孕穗期低溫對(duì)小麥幼穗發(fā)育及產(chǎn)量的影響

楊 麗 李 洋 王佳勤 張安民 黃正來 馬尚宇 樊永惠 張文靜

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

小麥(TriticumaestivumL.)在世界范圍內(nèi)種植較為廣泛，總產(chǎn)量位居世界糧食作物第二[1]。低溫脅迫是小麥生產(chǎn)的主要限制因素之一[2]，在3月下旬至4月上旬低溫事件較為頻發(fā)[3]，此時(shí)小麥處于孕穗期，低溫脅迫對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成具有顯著影響[4-5]。Ji等[4]研究表明孕穗期低溫脅迫會(huì)嚴(yán)重影響小麥幼穗發(fā)育，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低。

植物光合產(chǎn)物主要以蔗糖的形式經(jīng)維管束韌皮部從源運(yùn)輸?shù)椒枪夂蠋?kù)，在遭受低溫脅迫后，維管束會(huì)出現(xiàn)木質(zhì)部延伸現(xiàn)象，導(dǎo)致維管束結(jié)構(gòu)改變，木質(zhì)部排列紊亂[6]，進(jìn)而阻礙蔗糖運(yùn)輸或減緩蔗糖運(yùn)輸速率。在高等植物中，蔗糖合成酶(sucrose synthase, SS)、磷酸蔗糖合成酶(phosphosucrose synthase, SPS)、尿苷二磷酸-葡萄糖焦磷酸化酶(uridine diphosphate glucose pyrophosphorylase, UGP)以及轉(zhuǎn)化酶(invertase, Inv)都是參與蔗糖代謝的關(guān)鍵酶。Wang等[7]研究表明番茄(LycopersiconesculentumMill.)經(jīng)低溫處理后葉片SS和SPS活性降低。有研究表明水稻(OryzasativaL.)受低溫脅迫后，籽粒中SS和Inv活性下降導(dǎo)致蔗糖分解受阻，蔗糖含量明顯積累[8]。孕穗期低溫脅迫后小麥幼穗SPS活性增強(qiáng)，同時(shí)Inv活性下降[9]，低溫脅迫時(shí)小麥分蘗節(jié)和葉片中UGP活性呈下降趨勢(shì)[10]。Oliver等[11]對(duì)水稻花粉進(jìn)行冷脅迫和脫落酸誘導(dǎo)研究，結(jié)果表明低溫逆境中細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶基因表達(dá)受到抑制，進(jìn)而導(dǎo)致了花藥中糖運(yùn)輸受阻，造成花藥中雄性不育。有研究表明小麥不育系花藥中，低溫脅迫使得細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶IVR1和IVR5基因表達(dá)下調(diào)，引起細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶活性降低，花藥絨氈層和小孢子液泡中蔗糖水解阻滯，蔗糖利用受阻，進(jìn)而導(dǎo)致花粉發(fā)育異常[12]。

植物內(nèi)源激素脫落酸(abscisic acid, ABA)、赤霉素(gibberellin, GA)和生長(zhǎng)素(indole-3-acetic acid, IAA)是植物響應(yīng)各種外界非生物或生物脅迫的重要調(diào)節(jié)因子，對(duì)植物發(fā)育及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)有著極為重要的作用[13-14]。高瓊等[15]通過分析擬南芥(Arabidopsisthaliana(L.) Heynh.)與煙草(NicotianatabacumL.) GA代謝發(fā)現(xiàn)低溫脅迫下促進(jìn)GA失活的酶基因表達(dá)上調(diào)，GA含量顯著降低。也有研究表明，低溫脅迫對(duì)孕穗期水稻葉片內(nèi)源激素的影響顯著，隨著溫度的降低，IAA、GA含量逐漸增加，而ABA含量逐漸降低[16]。Kosov等[17]研究表明短期低溫脅迫后小麥ABA和GA含量增加，IAA含量降低，但隨著低溫時(shí)間的延長(zhǎng)，ABA、細(xì)胞分裂素(cytokinin, CTK)和GA含量均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)春季低溫對(duì)小麥生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及其機(jī)理進(jìn)行了大量研究，但孕穗期低溫對(duì)小麥幼穗維管束數(shù)目、蔗糖代謝以及激素含量影響的相關(guān)研究較少。為此，本研究選用不同低溫敏感型小麥品種作為試驗(yàn)材料，研究孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥幼穗穗軸輸導(dǎo)結(jié)構(gòu)、穗部蔗糖含量、蔗糖代謝相關(guān)酶活性和內(nèi)源激素含量的影響，揭示孕穗期低溫導(dǎo)致幼穗發(fā)育不良，造成產(chǎn)量降低的生理原因，以期為選育抗寒性小麥品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種煙農(nóng)19(低溫遲鈍型)，由山東省煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育；皖麥52(低溫敏感型)，由安徽省宿州市種子公司選育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2019年在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)基地農(nóng)萃園(31.83°N，117.24°E)進(jìn)行。選用2個(gè)不同敏感型的小麥品種(低溫遲鈍型煙農(nóng)19和低溫敏感型皖麥52)進(jìn)行大田盆栽試驗(yàn)，盆栽用桶為聚乙烯塑料桶，高25 cm、直徑30 cm，桶底中央有6個(gè)排水孔。盆栽用土取自0～20 cm耕作層，土壤過篩后，每盆裝土9 kg，然后將試驗(yàn)盆埋于試驗(yàn)田中，盆內(nèi)表土與盆外土壤高度持平。播種前每盆施入有機(jī)肥75 g、尿素(含氮量46%)4.57 g、復(fù)合肥(N∶P∶K=17∶17∶17)7 g，覆0.6 kg沙土，播種后再覆0.9 kg沙土，并在小麥拔節(jié)期每盆追施尿素2.28 g，試驗(yàn)盆周圍大田種植相同品種小麥，齊苗后間苗，每盆留苗10株，種植及栽培管理方式按照高產(chǎn)田塊要求進(jìn)行。

根據(jù)近年來春季低溫發(fā)生的規(guī)律及小麥生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，結(jié)合顯微鏡觀察于2019年4月1日(孕穗期)每品種小麥各取60盆置于人工氣候室中，設(shè)置3個(gè)低溫處理，每個(gè)處理20盆。18:00—次日6:00溫度分別設(shè)置為-2、0和2℃，6:00—18:00溫度均設(shè)置為5℃，氣候室內(nèi)相對(duì)濕度設(shè)置為70%，24 h低溫處理結(jié)束后移回大田。以同品種未低溫處理的樣品作為對(duì)照(CK)，在低溫處理期間使用Rc-4hc Elitech智能溫濕度記錄儀(江蘇省徐州市江蘇精創(chuàng)電器股份有限公司)每10 min 1次連續(xù)記錄對(duì)照組小麥冠層溫濕度變化，如圖1所示。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

低溫處理結(jié)束后24 h，取大小一致的幼穗10～12個(gè)。為了分析不同穗位間的發(fā)育情況，將幼穗分為上中下3個(gè)穗位，上面的6～7個(gè)小穗稱為上部穗，用US(upper spike)表示，中間的6～7個(gè)小穗稱為中部穗，用MS(middle spike)表示，下面的6～7個(gè)小穗稱為下部穗，用LS(lower spike)表示。取US、MS和LS中第1～第3位小穗和小花，液氮速凍后置于-80℃冰箱保存，用以測(cè)定蔗糖代謝以及內(nèi)源激素各個(gè)指標(biāo)。

1.3.1 維管束形態(tài) 低溫處理結(jié)束后24 h，取主莖穗和分蘗穗，剝離出幼穗穗軸，用2.5%戊二醛溶液固定12 h，0.1%磷酸緩沖液漂洗后，經(jīng)脫水、包埋、切片、染色后用BXB51BXB52系統(tǒng)顯微鏡(日本Olympus公司)、S-4800掃描電子顯微鏡(日本Hitach公司)觀察維管束顯微及超微結(jié)構(gòu)并統(tǒng)計(jì)10個(gè)小穗穗軸維管束數(shù)目。

1.3.2 蔗糖含量 蔗糖含量測(cè)定采用間苯二酚法[18]。每個(gè)處理測(cè)定3個(gè)重復(fù)，取平均值用于結(jié)果分析。

1.3.3 蔗糖代謝相關(guān)酶活性 參照陳功等[19]的方法，取1.0 g幼穗樣品，加入10 ml緩沖液(pH值7.5)混合。在研缽內(nèi)加入液氮研磨后，將磨好的樣品在4℃下10 000 r·min-1離心10 min，所得上清液為粗酶液。使用Elisa試劑盒(上海江萊生物科技有限公司)，按試劑盒操作步驟測(cè)定各處理小麥幼穗蔗糖代謝相關(guān)酶(SPS、SS、UGP、和Inv)活性。每個(gè)處理測(cè)定3個(gè)重復(fù)，取平均值用于結(jié)果分析。

1.3.4 轉(zhuǎn)化酶基因IVR1和IVR5的表達(dá)特征 總RNA提取采用RNAiso Reagent試劑盒(日本TaKaRa公司)，RNA的反轉(zhuǎn)錄使用cDNA合成試劑盒(日本TaKaRa公司)，并按照說明書進(jìn)行。利用實(shí)時(shí)熒光定量PCR(quantitative real-time PCR，qRT-PCR)法測(cè)定基因的相對(duì)表達(dá)量，內(nèi)參基因和引物參照Koonjul等[20]的方法，由上海生工生物工程股份有限公司合成。每個(gè)處理測(cè)定3個(gè)重復(fù)，取平均值用于結(jié)果分析。

1.3.5 內(nèi)源激素含量 使用Elisa酶聯(lián)免疫試劑盒(上海科順生物科技有限公司)，按照試劑盒操作步驟測(cè)定小麥幼穗內(nèi)源激素(ABA、IAA和GA)的含量。每個(gè)處理測(cè)定3個(gè)重復(fù)，取平均值用于結(jié)果分析。

1.3.6 產(chǎn)量構(gòu)成因素 將孕穗期低溫脅迫后的盆栽移回大田，每品種預(yù)留6盆不進(jìn)行破壞性取樣，待成熟期考種，供測(cè)定穗粒數(shù)、千粒重。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DPS和SPSS 26.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性與相關(guān)性分析，其中相關(guān)性分析每個(gè)指標(biāo)各個(gè)處理取3個(gè)重復(fù)，并采用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 孕穗期低溫脅迫對(duì)幼穗穗軸維管束的影響

由表1和圖2可知，低溫脅迫影響了小麥穗軸維管束形態(tài)和維管束數(shù)目。正常生長(zhǎng)狀態(tài)下，大、小維管束數(shù)由下往上數(shù)目逐漸減少。與對(duì)照相比，孕穗期 -2℃ 處理后，煙農(nóng)19下部和中部穗軸大維管束數(shù)目變化不明顯，但上部穗軸大維管束數(shù)目較對(duì)照顯著減少了50%；小維管束數(shù)下部變化不明顯，但中部至上部數(shù)目顯著減少了50.27%。孕穗期-2℃處理后，皖麥52上中下部穗大小維管束數(shù)目與對(duì)照相比均顯著下降。不同穗位間比較，低溫脅迫對(duì)上部小穗維管束數(shù)目的影響大于中部和下部。不同品種間相比，低溫脅迫對(duì)低溫敏感型品種皖麥52幼穗穗軸維管束數(shù)的影響較大。

注：SVB和LVB分別表示大維管束和小維管束。Note: SVB and LVB represent the major and minor vascular bundles, respectively.圖2 孕穗期低溫對(duì)小麥穗軸維管束的影響Fig.2 Effects of low temperature at booting stage on vascular bundle of cob in wheat

2.2 孕穗期低溫脅迫對(duì)幼穗中蔗糖含量的影響

由圖3可知，孕穗期低溫脅迫后，小麥幼穗中蔗糖含量增加，各溫度處理與對(duì)照間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，且隨著處理溫度的降低，蔗糖含量增加幅度上升。不同穗位間相比，上部穗幼穗中蔗糖含量較中部穗和下部穗增加幅度低。與對(duì)照相比，低溫遲鈍型品種煙農(nóng)19經(jīng)2、0、-2℃低溫處理后，中部穗蔗糖含量分別顯著增加37.45%、42.71%、65.50%；下部穗分別顯著增加38.14%、43.25%、66.03%。低溫敏感型品種皖麥52經(jīng)2、0、-2℃低溫處理后，中部穗蔗糖含量與對(duì)照相比分別顯著增加39.84%、50.42%、69.72%；下部穗分別顯著增加26.00%、43.64%、63.28%。

注：不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level between treatments. The same as following.圖3 孕穗期低溫對(duì)小麥幼穗蔗糖含量的影響Fig.3 Effect of low temperature at booting stage on sugar metabolism of young panicle of wheat

2.3 孕穗期低溫脅迫對(duì)幼穗中蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響

由圖4可知，在孕穗期2℃處理后，與對(duì)照相比，小麥幼穗中SS活性顯著提高(P<0.05)；而0和-2℃處理后，SS活性與對(duì)照相比無顯著差異。不同穗位間比較，SS活性增長(zhǎng)幅度表現(xiàn)為上部穗>中部穗>下部穗。以皖麥52為例，經(jīng)2℃處理后，上部穗、中部穗和下部穗中SS活性與對(duì)照相比分別顯著提高25.31%、14.64%和8.82%。

圖4 孕穗期低溫對(duì)小麥幼穗蔗糖合成酶(SS)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UGP)和蔗糖轉(zhuǎn)化酶(Inv)活性的影響Fig.4 Effects of low temperature at booting stage on the activities of sucrose synthase (SS), sucrose phosphate synthase (SPS), UDP-glucose pyrophosphorylase (UGP) and sucrose invertase (Inv) in young panicles of wheat

孕穗期低溫脅迫后，小麥幼穗中SPS活性提高，UGP、Inv活性均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與對(duì)照相比差異整體達(dá)顯著水平(P<0.05)。且隨著處理溫度的降低，SPS活性增強(qiáng)幅度與UGP、Inv活性下降幅度均增大。不同穗位間比較，SPS活性變化表現(xiàn)為上部穗>中部穗>下部穗；兩小麥品種UGP和Inv活性均表現(xiàn)為下部穗下降幅度最大。以皖麥52為例，經(jīng)2、0、-2℃ 低溫處理后，與對(duì)照相比，上部穗SPS的活性與對(duì)照相比分別顯著提高14.03%、25.74%、42.89%；下部穗U(xiǎn)GP活性分別顯著降低9.51%、22.55%、34.92%，下部穗Inv活性分別顯著降低11.31%、20.68%、26.36%。

2.4 孕穗期低溫脅迫對(duì)幼穗IVR1和IVR5表達(dá)特征的影響

由圖5可知，孕穗期低溫脅迫后，小麥幼穗不同穗位IVR1與IVR5的表達(dá)量均呈下降趨勢(shì)。不同穗位間比較，低溫處理后兩個(gè)品種上部穗與下部穗的IVR1與IVR5表達(dá)量相較于中部穗下降幅度更大。以皖麥52為例，經(jīng)2、0、-2℃低溫處理后，與對(duì)照相比，上部穗中IVR1的表達(dá)量分別顯著降低了22.86%、32.18%、56.22%，IVR5的表達(dá)量分別顯著降低了38.69%、48.70%、72.53%；中部穗中IVR1表達(dá)量分別顯著降低了18.51%、28.13%、47.52%，IVR5的表達(dá)量分別顯著降低了36.48%、47.39%、58.11%；下部穗中IVR1表達(dá)量分別顯著降低了27.03%、37.32%、61.06%，IVR5的表達(dá)量分別顯著降低了43.05%、50.37%、64.40%。

圖5 孕穗期低溫對(duì)小麥幼穗轉(zhuǎn)化酶基因表達(dá)量的影響Fig.5 Effect of low temperature at booting stage on the expression of invertase gene in young panicle of wheat

2.5 孕穗期低溫脅迫對(duì)幼穗中內(nèi)源激素含量的影響

由圖6可知，孕穗期低溫脅迫后，小麥幼穗中ABA含量增加，IAA和GA含量均呈下降趨勢(shì)。隨著低溫脅迫的加劇，ABA含量增加幅度與IAA和GA含量降低幅度均上升，且除皖麥52幼穗中GA含量，不同溫度處理間的ABA、IAA和GA含量與對(duì)照相比均差異顯著。不同穗位相比，下部穗中ABA含量上升幅度明顯大于上部穗與中部穗；上部穗與下部穗IAA含量下降幅度明顯高于中部穗；上部穗GA含量下降幅度低于中部穗。以皖麥52為例，經(jīng)-2℃低溫處理后，與對(duì)照相比，上部穗IAA和GA含量分別顯著下降了58.23%、22.50%；下部穗中ABA、IAA和GA含量分別下降了66.11%、49.93%和19.81%。

圖6 孕穗期低溫對(duì)小麥幼穗中脫落酸(ABA)、生長(zhǎng)素(IAA)和赤霉素(GA)含量的影響Fig.6 Effects of low temperature at booting stage on contents of ABscisic acid (ABA), Indole-3-acetic acid (IAA) and gibberellin (GA) in young ears of wheat

2.6 孕穗期低溫脅迫對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由圖7可知，孕穗期低溫脅迫后，與對(duì)照相比，小麥穗粒數(shù)和千粒重均顯著下降(P<0.05)，且隨著處理溫度的降低，穗粒數(shù)和千粒重下降幅度增加。低溫敏感型品種皖麥52經(jīng)過2、0、-2℃處理后，穗粒數(shù)與對(duì)照相比分別顯著下降6.65%、13.34%、24.71%；千粒重與對(duì)照相比分別顯著下降3.15%、9.23%、18.82%。不同品種間相比，敏感型品種皖麥52穗粒數(shù)與千粒重下降幅度均高于遲鈍型品種煙農(nóng)19。

圖7 孕穗期低溫對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響Fig.7 Effect of low temperature at booting stage on wheat yield componentst

2.7 產(chǎn)量因素與蔗糖代謝酶活性和內(nèi)源激素含量的相關(guān)性分析

對(duì)兩個(gè)小麥品種產(chǎn)量因素與蔗糖代謝相關(guān)酶活性和激素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。孕穗期低溫脅迫后，蔗糖含量、SPS活性和ABA含量分別與穗粒數(shù)、千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，而UGP活性、Inv活性、IAA含量和GA含量分別與穗粒數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)。

表2 產(chǎn)量因素與蔗糖代謝相關(guān)酶活性和激素含量的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of yield factors with sucrose metabolism-related enzyme activities and hormone content

3 討論

3.1 孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥穗軸維管束的影響

維管束是碳水化合物的運(yùn)輸通道，其結(jié)構(gòu)和發(fā)育狀況直接影響著碳水化合物的運(yùn)輸與積累，進(jìn)而影響小麥的發(fā)育與粒重的形成[21]。李金才等[22]對(duì)小麥穗軸進(jìn)行解剖試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)維管束數(shù)目與小穗結(jié)實(shí)粒數(shù)和粒重呈極顯著正相關(guān)。本試驗(yàn)電鏡結(jié)果顯示，孕穗期遭受低溫脅迫后，小麥幼穗穗軸大小維管束數(shù)目減少，結(jié)構(gòu)受損，抑制了幼穗同化物的正常運(yùn)輸，降低了小麥小花發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)供給，進(jìn)而影響了小麥穗粒數(shù)及粒重的形成。這與水分脅迫下小麥幼穗維管束的變化一致[23]。前人研究發(fā)現(xiàn)，小麥小花中維管束數(shù)目與類型受IAA和蔗糖含量共同影響，蔗糖含量高會(huì)抑制維管束的分化，IAA含量升高則會(huì)促進(jìn)維管束的分化[24]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示低溫脅迫后幼穗蔗糖含量增加，可能反向抑制了小麥幼穗穗軸維管束的分化。

3.2 孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥穗部蔗糖代謝及相關(guān)酶活性的影響

蔗糖是遭受低溫脅迫后細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的保護(hù)物質(zhì)。蔗糖含量的增加是小麥應(yīng)對(duì)孕穗期低溫脅迫的自我調(diào)節(jié)機(jī)制[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，孕穗期低溫脅迫下，小麥小穗中蔗糖含量增加，而較高的蔗糖含量有利于小麥應(yīng)對(duì)低溫逆境[26]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示低溫遲鈍型小麥品種的蔗糖含量上升幅度高于低溫敏感型小麥品種，說明低溫遲鈍型小麥品種在低溫逆境中能夠更好地通過蔗糖調(diào)節(jié)物質(zhì)分配來應(yīng)對(duì)脅迫，這與王樹剛等[27]的研究結(jié)果一致。

在孕穗期低溫脅迫下，小麥會(huì)通過控制蔗糖代謝相關(guān)酶活性來確保組織內(nèi)產(chǎn)生大量的蔗糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以減少低溫脅迫對(duì)植物造成的損傷，提高抗寒性[9,28]。研究表明，煙草和玉米受低溫脅迫后，葉片中促進(jìn)SPS酶合成的基因表達(dá)上調(diào)，SPS活性增加[29-30]。SS活性與蔗糖含量變化不同，也證明低溫條件下，SS主要參與蔗糖水解的過程，而非在合成過程中發(fā)揮作用[31]。在低溫脅迫下，由Inv和單糖蛋白參與運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)外體運(yùn)輸途徑受到抑制，影響了蔗糖向花藥的運(yùn)輸[32]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小麥幼穗中Inv活性均隨著溫度的降低而下降，而Inv活性降低導(dǎo)致小麥幼穗中蔗糖水解阻滯，蔗糖代謝異常，可能致使小花敗育，穗粒數(shù)降低[9]。擬南芥UGP基因缺失造成雄性不育[33]，表明UGP參與花粉發(fā)育過程。劉麗杰等[34]研究表明低溫抑制了小麥葉片和地下莖中UGP在蔗糖合成中的作用。本試驗(yàn)中，在低溫脅迫下UGP活性下降，使得二磷酸尿苷葡糖(uridine diphosphate glucose,UDPG)合成速率降低，UDPG作為蔗糖降解的底物，使得蔗糖降解速度下降，蔗糖含量提升，與劉麗杰等[34]研究中得到的蔗糖含量變化趨勢(shì)一致。進(jìn)一步說明低溫導(dǎo)致UGP活性下降，不利于花粉正常發(fā)育，可能是導(dǎo)致穗粒數(shù)下降的原因之一。

3.3 孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥轉(zhuǎn)化酶相關(guān)基因定量表達(dá)情況的影響

研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶和液泡轉(zhuǎn)化酶參與了花發(fā)育的早期階段[35]。在植物授粉之前，轉(zhuǎn)化酶參與了花藥和子房的己糖供應(yīng)過程[36]，其中IVR1和IVR5均在碳水化合物的利用方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，前者主要調(diào)節(jié)蔗糖代謝，而后者主要在細(xì)胞代謝方面發(fā)揮作用[37]。相關(guān)研究顯示，在小麥花藥絨氈層和小孢子中特異表達(dá)的IVR1和IVR5可對(duì)其糖運(yùn)輸進(jìn)行特異調(diào)節(jié)[20]。本試驗(yàn)表明，低溫脅迫對(duì)小麥幼穗中IVR1和IVR5的表達(dá)有明顯的抑制作用，從而導(dǎo)致蔗糖無法正常轉(zhuǎn)運(yùn)至小花，致使小花發(fā)育受阻；孕穗期低溫脅迫后，穗軸維管束數(shù)目降低，幼穗中蔗糖代謝相關(guān)酶活性發(fā)生顯著變化；轉(zhuǎn)運(yùn)酶Inv活性下降，轉(zhuǎn)運(yùn)酶相關(guān)基因IVR1與IVR5表達(dá)量下調(diào)，蔗糖代謝受阻。同時(shí)UGP活性下降，表明蔗糖降解的底物含量下降，可引起UGP反應(yīng)向UDPG合成方向移動(dòng)，從而使蔗糖含量升高。

3.4 孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥內(nèi)源激素的影響

低溫脅迫使植物體內(nèi)激素的含量發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)控其代謝活動(dòng)，維持正常的生理機(jī)能[16,38]。有研究表明小麥幼穗內(nèi)源激素在小麥小花發(fā)育過程中對(duì)小麥穗粒數(shù)具有調(diào)控作用[39]。王興等[40]發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫下，小麥IAA含量會(huì)隨溫度的降低而降低。小麥小穗的分化發(fā)育受內(nèi)源GA水平的控制。抑制內(nèi)源促生GA信號(hào)通路可顯著提高植物在低溫、高鹽、干旱脅迫下的存活率[41]。此外，有研究表明低溫脅迫下，水稻花藥內(nèi)源激素GA含量降低，導(dǎo)致小花敗育，穗粒數(shù)嚴(yán)重下降[42]；而外施GA處理能使低溫下花粉可育程度增加，進(jìn)而增加結(jié)實(shí)率[43]。本研究發(fā)現(xiàn)孕穗期低溫脅迫后，小麥幼穗中IAA和GA含量均大幅下降，導(dǎo)致穗部養(yǎng)分輸入的不足，降低小麥小花可育性，最終造成產(chǎn)量下降，且以小麥上部和下部幼穗下降幅度較大，這與Zhang等[5]的研究結(jié)果一致。可見低溫脅迫對(duì)小麥幼穗上部及下部的小花發(fā)育影響更大。

ABA作為脅迫激素，在低溫脅迫的響應(yīng)中起著重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)源激素ABA含量積累可誘導(dǎo)脅迫基因表達(dá)，增強(qiáng)抗寒性[44]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫脅迫下，小麥幼穗中ABA含量增加，且增加幅度隨著處理溫度的降低而加大。低溫下ABA含量增加可能會(huì)放大ABA信號(hào)，誘導(dǎo)下游ABA應(yīng)答耐低溫相關(guān)基因表達(dá)量發(fā)生改變，使植物低溫耐受性增強(qiáng)。從而表明ABA在小麥幼穗中的積累與植株抗寒性的增強(qiáng)相關(guān)，這與Zhang等[9]和齊付國(guó)等[38]的結(jié)論一致。

3.5 孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

研究表明，孕穗期低溫脅迫對(duì)小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)有顯著影響[27,45]，尤其是孕穗期低溫脅迫可導(dǎo)致小麥穗粒數(shù)降幅達(dá)55%[45]，這也是低溫脅迫下小麥產(chǎn)量降低的主要原因。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孕穗期低溫脅迫會(huì)使小麥穗粒數(shù)顯著降低，且脅迫溫度越低，對(duì)產(chǎn)量的影響越大，這與李春燕等[46]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

孕穗期低溫脅迫后，小麥幼穗穗軸維管束數(shù)目下降；幼穗中參與蔗糖代謝的相關(guān)酶活性及基因表達(dá)量發(fā)生變化，參與蔗糖合成的SPS活性提高，參與蔗糖分解的Inv和SS活性均下降，小花中轉(zhuǎn)化酶基因IVR1和IVR5的表達(dá)受到抑制，誘導(dǎo)了幼穗中蔗糖含量的積累；幼穗中促進(jìn)生長(zhǎng)的植物激素IAA和GA含量下降，抑制生長(zhǎng)的ABA含量上升。孕穗期低溫脅迫后，由于幼穗穗軸維管束數(shù)目下降、幼穗中蔗糖代謝和相關(guān)酶基因及激素含量發(fā)生變化，最終導(dǎo)致小麥穗粒數(shù)和千粒重均下降。