 g/kg,全氮含量0.88 g/kg,有效磷含量15.35 mg/kg,速效鉀含量280.12 mg/kg。

1.2 材料與試驗設計

試驗材料為黃淮南片產量表現較好、抗逆性較強的百農4199(BN 4199,高光效品種)、百農矮抗58(全國累計推廣面積最大品種)和周麥18(目前國家黃淮南片區試和生產試驗對照品種)。試驗采用隨機分組設計,小區面積為32 m2(長8 m×寬4 m),3次重復。行距為23 cm,基本苗為270萬株/hm2,10 月9日播種,東西行向。前茬玉米在小麥播種前粉碎翻壓還田,底施天脊復合硝酸磷肥(N-P2O5-K2O=22-15-5)900 kg/hm2,全生育期施純氮198 kg/hm2,按照5∶5分基施和拔節期追施,追肥在拔節初期結合灌水進行,全生育期各項農田管理措施均參照當地冬小麥高產栽培技術。取樣選擇在小麥不同生長發育階段過程中天氣晴朗、無風的環境下進行,分別在7:30、11:30、13:30及17:304個時間點隨機選取長勢一致、健壯的不同小麥品種麥穗各3～5個,剪芒后用錫紙包緊樣品,立即放入液氮中冷凍,隨后置于-80 ℃冰箱中保存待測。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 凈光合速率測定 參照丁位華等[19]的方法,分別于抽穗期、開花期、花后10 d、花后20 d的晴天7:30、9:30、11:30、13:30、15:30和17:30采用美國LI-COR公司生產的Li-6400XT便攜式光合測定系統和簇型葉室(長13 cm,直徑9 cm)對長勢一致、健壯的小麥穗部進行光合速率測定,CO2濃度為350 μL/L,自然光源,3次重復。光合速率測定完成后,按Teare等[22]的方法測定穗表面積,即穗表面積=穗長×穗寬×3.8,凈光合速率以單位綠色面積(m2)、單位時間(s)同化的CO2(μmol)量表示(μmol/(m2·s))。

1.3.2 抗氧化酶活性及丙二醛(MDA)含量的測定 SOD活性測定采用核黃素-NBT光還原法[23-25],略有改進。反應體系在紫外分光光度計550 nm下測定吸光值,以抑制NBT光化還原的50%所需酶量為1個活力單位(U)。

CAT活性測定采用紫外分光光度法[23-25],略有改進。檢測工作液在室溫下用紫外可見分光光度計測定波長240 nm處1 min內的吸光值,以每分鐘催化1 nmol H2O2降解定義為1個酶活單位(U)。

APX活性測定采用分光光度法[23-24],略有改進。反應液用紫外可見分光光度計在波長290 nm處測定1 min內的吸光值,以每分鐘在1 mL反應體系中催化1 μmol ASA為1個酶活單位(U)。

MDA活性測定采用硫代巴比妥酸法(TBA法)[23],略有改進。

1.4 數據處理與統計分析

采用SAS(9.6版)和EXCEL 2010軟件進行有關數據的整理、作圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種不同生育時期穗部光合速率變化特征

圖1反映了不同小麥品種在不同生育時期穗部光合速率的變化特征,從圖1中不同生育時期變化趨勢比較來看,不同小麥品種穗部均表現出在抽穗期和開花期具有較高的光合速率,且隨著小麥持續生長發育,光合速率降低,花后20 d時不同小麥品種光合速率低于抽穗期、開花期和花后10 d時的光合速率。從光合速率日變化趨勢來看,不同生育時期不同小麥品種的光合速率均呈現先升后降的變化趨勢,與一天中的光照強度變化趨勢基本一致,其中中午11:30光照強度最強,光合速率最高。從品種比較來看,品種間光合速率對一天中光照強度的反映不同,在不同生育時期,無論是在早晚弱光下,還是在中午強光下,3個品種中百農4199表現突出,光合速率較高,高于其他品種。其中在抽穗期、開花期、花后10 d和花后20 d的7:30、11:30、13:30和17:30,百農4199的穗部光合速率分別比矮抗58高出15.72%，27.99%，28.01%和62.46%、33.49%，15.09%，20.94%和17.97%、37.90%，21.41%，6.30%和40.11%、9.34%，10.70%，17.27%和19.32%；分別比周麥18高出12.45%，19.74%，25.36%和58.58%、14.89%，3.13%，22.52%和13.48%、40.64%，25.93%，9.70%和10.89%、13.13%，21.47%，28.34%和22.53%。說明百農4199無論是弱光環境還是強光條件下,其穗部對光照強度變化適應能力較強,具有較高的光能利用能力。

2.2 不同小麥品種不同生育時期穎殼SOD活性變化特征

SOD是植物體內重要的保護酶,與植物的生長發育、抗逆調節等密切相關。不同小麥品種穎殼的SOD活性變化如圖2所示。在抽穗期、開花期、花后10 d和花后20 d不同小麥品種穎殼的SOD活性均先隨著一天中光照強度的增加而增加,在中午11：30光照最強時活性最高,隨后逐漸降低,呈現先升后降的趨勢。從生育時期比較來看,花后20 d不同品種小麥穎殼SOD活性低于抽穗期、開花期和花后10 d,這可能與衰老過程有關。從品種間比較來看,百農4199在各個生育時期不同時間點均表現出較強的活性,在抽穗期、開花期、花后10 d和花后20 d的7:30、11:30、13:30和17:30,百農4199的穎殼SOD活性分別比矮抗58高出18.38%，5.68%，3.91%和22.89%、8.16%，8.00%，17.32%和28.56%、7.85%，10.02%，12.13%和25.02%、23.12%，6.96%，14.37%和12.00%；分別比周麥18高出8.92%，3.49%，5.73%和8.78%、5.00%，4.16%，11.58%和24.05%、5.49%，7.45%，8.05%和9.45%、14.17%，4.15%，4.96%和5.68%。說明百農4199在光照強度不斷變化的狀態下,其保護機制敏感,從而保護其穗部具有較強的光照適應能力。

不同小寫字母表示同一處理不同品種間差異達顯著水平(P<0.05)。圖2-5同。Different letters indicate significant differences (P<0.05) among different varieties. The same as Fig.2-5.

圖2 不同小麥品種不同生育時期穎殼SOD活性變化特征Fig.2 The change characteristics of SOD activity in glume of different wheat varieties at different growth stages

2.3 不同小麥品種不同生育時期穎殼CAT活性變化特征

由圖3可知,在光照強度不斷增加的情況下,不同生育時期小麥穎殼的CAT活性先逐漸增加,到11:30光照強度最強時達到最大活性,而后隨著光照強度的逐漸降低又呈現逐漸下降的趨勢,與SOD活性變化趨勢基本一致。這表明當小麥遭受強光時,其體內的抗氧化酶活性增強,提高了小麥在強光下的抗氧化能力,而后隨著光強減弱,抗氧化酶活性又有所降低。從不同生育時期CAT活性變化來看,隨著生育進程的不斷推進,CAT活性并沒有發生大的變化,小麥穎殼CAT活性始終處于比較穩定的狀態。從品種間比較來看,無論是在中午強光下還是早晨或下午弱光下,百農4199 的穎殼CAT活性在不同生育時期均較強,在抽穗期、開花期、花后10 d和花后20 d的7:30、11:30、13:30和17:30，百農4199的穎殼CAT活性分別比矮抗58高出7.02%，12.62%，5.09%和20.12%、13.20%，22.35%，4.26%和27.81%、14.08%，25.84%，25.38%和15.00%、9.60%，16.02%，13.68%和16.22%；分別比周麥18高出13.34%，16.96%，11.04%和38.01%、2.42%，19.58%，0.92%和30.30%、6.38%，6.72%，14.34%和6.18%、2.38%，4.31%，1.90%和4.46%。表明百農4199清除光照脅迫下產生氧自由基的能力較強,這與不同光照條件下百農4199具有較高的光合速率基本一致。

圖3 不同小麥品種不同生育時期穎殼CAT活性變化特征Fig.3 The change characteristics of CAT activity in glume of different wheat varieties at different growth stages

2.4 不同小麥品種不同生育時期穎殼APX活性變化特征

APX是普遍存在于植物組織中的抗氧化酶,對直接清除活性氧自由基具有重要作用。由圖4可以看出,從抽穗期到花后20 d,3個小麥品種在各個生育時期其APX活性均先隨著光照強度的增加而增加,中午11:30光照強度最大時APX活性達到最強,而后隨著光照強度減弱而降低。品種間穎殼APX的活性對光照強度的響應趨勢基本一致,但其活性大小及其清除氧自由基的能力卻有所不同,在不同生育時期不同時間點百農4199的穎殼APX活性高于矮抗58和周麥18。在抽穗期、開花期、花后10 d和花后20 d的中午11:30強光和下午17:30弱光環境下,百農4199的穎殼APX活性分別較矮抗58高11.77%和28.21%,10.89%和3.09%,12.78%和3.71%,7.41%和8.11%；分別較周麥18高18.31%和29.29%,20.85%和14.95%,33.03%和41.42%,14.33%和42.16%。說明APX活性在促進百農4199對強光的忍耐能力和提高對弱光的利用能力方面明顯具有重要作用。

2.5 不同小麥品種不同生育時期穎殼MDA含量變化特征

MDA積累是活性氧毒害作用的表現,其含量高低在一定程度上可以反映膜脂過氧化水平[26]。圖5顯示,不同小麥品種穎殼的MDA含量各不相同,但整體趨勢一致,在不同生育時期均隨著一天中光照強度從早晨7:30到中午11:30、13:30再到傍晚17:30由弱到強再到弱的變化，MDA含量總體也呈現出先降后升的趨勢，早晨和傍晚弱光下含量較高，中午強光下含量較低，其中中午11:30時最低。品種間比較來看,在不同生育時期MDA含量均表現出百農4199<周麥18<矮抗58,在抽穗期、開花期、花后10 d和花后20 d的7:30、11:30、13:30和17:30,百農4199的穎殼MDA含量分別比矮抗58降低了17.01%，15.70%，25.57%和14.44%、14.18%，30.14%，34.41%和13.33%、19.43%，28.60%，32.24%和17.58%、17.00%，28.45%，20.34%和13.32%；分別比周麥18降低了13.51%，4.62%，16.29%和5.57%、6.39%，23.65%，30.23%和6.55%、4.53%，24.68%，8.46%和6.62%、9.14%，17.30%，18.28%和4.01%。說明百農4199在不同光照條件下,受光照輻射影響程度較小,膜脂過氧化水平較低。

圖4 不同小麥品種不同生育時期穎殼APX活性變化特征Fig.4 The change characteristics of APX activity in glume of different wheat varieties at different growth stages

圖5 不同小麥品種不同生育時期穎殼MDA含量變化特征Fig.5 The change characteristics of MDA content in glume of different wheat varieties at different growth stages

3 結論與討論

穗部綠色組織具有較高的潛在光合效率,是小麥開花后籽粒充實的重要物質來源[19,27],在當前探索小麥高產和超高產進程中,應充分挖掘穗等非葉器官的光合優勢,提高其生產潛力[18]。但近年來,小麥生育后期極易發生陰雨寡照和霧霾天氣,降低了光合效率,阻礙了光合作用的正常進行[3,28-29]。另外,過高的光照強度輻射也會引起光抑制和光氧化損傷,從而降低光系統Ⅱ(PSⅡ)光化學的最大量子產率(Fv/Fm)[30]。植物通過自身調節耗散多余的光能,使自己適應這種壓力條件的方式很多,其中體內產生SOD、APX和CAT等抗氧化酶清除掉過多的活性氧自由基,從而耗散多余的光能是其中機制之一[30-31]。因此,研究小麥穗部光合速率和穎殼抗氧化酶活性對光輻射強度變化的響應,是探索和挖掘高產小麥穗部光合潛力機制,從而進行高光效育種的重要方向。

本研究結果表明,在不同生育時期,無論是在早晨和傍晚弱光環境還是中午強光條件下,百農4199穗部光合速率較高,且高于矮抗58和周麥18,這與丁位華等[19]早期研究結果基本一致。說明百農4199穗部對光照強度變化適應能力較強,具有較高的光能利用能力。目前,評價小麥既耐弱光又耐強光的途徑和機制很多,從本試驗抗氧化酶活性對光輻射強度變化的響應角度分析,其與百農4199穗部穎殼在不同生育時期不同光照強度下能通過自身調節產生較強的SOD、APX和CAT等抗氧化酶活性有關,強的抗氧化酶活性能清除掉光脅迫產生的過多活性氧自由基,從而使穗部能聚集少量的光能或耗散多余的光能,最終使自己適應不同光照條件,這與Kreslavski等[30]說法基本一致。本研究中穎殼MDA的含量變化也證明了這一點,從研究結果來看,無論一天中光照強度如何變化,百農4199的穎殼MDA含量均低于矮抗58和周麥18,說明百農4199在不同光照條件下,受光照輻射影響程度較小,膜脂過氧化水平較低,這與百農4199穎殼具有較高的抗氧化酶活性,能促進穗部對光能的充分利用,從而保證穗部具有較高的光合速率是呈正比例關系的。

近年來,為尋求突破產量限制,穗部作為麥類作物的重要源和庫,挖掘和利用穗部光合性能和高抗逆功能,實現高產與抗逆相結合,將成為高光效生理育種的重要選擇指標和實現超高產的重要途徑。本研究僅從小麥穗部光合速率和穎殼抗氧化酶活性對光輻射強度變化的響應做了研究,有關其他抗逆調控機理還有待進一步的深入探究。