寒地冬小麥不同品種越冬期組織結構的差異

李敏敏，李卓夫，王曉楠，付連雙，宋永超，王璐

(東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱 150030)

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寒地冬小麥不同品種越冬期組織結構的差異

李敏敏，李卓夫，王曉楠，付連雙，宋永超，王璐

(東北農業大學農學院，黑龍江哈爾濱 150030)

摘要：凍害在冬小麥越冬期間能影響小麥的生長發育，并導致減產甚至絕產。為深入了解冬小麥的抗寒機制，通過調查統計以及顯微觀察，比較了冬小麥不同抗寒性品種東農冬麥1號(強冬性)、Nostar(半冬性)和濟麥22(弱冬性)在黑龍江等高寒地區越冬期間分蘗節形態結構和顯微結構的差異。結果表明，具有不同枯死度、返青率的冬小麥品種的生活習性、冬前分蘗、葉距、葉寬和分蘗節維管束的分布比例皆存在顯著性差異。東農冬麥1號冬前分蘗數、返青率、分蘗節維管束分布比例較高，枯死度、葉距、葉寬較小，生長錐下方的15層細胞較小，組織結構緊密，生長錐外形為敦胖形；東農冬麥1號和Nostar在越冬前維管束組織較完整，濟麥22的維管束呈現破損。東農冬麥1號返青率與冬前分蘗數、維管束比例呈極顯著正相關，而與其他指標呈顯著負相關。

關鍵詞：寒地；冬小麥；越冬；形態結構；顯微結構

冬季凍害和春季寒害是小麥生長過程中的主要制約因素，其中越冬期間凍害能影響冬小麥的生長發育,并導致減產甚至絕產。近年來全球氣候變暖，冬小麥種植區域可北移至黑龍江等高寒地區，但黑龍江省冬季最低氣溫在-30 ℃以下，部分地區甚至常出現-45 ℃以下的低溫，寒地冬小麥在越冬期間會受到凍害的嚴重影響。在黑龍江等高寒地區，冬小麥在越冬期間葉、莖等地上組織幾乎全部受凍萎蔫死亡，但有一些抗寒性較強的品種可以順利返青并正常生長，如強冬性品種東農冬麥1號。李卓夫等[1]認為，冬小麥在越冬期間只要分蘗節部位沒有遭到致命的損害，就能在越冬后長出新葉并順利返青。Livingston等[2]在人工模擬的凍害條件下研究發現，不同品種之間維管過渡區和頂端分生組織的再生能力有顯著差異。目前冬小麥抗寒性的分子生物學、生理特征及遺傳基礎研究均獲得重大進展[3]，但針對受凍后小麥外部形態和內部組織結構變化的關系鮮見研究報道。本研究觀察、分析了越冬期間寒地冬小麥不同品種外部形態特征及分蘗節組織顯微結構，以期為冬小麥抗寒育種提供參考依據。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗以東農冬麥1號、Nostar和濟麥22為材料，其分別為強冬性、半冬性和弱冬性。這些品種均由東北農業大學小麥育種研究室提供，于2014年9月12日播種在東北農業大學小麥種植試驗田內(北緯 44°04′-46°40′)，采用完全隨機設計，每品種種植20行，行長5 m，行距30 cm，株距和播深均為5 cm。

1.2取樣及測定方法

從冬小麥冷馴化初期(2014年10月26日)至次年返青期，每隔30 d田間取樣一次，進行分蘗節顯微觀察。根據鄭 維等[4]的標準，確定冬小麥馴化開始的時間及封凍期分別為2015年 10月26日-11月9日、2015年11月9 日-2015年3月14日。2014-2015年取樣期間的氣溫變化見圖1。

圖1　試驗期間黑龍江省哈爾濱市的氣溫變化

1.2.1枯死度和返青情況調查

每個品種隨機選三行，長度1 m，調查出苗數，每行算作一個重復，并在最后一次取樣時調查返青的麥苗數及枯死度，計算每個品種的返青率。枯死度分為1級抗寒、2級抗寒、3級抗寒和4級抗寒，級別越高，抗寒性越差[5]；返青情況則是以植株長出新葉為順利返青。

返青率=(返青的麥苗數/出苗數)×100%

1.2.2形態學指標調查

觀察各品種的幼苗生長習性。各品種隨機取10株小麥，記錄它們每個時期的葉距、葉寬及冬前分蘗數。其中葉寬為葉片中最寬距離，測量主莖所有葉片的葉寬并計算平均值；葉距為主莖上第1展開葉與第2展開葉葉枕之間的距離[6]。

1.2.3顯微結構觀察

田間取樣后，剝去葉鞘，剪取主莖分蘗節，用FAA固定液固定，經甘油軟化后進行乙醇系列脫水，通過二甲苯透明和石蠟包埋，用Leica CM 1900切片機切片，脫蠟染色并用加拿大樹膠封片，Olympus-DP顯微圖像系統拍照，用B204LEDR生物顯微鏡觀察各品種不同時期生長錐下方的15層細胞的細胞核變化情況、整個分蘗節中維管束所占的比例，并測量各品種不同時期生長錐下方的15層細胞大小。觀察生長錐下方維管束在越冬前和返青后的形態變化。

1.3數據處理

用SPSS 17.0按照單因素進行方差分析，用Microsoft Excel 2003作圖。

2結果與分析

2.1不同小麥品種枯死度和返青率的差異

東農冬麥1號、Nostar和濟麥22的枯死度分別為1級、2級和4級抗寒；返青率分別為99%、62%和0.01%，不同品種間返青率差異顯著(P<0.05)。說明東農冬麥1號抗寒性最強，濟麥22最弱，Nostar居中。

2.2不同小麥品種形態學和顯微指標的差異

東農冬麥1號、Nostar和濟麥22的生長習性分別為匍匐、半匍匐和直立。品種間冬前分蘗數、葉距、葉寬均差異顯著(P<0.05)(表1)。其中東農冬麥1號冬前分蘗最多，外部形態為簇狀，濟麥22號冬前分蘗最少。而葉距、葉寬均是東農冬麥1號最小，濟麥22最大。

顯微觀察發現，東農冬麥1號在整個越冬時期細胞的整體形態比其他品種小，而濟麥22最大；3個品種分蘗節維管束比例的表現與冬前分蘗的表現一致(表1)。順利返青的東農冬麥1號和Nostar生長錐下方的細胞在越冬前輪廓不清晰，呈彌散型(圖2)，越冬后細胞核恢復正常形態(圖3)。

表1　不同品種形態學指標和顯微指標差異

同列不同字母表示在0.05水平上差異顯著

Different letters following values mean differences at the 5% level of significance

TBW:Tillering before over-wintering; BP:Blade pitch; BW:Blade width; CZ:Cell size; RVB:Ratio of vascular bundle

A:越冬前東農冬麥1號的生長錐；B:越冬前Nostar的生長錐；C:越冬前濟麥22的生長錐；D:越冬前東農冬麥1號的細胞形態；E:越冬前Nostar的細胞形態；F:越冬前濟麥22的細胞形態

A:The growth cone of Dongnongdongmai 1 before over-wintering; B:The growth cone of Nostar before over-wintering; C:The growth cone of Jimai 22 before over-wintering; D:Cell shape of Dongnongdongmai 1 before over-wintering; E:Cell shape of Nostar before over-wintering; F:Cell shape of Jimai 22 before over-wintering

圖2越冬前不同冬小麥品種分蘗節內生長錐和細胞形態(2014年12月25日)

Fig.2Growth cone and cell morphology within tillering node of different varieties before over-wintering(on December 25,2014)

從圖2和圖3可以直觀地看出不同品種間細胞的形態差異、生長錐的形態差異和細胞核的變化情況。東農冬麥1號生長錐下方的15層細胞較小，組織結構緊密，生長錐外形為敦胖形；東農冬麥1號和Nostar在越冬前維管束組織較為完整，濟麥22的維管束呈現破損(圖4)。經相關分析，東農冬麥1號冬前分蘗數、維管束比例與返青率呈極顯著正相關(相關系數分別為0.96和0.94)，與葉距、葉寬和細胞大小呈極顯著負相關(相關系數分別為-0.98、-0.99和-0.98)。

A:越冬后東農冬麥1號的生長錐；B:越冬后Nostar的生長錐；C:越冬前東農冬麥1號的細胞核形態；D:越冬前Nostar的細胞核形態；E:越冬前濟麥22的細胞核形態； F:越冬后東農冬麥1號的細胞核形態；G:越冬后Nostar的細胞核形態

A:The growth cone of Dongnongdongmai 1 after over-wintering; B:The growth cone of variety Nostar after over-wintering; C:The nuclear shape of Dongnongdongmai 1 before over-wintering; D:The nuclear shape of Nostar before over-wintering; E:The nuclear shape of Jimai 22 before over-wintering; F:The nuclear shape of Dongnongdongmai 1 after over-wintering; G:The nuclear shape of Nostar after over-wintering

圖3東農冬麥1號、Nostar越冬后生長錐形態以及越冬前后細胞的形態變化(越冬前：2014年12月25日；越冬后：2015年3月24日)

Fig.3Growth cone shape of Dongnongdongmai 1 and Nostar after over-wintering and the morphologicalchanges of cell before and after over-wintering

(before over-wintering:on December 25,2014; after over-wintering:on March 24,2015 )

A:東農冬麥1號；B:Nostar；C:濟麥22；V:相應小麥品種主莖的維管束

A:Dongnongdongmai 1; B:Nostar; C:Jimai 22; V:Vascular bundle

圖4東農冬麥1號、Nostar、濟麥22在2014年12月25日的維管束形態差異

Fig.4Morphological differences of vascular bundles system of Dongnongdongmai 1, Jimai 22 and Nostar on December 25,2014

3討 論

本研究發現,返青率較高的東農冬麥1號生長習性為匍匐，冬前分蘗較其他兩個品種多，外部形態表現為簇狀，葉距較小，葉窄。這與姚景俠等[7]的研究一致。姚景俠等[7]指出抗寒性強的品種在進入深冬以前往往生長緩慢，葉片窄小，葉片顏色較不抗寒品種深一些，幼苗的生活習性為完全匍匐狀態，株高一般也比不抗寒品種低，而抗寒性較弱的品種，在越冬前快速生長，植株直立，葉片寬大，并且細胞組織結構大。簡令成等[8]也發現不抗寒的品種在越冬前后生長較快，生理活動較旺盛，停止生理活動的時間比抗寒品種要晚。

通過對小麥分蘗節縱切并用中性紅染料染色，顯微觀察發現一些組織形態在返青率不同的品種間存在顯著性差異，如細胞大小、維管束的比例和生長錐的形態等。在同等放大倍數下，濟麥22與東農冬麥1號和Nostar相比分蘗節細胞較大，細胞組織大，細胞液濃度往往較低，這符合Shi等[9]在低溫條件下，蛋白質易于凝固，核膜及其他細胞器結構被破壞，發生凍害死亡的觀點。東農冬麥1號和Nostar細胞較小一些，且相對密集，組織密度較大。不同小麥品種的維管組織在越冬前即在2014年12月25日表現出不同程度的破裂，以濟麥22號最為嚴重，東農冬麥1號維管束破損程度最輕。張向前等[10]研究表明，小麥植株長期暴露于低溫寒冷的冬季，會使莖稈中導管和篩管內的水分結冰體積增大，致使導管和篩管破裂，嚴重影響植株的水分和養分運輸，進而對小麥生理生化產生一定影響。王 濤等[11]測定了不同冬小麥品種越冬前后束縛水和自由水的含量，發現抗寒性較高的東農冬麥1號中束縛水的含量較高，在高寒地區低溫環境下不易結冰或結冰較少。

王召元等[12]研究發現，桃枝條的組織結構與抗寒性具有顯著的相關性，其中木質部面積及其在枝條中所占的比例與抗寒性呈顯著正相關。木質部細胞多具有硬而厚的壁，雖然活性低，但可以保護細胞避免由冰凍引起脫水導致膜破裂和原生質變形。本研究發現，第二年基本全部返青的東農冬麥1號維管束比例最大，而且分蘗節內的細胞與維管束鑲嵌情況也較為復雜，這可能是因為東農冬麥1號的冬前分蘗比較多，形成冬前分蘗的維管束在分蘗節中與細胞有規律的交織在一起，這也符合Livingston等[13]的研究結果。抗寒性不同的冬小麥品種在進入越冬期前的長勢不同，如果冬前生長快，則會降低植株的鍛煉程度，使其不能進入深度休眠狀態。冬前濟麥22長勢最好，生長錐形態為細長形，東農冬麥1號長勢較慢且生長錐外形為敦胖形。付連雙等[14]認為冬小麥在越冬前如果累積了足夠的抗寒物質，雖然長勢較慢，但能順利返青。在越冬前東農冬麥1號和Nostar品種生長錐下方的細胞中，細胞核的核仁輪廓模糊，細胞核縮小，但大部分沒有降解，濟麥22大部分細胞的核仁降解，導致第二年未能達到返青，這與簡令成等[8]的研究結果一致。

本研究通過觀察統計,冬小麥外部形態特征和顯微結構下冬小麥越冬期間分蘗節的各組織形態，發現東農冬麥1號、Nostar和濟麥22的返青率與冬前分蘗、葉距、葉寬、生長錐下方的15層細胞的形態大小、生長錐長度、生長錐底部寬和維管束占分蘗節相對比例等指標均表現出顯著性差異。抗寒性較高的東農冬麥1號在2015年返青率接近100%，在三個品種中返青率最高，主莖葉距比較短，葉形為細窄形，生長錐下方的15層細胞較小，組織結構緊密，生長錐外形為敦胖形，分蘗節中維管束所占的相對比例在三個品種中最高。抗寒性最差的濟麥22在2015年返青率幾乎為0，抗寒性極差，抗寒中等的Nostar各指標介于東農東農冬麥1號和濟麥22之間。這三個品種之間的差異可能與其抗寒生理機制[15]和分子機制[16-17]不同有關，但這需要進一步研究。

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收稿日期：2015-11-28修回日期：2015-12-22

基金項目：黑龍江省教育廳科研項目(12521035)

通訊作者：李卓夫(E-mail:zflicn@163.com)

中圖分類號：S512.1；S311

文獻標識碼：A

文章編號：1009-1041(2016)06-0795-06

Differences of Organization Structure in Different Winter Wheat Varieties at Over-wintering Stage in Cold Region

LI Minmin,LI Zhuofu,WANG Xiaonan,FU Lianshuang,SONG Yongchao,WANG Lu

(College of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 150030,China)

Abstract:Freezing injury can affect growth and development of winter wheat at the over-wintering stage,and cause yield reduction and even no yield. In order to study the cold resistance mechanism of winter wheat more deeply ,in this paper,with investigation statistics and microscopic observation methods,differences in morphological structure and microscopic structure of the tillering node that comes from different cold resistance winter wheat varieties for example Dongnongdongmai 1(strong winterness),Nostar(semi-winterness) and Jimai 22(weak winterness) were compared at over-wintering stage in alpine region such as Heilongjiang. The results show that winter varieties with different death degree and returning green rate have significant differences in life habit,tiller before winter,leaf space and distribution proportion of vascular bundle. Dongnongdongmai 1 has higher returning green rate and higher distribution proportion of vascular bundle,but lower senescence rate,and less blade pitch and blade width before winter. Fifteen layer of cells at the bottom of the growth cone were lesser,and the organization structure was more closely with a chunky shape. The vascular bundle organs of Dongnongdongmai 1 and Nostar were relatively complete,but the vascular bundle of Jimai 22 has been broken before winter. The returning green rate of Dongnongdongmai 1 was significantly positively correlated with tiller number before winter and the proportion of vascular bundle,but was significantly negatively correlated with other indicators.

Key words:Cold region; Winter wheat; Over-wintering; Morphological structure; Microstructure

網絡出版時間：2016-05-30

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160530.1549.032.html

第一作者E-mail：liminmin527@163.com