灌漿期矮抗58小麥旗葉響應干旱脅迫生理生化特性研究

王沛沛 李靜涵 盧園園 雷志華 李玉華

小麥是我國位居第二的糧食作物，在我國國民經濟和農業生產中具有重要意義。冬小麥在我國西北、華北地區廣泛種植，但該地區水資源缺乏，降水量較少，且降水時空分布不均，降雨高峰期往往與冬小麥需水期錯位，嚴重制約小麥生產。冬小麥一般在每年的5月底至6月中下旬成熟，這段時期我國北方地區經常遭受春旱、初夏旱，有時甚至伴隨高溫，對小麥生育后期的發育和成熟極為不利，嚴重影響小麥的產量和品質。

矮抗58小麥具有高抗倒伏、抗寒、抗病和高產的特性，在河南省廣泛種植。旗葉是小麥最主要的光合器官，其生理性狀優劣對小麥籽粒的形成及干物質的積累具有重要作用。小麥灌漿期是小麥水分臨界期之一，在此時期，小麥需要大量的水分才能完成受精和種子胚胎的發育，灌漿期干旱引起光合作用降低，干物質積累減少，最終導致小麥減產。本研究以冬小麥矮抗58為對象，通過防雨棚控水試驗，重點研究矮抗58小麥旗葉在灌漿期響應干旱脅迫的生理生化特性及高產原因，旨在為河南省旱地高產冬小麥品種的選用和栽培提供理論依據。

一、材料與方法

（一）材料與處理

試驗材料為河南省主推小麥品種矮抗58。試驗在鄭州師范學院科研基地防雨棚內進行。試驗地前茬作物為玉米，收獲后對棚內土地澆足底墑水以保證小麥正常出苗，土地適合翻耕后施足基肥用手扶拖拉機深翻。土壤質地為潮土，0～0.2 m 土層有機質質量分數為10.30 g/kg、全氮為0.54 g/kg、速效磷為17.82 mg/kg、速效鉀為657.53 mg/kg、堿解氮為152.10 mg/kg。試驗棚內劃分A區和B區各60 m2，中間5 m間隔帶。A區為對照組（CK），B區為干旱組（DS），在A區和B區內又劃出3個小區作為3 次重復取樣點。2017年10月5日播種，播種量為 170 kg/hm2，行距為 0.2 m。CK分別在拔節期（2018年3月11日）、孕穗期（2018年4月15日）各灌水1次，DS是在拔節期灌水1次，其他除草防蟲害均按照農田正常管理。2018年5月13日測定旗葉光合和熒光，采摘旗葉擦拭干凈后用液氮速凍，儲存于-80 ℃冰箱備用。

（二）測定項目與方法

利用便攜式光合儀（LI-6400XT，USA）于10：00—11：30選取長勢相同的小麥旗葉測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）和胞間CO2（Ci）濃度。用便攜式可調熒光儀（PAM-2500，Heinz Walz GmbH，Germany）測定葉綠素熒光參數，包括最小熒光（Fo）、最大熒光（Fm）、光系統II（PSII）最大光化學效率（Fv/Fm）、實際量子產量（Y（II））和電子傳遞速率（ETR）。分別用丙酮和乙醇浸提法測定葉綠素含量，硫代巴比妥酸法測定MDA含量，電導率儀（DDSJ-308A，Shanghai， China）測定質膜透性，氮藍四唑法測定SOD活性，愈創木酚法測定POD活性，紫外分光光度計法測定CAT活性、APX活性、GSH含量，磺基水楊酸法測定Proline含量，雙吡啶法測定AsA含量。上述試驗方法均采用李合生的試驗指導。

（三）統計分析

利用 Excel 2010進行原始數據整理，用SPSS 20進行 one way-ANOVA 分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗。

二、結果與分析

（一）干旱脅迫對旗葉光合和熒光特性指標的影響

葉綠素熒光是靈敏快速、無傷害的研究植物光合作用與環境關系的內在探針，其參數可用來描述植物光合作用和光合生理狀況。由表1可知，和CK相比，矮抗58小麥旗葉葉綠素熒光參數Fo、Fm、Fv/Fm、Y（II） 與光合參數Pn、Tr等差異不顯著，但ETR、Gs和Ci明顯降低，說明在小麥拔節期澆水后一直到灌漿期，雖然葉綠素含量明顯降低，但矮抗58小麥旗葉的PSII結構受缺水影響不大，能夠正常生長和發育。葉綠素含量降低，可能是土壤缺水導致葉綠體類囊體膜不穩定和色素-蛋白質復合體的光合抑制造成的。本試驗中，DS和CK小麥旗葉的Fo和Fm 無明顯差異，但ETR、Gs和Ci明顯降低，氣孔作為CO2和水分進出葉肉細胞的通道，在小麥拔節期之后干旱處理直至灌漿期，Gs下降，致使細胞氣孔關閉，Ci降低，使得旗葉的光合ETR和PSII原初光能轉換效率及PSII潛在活性受到抑制，但光合作用Pn和Tr 被抑制程度不顯著。

（二）干旱對旗葉MDA含量、質膜透性和抗氧化酶活性的影響

大量研究表明，干旱等逆境條件會造成植物組織細胞內ROS積累，進而引起膜脂質過氧化、膜結構及透性改變。MDA是細胞膜脂質過氧化的最終產物，其積累量的高低可表示細胞膜脂質過氧化作用的程度，質膜透性數值變化大小可指示細胞質膜受到逆境傷害的程度。由表1可知，干旱脅迫處理使矮抗58小麥旗葉的MDA含量和細胞膜透性均顯著升高，這說明干旱脅迫導致小麥旗葉細胞內產生了較多的ROS，造成細胞膜脂質過氧化程度加劇，損傷了細胞膜的完整性，使細胞膜透性增大。

研究表明，抗氧化酶系統能夠積極響應干旱脅迫，此系統清除ROS的過程被認為是作物耐旱機制的一個重要方面?？寡趸割愔饕蠸OD、CAT和APX等，其中SOD通過歧化反應將O2- 轉化為H2O2，POD、CAT 和APX將H2O2轉化為O2和H2O，它們在清除過量ROS和抵抗氧化損傷過程中發揮著重要作用。由表1可知，在干旱處理條件下，矮抗58小麥旗葉中SOD活性、POD活性和APX活性均升高，但CAT活性卻下降，這說明矮抗58小麥在干旱脅迫下激活了SOD、POD與APX這些酶蛋白基因的轉錄和翻譯，積極清除細胞內的ROS，從而保護小麥的組織細胞。而CAT活性顯著下降，可能是干旱脅迫抑制了CAT基因的表達或CAT對干旱脅迫非常敏感，導致其活性下降。

（三）干旱對旗葉Proline、GSH和AsA含量的影響

Proline是植物細胞內的滲透調節物質和酶的保護劑，可調節細胞內氧化還原電勢。有研究表明，在干旱脅迫下抗旱性強的小麥品種會積累更多的Proline，并認為干旱脅迫下植物體內Proline的積累可作為抗旱性的鑒定指標?？寡趸镔|GSH和AsA與抗氧化酶都可以清除植物體內產生的ROS，與植物對干旱的耐受性有一定的關系。本研究中，干旱脅迫使矮抗58小麥旗葉中Proline、GSH與AsA的含量顯著升高，這表明矮抗58小麥在干旱脅迫下旗葉通過滲透物質的積累來降低細胞的滲透勢，組織細胞的代謝能力大大提高，從而減緩干旱逆境的傷害，矮抗58小麥對干旱脅迫具有良好的耐性。

基金項目：鄭州師范學院大學生創新性實驗計劃項目（DCZ2018015）。