花后漬水時長對小麥根系形態和抗氧化酶活性及產量的影響

馬尚宇,劉雅男，王笑然，姚科郡，黃正來，張文靜，樊永惠

(1.安徽農業大學農學院/農業部黃淮南部小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，安徽合肥 230036; 2.江蘇省現代作物生產協同創新中心，江蘇南京 210095)

小麥是世界范圍內重要的糧食作物之一，其生產對保障全球糧食安全具有重要的意義[1]。長江中下游麥區是我國小麥主產區，該地區小麥播種面積占全國的20%，產量占全國小麥總產的22%[2]。近年來持續性降雨等極端氣候事件頻發，長江中下游小麥在生長中后期常受到漬害脅迫，使根系生長發育受阻[3]，造成產量減少 20%～50%[4-5]。漬水脅迫會影響小麥正常的有氧呼吸，導致生物量降低50%[6-7]。漬水后小麥根系生物量越到中后期下降幅度越大，在灌漿期漬水10 d和20 d后根系生物量與不漬水處理相比分別下降41.3%和53.6%[8]。小麥種子發芽后淹水1～4 d和4～8 d時，初生根長度減少93.7%～94.5%；分蘗期和拔節期分別漬水15 d時，開花期次生根總根長比對照減少20%～31%[9]。盆栽試驗條件下，在小麥群體最大時漬水15 d后，開花期根系平均直徑比不漬水處理高50%，但挑旗期漬水15 d處理下開花期根系平均直徑與不漬水處理無顯著差異[10]。同時，漬水后小麥根系細胞膜脂過氧化程度加劇，大量有害物質產生，丙二醛和超氧陰離子自由基含量升高，超氧化物歧化酶活性顯著降低，加速了根系細胞的衰老或死亡[11]。

田間試驗條件下，分蘗期漬水15 d后，小麥產量降低47%，其主要原因是小麥穗數和穗粒數分別降低50%和28%[12]。在盆栽試驗條件下，小麥拔節期和開花期漬水對穗數影響不顯著，但降低了穗粒數、千粒重和產量，且漬水時間越長，三者下降幅度越大[13]。其主要原因是漬水會縮短小麥籽粒灌漿持續時間，抑制營養器官貯藏物質向籽粒的再分配，最終影響粒重，導致其產量下降[14-15]。在小麥分蘗期連續漬水60 d會減少穗數和穗粒數，最終導致產量降低27%[16]。

目前關于漬水脅迫對小麥根系形態和根系衰老相關酶活性的影響已有較多研究，但對于花后漬水對小麥根系形態和抗氧化酶活性的影響研究較少。本研究選用小麥品種齊民7號和淮麥44為材料，人工模擬花后漬水逆境，分析了花后漬水時長對兩個小麥品種根系形態和抗氧化酶活性及產量的影響，以期加深認識小麥對漬水脅迫響應的機理，為小麥抗漬水栽培提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2018年11月-2019年5月在安徽省合肥市廬江縣郭河鎮安徽農業大學郭河試驗基地(117°01′E,30°57′N)進行，供試材料為小麥品種齊民7號和淮麥44。試驗基地小麥生長季降水量和日平均氣溫如圖1所示。

選用直徑11 cm、長度100 cm的PVC管作為栽培容器。將PVC管埋入田間，使其上沿與地表持平，底部通過溝渠相連，保證小麥生長期間水分的排灌。取田間地表土，過篩后裝入管中，用水把土沉實，重復多次，最終實現灌水后PVC管中土壤不塌陷，土層距PVC管上沿2～3 cm。播種前土壤pH值為6.30，有機質含量23.41 g·kg-1，全氮含量0.99 g·kg-1，堿解氮含量 121.00 mg·kg-1，有效磷含量33.60 mg·kg-1，速效鉀含量356.00 mg·kg-1。播種前每管施有機肥80 g、復合肥1.7 g、尿素1.08 g，將肥料撒施于管中土壤表層，然后與5 cm以上表層土混勻。播種時間為2018年11月1日，收獲時間為2019年5月28日，每個品種種植100管。每管播種3粒，小麥三葉期后定苗，每管留苗1株。小麥拔節期每管追施純氮0.5 g。其他管理措施按照大田高產要求進行。

漬水處理前，PVC管底部溝渠開放，地上部正常灌溉。開花期開始漬水，每個品種設置0 d、3 d、6 d和9 d四個漬水時長，分別用W0、W3、W6和W9表示。漬水處理開始后，封閉PVC管底部溝渠，從地上部灌水，使土壤表層保持1 cm水層，漬水處理結束后打開底部溝渠將水排凈，之后保持正常灌溉。W0處理保持PVC管底部溝渠開放，地上部正常灌溉。開花后每7 d進行一次調查取樣，取樣時將PVC管從土壤中取出，用高壓水槍沖洗PVC管中的土壤，然后迅速將根系與地上部分開，洗凈后測定各項指標。每處理每次取樣6管，其中三管用于掃描根系形態，另外3管用于測定抗氧化酶活性等指標。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 根系形態及干重測定

將根系洗凈后使用WinRHIZO Pro2016根系形態掃描儀進行根系形態掃描，并分析根系平均直徑、總根體積和總根長數據，然后將其置于75 ℃烘箱中烘干至恒重，稱量根干重。

1.2.2 根系丙二醛(MDA)含量和抗氧化酶活性測定

將洗凈后的根系放入液氮中保存，帶回實驗室測定MDA含量及抗氧化酶活性。其中，MDA含量用硫代巴比妥酸法測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性用NBT光化還原法測定；過氧化物酶(POD)活性用紫外吸收法測定；過氧化氫酶(CAT)活性用紫外線吸收法測定[17]。

1.2.3 產量及其構成因素測定

成熟期各處理調查5管有效穗數和穗粒數，并收獲脫粒，籽粒自然晾干后測定千粒重及含水率，折算為含水量13%的產量。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2019進行數據計算和繪圖，用SPSS 10.0進行單因素方差分析，用LSD法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 花后漬水時長對小麥根系平均直徑的影響

由表1可知，花后0 d和7 d，齊民7號和淮麥44的根系平均直徑在不同漬水處理之間無顯著差異。花后14 d，齊民7號和淮麥44根系平均直徑在W6和W9處理間無顯著差異，但二處理均顯著低于W0和W3處理；W0和W3處理之間無顯著差異。花后21 d，齊民7號和淮麥44的W9處理根系平均直徑顯著低于其他處理；其次為W6處理；W3和W0處理的根系平均直徑最大，二者之間無顯著差異。以上結果表明，花后漬水3 d對小麥根系平均直徑無顯著影響，漬水6 d和9 d會顯著降低灌漿中后期根系平均直徑。

表1 不同漬水時長下小麥根系平均直徑

2.2 花后漬水時長對小麥根系總體積的影響

由表2可知，花后0 d和7 d，兩個品種的根系總體積在不同處理間無顯著差異。花后14 d和21 d，齊民7號和淮麥44的根系總體積在W3與W0處理間均無顯著差異，W6和W9處理的根系總體積顯著低于W0和W3處理，且W9處理顯著低于W6處理，表明漬水3 d對小麥根系總體積無顯著影響，隨著漬水時長的增加，小麥根系總體積顯著減小。

表2 不同漬水時長下小麥系總體積

2.3 花后漬水時長對小麥總根長的影響

由表3可知，花后0 d和7 d，兩品種的總根長在不同處理間無顯著差異。花后14 d，兩品種W9處理的總根長顯著低于其他處理，其他處理之間無顯著差異。花后21 d，兩品種W0與W3處理的總根長顯著高于W6和W9處理，W0與W3處理之間無顯著差異，W9處理的總根長顯著低于W6處理。這表明，花后漬水3 d對小麥總根長無顯著影響，漬水9 d會導致小麥灌漿中后期總根長顯著下降。

表3 不同漬水時長下小麥總根長

2.4 花后漬水時長對小麥根系干重的影響

由表4可知，花后0 d、7 d和14 d，兩品種根系干重在不同漬水處理之間無顯著差異。花后21 d，齊民7號和淮麥44 W6和W9處理的根系干重均顯著低于W0和W3處理。這說明漬水時長增加會導致小麥灌漿后期根系干重顯著下降。

表4 不同漬水時長下小麥根系干重

2.5 花后漬水時長對小麥根系丙二醛(MDA)含量的影響

由圖2可知，在花后7 d、14 d和21 d時，兩個品種的W6和W9處理根系MDA含量均顯著高于W0和W3處理，W0和W3處理之間無顯著差異；花后7 d，W6和W9處理間無顯著差異；花后14 d和21 d，W9處理的根系MDA含量顯著高于W6處理。這表明，花后漬水3 d對小麥根系MDA含量無顯著影響，漬水6 d和9 d會導致根系MDA含量顯著增加，加劇膜脂過氧化程度。

圖柱上不同小寫字母表示同一時間不同漬水時長間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.6 花后漬水時長對小麥根系超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

由圖3可知，花后7 d和14 d，齊民7號的W6和W9處理根系SOD活性顯著低于W0和W3處理，W6和W9處理之間無顯著差異；花后21 d，W9處理根系SOD活性顯著低于其他處理。淮麥44花后7 d的根系SOD活性在不同處理間無顯著差異；花后14 d和21 d，W6和W9處理的根系SOD活性顯著低于W0和W3處理，且W9處理的根系SOD活性顯著低于W6處理，W0和W3處理之間無顯著差異。以上試驗結果表明，隨著漬水時長的增加和生育進程的推進，小麥根系的SOD活性顯著降低，其中漬水6 d和9 d后小麥灌漿中期根系SOD活性顯著下降。

圖3 不同漬水時長下小麥根系超氧化物歧化酶(SOD)活性

2.7 花后漬水時長對小麥根系過氧化物酶(POD)活性的影響

由圖4可知，花后7 d，齊民7號的根系POD活性在不同處理之間無顯著差異；花后14 d和21 d，W6和W9處理的POD活性顯著高于W0和W3處理，W9處理顯著高于W6處理，但W0和W3處理之間無顯著差異。淮麥44花后7 d的根系POD活性在不同處理之間無顯著差異；花后14 d，W9和W6處理間無顯著差異，但均顯著高于W0和W3處理，W3處理顯著高于W0處理；花后21 d，W9處理的POD活性顯著高于W6處理，W0和W3處理的POD活性最低。因此，隨漬水天數的增加，小麥根系POD活性呈上升趨勢，漬水6 d和9 d時根系POD活性顯著提高。

圖4 不同漬水時長下小麥根系過氧化物酶(POD)活性

2.8 花后漬水時長對小麥根系過氧化氫酶(CAT)活性的影響

由圖5可知，花后7 d和14 d，齊民7號和淮麥44的根系CAT活性在不同處理之間無顯著差異；花后21 d，W3處理的根系CAT活性與W0處理無顯著差異，W6和W9處理的CAT活性均顯著低于W0和W3處理，且W9處理的CAT活性顯著低于W6處理。這表明，漬水3 d對小麥根系CAT活性無顯著影響，漬水6 d和漬水9 d均顯著降低了小麥灌漿后期根系CAT活性。

圖5 不同漬水時長下小麥根系過氧化氫酶(CAT)活性

2.9 花后漬水時長對小麥產量及其構成因素的影響

由表5可知，漬水對兩品種有效穗數無顯著影響；穗粒數均表現為W9處理顯著低于其他處理，其他處理之間無顯著差異；千粒重和產量均為W0>W3>W6>W9。隨漬水時長的增加，產量損失率增加，漬水9 d時兩品種的產量損失率均達到51%以上。這表明花后漬水主要通過影響籽粒灌漿，導致成熟期千粒重顯著降低，進而引起產量下降，并且漬水時間越長，產量損失越大。

表5 不同漬水時長下小麥產量及其構成因素

3 討 論

3.1 花后漬水時長對小麥根系形態的影響

研究表明，對出苗后30 d的小麥連續漬水 28 d后，初生根數顯著增加，但初生根長度和次生根數顯著下降，分蘗數減少56.25%[18]；但Malik等對出苗后21 d的小麥連續漬水28 d后，發現初生根數減少50%以上，次生根數減少35%，分蘗數減少高達75%[19]。這可能與兩者的試驗條件及所用品種不同有關。盆栽試驗條件下，小麥播種后18～28 d進行漬水處理后，苗期次生根數較不漬水處理減少了12.50%，根系干重較不漬水處理降低了27.45%[20]。也有研究指出，小麥生育前期遭受漬水脅迫后，不定根增多，總根長大、分蘗能力強的小麥品種產量高[9]。本研究選用齊民7號和淮麥44兩個小麥品種，以柱栽方式種植，在開花后設置不同漬水時長，結果表明，花后漬水3 d對根系平均直徑、總根體積、總根長和根干重等無顯著影響，漬水6 d和9 d后灌漿中后期各指標均顯著下降，導致最終千粒重和產量顯著降低。

3.2 花后漬水時長對小麥根系抗氧化酶活性的影響

在植物受到漬水脅迫時無氧呼吸產生乳酸、乙醛、MDA等有毒物質，影響細胞的新陳代謝，導致電解質在細胞內的滲透和其吸收功能的喪失[21]。有研究表明，小麥拔節期漬水7 d后旗葉POD活性顯著降低[22]；孕穗期漬水10 d后，旗葉MDA含量較不漬水處理提高了10.42%，加劇了膜脂過氧化程度，加速了旗葉衰老進程[23]。也有研究結果顯示，孕穗期漬水5 d后，小麥根系MDA含量增加22%，SOD活性降低5%[3]。有研究者認為，漬水過程中小麥根系SOD及POD活性的變化是先增強而后下降，但SOD活性在漬水3 d左右開始下降，POD活性在漬水10 d以后才由峰值下降[24]。本試驗結果表明，花后短期漬水(漬水3 d)對小麥根系MDA含量、POD活性、SOD和CAT活性無顯著影響，漬水時長增加到6 d以上時，根系SOD活性和CAT活性顯著下降，而MDA含量和POD活性顯著增加，說明本試驗條件下，花后短期漬水不會對小麥根系造成傷害，延長漬水時間會導致根系膜脂過氧化水平提高，但小麥能通過提高POD活性緩解根系內過氧化物過多積累對生物膜結構的破壞。

3.3 花后漬水時長對小麥產量及其構成因素的影響

有研究認為，在小麥生長早期漬水會推遲小麥分蘗，但能顯著提高分蘗能力，對穗數不會產生顯著影響[25]。分蘗期漬水40 d和60 d后小麥產量分別減少19%和30%，其主要原因是漬水影響了小穗形成，最終導致穗粒數顯著降低[26]。田間晚播試驗條件下，小麥主莖4葉齡前漬水15 d后，產量降低40%；主莖10葉齡至開花期漬水15 d后，產量降低92%，其中穗粒數降低50%，千粒重降低83%；開花后漬水15 d后，產量降低60%，其中穗粒數無明顯變化，千粒重降低55%[27]。也有研究發現，花前漬水24 d后小麥產量比不漬水處理低50.00%[28]；而花后漬水25 d后產量比不漬水處理低73.90%[29]。本研究在田間柱栽試驗條件下于小麥開花后設置不同漬水時長，結果表明，隨漬水時長的增加，千粒重和最終產量顯著下降，漬水9 d處理的穗粒數也出現明顯下降，兩品種漬水9 d處理的產量損失率均達到51%以上。