3種植物提取物對(duì)小麥莖稈性狀、光合特性及產(chǎn)量的影響

鄭瑞明,周小云,李 進(jìn), 張軍高, 陳 勇，馬德英,梁 晶,龔靜云,雷 斌

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,烏魯木齊 830052；2.新疆作物化學(xué)調(diào)控工程技術(shù)研究中心,烏魯木齊 830091；3.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所/新疆農(nóng)作物生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】化學(xué)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑在小麥生產(chǎn)上應(yīng)用廣泛[1]。與化學(xué)生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑比較，植物源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑具有高效、低毒、有害生物不容易產(chǎn)生抗藥性等優(yōu)點(diǎn)[2]。植物源生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑對(duì)促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義[3-4]。【前人研究進(jìn)展】植物源提取物中活性成分主要包括生物堿類化合物、黃酮類化合物、萜類化合物、揮發(fā)油等。根據(jù)活性成分不同，不同植物提取物具有不同的植物調(diào)節(jié)活性等生理特性[5-8]。0.01 mg/mL的瑞香狼毒提取物提高小麥種子發(fā)芽率[9]；駱駝蓬(PeganumharmalaL.)提取物采用浸種方式處理小麥后，會(huì)使小麥根長(zhǎng)變長(zhǎng)、干重增加[10]；山核桃(CaryacathayensisSarg.)、五爪金龍(Ipomoeacairicavar.gracillima)、扁穗莎草(CyperuscompressusL.)、大黃(RheumofficinaleBaill.)提取物都能促進(jìn)作物生長(zhǎng)[11-14]。【本研究切入點(diǎn)】一定濃度范圍內(nèi)的植物提取物能夠?qū)χ参锷L(zhǎng)發(fā)育起到調(diào)控作用，在綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有很好的應(yīng)用前景。但是對(duì)新疆半荒漠半干旱的特殊生態(tài)下植物源提取物的生物活性研究的較少。針對(duì)新疆特色植物資源篩選生物活性物質(zhì)過程中，從16種植物中發(fā)現(xiàn)苦豆子(Sophraalopecuroides)，孜然(Cuminumcyminum)，苦草(Vallisnerianatans)3種植物的甲醇提取物對(duì)小麥萌發(fā)和幼苗具有促進(jìn)生長(zhǎng)的作用，可作為一種新的具有促生潛力的植物源活性物質(zhì)開發(fā)利用，但其相關(guān)田間應(yīng)用基礎(chǔ)的研究鮮有報(bào)道。一定濃度范圍內(nèi)植物提取物能夠通過植物生長(zhǎng)發(fā)育而達(dá)到調(diào)控的作用，這些植物提取物在綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有良好的應(yīng)用前景。但是對(duì)新疆半荒漠化半干旱的特殊生態(tài)下植物源提取物的生物活性研究的較少。需研究苦豆子、孜然和苦草提取物對(duì)小麥莖稈性狀、光合特性及產(chǎn)量的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以甲醇提取苦豆子、孜然和苦草經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)得到浸膏，分別稀釋制備成3種不同濃度(1%、0.1%、0.01%)的提取液，以清水處理作為對(duì)照，于小麥拔節(jié)前期連續(xù)噴施3次，分析小麥莖稈指標(biāo)、光合參數(shù)指標(biāo)以及產(chǎn)量等相關(guān)指標(biāo)的影響，并運(yùn)用主成分分析評(píng)價(jià)3種提取物對(duì)小麥的使用效果，篩選出符合目標(biāo)的植物源活性物質(zhì)并確定適宜的施用濃度，尋找對(duì)小麥有生物活性的植物活性物質(zhì)，為研制植物源農(nóng)藥新產(chǎn)品、保護(hù)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品食品安全提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019～2021年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院安寧渠綜合試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)地E 87°28′，N44°08′，海拔654.0 m，年平均降水量152.0 mm，年均氣溫6.0～7.0℃，全年相對(duì)濕度<60%[15]。

采用滴灌栽培，1管4行，行間距15.0 cm，小區(qū)面積10.0 m2，理論有效穗數(shù)49.0×104穗/hm2，四周設(shè)置保護(hù)行。土壤為沙壤土，肥力水平：0～30.0 cm，有機(jī)質(zhì)8.5 g/kg，pH 8.4，全氮0.6 g/kg，速效磷18.9 mg/kg，速效鉀147.7 mg/kg，硝態(tài)氮4.6 mg/kg，土壤容重1.5 g/cm3。田間滴水共7次，滴水量4 500 m3/hm2，追肥隨水滴施，其它管理模式同大田管理一致。

供試小麥品種為新春44號(hào)，由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所提供。

供試植物為苦豆子、孜然和苦草3種植物(采自新疆瑪納斯縣農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站藥用植物園)，陰干、粉粹，過40目篩后裝入密封袋內(nèi)保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 方 法

1.2.1 植物提取物制備

采用超聲波提取法提取植物樣品。分別稱取植物干粉50.0 g，加入甲醇(料液比為1∶10 g/mL)進(jìn)行提取，每次30 min 重復(fù)提取3次；過濾3次，濾液在52.0℃減壓濃縮成浸膏，參照郭小強(qiáng)等[16]方法，再配置成1.0 g/mL母液，放入4.0℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定

采用二次稀釋法[17]，將苦豆子、孜然和苦草3種植物提取物母液稀釋制備成1%(m/v，下同)、0.1%、0.01%的溶液備用。以清水作為對(duì)照，處理1：0.01%苦豆子，處理2：0.1%苦豆子，處理3：1%苦豆子，處理4：0.01%孜然，處理5：0.1%孜然，處理6：1%孜然，處理7：0.01%苦草，處理8：0.1%苦草，處理9：1%苦草，依次記為CK、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9。分別于小麥拔節(jié)前期，每隔2 d噴施1 次，連續(xù)3次，17：00以后，天氣晴朗無風(fēng)，噴霧器均勻噴灑，以小麥葉面水珠飽和而不下滴為準(zhǔn)，噴藥時(shí)小區(qū)間用塑料薄膜隔離。

1.2.2.1 莖稈性狀

參照趙冬霞等[17]方法，于灌漿期每小區(qū)隨機(jī)取20株，調(diào)查測(cè)量小麥基部第1、2、3節(jié)間長(zhǎng)度、莖粗和株高。

1.2.2.2 小麥基部節(jié)間內(nèi)源激素

參照張玉瓊等[18]方法。于灌漿期每小區(qū)隨機(jī)采樣并稱取小麥基部3節(jié)間莖稈2.0 g，迅速用液氮速凍并研成粉末，加入1.5 mL 80%的冷甲醇溶液，密封置于冰箱(4℃)中浸提24 h，8 000 r/min離心10 min，取上清液加1.0 mL 80%的冷甲醇溶液振蕩搖勻，離心10 min取上清液，加入24.0 mL石油醚萃取，棄醚相，水相加入20.0 mL乙酸乙酯萃取，棄水相，加2.0 mL乙酸經(jīng)C18膠柱分離純化后用氮?dú)鈱⑵浯蹈桑昧鲃?dòng)相定容至10.0 mL，分別過0.45 μm有機(jī)系針頭式過濾器過濾，并取10.0 μL進(jìn)行高效液相色譜分析脫落酸(Abscisic acid, ABA)、吲哚乙酸(Indoleacetic acid, IAA)和赤霉素(Gibberellin 3, GA3)含量。

1.2.2.3 小麥旗葉光合指標(biāo)

參照呂麗榮等[19]方法，采用Li-6400 XT型便攜式光合儀(美國(guó)LI-COR公司)，于灌漿期晴朗天氣11：00～12:00測(cè)定小麥旗葉的光合特性，每個(gè)處理重復(fù)10次，取平均值。光合參數(shù)測(cè)定：使用LED 2×3型紅藍(lán)光源葉室，閉合式氣路，葉室溫度設(shè)為25℃，CO2濃度約為380.0 μmol/L，光合有效輻射(PAR)設(shè)定為1 200.0 μmol/(m2·s)。光合氣體交換參數(shù)主要包括胞間凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(Stomatal conductance，Gs)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)和氣孔限制值(Stomatal limiation)，Ci為胞間CO2濃度，Ca為空氣CO2濃度，閉合氣路下Ca=400.0 μmol/L。

1.2.2.4 葉綠素相對(duì)含量

參照薛香等[20]方法，利用日本產(chǎn)SPAD-502葉綠素儀于灌漿期，測(cè)定處理小麥的旗葉相對(duì)葉綠素含量(Relative chlorophyll content，SPAD value)，每個(gè)小區(qū)測(cè)定7株，每株葉片取3個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)定，取平均值。

1.2.2.5 產(chǎn)量構(gòu)成因素和產(chǎn)量

參照杜小鳳等[21]方法，測(cè)定各處理小麥的穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成要素并計(jì)算理論產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理，統(tǒng)計(jì)分析方法使用SPSS 19.0進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)和主成分分析，使用GraphPad Prism 7.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥莖稈性狀影響

2.1.1 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥基部節(jié)間長(zhǎng)度的影響

研究表明，3種植物甲醇提取物對(duì)小麥莖基部節(jié)間長(zhǎng)度有不同的影響。其中，0.01%苦豆子提取物處理基部第1、2節(jié)間長(zhǎng)為2.6和7.1 cm，與對(duì)照比較分別減少27.8%、13.4%，且差異顯著。0.01%苦豆子處理對(duì)控制小麥節(jié)間長(zhǎng)作用較好，縮短基部3節(jié)間長(zhǎng)，在小麥拔節(jié)期，0.01%苦豆子提取物可調(diào)控小麥節(jié)間部的生長(zhǎng)狀況，減少基部節(jié)間長(zhǎng)度，防止倒伏。圖1

注：不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。CK：清水作為對(duì)照；S1：0.01%苦豆子甲醇提取物；S2：0.1%苦豆子甲醇提取物；S3：1%苦豆子甲醇提取物；S4：0.01%孜然甲醇提取物；S5：0.1%孜然甲醇提取物；S6：1%孜然甲醇提取物；S7：0.01%苦草甲醇提取物；S8：0.1%苦草甲醇提取物；S9：1%苦草甲醇提取物，下同

2.1.2 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥基部節(jié)間粗度的影響

研究表明，3種植物甲醇提取物對(duì)小麥莖基部節(jié)間粗度有不同的作用。在小麥基部第1、2、3節(jié)莖粗0.01%苦豆子提取物處理分別為3.2、3.6和4.0 mm，與對(duì)照比較分別增加9.4%、16.1%、14.3%，且差異顯著；在基部第2節(jié)莖粗方面，0.01%孜然提取物處理為3.5 mm，較對(duì)照增加12.9%，且差異顯著。0.01%苦豆子提取物處理可增加小麥基部3節(jié)間莖粗，其效果優(yōu)于0.01%孜然處理。1%苦豆子與1%孜然提取物處理對(duì)小麥基部3節(jié)間莖粗生長(zhǎng)有一定抑制效果。圖2

圖2 不同處理下小麥基部節(jié)間莖粗變化Fig.2 Comparison of stem diameter of basal internodes in Wheat

2.1.3 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥株高的影響

研究表明,3種植物甲醇提取物對(duì)小麥株高有不同的作用。0.01%苦豆子提取物處理為77.5 cm較清水處理82.1 cm降低5.6%，達(dá)到顯著差異水平，其余處理與清水處理有差異但不顯著。0.01%苦豆子提取物處理降低小麥的株高。圖3

圖3 不同處理下小麥株高變化Fig.3 Comparison of height of the strains in Wheat

2.2 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥基部節(jié)間內(nèi)源激素的影響

研究表明，3種植物甲醇提取物對(duì)于小麥基部節(jié)間內(nèi)源激素影響存在一定差異。0.01%苦豆子提取物處理的莖基部3節(jié)間的IAA含量提高16.2%，ABA含量降低7.9%，且差異均顯著，而GA3含量略有下降，下降0.4%。1%苦豆子與1%的孜然提取物處理的IAA含量下降18.9%、20.8%，ABA含量提高8.6%、9.9%，且差異均顯著。0.01%苦豆子提取物處理調(diào)控小麥內(nèi)源激素含量，增加IAA含量，降低ABA含量促進(jìn)小麥生長(zhǎng)；1%苦豆子與1%的孜然提取物則類似脅迫處理，降低IAA含量，增加 ABA含量，抑制小麥生長(zhǎng)。0.01%苦豆子甲醇提取物能夠通過調(diào)控植物內(nèi)源激素來改善小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。圖4

圖4 不同處理下小麥基部節(jié)間內(nèi)源激素含量變化Fig.4 Comparison of endogenous hormone contents in basal internodes in Wheat

2.3 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥旗葉光合特性與SPAD值的影響

研究表明，0.01%苦豆子提取物處理對(duì)小麥的光合特性和SPAD值有一定影響。0.01%苦豆子提取物處理的小麥旗葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)分別為15.5、21.9、322.3，較對(duì)照分別增加4.0%、12.9%、2.1%，且差異顯著。1%苦豆子提取物、1%孜然提取物和1%苦草提取物對(duì)小麥旗葉光合作用有不同程度的抑制作用。0.01%苦豆子提取物處理在一定程度上提高小麥的凈光合速率。0.01%苦豆子提取物處理的小麥旗葉SPAD值有上升趨勢(shì)，SPAD值為54.1，較對(duì)照增加6.2%，差異顯著。0.01%苦豆子提取物處理在一定程度上提高小麥的凈光合速率和SPAD值。表1

表1 不同處理下小麥旗葉光合特性變化Table 1 Comparison of photosynthetic characteristics of flag leaves in Wheat

2.4 3種植物甲醇提取物對(duì)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

研究表明，3種植物低濃度甲醇提取物對(duì)小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素具有不同的促進(jìn)影響。0.01%苦豆子甲醇提取物處理的穗粒數(shù)、籽粒重量、千粒重及容重分別為34.5粒、39.9 g、51.0 g、839.8 g，與對(duì)照比較，分別增加10.2%、24.7%、2.8%、3.6%，而0.01%孜然提取物處理的穗粒數(shù)、籽粒重量分別為34.0粒、35.5 g，分別增加8.6%、10.9%，且差異顯著。1%孜然提取物處理的穗粒數(shù)為27.0粒，較對(duì)照減少13.7%，且差異顯著。1%苦豆子提取物、1%孜然提取物和1%苦草提取物處理的籽粒重量分別為28.9、26.0和26.8 g，與對(duì)照比較，分別降低10.7%、18.8%、16.3%，達(dá)到顯著差異水平。低濃度的苦豆子提取物和孜然提取物均有一定增加小麥籽粒重量的效果，而高濃度的苦豆子和孜然以及苦草提取物對(duì)小麥的籽粒生長(zhǎng)具有抑制作用。表2

表2 小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素比較Table 2 Comparison of yield and yield components in Wheat

2.5 主成分分析和排序

研究表明，第1和第2主成分的特征值分別為10.66和1.87，貢獻(xiàn)率分別為71.09%和12.64%，累積貢獻(xiàn)率為83.55%，0.01%苦豆子提取物處理對(duì)小麥生長(zhǎng)影響的綜合評(píng)價(jià)為4.35，在綜合評(píng)價(jià)分別排在第1位，0.01%孜然提取物處理的綜合評(píng)價(jià)次之。0.01%苦豆子提取物處理對(duì)于促進(jìn)小麥生長(zhǎng)的綜合影響最佳。表3

表3 主成分比較Table 3 Comparison of principal component analysis

3 討 論

植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑可通過調(diào)控莖、節(jié)間的分化，增加小麥基部節(jié)間莖粗和降低小麥節(jié)間長(zhǎng)度來增加小麥的抗倒伏能力，以期獲得高產(chǎn)[22]。小麥旗葉的SPAD值與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)[24]。

植物提取物的活性成分對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用[23，24]。馬唐植物提取的活性成分對(duì)主要的農(nóng)作物小麥、玉米和大豆的生長(zhǎng)產(chǎn)生不同程度的抑制作用[25]；木醋液中的活性成分對(duì)小麥幼苗的生長(zhǎng)表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)生長(zhǎng)，高濃度抑制生長(zhǎng)[26]。0.01%苦豆子提取物處理與對(duì)照相比降低小麥基部3節(jié)間長(zhǎng)度以及株高和增加基部3節(jié)間莖粗的作用，研究結(jié)果與前人研究吻合[27]。

植物提取物的調(diào)節(jié)作用與內(nèi)源激素調(diào)控植物整個(gè)發(fā)育過程有關(guān)，往往表現(xiàn)在多種內(nèi)源激素水平的變化[26]。海洋藻類提取物含有特殊活性成分和植物內(nèi)源激素，能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高產(chǎn)量、減輕病蟲害、增強(qiáng)作物抗寒和抗旱能力[28]；人參提取物的活性成分通過減少內(nèi)源激素IAA的分泌，進(jìn)而抑制愈傷組織的生長(zhǎng)[29]。研究發(fā)現(xiàn)，0.01%苦豆子處理可以提高小麥體內(nèi)IAA含量降低ABA含量，0.01%苦豆子可以通過調(diào)控小麥內(nèi)源激素水平，促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育。

通過外源物質(zhì)調(diào)節(jié)，改變小麥通風(fēng)透光環(huán)境，提高小麥旗葉光合作用，是促進(jìn)物質(zhì)交換與能量?jī)?chǔ)備的重要途徑[30]。海藻提取物可以顯著提升水稻產(chǎn)量并且提高肥料利用效率[31]；海帶提取物可顯著提高甘蔗產(chǎn)量[32]。

小麥生長(zhǎng)受農(nóng)藝性狀、光合參數(shù)及產(chǎn)量等多因素影響，采用主成分分析能進(jìn)行科學(xué)綜合評(píng)價(jià)。0.01%苦豆子處理對(duì)小麥的綜合評(píng)價(jià)效果較好，對(duì)其高效提取方式、產(chǎn)品劑型、田間應(yīng)用等，尚需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

苦豆子、孜然和苦草3種低濃度甲醇提取物對(duì)小麥具有均有不同程度的生長(zhǎng)調(diào)控作用，能縮短節(jié)間長(zhǎng)度和增加莖粗的作用，可增強(qiáng)小麥抗倒伏能力，還能降低小麥株高的作用，可改善田間的通風(fēng)透光條件，提高旗葉光合作用，提高光能利用率，提高作物的產(chǎn)量。0.01%苦豆子提取物處理可增加小麥旗葉的SPAD值并且提高其凈光合速率，較對(duì)照增產(chǎn)。0.01%苦豆子提取物對(duì)構(gòu)建小麥高光效、高產(chǎn)量個(gè)體和群體具有一定作用。0.01%苦豆子提取物處理對(duì)小麥產(chǎn)量影響的綜合評(píng)價(jià)分為4.35，綜合評(píng)價(jià)得分排名第1，0.01%苦豆子處理效果最優(yōu)，0.01%孜然甲醇提取物次之。