褪黑素對干旱脅迫下小麥生長發育和產量的影響

苗含笑，李東曉,王久紅，孫亞倩，劉 立，劉 睿，李紅葉

(河北農業大學農學院省部共建華北作物改良與調控國家重點實驗室河北省作物生長調控實驗室，河北 保定 071000)

水資源短缺是制約農業發展的全球性問題。近年來，我國冬春季節干旱已成為制約小麥持續增產的關鍵生態因素[1]。此外，受華北地區地下水資源嚴重不足限制，通過增加種植面積和灌溉面積提高小麥產量的難度越來越大，而增強小麥個體生產力逐漸成為高產穩產的有效途徑。褪黑素作為一種色胺類激素，在提高作物的抗逆境能力上表現突出[2]，它可以促進胚芽鞘、側根生長[3-4]，改變花期[5]，延緩葉片衰老，提高作物生產力[6-7]。環境脅迫可以增加植物的內源褪黑素含量，其作為一個重要的抗氧化劑能促進植物抵御生物或非生物脅迫，如增強植物對干旱、鹽害、重金屬、高溫、冷害等多種逆境的抗性[8-9]。因此，外施褪黑素在旱地麥區對持續提高植物的抗逆性將具有廣闊的應用前景。

褪黑素可通過提高活性氧清除酶系活性以及抗氧化物質的含量來清除干旱脅迫引起的氧化脅迫，進而上調植株自身防御因子的轉錄水平，以增強植物對干旱的抵御能力[10-13]。小麥幼苗受到干旱脅迫后，根施褪黑素處理的植株表現出較好的水分狀況和較輕的氧化傷害，有利于其維持較高的光合能力，從而提高其抗旱性及恢復生長的能力[10]。外施0.5 mmol·L-1褪黑素可以增強田間小麥苗期的耐旱能力，降低細胞膜損害，保護葉綠體基粒片層完整，提高光合速率，維持細胞膨壓和植株持水能力，同時增加谷胱甘肽、抗壞血酸含量及其基因表達，增強抗氧化能力[14]。孟祥萍[15]利用褪黑素引發小麥種子后明顯促進了水分脅迫下小麥穗、莖、葉生物量的積累，顯著增加了灌漿期水分脅迫下小麥的經濟產量、經濟系數和生物學產量。Li等[16]發現不同褪黑素濃度對不同小麥品種發揮的生理效應不同。目前，褪黑素改善作物抗逆效果的機理等方面積累了很多研究[17-20]，但有關不同褪黑素濃度對華北地區小麥生長發育及產量影響的研究鮮見報道。本研究以華北地區抗旱性不同的‘濟麥22號’和‘衡觀35’為供試材料，研究褪黑素對干旱脅迫下小麥植株形態和產量的影響，以明確其對干旱脅迫下小麥生長狀況的改善程度，分析其作用機理，為保證小麥在干旱脅迫下的增產穩產提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種為‘濟麥22號’和‘衡觀35’。其中，‘衡觀35’由河北省農林科學院衡水旱作農業研究所提供，抗旱性較強；濟麥22號由山東省農業科學院提供，抗旱性一般。

1.2 試驗處理

本試驗在河北農業大學重點實驗室的大型人工氣候室進行，共設6個處理：正常水分(CK)、水分虧缺(D)、D+1 μmol·L-1褪黑素、D+10 μmol·L-1褪黑素、D+100 μmol·L-1褪黑素、D+300 μmol·L-1褪黑素處理。采用栽培箱土培，栽培箱大小為長×寬×高=55 cm×41 cm×36 cm。土壤取自農田表層0～20 cm土壤，風干后碾碎，混勻并裝箱，每箱土壤干重為73.5 kg，施基肥量為磷酸二銨5.9 g、尿素7.5 g和硫酸鉀(50%)11.8 g。每箱澆灌水79.82 mm，待土壤相對含水量達75%，使用小鏟人工破碎、翻整土層15 cm。播種日期為2017年1月14日，每箱播種3行，每行35粒，行距10 cm。

自小麥穗分化期開始，采用稱重法控制水分。正常水分(CK)處理每個栽培箱補水79.82 mm，補水下限為55.43 mm，即相對含水量控制范圍為60%～80%；虧缺處理(D)則補水55.43 mm(相對含水量為40%～60%)，補水下限為24.39 mm。CK和D處理的小麥種子為蒸餾水包衣，褪黑素處理的小麥種子分別使用1、10、100、300 μmol·L-1褪黑素(M8600，分析純，北京索萊寶科技有限公司)溶液包衣，每個處理重復3次。春化階段設置人工氣候室晝/夜溫度9℃/7℃，12 h/12 h，春化時間約40 d。返青及后期生長階段設定溫度20℃/15℃(晝/夜)，14 h/10 h(晝/夜)，光照28 000～30 000 lx，相對濕度為60%。7 d左右稱重一次，按照設定處理澆水并計算階段耗水量[21](圖1)。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 株高 在拔節期、抽穗期、開花期，每處理隨機選取5株，用刻度尺測量，以小麥地上部莖基部到頂端的長度為準。

1.3.2 葉面積(LA) 與株高測定植株一致，用刻度尺量取小麥植株每片完全展開葉完整葉片的長度和最大寬度。計算公式為：LA=L×W×K。其中，L為葉片長度(cm)，W為葉片最寬處的寬度(cm)，K為小麥葉面積系數，取0.83[22]。

1.3.3 葉綠素相對含量(SPAD值) 在抽穗期、開花前期、開花后期、灌漿期，利用葉綠素測定儀(SPAD-502，Minolta Camera Co. Ltd，日本)測量小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD值)，每處理測定5株，單株讀數5次，取平均值。

1.3.4 干物質量 與株高測定植株一致，待前期指標測量完后，將植株穗、葉、莖稈分別裝袋做好標記，105℃殺青30 min，于75℃烘干至恒重稱量。收獲之后每處理隨機選取10株小麥植株測定干物質量。

1.3.5 產量及產量構成因素 收獲后統計各處理每箱小麥的總穗數；隨機取長勢一致的10株小麥，人工脫粒，記錄單株穗粒數，取均值；各處理隨機取100粒進行稱重，計算出千粒重(g)，重復3次取均值。產量(kg·hm-2)=穗數(穗·箱-1)×穗粒數×千粒重/(0.2255×100)

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行繪圖和數據分析，選用SPSS 17.0軟件中Duncan法進行顯著性比較(α=0.05和α=0.01)。

2 結果與分析

2.1 褪黑素對干旱脅迫下小麥產量的影響

由表1可知，與對照CK相比，D處理‘濟麥22號’的產量顯著降低，降幅為25.43%；千粒重則顯著增加，增幅為18.43%。D+100 μmol·L-1處理的產量顯著高于D處理，增幅為24.73%，這與該處理下千粒重顯著高于其他處理有關。干旱顯著降低了‘濟麥22’的穗數，外施300 μmol·L-1褪黑素后得到緩解，但未恢復至對照水平。‘衡觀35’同樣表現為D處理的穗數顯著低于CK，降幅為37.09%，施加褪黑素未顯著改善；但D處理的穗粒數、千粒重顯著高于CK，增幅分別為21.46%和32.63%，因此兩處理間產量無顯著差異。D+10 μmol·L-1處理下穗粒數與千粒重均顯著高于CK，增幅分別為17.41%和39.05%；產量亦顯著增加，增幅為10.46%。D+100 μmol·L-1和D+300 μmol·L-1處理下的穗粒數和千粒重也均顯著高于CK，但產量顯著降低，降幅分別為23.81%和24.94%，這與兩處理下穗數降幅較大有關，分別較CK降低43.19%和46.95%。

2.2 褪黑素對干旱脅迫下小麥株高的影響

由圖2A可知，‘濟麥22號’的株高表現為CK和D處理之間差異不顯著，在D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1處理下株高改善比較明顯。其中，D+1 μmol·L-1處理下的株高值最大，且在抽穗期、開花期顯著高于其他處理；D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理下株高在3個時期均顯著高于CK和D。‘衡觀35’的株高在拔節期表現為D顯著高于其他處理；抽穗期表現為D+300 μmol·L-1顯著高于D和CK處理；開花期則為D及褪黑素處理與CK差異均不顯著，而D+100 μmol·L-1處理下株高顯著低于D及其他褪黑素處理(圖2B)。以上結果說明，在干旱條件下，不同濃度褪黑素對小麥株高的影響不同，且與品種的抗旱性相關。

圖1 各處理生育期耗水量Fig.1 Water consumption of different treatments during growing season

表1 不同褪黑素濃度對干旱脅迫下小麥產量及產量要素的影響

2.3 褪黑素對干旱脅迫下小麥葉面積的影響

由圖3A可知，在D+300 μmol·L-1處理下，‘濟麥22號’的葉面積在拔節期、抽穗期、開花期均最低，且顯著低于對照，分別降低了33.01%、26.80%、22.86%，而其他處理與對照之間均沒有顯著差異。‘衡觀35’的葉面積表現為拔節期各處理間差異不顯著(圖3B)；抽穗期，D+300 μmol·L-1處理的葉面積顯著高于其他處理；開花期，D處理的葉面積顯著低于對照，降幅為19.21%。施加褪黑素處理后并無顯著改善效應。

注：同一時期不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Note: Different letters in the same growth stage mean significant difference (P<0.05)，the same below．圖2 不同處理各生育期小麥株高的變化Fig.2 Effect of melatonin on plant height of wheatunder different treatments

2.4 褪黑素對干旱脅迫下小麥旗葉葉綠素含量的影響

由表2可知，抽穗期和開花后期，‘濟麥22號’各處理間的SPAD值差異不顯著。開花前期，D+10 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理的SPAD值顯著高于其他處理，分別比對照增加4.36%和3.73%；灌漿期，D+10 μmol·L-1及以上各濃度褪黑素處理的SPAD顯著高于對照，增幅分別為10.19%、8.66%、11.36%。‘衡觀35’不同處理間的SPAD值在抽穗期和灌漿期均無顯著差異。開花前期，D處理的SPAD顯著低于CK，降幅為6.16%，而不同濃度褪黑素處理后均可明顯改善D處理下的SPAD，達到與CK無顯著差異水平；開花后期，D+100 μmol·L-1處理的SPAD值最高，比D處理顯著提高了10.94%。

2.5 褪黑素對干旱脅迫下小麥干物質積累及分配的影響

2.5.1 褪黑素對干旱脅迫下小麥地上各部位干重的影響 由表3可知，隨著生育進程的推進，‘濟麥22號’的穗干重在各處理下大多呈增長趨勢，且在成熟期達到最大值。在開花期，除D+300 μmol·L-1外，其余處理的穗干重均顯著高于對照；D+10 μmol·L-1顯著高于其他處理。灌漿期，D+100 μmol·L-1的穗干重最大，顯著高于其他處理。成熟期，與CK相比，D+10 μmol·L-1處理下的穗干重顯著降低，而D、D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理下的穗干重顯著增加，其中，D+100 μmol·L-1處理下的穗干重最大，顯著高于其他處理。莖桿干重表現為：開花期，D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1比D處理顯著增加，而與CK無顯著差異；灌漿期，D+300 μmol·L-1顯著低于其他處理；成熟期，D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1顯著高于D和CK，且以D+100μmol·L-1的莖稈干重最高。葉干重表現為：開花期，D+1 μmol·L-1顯著高于D、D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1處理，與CK差異不顯著；灌漿期，D+300 μmol·L-1的葉干重顯著低于其他處理，其他各處理間無顯著變化；成熟期，D和D+100μmol·L-1處理均與CK無顯著差異，其余褪黑素處理下的葉干重顯著低于CK。

圖3 不同處理各生育期小麥葉面積的變化Fig.3 Effect of melatonin on leaf area of wheat underdifferent treatments

‘衡觀35’的穗干重在3個時期D處理均顯著高于CK。開花期，各處理的穗干重均顯著高于對照，其中D+300 μmol·L-1的穗干重顯著高于其他處理；灌漿期，褪黑素處理的穗干重均與D無顯著差異，而D+100 μmol·L-1的值最大；成熟期，D+10 μmol·L-1處理的穗干重顯著高于其他處理。莖桿干重表現為：開花期，D以及各褪黑素處理均顯著高于CK，且D+300 μmol·L-1顯著高于其他處理；灌漿期，D+10 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1處理均顯著高于D，且D+300 μmol·L-1顯著高于CK；成熟期，D、D+1 μmol·L-1、D+10 μmol·L-1顯著高于其他處理，三者間無顯著差異。葉干重表現為：開花期，D、D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1處理與CK無顯著差異，D+300 μmol·L-1處理下的葉干重值最高，且顯著高于其他處理;灌漿期，D的葉干重顯著低于CK，施加褪黑素亦無改善效應;成熟期，D、D+1 μmol·L-1、D+100 μmol·L-1與對照無顯著差異，D+10μmol·L-1、D+300 μmol·L-1則顯著降低。

2.5.2 褪黑素對干旱脅迫下小麥各部位干重分配比的影響 由圖4A可知，開花期，D處理下‘濟麥22號’的莖稈干重分配比較對照減少了13.94%，穗干重分配比增加了37.60%。褪黑素各處理的莖稈干重分配比與對照差異不明顯，但分別比D增加了11.67%、5.32%、19.99%、13.47%；其中，D+10 μmol·L-1的穗干重分配比較CK處理增加了33.35%。灌漿期，D、D+1 μmol·L-1、D+10 μmol·L-1的莖稈干重分配比較對照分別增加8.79%、12.05%、5.44%，穗干重分配比分別減少了8.65%、14.73%、10.16%；D+100 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1的穗干重分配比分別較D處理增加了18.46%和23.97%。成熟期，D、D+300 μmol·L-1的穗干重比較對照有所增加，而葉干重比較對照分別降低了9.79%和55.87%。

表2 不同處理小麥旗葉SPAD值的變化

表3 不同處理小麥地上部各器官干重的變化/g

由圖4B可知，‘衡觀35’的干物質積累分配也是由葉片和莖桿逐漸轉移到穗部。開花期，D和各褪黑素處理的莖稈和穗干重分配比之和較對照分別增加了10.27%、8.64%、18.29%、11.85和7.34%。至灌漿期，穗部干物質積累加快，各處理的穗干重分配比較對照分別增長了34.14%、22.44%、22.84%、35.75%、14.07%；相應地，葉片干重分配比較對照下降，莖稈變化不明顯。成熟期，D及各褪黑素處理的莖稈和穗干重分配比之和較對照有所增加，但增幅不大；葉片干重變化不明顯；D、D+10 μmol·L-1、D+300 μmol·L-1的穗干重分配比較對照分別增加了5.43%、6.69%和5.48%。

注 Note: 1-CK;2-D;3-D+1 μmol·L-1;4-D+10 μmol·L-1;5-D+100 μmol·L-1;6-D+300 μmol·L-1。圖4 各處理不同生育期小麥不同器官干重的分配比Fig.4 The allocation ratios of melatonin on dry weight in each organ under all treatments at different stages

3 討論與結論

研究表明，褪黑素引發小麥種子可提高小麥成穗數、增加單穗穗重，進而增加產量[23]。在干旱脅迫下，褪黑素處理促進了小麥穗、莖、葉的生物量積累,并顯著增加了小麥的產量[15]。本試驗結果顯示，干旱主要降低了小麥穗數，施加褪黑素可以促進干物質向籽粒的運轉和積累，增加粒重，以保證和提高產量。濟麥22號在D+100 μmol·L-1褪黑素處理下產量顯著高于D處理，這主要在于千粒重的顯著提高，而總穗數和穗粒數變化不明顯。千粒重的提高主要是由于該品種從開花期開始在D+100 μmol·L-1褪黑素濃度處理下麥穗干重顯著增高。此外，干旱脅迫下施加不同濃度褪黑素處理均對濟麥22號開花前期的SPAD和后期的株高有促進作用，為積累較多的干物質奠定了基礎。這與前人研究得出褪黑素可以通過促進株高和葉面積增加，進而提高植株生產力的結論基本一致[24]。衡觀35的產量在D+10 μmol·L-1褪黑素處理下有明顯提高，主要是由于千粒重和成熟期的穗部干物質分配比顯著增加。褪黑素處理對該品種的株高以及拔節和開花期葉面積的作用并不明顯，說明褪黑素的類生長素效應目前仍存在一定爭議[25-26]。

不同褪黑素濃度的抗旱效應不同。有研究表明，干旱脅迫后，施加褪黑素處理明顯延緩小麥葉綠素的降解速度，使小麥葉片維持較高的葉綠素含量和光合能力[10]。本試驗結果顯示，在開花期，施加1 μmol·L-1、100 μmol·L-1、300 μmol·L-1褪黑素對D處理下衡觀35的SPAD值有顯著提高效應，尤其100 μmol·L-1褪黑素發揮作用時間較長，這說明植株葉片光合生理具有動態變化性，不同濃度褪黑素在改善葉片生理過程中對光合色素的敏感性不同，調控機制也可能不同[27-28]。而100 μmol·L-1、300 μmol·L-1褪黑素處理并未增加最終產量，甚至是顯著降低了衡觀35的產量。同樣，濟麥22號的產量在100 μmol·L-1褪黑素處理下提高幅度最大，300 μmol·L-1褪黑素處理的提高幅度有所降低。褪黑素處理未顯著增加干旱脅迫下濟麥22號的葉面積，甚至300 μmol·L-1降低了干旱脅迫下的葉面積，這可能由于高濃度褪黑素抑制了葉片細胞面積、細胞數目以及細胞分化率[29]的增加，從而對產量產生一定的抑制效應[30]。

此外，不同品種施加褪黑素后產生的效應也不同。干旱脅迫明顯抑制作物的生長發育，褪黑素對干旱脅迫下小麥株高有顯著性影響，由于2個品種抗旱性不同，不同褪黑素濃度對其影響也有差異。本研究結果表明，干旱脅迫下施加不同濃度褪黑素處理均對濟麥22號株高有明顯促進作用，而對衡觀35株高的影響不顯著。由于該品種可能屬于較抗旱品種，褪黑素包衣處理對其無明顯改善作用，甚至后期D+100 μmol·L-1褪黑素的小麥株高顯著低于D處理。從產量角度分析，干旱顯著降低濟麥22號的產量，而衡觀35屬于抗旱品種，D處理的產量與對照并無顯著性差異，這可能與水分相對不足或有限虧缺條件下，抗旱品種能加速同化物向籽粒轉運，提高收獲指數[31-32]有關。施加褪黑素可使濟麥22號在干旱脅迫中的產量最高增幅達24.73%，可使衡觀35在干旱脅迫中產量最高增幅達10.46%(表1)，可能是因為褪黑素處理種子對強勢粒和弱勢粒的影響效應不同[23]。在本試驗水分虧缺條件下，衡觀35能很好地發揮品種優勢，在實際生產中，應根據作物和品種特性合理選用適宜濃度的褪黑素等調節物質。

綜上所述，干旱脅迫降低了濟麥22號的產量，施加褪黑素可以通過增加株高、葉面積和儲存干物質的重量，保持較高的穗粒數和籽粒重量來補償水分缺失帶來的產量損失，以D+100 μmol·L-1褪黑素處理的效果較佳；衡觀35在本試驗干旱條件下，產量并未降低，施加10 μmol·L-1褪黑素對該品種產量有明顯提高效果，主要是增加了穗部干物質積累和千粒重；而過高褪黑素濃度(100 μmol·L-1、300 μmol·L-1)則降低了干旱條件下該品種的產量水平。因此，干旱脅迫下，應根據小麥品種特性，合理、適量施加褪黑素以改善小麥植株形態和促進產量提升。