花后早期增溫對小麥旗葉光合和抗氧化特性及籽粒發育的影響

胡燕美，蘇 慧，朱玉磊，李金鵬，李金才，宋有洪

(安徽農業大學農學院，安徽合肥 230036)

IPCC報告顯示，過去5年(2014-2018年)的全球平均溫度與工業化前相比增加了 1.04 ℃，到2030年增溫幅度將達到1.5 ℃[1-2]。近50年以來，我國年平均地表氣溫升高了1.1 ℃，預測未來的30～50年年平均氣溫將持續上升1.7～ 2.2 ℃，半干旱地區的升溫幅度更大，為1.9～ 2.3 ℃[3]。小麥是我國第二大糧食作物，約占中國糧食總產量的27%[4]。小麥作為喜涼作物，開花期增溫對產量和品質影響較大[5]。因此，研究小麥花后早期增溫效應具有重要意義。

花后旗葉功能期長短和籽粒形態以及干物質轉運能力是衡量小麥產量和品質形成的重要指標。研究表明，高溫會使得小麥籽粒建成加速，導致葉片提前衰老，縮短灌漿時間，從而影響產量[6]。開花后遭遇31 ℃的高溫小麥籽粒灌漿期縮短5～11 d，產量下降13%～16%，淀粉和蛋白質含量顯著降低，影響小麥品質[7]。日平均氣溫高于25 ℃時，小麥葉片會因失水過快而影響葉綠體生物合成，致使葉片光合速率下降，影響了粒重和產量[8]。采用開放增溫系統從小麥始花期到成熟期，無論全天增溫、夜間增溫，還是白天增溫，均導致小麥減產[9]。在春小麥全生育期增溫1、2和3 ℃后，產量均下降，籽粒淀粉含量隨溫度的增加而降低，籽粒蛋白質含量則呈上升趨勢[10]。春小麥拔節期之前增溫0.5 ℃可提高葉片光系統Ⅱ的潛在活性，增加葉片抗逆性，促進光合作用和光合產物累積量，增溫梯度過大或時間過長則會使春小麥受高溫脅迫，影響光系統Ⅱ原初光能捕獲，降低電子傳遞等效率，破壞光合機構，致使葉片凈光合速率、水分利用效率等性狀值下降，減少光合產物累積量和產量[11]。小麥開花期增溫或者短暫高溫均會降低旗葉光合速率，加快葉片衰老，減少莖稈中水溶性碳水化合物積累量，直接影響生長后期莖稈中貯存物質向籽粒的轉運，從而對粒重的增長產生影響，最終導致減產[12-13]。

目前，關于花后早期增溫脅迫對小麥旗葉生理特性和籽粒發育影響的研究鮮有報道。本研究通過搭棚蓋膜人工模擬自然增溫，調查冬小麥花后早期小幅增溫后旗葉光合參數、葉綠素含量、抗氧化酶活性、MDA含量和籽粒性狀的變化，以期為未來氣候變暖下小麥豐產穩產提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種選用近幾年皖北地區主推品種安農0711(半冬性，抗早衰)和黃淮海地區主栽品種煙農19(冬性，不抗早衰)，均于2018年11月10日播種于安徽農業大學農萃園試驗基地(北緯N31°52′0.99″，東經E117°16′57.72″)。

1.2 試驗設計

本試驗采取隨機區組設計，3次重復。小區面積為4 m2(2 m×2 m)，行距20 cm。種植密度為225×104株·hm-2；施氮量為225 kg·hm-2，基追比為5∶5；磷(P2O5)、鉀(K2O)肥全部基施，施用量均為112.5 kg·hm-2。麥穗上出現一朵小花記為開花，選擇同一天開花且長勢一致的麥穗掛牌標記。開花期搭棚(高約 3 m)，蓋PO薄膜(0.08 cm，透光率≥95%)，底部預留30 cm透風，進行人工模擬自然增溫(HT)，處理時間為每天9:00-17:00，其他時間掀膜，未增溫處理為對照(CK)，增溫10 d(花后 0～10 d)。溫濕度儀(精創RC-4，江蘇)實時記錄棚內外小麥冠層溫度，增溫結果如圖1。于花后10、15、20、25、30和35 d，上午10時各處理組剪取10株掛牌標記的麥穗和旗葉，用液氮冷凍30 min，置于-80 ℃冰箱保存，用于后續試驗測定。

CK：為棚外溫度；HT：為棚內溫度。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 旗葉葉綠素含量測定

葉綠素含量測定方法采用浸提法，稱取旗葉0.02 g，加入5 mL N,N二甲基甲酰胺，于4 ℃黑暗條件下浸提24 h，材料完全變白，過濾浸提液并用UV-1800紫外可見分光光度計(島津，日本)測定647、664、470 nm處的OD值[14-15]。

1.3.2 旗葉光合特性測定

在花后20 d測定了標記小麥植株旗葉的光合特性。每個小區選取3片生長和受光方向一致旗葉，采用便攜式光合速率測定儀LI-6400XT光合儀(LI-COR 公司，美國)測定其凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)。系統采用開放式氣路，選擇紅藍光源葉室，光合有效福射(PAR)設定為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度約為380 μmol·L-1[16-17]。

1.3.3 旗葉MDA含量測定

用硫代巴比妥酸法測定旗葉MDA含量[18-19]。

1.3.4 旗葉保護性酶活性測定

稱取0.05 g旗葉，用液氮研磨，加5 mL 0.05 mol·L-1磷酸緩沖液(PBS，pH=7.8，0.1% PVPP)，4 ℃，12 000 r離心10 min，上清液即為酶液。過氧化物酶(POD)活性測定參考李合生愈創木酚法[20]。采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性[21]。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑(NBT)光化還原法測定[5]。

1.3.5 植株地上部干物質測定分配

選取長勢一致的小麥植株，齊地面割下，迅速剝取莖稈、莖鞘、葉片和穗部。105 ℃殺青30 min，70 ℃烘干至恒重，稱量其干重[22-23]。器官同化物分配率=器官干重/植株總干重×100%。

1.3.6 優、弱勢粒形態測定

籽粒形態包括籽粒長度、寬度和厚度，優勢粒為優先開花、形成籽粒和灌漿的位于麥穗中部的籽粒，弱勢粒為開花遲、灌漿速率慢的位于穗基部和上部或小穗頂部的籽粒[24]。剝取兩類籽粒，分別隨機選取10個籽粒，手尾連接排成一排，用直尺測量其長度，求平均值即為粒長；10個籽粒肩并肩連成一排，測量其長度，求平均值即為粒寬；在試驗臺上貼雙面膠，將10個籽粒側放在雙面膠上，測量其長度，求平均值即為粒厚。

1.3.7 產量測定

收獲期統計1 m雙行穗數，測定穗粒數和穗粒重及千粒重，計算產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2010進行數據整理和作圖，用SPSS13.0統計分析軟件對數據進行統計分析，用Duncan分析方法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 花后早期增溫對小麥旗葉葉綠素含量的 影響

開花后小麥旗葉葉綠素含量先增后降(圖2)。花后10、15、20、25和30 d，與CK相比，增溫處理下安農0711葉綠素a含量分別降低 11.82%、11.88%、4.19%、42.85%、90.11%，葉綠素b含量分別降低6.28%、29.73%、36.83%、 37.31%、58.06%，除花后10 d外增溫效應均顯著；煙農19葉綠素a和b含量較CK分別降低了26.90%、16.68%、18.79%、28.51%、49.68%和16.01%、16.48%、26.69%、25.29%、38.51%，各時期增溫效應均顯著。這表明增溫減少了小麥旗葉葉綠素含量，加快其衰老進程。

2.2 花后早期增溫對小麥旗葉光合特性的影響

花后20 d測定結果(表1)表明，增溫后安農0711和煙農19旗葉凈光合速率顯著低于CK,降幅分別為32.02%和15.49%；增溫導致旗葉胞間CO2濃度較CK顯著升高，增幅分別為38.57%和31.02%；增溫后兩個品種的旗葉蒸騰速率、氣孔導度和水分利用效率較CK分別降低了 0.89%、5.09%，15.41%、34.36%和35.00%、 3.23%，但對安農0711均影響不顯著。由此可見，增溫不利于小麥花后旗葉光合作用。

2.3 花后早期增溫對旗葉丙二醛(MDA)含量的影響

增溫后，在花后10～20 d，兩個小麥品種旗葉MDA含量均高于CK(圖3)。其中，花后20～ 30 d，安農0711和煙農19分別增加了43.60%、 5.09%、20.46%和37.73%、40.49%、19.51%，增溫效應均顯著。由此表明，增溫增加了小麥旗葉膜脂過氧化程度，加速葉片衰老。

2.4 花后早期增溫對旗葉保護性酶活性的影響

增溫后兩個品種旗葉POD和CAT活性較CK均不同程度降低。其中，增溫后安農0711的兩種酶活性在花后10和15 d變化均顯著，降幅分別為17.98%、18.12%和43.37%、 22.92%；煙農19的兩種酶活性在花后10～30 d均變化顯著，降幅分別為17.54%、14.71%、 15.06%、 50.40%、70.22%和28.46%、24.64%、15.36%、 63.90%、91.75%。安農0711和煙農19旗葉SOD活性受增溫影響相對較小，增溫后安農0711只在花后10和20 d時分別較CK顯著升高和降低，煙農19在各時期均差異不顯著。總體上看，增溫對三種酶活性有一定的抑制效應。

圖柱上的小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下圖同。

表1 花后早期增溫對小麥花后20 d旗葉光合特性的影響

2.5 花后早增溫對小麥地上部干物質分配的影響

花后小麥葉片、莖稈和莖鞘的干物質分配比例隨著時間的變化呈降低趨勢，穗部干物質分配比例逐漸增加(圖5)。增溫后葉片、穗部、莖鞘和莖稈干物質分配比例較CK不同程度下降，葉鞘和莖稈的分配比例有所提高。其中安農0711的葉片和葉鞘干物質分配比例變化較大，而煙農19的莖稈和穗部的分配比例變化較大。由此可見，增溫導致小麥光合同化物在莖鞘中積累，減少其向穗部轉運。

圖3 花后早期增溫對小麥旗葉MDA含量的影響

圖4 花后早期增溫對小麥旗葉POD、CAT和SOD活性的影響

圖5 花后早期增溫處理對小麥不同器官干物質分配比例的影響

2.6 花后早期增溫對小麥籽粒形態的影響

從圖6可見，增溫后，安農0711優勢粒長度在花后10～35 d較CK均顯著降低，降幅分別為2.61%、2.45%、1.50%、1.57%、1.10%、1.59%；煙農19的優勢粒長度也呈降低趨勢，其中花后15～35 d增溫處理與CK差異均顯著，且降幅分別為2.49%、2.86%、2.49%、2.50%。增溫處理也降低了兩個品種的優勢粒寬度，其中安農0711在花后25～35 d變化顯著，降幅分別為2.94%、6.33%、1.27%；煙農19在花后20～35 d變化顯著，降幅分別為6.57%、3.76%、8.07%、5.85%。增溫導致兩個品種的優勢粒厚度變小，其中安農0711在花后10、20、25和35 d變化顯著，而煙農19只在花后20、25 d變化顯著。增溫后，安農0711和煙農19的弱勢粒長度、寬度、厚度較CK均不同程度降低，花后25和35 d時，弱勢粒長度、寬度、厚度分別降低 5.07%、2.97%、2.88%和0.83%、2.20%、 1.99%，且均達到顯著水平(圖7)。總體來看，增溫不利于小麥優勢粒和弱勢粒的生長發育。

圖6 花后早期增溫對小麥優勢粒長度、寬度、厚度的影響

2.7 花后早期增溫對小麥產量的影響

與CK相比，增溫后，安農0711和煙農19的穗粒數分別降低0.85%和6.2%，穗粒重分別降低11.01%和13.88%，千粒重分別降低5.43%和7.34%，籽粒產量分別降低6.24%和7.64%，但只有千粒重對增溫響應顯著。

表2 花后早期增溫對小麥產量及其構成的影響

圖7 花后早期增溫處理對小麥弱勢粒長度、寬度、厚度的影響

3 討 論

植株在經過逆境脅迫后，會調整其組織結構和滲透調節物質來適應外界逆境，保障植物體正常的生長和發育[25]。植物葉片是植物體進行光合、呼吸、養分轉化以及蒸騰作用的主要場所，小麥旗葉光合對籽粒生長發育的貢獻巨大，旗葉功能期的長短影響產量形成[26-27]。小麥葉片中的光合產物主要是以蔗糖的形式存在和運輸，保持葉片較高的光合性能和充足的蔗糖供應以及較高的蒸騰作用強度，有利于產量的提高[28-30]。本研究中，小麥花后0～10 d增溫處理后，千粒重顯著降低，籽粒變小，可能是由于增溫顯著減弱了葉片凈光合作用，致使光合產物合成變少，同時高溫加大了光合產物消耗，導致輸向籽粒的光合產物減少，影響籽粒生長發育。進一步分析發現，增溫后兩個品種籽粒形態變化程度不同，安農0711優勢粒形態受影響較大，而煙農19弱勢粒受影響較大。其原因可能是煙農19的蒸騰速率大于安農0711，植株根系通過蒸騰作用吸收營養供應籽粒生長，且蒸騰速率的增加可以將光合產物更多地運輸到籽粒中，供籽粒灌漿。增溫也可能對籽粒成熟過程起到阻礙作用，或者是縮短了物質的有效轉運時間，致使光合產物積累量顯著下降，粒重顯著降低，在籽粒形態上表現為籽粒粒徑低于 對照。

冬小麥地上部干物質的積累與分配影響籽粒產量，尤其是花后干物質積累是籽粒產量的主要物質來源[32]。本研究表明，花后早期增溫不同程度地影響了地上部干物質的分配，增加了莖鞘和莖稈干物質分配比例，降低了穗部和葉片干物質分配比例。這說明光合產物在莖鞘中滯留，向籽粒的輸送減少。

4 結 論

花后早期增溫顯著降低了小麥旗葉光合和抗氧化能力，導致籽粒變小和粒重下降，但對產量影響不明顯。