花后高溫脅迫對小麥籽粒萌發及相關酶活性影響

摘 要：【目的】研究小麥花后高溫處理對其籽粒發芽和生長的影響，分析小麥響應花后高溫逆境的生理機制。

【方法】以新疆主栽小麥品種新春11號為材料，取小麥成熟后的籽粒，待小麥開花后5～8 d時進行高溫處理，研究其萌發特性以及相關酶活性。

【結果】小麥籽粒在經過高溫處理后，籽粒發芽率和發芽勢與對照相比較顯著降低（分別降低5.10%和3.22%），電導率指標極顯著高于對照（高出22.78%）。經過花后高溫處理，小麥籽粒萌發并且長成嫩芽的芽長以及芽鮮重，與對照相比較顯著降低17.98% 和12.84%；在小麥籽粒萌發中，發芽指數和活力指數均顯著下降。種子活力（TTC還原強度）的變化雖然差異不顯著，但降低程度達26.02%。

【結論】小麥開花后遭受高溫脅迫，導致籽粒中酶活性下降，最終造成種子活力降低，并且減緩了小麥幼苗時期的長勢，小麥的產量亦受到影響。

關鍵詞：小麥；花后高溫；籽粒萌發；淀粉酶；過氧化物酶

中圖分類號：S512"" 文獻標志碼：A"" 文章編號：1001-4330（2024）06-1345-07

0 引 言

【研究意義】高活力小麥種子對小麥生產具有重要的影響［1-3］。小麥組織內的POD酶和CAT酶可以通過清除小麥的超氧自由基，防止小麥籽粒在高溫脅迫下發生細胞衰老從而對其種子造成氧化損傷。POD和CAT活性越高，小麥種子越有活力，抗高溫能力也隨之越強。由于小麥籽粒萌發期間，其根系部位酶活對環境因素的變化更敏感，保證籽粒萌發中根部酶活以及根部生長的順利進行，對小麥幼苗后期及成苗生長至關重要，對小麥產量的形成也具有重要意義。

【前人研究進展】張曉龍等［4］研究表明，活力較高的種子，其萌發速度也較快，小麥分孽期、抽穗期、開花期均表現為相對較早，并且小麥長勢整齊，一些活力較高的大粒種子相比小粒種子，產量相對高產，平均增值達 32.20%。新疆屬高溫長日照地區，溫度等環境因素對小麥的影響尤為顯著［5］。在春小麥開花后的不同時期對栽培小麥進行高溫處理，可顯著降低翌年春小麥籽粒萌發嫩芽的長勢和種子活力，并且花后高溫越早，對春小麥籽粒活力的影響就越大，花后3 d高溫的影響最大［6］。灌漿期高溫顯著加快灌漿時間，致使小麥產量顯著下降，種子成熟度不夠，造成種子活力顯著下降。谷類作物中主要存在2種淀粉降解酶即α-淀粉酶（α-amylase）和β-淀粉酶（β-amylase）。α-淀粉酶的作用在淀粉分解中非常關鍵，且其活性易受到溫度的影響。小麥籽粒在成熟前經過低溫處理，籽粒中α-淀粉酶的活性會顯著上升，相反，高溫則會致使小麥籽粒中α-淀粉酶的活性降低［7］。陳蕾太等［8］研究表明，淀粉酶的活性水平與種子的活力指數呈顯著的正相關關系。高溫脅迫對于植物的膜脂質透性增加有很強的刺激作用［9-10］。

【本研究切入點】環境對小麥種子的自身遺傳特性以及生長發育將產生極為顯著的影響，尤其是對于種子活力影響更為直接［11］。小麥生產中，會受到高溫環境因素的影響，但目前針對小麥花后遭遇高溫環境，影響其籽粒萌發特性的影響報道較少。需研究小麥花后高溫處理對其籽粒發芽和生長的影響。【擬解決的關鍵問題】以新春11號為材料，于小麥開花后5～8 d進行高溫處理，研究高溫逆境脅迫對小麥籽粒的萌發以及酶活性的影響，為小麥抗逆新品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為春小麥品種新春11號，成熟性中等（來自于石河子大學麥類作物研究所）。

1.2 方 法

2016年9～12月，盆栽試驗，在人工氣候室（20～25℃）進行。盆直徑25 cm，深30 cm；盆土重1.5 kg左右。土壤理化性質為基質和蛭石3∶1混合而成，土壤全氮量1.1 g/kg，速效磷37.58 mg/kg，速效鉀132.42 mg/kg。每個栽培盆人工點播種子20粒。人工選擇性狀基本生長一致的幼苗作為材料，在小麥開花后5 d將幼苗移栽至（GZP-250A）光照培養箱中進行高溫逆境處理。處理期間晝/夜溫度設定為35℃/18℃。高溫處理時間段為12：00～17：00，再將幼苗移栽至人工氣候室。對照（CK）材料不采用任何高溫逆境處理。待小麥成熟后，小心剝取麥穗的中下部籽粒，一部分自然干燥后用于小麥籽粒萌發時特性的測定，剩余的小麥籽粒需要放置于液氮中速凍，待30 min后，再轉置于-80℃的超低溫冰箱中寄存，后期測定相關酶活性。

1.2.1 測定指標

1.2.1.1 種子活力

采用蔡克孝等［12］方法測定小麥種子活力，以種子萌發指數和種子活力指數表示。

發芽指數（GI）=∑（Gt/Dt）.

式中，Gt為1～7 d萌發的籽粒數量，Dt為萌發所需要的總時間。

種子的活力指數=GI×S.

式中，S為第7 d種子萌發時的幼苗長度（cm）或者是種子萌發后幼苗的重量（mg），GI為萌發指數。

從每個培養皿中隨機抉擇10株小麥幼苗測定發芽長度（cm）、芽鮮重（mg）、萌發后幼苗根長（cm）（即每株小麥根長為最長根長度）和根鮮重（mg）。

1.2.1.2 籽粒電導率

采用種子生物學［13］方法測定種子電導率。

1.2.1.3 種子活力

采取胡晉［14］氯化三苯基四氮唑（2，3，5-Triphenyl Terrazolium Chloride，TTC）改進法用于測定種子活力相關指標。

1.2.1.4 淀粉酶活性

采用劉子凡［15］方法測定α-淀粉酶、β-淀粉酶、總淀粉酶。

1.2.1.5 過氧化物酶POD

運用愈創木酚法［16］測定POD含量。

1.2.1.6 過氧化氫酶CAT

運用紫外吸收法［17］測定CAT含量。

1.3 數據處理

數據處理（Data Treating）和作圖（Plot）：WPS Excel 2016；方差分析（ANOVA）和顯著性檢驗（Test Of Significance）：IBM SPSS Statistics 19.0；圖表的制作：Photoshop。

2 結果與分析

2.1 小麥花后遭遇高溫脅迫對其種子萌發影響

2.1.1 花后遭遇高溫脅迫對小麥種子發芽率及發芽勢的影響

研究表明，小麥開花后遭受到高溫逆境脅迫時，發芽率和發芽勢較對照（CK）分別降低了5.10%和3.22%，2項指標較對照顯著降低，并且發芽率差異極顯著。圖1

2.1.2 花后高溫對芽期幼苗生長的影響

研究表明，小麥籽粒在嫩芽時期的芽長與嫩芽時期的芽鮮重，在遭受小麥花后高溫逆境脅迫處理后，與對照相比，2項指標分別降低了17.98%和12.84%，且差異顯著；另外2項指標根長和根鮮重也表現為同樣的變化趨勢。小麥籽粒在經過一定的高溫處理后，種植后長出的幼苗芽長、芽鮮重、根長和根鮮重等指標均受到影響，影響嫩芽的地上部分和根部的正常生長。圖2

2.1.3 小麥花后遭受高溫脅迫其籽粒電導率的影響

研究表明，經花后高溫脅迫處理后的小麥籽粒電導率與對照差異極顯著（高出對照22.78%），高溫脅迫降低了種子活力。圖3

2.1.4 小麥花后遭受高溫脅迫對種子活力影響

研究表明，小麥開花后經過高溫逆境處理后，翌年種植待種子萌發后，小麥苗期嫩芽的長度以及鮮重均較對照降低顯著，幼苗長度降低12.48%，幼苗時期鮮重減少6 g，達到4.97%，與對照差異不顯著。發芽指數、活力指數Ⅰ和活力指數Ⅱ等指標較對照呈顯著降低且降幅較大（降幅分別為22.92%、22.62%和17.21%）；種子活力（TTC還原強度）與對照相比雖然降低26.02%，但差異不顯著。表1

2.2 花后遭受高溫脅迫對小麥種子萌發過程中相關酶活性的影響

2.2.1 小麥花后遭受高溫脅迫對籽粒中過氧化物酶POD和過氧化氫酶CAT活性的影響

研究表明，栽培過程中，小麥種子的發芽時間延長，種子內部POD酶活性增加，并且在小麥的各個時期，葉片中POD酶的活性均明顯小于根系。小麥經過花后的高溫逆境脅迫處理后所生成的籽粒，在翌年籽粒萌發時的各時期，其根系和葉片的POD酶活性降低（分別較對照POD酶活性降低了20.97%和11.52%），其中葉片POD酶活性在萌發7 d時差異顯著（較對照CK降低了24.19%）。小麥栽培中，經過花后的高溫逆境處理所生成的籽粒，翌年栽培種植后，在籽粒萌發的中后期，萌發生長的嫩芽根系和葉片的POD酶活性均易受到影響，但前者受到影響的程度大于后者。

小麥籽粒CAT和POD活性變化趨勢相似。在小麥發芽過程中，CAT活性在根系和葉片中均有所增加，并且CAT的活性葉片明顯小于根系，但是增加量均小于POD；小麥經花后高溫處理后，其籽粒種子與對照組相比較，處理組籽粒分別在其萌發的第3、5和7 d時，生長出的幼苗根系的CAT酶的活性明顯降低了44.96%、34.31%和32.71%；在同樣的處理和時間條件下，小麥經花后高溫處理后，其籽粒種子與對照組相比較，處理組籽粒分別在其萌發的第3、5和7 d時，生長出的幼苗葉片CAT酶活性下降了19.26%、33.06%和10.19%。小麥經花后高溫處理后，其籽粒種子生長出的幼苗根系和葉片的CAT酶活性均受影響，但是前者受影響的程度更大。圖4

2.2.2 花后高溫脅迫對籽粒淀粉酶活性的影響

研究表明，小麥種子萌發過程中，POD、SOD以及CAT三者的活性變化表現出相似性，小麥種子在萌發期間，種子淀粉酶活性逐漸增強或逐漸達到平穩。第1 d幾種淀粉酶活力稍有變化；第3 d α-淀粉酶活性顯著增加且很快達到最大值，與此相比較，β-淀粉酶活性和總淀粉酶活性的增長則處于平穩狀態。之后，α-淀粉酶的活性也逐漸達到平穩狀態，不再增加，反而，β-淀粉酶的活性和總淀粉酶的活性表現為繼續增加，在小麥籽粒發芽后7 d時，增加至最大值。在小麥開花后的高溫逆境脅迫處理下，第1 d時，相比較試驗對照組和處理組的幾種淀粉酶活性，分別降低41.16%、8.55%和10.67%，但變化不顯著；第3 d時，幾種淀粉酶的活性均表現為顯著降低；分別在第5 d和第7 d時，與對照組樣品中籽粒含有的相關酶活性雖不顯著，但處理組樣品中籽粒α-淀粉酶的活性呈下降趨勢（16.53%和12.82%）。小麥籽粒中含有的總淀粉酶活性和含有的β-淀粉酶的活性均顯著降低。α-淀粉酶更容易受到高溫影響。圖5

2.2.3 小麥種子活力指標與酶活性的相關性

研究表明，小麥籽粒在其萌發過程中，種子活力與其抗氧化性相關的酶活性，均顯著相關。小麥在開花后的高溫逆境脅迫處理，籽粒內含有的相關酶活性降低影響了小麥種子活力及幼苗生長。表2

3 討 論

3.1 小麥花后經過高溫脅迫處理對種子萌發期間酶活的作用

種子電導率與種子活力指標在其浸出液中呈負相關［18］。CAT（過氧化氫酶）、SOD（超氧化物歧化酶）、POD（過氧化物酶）可以防止小麥產生氧化損傷［19］。大豆、燕麥、油菜種子中的POD和CAT的活性，也會伴隨著種子老化活性降低［20］，與試驗研究結果相似；此外，小麥根系中酶活性（POD和CAT）的變化大于葉片中，小麥在生長過程中幼苗根系較葉片更容易受到影響。

3.2 小麥花后遭受高溫脅迫對小麥籽粒萌發特性影響

自然條件下的溫度和水分對于小麥作物生長中所產生的影響均差異極顯著，對小麥籽粒中相關物質的形成均產生重要影響［21］。研究結果表明，小麥種子在受到花后高溫脅迫可導致植株后期生長受到影響，產量也隨之受到影響。

小麥籽粒萌發時，淀粉酶活性會顯著上升。在研究中，隨著籽粒萌發時間的推進，籽粒中 α-淀粉酶、β-淀粉酶、總淀粉酶活性經花后高溫脅迫處理后均有一定程度的下降，酶活性與種子活力之間具有顯著相關性［21］。

4 結 論

小麥開花后遭受到高溫逆境脅迫時，發芽率和發芽勢較對照（CK），分別降低了5.10%和3.22%，2項指標較對照差異顯著，并且發芽率差異極顯著。小麥籽粒在嫩芽時期的芽長與嫩芽時期的芽鮮重，在小麥花后高溫逆境脅迫處理后，分別降低了17.98%和12.84%，經花后高溫脅迫處理后的籽粒電導率較對照差異極顯著，小麥苗期嫩芽的長度以及鮮重均較對照降低顯著，幼苗長度降低12.48%，幼苗時期鮮重減少6 g，達到4.97%，較對照差異不顯著。小麥經花后高溫處理后，其籽粒種子生長出的幼苗根系和葉片的CAT酶活性均受到影響，但是前者受影響的程度更大。小麥的籽粒在種子萌發過程中POD、SOD以及CAT三者的活性變化表現出相似性，小麥籽粒中含有的總淀粉酶活性和含有的β-淀粉酶的活性均顯著降低。α-淀粉酶更容易受到高溫影響。

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Effect of high temperature stress at anthesis on seed vigor of wheat

Abstract：【Objective】 To clarify the effect of post-anthesis high temperature treatment on grain germination and growth， and explore the psychological mechanism of wheat response to the stress of post-anthesis high temperature.

【Methods】 "Xinchun 11， the main wheat cultivar in Xinjiang， was chosen as the model of crop. The mature wheat seeds were treated with the high temperature for 5 days to 8 days after flowering， and then the germination characteristics and the related enzymes activities associated with the oxidative stress of the seeds were examined.

【Results】 After high temperature treatment， the germination rate and germination potential of wheat grains were significantly reduced compared with the photo comparison （5.10% and 3.22%， respectively）， and the conductivity index was significantly higher than that of the control （22.78% higher）. After high temperature treatment， the bud length and fresh weight of wheat grain germination and growth decreased by 17.98% and 12.84% compared with the CK， the germination index and vigor index decreased significantly in wheat grain germination. The change in seed viability （ttc reduction intensity） was not significant， but the decrease was 26.02%. Meanwhile， the germination index and vigor index both decreased significantly in wheat grain germination. The change in seed viability （TTC reduction intensity） was not significant， but the decrease was 26.02%.

【Conclusion】 The results showed the high temperature stress at anthesis might have significant effects on wheat seed enzyme activity， and could further cause the decrease of the seed vigor and weaken the growth of wheat as a seedling， which might affect the wheat production ultimately.

Key words：wheat;seed germination; post-anthesis high temperature; amylase; peroxidase