油菜素內酯對寒地冬小麥越冬期生理代謝的影響

丁美云，劉麗杰，于夢迪，王璐瑤，孫玉婷，金忠民，李珊珊，張東向

(齊齊哈爾大學生命科學與農林學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

小麥是中國重要的糧食作物之一，小麥產業的發展與國家的糧食安全和社會穩定息息相關。冬小麥具有產量高、品質好的優點，因此長期以來一直得到人們的認可。但由于溫度的影響，我國高寒地區冬小麥的種植受到限制，東農冬麥1號是我國首例能在黑龍江省高寒地區越冬的冬小麥品種，返青率可達85%。但如遇冬天雪少，或者田間存雪困難，部分麥苗裸漏在田間時，冬小麥次年的返青也會有所下降。因此，如何有效地提高冬小麥的耐寒能力，是進一步在高寒地區廣泛推廣種植冬小麥的關鍵環節，對解決實際生產問題有重要的應用價值。

油菜素內酯(brassinosteroids，BR)又稱蕓苔素，是一類存在于油菜花粉中的新型植物激素，油菜素內酯既能調控植物的生長發育，又能提高植物的抗逆性。低溫脅迫時，油菜素內酯能夠降低低溫對辣椒、華山松和水稻幼苗的膜質損傷程度，促進植株的生長，提高蔬菜甘薯、華山松和水稻幼苗的抗氧化酶(CAT、POD和SOD)活性和滲透調節物質(可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸)含量，增加香椿幼苗和華山松葉綠素含量和光化學活性，從而增強植物抵抗低溫的能力。4 ℃低溫脅迫下，適當濃度的表油菜素內酯處理48 h和處理7 d均能降低小麥幼苗的電導率和MDA含量，促進脯氨酸的積累，提高 SOD和CAT的活性，表油菜素內酯處理7 d還可增加小麥的可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高POD的活性。目前關于油菜素內酯對小麥低溫脅迫的影響均是在零上溫度進行，對油菜素內酯在冬小麥越冬期持續低溫下的影響尚不清楚。本研究以冬小麥強抗寒性品種東農冬麥1號和弱抗寒品種濟麥22(在黑龍江省不能越冬)為試驗材料，在三葉期時噴灑不同濃度的油菜素內酯溶液(0.01 mg·L、0.1 mg·L和1 mg·L)，在越冬期不同溫度時取樣，探究在越冬期不同低溫下，油菜素內酯對冬小麥生理代謝的影響，以期為油菜素內酯在冬小麥抗寒栽培中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為冬小麥品種冬小麥東農冬麥 1 號和濟麥22，種子由齊齊哈爾大學生命學院植物代謝生理研究室提供。

1.2 試驗設計

挑選出粒大飽滿的東農冬麥1號和濟麥22種子，于2020年9月8日播種在試驗田中，完全區組排列，3次重復，10行區，行長2.0 m，行距 0.5 m，每行播種200粒，播深5 cm，基施二銨23 g·m和硫酸鉀7.5 g·m，常規田間管理。在冬小麥三葉期時噴施不同濃度的BR(0.01 mg·L、0.1 mg·L和1 mg·L)，對照組噴灑蒸餾水。在越冬期溫度(連續10 d最低溫度的平均值)達到5 ℃、0 ℃、-10 ℃和-25 ℃時進行分蘗節取樣，將冬小麥分蘗節剪成1 cm長小段混勻，用液氮進行速凍，標記清楚，放入-80 ℃冰箱進行保存。

1.3 測定指標與方法

丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量利用TBA比色法測定，可溶性蛋白含量利用考馬斯亮藍法測定，游離脯氨酸含量利用磺基水楊酸法測定，過氧化物酶(POD)活性利用比色法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性利用NBT顯色法測定，過氧化氫酶(CAT)活性利用高錳酸鉀滴定法測定。

1.4 數據分析

每個處理包括3個生物學重復。數據用 SPSS 20.0 軟件按單因素進行方差分析，在=0.05顯著性水平上對不同處理間差異顯著性進行分析。

2 結果與分析

2.1 越冬期不同低溫下油菜素內酯對冬小麥分蘗節膜質損傷的影響

在對照組和BR處理組，隨著溫度的降低，東農冬麥1號和濟麥22分蘗節的 MDA含量均逐漸上升；隨著BR濃度的提高，MDA含量整體呈現先降后升的趨勢，并且處理組始終低于對照組。當 BR濃度為0.1 mg·L時，東農冬麥1號和濟麥22膜質損傷程度達到最低，東農冬麥1號與對照組相比，不同溫度(5、0、-10和25 ℃)下MDA含量分別降低了19.2%、38.8%、20.2%、 37.3%，在0 ℃、 -10 ℃和-25 ℃時與對照組差異均達到顯著水平(<0.05)；濟麥22與對照組相比，不同溫度下MDA含量分別降低了 18.2%、8.2%、 1.9%、37.0%，在-25 ℃時與對照組差異達到顯著水平；東農冬麥1號比濟麥22的膜質損傷程度低(圖1)。

CK：對照； D：東農冬麥1號； J：濟麥22； 1～3分別代表0.01、0.1和1 mg·L-1三種BR濃度；圖柱上不同字母表示同一品種不同處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

2.2 越冬期不同低溫下油菜素內酯對冬小麥分蘗節抗氧化酶活性的影響

在對照組和BR處理組，隨著溫度的降低東農冬麥1號和濟麥22的SOD活性均呈現上升的趨勢，CAT活性呈現先降后升的趨勢；隨著BR濃度的提高，SOD活性整體呈現先降后升的趨勢，CAT活性整體呈現先升后降的趨勢，并且處理組始終高于對照組。當BR濃度為0.1 mg·L時東農冬麥1號和濟麥22的SOD和CAT活性均達到最高，其中東農冬麥1號SOD活性在5、0、-10和-25 ℃下較對照組分別上升了 61.4%、44.1%、48.4%、41.3%，CAT活性分別上升了36.6%、70.1%、73.6%、31.6%，差異均達到顯著水平；濟麥22的SOD活性在5、0、 -10和-25 ℃較對照組分別上升了 62.6%、 54.0%、45.4%、45.8%，CAT活性分別上升了 37.0%、55.2%、66.6%、52.7%，差異均達到顯著水平。東農冬麥1號分蘗節中CAT活性顯著高于濟麥22(圖2、圖3)。

圖2 油菜素內酯對小麥分蘗節SOD活性的影響

圖3 油菜素內酯對冬小麥分蘗節CAT活性的影響

隨著溫度的降低，東農冬麥1號和濟麥22 的POD活性均呈現先降后升的趨勢；BR處理后，隨著BR濃度的升高，POD活性整體呈現先升后降的趨勢，并且處理組始終高于對照組。當BR濃度為0.1 mg·L時，POD活性達到最高值，其中東農冬麥1號的POD活性較對照組分別升高了30.9%、32.2%、 39.0%、14.1%；濟麥22的POD活性分別降低了9.4%、50.4%、27.8%、23.4%，除濟麥22在5和-10 ℃下外，兩個品種的BR處理與對照組在各溫度下差異均顯著(圖4)。

圖4 油菜素內酯對小麥分蘗節POD活性的影響

2.3 越冬期不同低溫下油菜素內酯對冬小麥分蘗節滲透調節能力的影響

在對照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農冬麥1號和濟麥22可溶性糖含量均呈現先升后降的趨勢，但不同溫度間差異不顯著。不同濃度的BR處理后，可溶性糖含量與對照組相比差異也均不顯著(圖5)。

圖5 油菜素內酯對冬小麥分蘗節可溶性糖含量的影響

在對照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農冬麥1號和濟麥22可溶性蛋白含量均呈現先上升后降的趨勢，當BR濃度為0.1 mg·L時可溶性蛋白含量最高，并且處理組始終高于對照組。其中，東農冬麥1號的可溶性蛋白含量在5、0、-10和-25 ℃下與對照組相比分別增加了17.8%、23.7%、20.5%、45.9%，濟麥22的可溶性蛋白含量分別增加了 27.9%、31.9%、27.6%、35.0%，除濟麥22的5 ℃外，各溫度下兩個品種的BR處理組與對照組差異均顯著(圖6)。

圖6 油菜素內酯對小麥分蘗節可溶性蛋白含量的影響

在對照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農冬麥1號和濟麥22脯氨酸含量均呈現上升的趨勢。當BR濃度為0.1 mg·L時脯氨酸含量達到峰值，并且處理組始終高于對照組。其中，東農冬麥1號的脯氨酸含量在5、0、-10和 -25 ℃下較對照組分別增加了66.2%、 50.0%、 59.17%、38.05%；濟麥22的脯氨酸含量分別增加25.9%、50.3%、15.9%、36.3%，除濟麥22的5 ℃，兩個品種BR處理組在各溫度下與對照組差異均達到顯著水平(圖7)。

圖7 油菜素內酯對冬小麥分蘗節脯氨酸含量的影響

2.4 越冬期不同低溫下油菜素內酯對冬小麥分蘗節光合色素含量的影響

在對照組和BR處理組中，隨著溫度的降低，東農冬麥1號和濟麥22的葉綠素含量均呈現先升后降的趨勢。當BR濃度為0.1 mg·L時葉綠素含量達到最高值，并且處理組始終高于對照組。其中，東農冬麥1號的葉綠素含量在5、0、 -10和-25 ℃下較對照組分別提高27.4%、 31.0%、 54.0%、37.2%，濟麥22的葉綠素含量分別提高 40.1%、40.9%、40.5%、49.1%，除東農冬麥1號的-25 ℃處，各溫度下兩個品種的BR處理組與對照組差異均顯著(圖8)。

圖8 油菜素內酯對冬小麥分蘗節葉綠素含量的影響

2.5 越冬期不同濃度下油菜素內酯對冬小麥越冬率的影響

濟麥22在黑龍江省種植時不能返青。BR處理后，東農冬麥1號的返青率高于對照組，當BR濃度為0.1 mg·L返青率達到最高，并且與對照組差異顯著，其余濃度的BR處理與對照組差異不顯著。對照組和BR處理組中東農冬麥1號的返青率均在86%以上(表1)。

表1 油菜素內酯對東農冬麥1號返青率的影響

3 討 論

在自然環境條件下，溫度是非生物因素中變化最為頻繁的因素。溫度影響植物的生長發育、器官形成等過程，同時也是最敏感的環境限制因素。低溫下細胞膜從液晶相轉變成凝膠相，細胞膜出現裂縫和透性增大，可溶性物質從細胞內滲透出來，使細胞內的離子失衡。MDA含量可以反映逆境脅迫對植物的損害程度。本研究表明，隨著溫度的降低，冬小麥的MDA含量升高，說明溫度使膜質受到傷害；噴灑BR能夠降低小麥分蘗節膜質損傷程度，兩個冬小麥品種的MDA含量在BR濃度為0.1 mg·L時最小(圖1)，并且對強抗寒品種東農冬麥1號的影響大于濟麥22，說明此濃度的BR能有效緩解低溫對東農冬麥1號小麥細胞膜的損害，這與張煜星和劉麗杰等在4 ℃低溫脅迫下對油菜素內酯效應的研究結果一致。

低溫脅迫會使植物體內的活性氧產生和清除失衡，從而使活性氧大量積累，破壞生物大分子，植物可以利用抗氧化防御系統來保護自己免受氧化應激損傷。本研究結果表明，在越冬期不同低溫下，BR處理后，兩個冬小麥品種的SOD、POD和CAT活性較對照組都有所提高，并在BR濃度為0.1 mg·L時抗氧化酶活性達到最強(圖2-4)，且BR使東農冬麥1號的抗氧化酶活性增加更多，此結果與前人的研究結果相似。這說明在越冬期低溫下，BR能通過提高抗氧化酶的活性而降低氧自由基含量，清除過多的活性氧，從而減輕膜脂過氧化程度，進而增強小麥幼苗的抗寒性。

植物受到低溫脅迫時會使細胞的滲透壓改變，植物體通過產生有機或無機小分子物質作為滲透調節物質來緩解由于低溫引起的滲透壓的變化。脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖是植物體內主要的滲透調節物質。本研究表明，不同濃度的BR噴灑后，小麥分蘗節的脯氨酸和可溶性蛋白增加，并在BR濃度為0.1 mg·L時脯氨酸和可溶性蛋白含量最高，此時小麥的滲透調節能力最強，這與Kang等對苦瓜滲透調節能力的研究結果相似；BR處理后可溶性糖的含量與對照組差異不顯著，與劉麗杰等關于4 ℃低溫脅迫下得出表油菜素內酯能提高冬小麥幼苗可溶性糖含量的結果并不一致，可見不同低溫以及低溫處理的持續時間會影響冬小麥滲透調節物質的積累，在越冬期BR主要通過脯氨酸和蛋白質的積累來調節冬小麥細胞的滲透調節能力，從而提高其抗寒性。

光合作用是植物的主要生命活動，低溫會抑制葉綠素的合成，使葉綠素降解加快，因低溫會使光系統Ⅰ和光系統Ⅱ的結構和功能破壞，阻礙電子傳遞鏈(ETC)的傳遞功能，從而使植物發生光氧化現象。植物可通過將過度吸收的光轉換成熱能來降低電子傳輸的速率，多余的激發能作為熱量被耗散，它可以激活散熱通道降低光系統Ⅱ中葉綠素激發態的濃度，進而使植物適應低溫環境。本研究結果表明，在低溫脅迫下，BR可使兩個品種冬小麥分蘗節中的葉綠素含量顯著提高，減少低溫對葉綠素的破壞，從而維持光合作用的進行，在BR濃度為0.1 mg·L時葉綠素的含量達到峰值，這與前人在黃瓜和玉米上的研究結果相似。

總之，油菜素內酯能夠有效緩解低溫對冬小麥的脅迫，提高抗氧化酶活性和滲透調節物質含量，降低低溫對細胞膜的傷害，提高返青率，最適油菜素內酯濃度為0.1 mg·L，對強抗寒品種東農冬麥1號的效果好于弱抗寒品種濟麥22。