春季低溫脅迫對不同小麥品種結實率及葉片生理特性的影響

謝鳳仙 王智煜 張自陽

摘要 [目的]研究低溫脅迫對小麥生長發育的影響。[方法]以百農207、AK58、鄭麥366葉片為材料，在小麥四分體時期對其進行低溫（0 ℃，3 d）處理，測定四分體時期小麥葉片中超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、可溶性蛋白含量、丙二醛（MDA）含量等生理指標，并調查小麥結實率。[結果] 3個小麥品種遭到低溫脅迫后的抗氧化酶活性增加，對小麥起到保護作用，其中百農207和AK58抗氧化酶活性相比于對照增長較大，而鄭麥366抗氧化酶活性相比于對照增長幅度較小；同時鄭麥366受到低溫脅迫MDA含量明顯高于百農207和AK58，即鄭麥366葉片發生脂質過氧化作用，細胞膜破壞最嚴重。[結論]百農207、AK58四分體時期抗倒春寒能力比較強，而鄭麥366抗倒春寒性較差。

關鍵詞 小麥；四分體時期；低溫脅迫；結實率；生理特性

中圖分類號 S512.1 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）32-0033-03

Effects of Low Temperature Stress on the Seed Yield and Physiological Characteristics of Different Wheat Varieties in Spring

XIE Fengxian1，WANG Zhiyu2，ZHANG Ziyang2 （1.Wuzhi Station for Popularizaing Agricultural Technique，Wuzhi，Jiaozuo 454950；2.Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang，Henan 453003）

Abstract [Objective]To study the effect of low temperature stress on the growth and development of wheat.[Method] The leaves of Bainong 207，AK 58 and Zhengmai 366 were treated at low temperature （0） at tetrad stage to determine the activity of superoxide dismutase （SOD） in wheat leaves at tetrad stage.The activity of peroxidase（POD），the content of malondialdehyde （MDA） and other physiological indexes were investigated，and the seed setting rate of wheat was investigated.[Result]The antioxidant enzyme activities of the three wheat varieties increased after being subjected to low temperature stress，which played a protective role in wheat.The antioxidant enzyme activities of Bainong 207 and AK 58 were higher than those of the control.The antioxidant enzyme activity of Zhengmai 366 was smaller than that of control.At the same time，the MDA content of Zhengmai 366 was significantly higher than that of Bainong 207 and AK 58 under low temperature stress，indicating that the leaves of Zhengmai 366 had lipid peroxidation and cell membrane damage was the most serious.[Conclusion]Bainong 207 and AK 58 had a strong ability to resist the cold in the spring.However，Zhengmai 366 had poor resistance to inverted spring cold.

Key words Wheat；The tetrad period；Low temperature stress；Seed setting rate；Physiological characteristics

基金項目 河南省基礎與前沿技術研究計劃項目（162300410142）。

作者簡介 謝鳳仙（1966—），女，河南武陟人，高級農藝師，從事小麥高產栽培技術研究。*通訊作者，副教授，從事小麥遺傳育種研究工作。

收稿日期 2018-09-27

近年來，黃淮麥區爆發大面積的早春（倒春寒）凍害。2004年，受害的冬小麥面積為333萬hm2 [1]。僅河南省發生倒春寒的面積超過133.3萬hm2，其中幾乎26.7萬hm2出現絕收。2009、2013和2018年，黃淮麥區和長江中下游麥區再次經歷了大面積的倒春寒。倒春寒的頻繁發生嚴重影響了小麥的高產穩產，其特點具有隨機性和不可預測性，使得人為的農藝預防和補救方法難以跟上，容易造成小麥產量不可逆轉的損失。

低溫脅迫下植物產生大量過氧化氫和O2-、OH-等活性氧自由基，活性氧會導致膜脂質過氧化和膜系統氧化損傷[2]。植物體內有一系列的酶和非酶抗氧化劑清除活性氧自由基，保護植物細胞免受活性氧損傷，維持細胞膜系統的穩定性，增加植物的耐寒性[3]。前人研究表明，清除活性氧過程中最重要的抗氧化酶有SOD、POD、CAT等。這些抗氧化酶能夠使植物在一定程度上具有耐受、減緩或抵抗低溫脅迫的能力[4]。植物在溫度降低的過程中，臨界低溫會導致膜脂的相變，以及

細胞膜的通透性和細胞膜結構的改變，導致細胞代謝紊亂和細胞功能的喪失，從而對植物體造成損害。低溫脅迫下小麥能夠產生一系列的生理生化變化，如超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化氫酶（CAT）活性、過氧化物酶（POD）活性和MDA含量的變化，這些均可作為植物抗寒性鑒定的指標[5-8]。

筆者以半冬性小麥品種百農207、AK58、鄭麥366為試驗材料，研究低溫脅迫對小麥結實率、抗氧化酶活性的影響，找出小麥對低溫脅迫的響應機制，為小麥抗倒春寒種質資源篩選及品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗材料為百農207，AK58，鄭麥366，均由河南省小麥雜交工程中心提供。

1.2 試驗方法

試驗于2016—2017年在河南省新鄉市河南科技學院作物育種實驗室進行，材料的種植采用盆栽方法，盆栽土取大田耕層0～25 cm深處土壤，土壤平均堿解氮含量62.1 mg/kg ，速效磷11.1 mg/kg ，速效鉀130.5 mg/kg，有機質1.15 mg/kg。盆直徑22 cm，高25 cm，每盆裝土8 kg，盆底部鉆5個小孔，保證盆內土壤與與大田土壤的溫度一致、水分和空氣流通。將盆埋入大田后，盆內泥土與盆外大田齊平。泥土用水澆透沉實后于10月10日播種，3葉期定苗，每盆留苗8株。3個品種分別設對照和處理2組，每組6桶。

待小麥幼穗發育到四分體時期時，放入人工氣候箱0 ℃低溫處理3 d，對照為正常環境中生長，取小麥葉片放入-80 ℃低溫冰箱備用。

1.3 測定指標與方法 過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑法測定； 過氧化氫酶（CAT）采用過氧化氫法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍染色法測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定。將處理后盆栽的小麥埋于田間自然生長至成熟時調查結實率，每處理調查10株，求平均結實率。結實率（%）=單穗小花結實總數/單穗小穗基部小花總數×100%。

1.4 數據處理 采用Excel 2017及DPS數據分析軟件對試驗數據進行分析和處理。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對不同小麥品種結實率的影響

從表1可以看出，在正常生長情況下，AK58的結實率較高，達到99.5%，其次是百農207、鄭麥366；在低溫處理條件下，AK58、百農207的結實率依然較高，但是受低溫的影響，鄭麥366結實率顯著下降，僅為10.5%。

2.2 四分體期低溫脅迫對3個小麥品種葉片可溶性蛋白含量的影響

從圖1可以看出，低溫下3個小麥品種百農207、鄭麥366、AK58的可溶性蛋白質含量均比對照高，差異顯著。與對照相比，低溫脅迫下AK58、百農207處理可溶性蛋白質含量明顯增加，而鄭麥366處理增加不大。

2.3 四分體期低溫脅迫對3個小麥品種葉片SOD活性的影響

由圖2可知，在正常生長條件下，3個小麥品種百農207、鄭麥366、AK58的SOD活性分別為37.81、37.84和45.93 U/mg；低溫脅迫后，百農207、鄭麥366、AK58共3個品種SOD活性均顯著高于其對照，并且達到顯著水平。其中百農207和AK58受到低溫脅迫后SOD活性較高，而鄭麥366受低溫脅迫后SOD活性比前2個品種低。SOD活性大小順序依次為AK58處理、百農207處理、鄭麥366處理、AK58對照、百農207對照、鄭麥366對照。

2.4 四分體期低溫脅迫對3個小麥品種葉片POD活性的影響

由圖3中可知，低溫脅迫下，3個小麥品種百農207、鄭麥366、AK58的POD活性均比對照明顯增加，差異顯著。其中，百農207、AK58的POD活性上升幅度大于鄭麥366，表明百農207、AK58受到低溫脅迫后POD活性較高，而鄭麥366受到低溫脅迫后POD活性低于前2個品種，POD有利于清除過氧化物、降低活性氧對細胞的損傷。

2.5 四分體期低溫脅迫對3個小麥品種葉片MDA含量的影響

由圖4可知，在正常條件下，3個小麥品種鄭麥366的MDA含量較高，而百農207和AK58的MDA含量較低；低溫處理后，3個品種的MDA含量均比對照明顯下降，差異顯著。然而鄭麥366的MDA含量仍然高于百農207和AK58。

2.6 四分體期低溫脅迫對3個小麥品種葉片CAT含量影響

由圖5可知，與對照相比，

3個小麥品百農207、鄭麥366、AK58的CAT活性顯著升高，達到顯著水平。其中，AK58和百農207增加幅度較大，顯著高于鄭麥366低溫處理下的CAT活性。

3 結論與討論

有研究表明春季低溫（倒春寒）嚴重影響小麥的結實性，使小麥的結實率下降，最終影響小麥的產量。該研究發現，在低溫脅迫下百農207、AK58、鄭麥366結實率分別下降11.7%，11.2%，86.8%。其中，百農207、AK58的結實率降低不明顯，而鄭麥366下降比較明顯，表明百農207、AK58抗倒春寒能力強，而鄭麥366的抗倒春寒能力較弱。

許多研究者認為，低溫脅迫對植物的影響主要集中在蛋白質、酶活性、膜系統、細胞失水等，最終導致機體代謝紊亂，甚至細胞死亡[9]。春季低溫逆境下（倒春寒），植物組織細胞內部生理生化發生改變。植物細胞內的可溶性蛋白具有較強的吸水性，它能夠降低細胞內部束縛水的冰點，減少細胞內部結冰從而導致植物細胞被傷害的機會[10]。植物細胞膜的空間構像和物理狀態改變很大程度上受到低溫脅迫的影響。膜相的改變可以很好地抑制細胞膜正常功能的運行，使蛋白質從膜上解離，并切發生膜融合，從而造成植物細胞組織的破壞。植株在低溫脅迫條件下常誘導產生較多的蛋白質來提高細胞膜的完整性與穩定性，從而提高抗寒性[11-12]。但是，不同的小麥品種在抵御低溫脅迫的過程中產生出的可溶性蛋白質含量不同，從而表現出不同的抗寒能力。該研究表明，低溫脅迫下AK58和百農207的可溶性蛋白質含量明顯增加，而鄭麥366可溶性蛋白質含量與對照相比增加較少。這說明低溫脅迫下AK58和百農207能夠產生較多的可溶性蛋白質來抵御低溫脅迫的傷害，不耐低溫的鄭麥366由于產生可溶性蛋白質較少而容易受到傷害，從而造成結實率顯著下降。

低溫逆境會引起植物體內發生一系列的生理生態變化，由逆境導致的活性氧的積累及其引起的氧化脅迫被認為是植物受低溫脅迫的重要原因[13-15]。抗氧化酶系統能清除活性氧，抵御活性氧帶來的損害，進而提高植物細胞抗氧化保護的能力；SOD對O2-的歧化作用被認為是抵御低溫脅迫的主要因素之一，CAT、POD能清除氧代謝過程中產生的H2O2以及細胞體內產生的有害物質[16-17]。活性氧代謝的平衡一旦被打破，ROS的高度氧化活性對細胞膜有強烈的破壞性影響，導致不飽和脂肪酸的過氧化作用形成MDA，MDA會導致交聯和失活的酶蛋白膜，進一步損傷細胞膜結構和功能，MDA的積累能間接地反映植物體內受氧化脅迫傷害的狀況[18-19]。該試驗中百農207、AK58、鄭麥366的SOD、CAT和POD活性均上升，其中百農207、AK58上升比較明顯；3個品種MDA含量均下降，但受到低溫脅迫后百農207、AK58的MDA含量相對比較低，其膜質過氧化程度小，這可能是因為細胞中SOD和POD活性上升，清除自由基能力提高，從而減少膜脂發生過氧化。

綜上所述，不同的小麥品種抗春季低溫脅迫的能力不同，小麥葉片四分體時期AK58和百農207抗春季低溫脅迫能力要顯著高于鄭麥366。低溫脅迫下，AK58和百農207積累了較高的可溶性蛋白質來抵御低溫脅迫的傷害，同時具有較強的抗氧化酶活性來抵御活性氧代謝帶來的損傷，這可能是AK58和百農207具有耐春季低溫脅迫的原因。

參考文獻

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高媛，齊曉花，楊景華，等.高等植物對低溫脅迫的響應研究[J].北方園藝，2007（10）：58-61.

[2] 李美如，劉鴻先，王以柔.細胞氧化應激機制與植物抗冷性機理的研究[J].生命科學，1996（4）： 30-34.

[3] WISE R R，NAYLOR A W.Chillingenhanced photooxidation：Evidence for the role of singlet oxygen and superoxide in the break down of pigments and endogenous antioxidants[J].Plant physiology，1987，83（2）：278-282.

[4] KORNYEYEV D，LOGAN B A，PAYTON P，et al.Enhanced photochemical light utilization and decreased chilling-induced photoinhibition of photosystem II in cotton overexpressing genes encoding chloroplast-targeted antioxidant enzymes[J].Physiologia plantarum，2001，113（3）：323-331.