灌漿期持續干旱對小麥光合、抗氧化酶活性、籽粒產量和品質的影響

晁漫寧，史新月，張健龍，張一嵐，王志成，李春艷，孫風麗，張超，奚亞軍

(1.西北農林科技大學農學院，陜西楊凌 712100；2.農業農村部西北地區小麥生物學與遺傳育種重點實驗室，陜西楊凌 712100；3.陜西省寶雞市隴縣種子管理站，陜西寶雞 721000)

隨著我國市場經濟的發展和人民生活水平的提高，優質專用小麥的需求量急速增加。由于基礎研究相對滯后以及氣候變化，小麥主產區干旱頻發，嚴重影響了優質小麥生產[1-2]。灌漿期是決定小麥產量和品質的關鍵時期，除遺傳因素外，環境因素對小麥灌漿有著不可忽視的影響，其中缺水是生產上最常遇到的環境因素之一[3]。水分缺乏會明顯抑制小麥籽粒灌漿，減少干物質向籽粒的運輸與積累，降低千粒重[4-5]，改變籽粒品質特性[6]。干旱脅迫通過多種方式影響小麥源庫代謝，包括影響葉片碳水化合物的合成和籽粒同化物的轉化。光合作用是小麥干物質積累的基礎，小麥旗葉光合能力的強弱對產量形成具有重要作用。干旱脅迫后，小麥葉片凈光合速率下降，影響產量形成[7]。干旱缺水時小麥會通過提高抗氧化酶活性和增加滲透調節物質含量，增強對逆境的抗性和適應能力，從而減輕逆境脅迫的威脅[8]。淀粉和蛋白質是小麥籽粒中的主要組分，兩者的含量決定著小麥產量的高低和品質的優劣[9-10]。干旱脅迫也會影響籽粒淀粉和蛋白質的含量及其組成。目前，花后干旱脅迫對小麥生理、產量和品質的影響已有較多研究，但有關灌漿期持續干旱對優質強筋小麥影響的研究相對較少。早熟多抗小麥品種西農979是目前國內大面積種植的優質強筋小麥代表品種之一。本試驗分析了灌漿期干旱脅迫對強筋小麥西農979旗葉光合、抗氧化酶活性、籽粒性狀、產量和品質的影響，以期為強筋優質小麥的高產抗旱栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

選用廣泛種植的早熟多抗優質強筋小麥西農979作為試驗材料，其種子由農業農村部西北地區小麥生物學與遺傳育種重點實驗室提供。

1.2 試驗設計

小麥分別于2017年10月-2018年2月和2018年10月-2019年2月在西北農林科技大學實驗地進行大田種植，而后移栽至西北農林科技大學南校區溫室。實驗采用底部帶孔的塑料盆(直徑30 cm，高度26 cm)，每盆裝土5.5 kg，定植5株，盆栽用土為大田耕層土與育苗基質1∶1混合。設置正常供水(CK)和干旱脅迫2個水分處理，每個處理種植20盆。干旱脅迫處理從開花前逐漸減少澆水，從開花期開始采用稱重法進行水分控制，一直持續到灌漿結束。正常供水處理的土壤相對含水量保持在80%左右，干旱處理的土壤相對含水量控制在35%左右。拔節前溫室溫度控制在16 ℃，拔節后溫度白天26 ℃，晚上 16 ℃。每天17:00-22:00進行補光，小麥植株頂部補光光強為500 μmol-2·s-1。

1.3 測定項目和方法

在干旱脅迫后10 d、20 d、30 d和成熟期分別從對照和干旱處理中選取長勢一致的麥穗和旗葉取樣，其中部分旗葉立刻進行葉片相對含水量的測定，剩余旗葉與小麥穗取樣后液氮速凍，保存在-80 ℃備用。參考謝祝捷等方法[11]，略作改進，將未成熟的籽粒105 ℃殺青1 h后42 ℃烘干至恒重，成熟的籽粒直接42 ℃烘干至恒重。

1.3.1 葉相對含水量測定

取新鮮旗葉，迅速放入培養皿稱出鮮重(Wf)，然后將葉片浸入去離子水中浸泡過夜充分吸水后取出，用吸水紙擦干葉片表面水分，稱重(Wt)，最后烘干至恒重(Wd)，每個處理重復3次。計算葉片相對含水量(RWC)。RWC=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%。

1.3.2 旗葉光合參數測定

選取旗葉中部，用美國LI-COR公司的 LI-6800便攜式光合儀，測定光合速率等參數，每個處理重復5次。測定時光合儀光量子通量密度為750 μmol·m-2·s-1，氣體流速為500 μmol·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1。

1.3.3 抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量測定

將保存于-80 ℃的旗葉取出進行相關酶活性和可溶性蛋白含量測定，每個處理重復3次。過氧化物酶(POD)活性測定參照Chance B等的方法[12-13]，過氧化氫酶(CAT)活性測定參照Aebi H的方法[14-15]，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑法測定[16]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定[17]。

1.3.4 籽粒性狀及結實率調查

將花后10 d、20 d、30 d及成熟期的籽粒烘干，用標康BK-302電子游標卡尺測定籽粒長度和寬度，稱取單粒重。重復三次，每個重復測20 個籽粒。在小麥完熟后，隨機取5個主穗，統計小穗數、穗粒數并計算結實率。

1.3.5 籽粒淀粉和蛋白質含量測定

將花后10 d、20 d、30 d及成熟期的籽粒烘干后用研缽研磨，用孔徑為0.15 mm的標準篩過篩。用雙波長法[18]測定淀粉及其組分含量，每個處理重復3次。利用瑞典FOSS公司Kejdale 8400 全自動凱氏定氮儀測定全氮含量，含氮量乘以 5.7 即為蛋白質含量[11]，每個處理重復3次。

1.4 數據處理

本試驗均含三個以上生物學重復。使用SPSS Statistics 22軟件進行處理間差異顯著性測驗(ANOVA，LSD 0.05)，用Microsoft Excel 2010繪圖。由于兩年數據趨勢一致，所以以下分析均采用兩年平均值進行。

2 結果與分析

2.1 灌漿期干旱脅迫對小麥植株葉片相對含水量和光合特性的影響

隨著干旱脅迫時間的延長，土壤和小麥葉片水分虧缺程度增加。花后10 d、20 d和30 d，干旱脅迫下小麥旗葉相對含水量較CK分別下降2%、14%和78%(圖1)。干旱脅迫下，小麥旗葉光合受到抑制(圖2)。與CK相比，干旱脅迫下花后10 d、20 d和30 d的旗葉凈光合速率分別下降14%、33%和103%，蒸騰速率分別下降38%、44%和104%，氣孔導度分別下降21%、46%和104%，花后10 d和20 d的胞間CO2濃度分別減小3%和10%。

圖2 干旱脅迫對不同灌漿階段小麥光合特性的影響

圖柱上同一組數據的小寫字母不同表示在0.05水平上差異顯著。下圖同。

2.2 灌漿期干旱脅迫對小麥旗葉抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量的影響

在灌漿前期(花后10 d)，干旱脅迫后小麥旗葉SOD、POD和CAT活性及可溶性蛋白含量均不同程度升高，增幅分別為2%、17%、4%和5%(圖3)。在小麥灌漿中后期，三種酶活性和可溶性蛋白含量均呈下降趨勢，其中POD和SOD活性下降速度低于CK。干旱脅迫下花后30 d旗葉的POD和SOD活性顯著高于CK，CAT活性和可溶性蛋白含量顯著低于CK。

圖3 干旱脅迫對不同灌漿階段小麥旗葉保護酶活性和可溶性蛋白含量的影響

2.3 灌漿期干旱脅迫對小麥籽粒性狀及結實率的影響

灌漿期干旱脅迫后小麥千粒重、籽粒長寬和結實率均顯著下降，小穗數、穗粒數、穎花數變化不顯著(圖4)。與CK相比，干旱脅迫下花后10 d、20 d、30 d以及成熟期的千粒重分別下降6%、12%、5%和6%，籽粒寬度縮小10%、11%、4%和11%，花后10 d和20 d的籽粒長度顯著縮小5%和3%，結實率下降14%。

SP:小穗數；SG：穗粒數；FR：穎花數；SR：結實率(%)。

2.4 灌漿期干旱脅迫對淀粉組分和蛋白質含量的影響

干旱脅迫顯著影響了灌漿期籽粒的淀粉和蛋白質積累，其中淀粉總含量的變化趨勢主要受到支鏈淀粉含量變化的影響(圖5)。與CK相比，干旱脅迫下花后10 d的籽粒淀粉含量和直支比無顯著變化，干旱脅迫下花后20 d的直鏈淀粉含量無顯著變化，支鏈淀粉含量和淀粉總含量均下降20%，直支比變化不顯著。干旱脅迫下花后 30 d的直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、淀粉總含量和直支比分別下降39%、36%、37%和5%。與CK相比，干旱脅迫下成熟期籽粒直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、淀粉總含量和直支比分別下降58%、27%、37%和42%。成熟期籽粒淀粉直支比顯著下降的主要原因是CK植株淀粉在花后30 d以后仍在積累，特別是直鏈淀粉積累顯著，而干旱處理的淀粉積累在花后30 d以后基本停止。對灌漿期不同階段小麥籽粒的蛋白質含量進行測定發現，花后10 d、30 d和成熟期的蛋白質相對含量分別升高4%、9%和8%，花后10 d、20 d和成熟期每穗籽粒蛋白質量分別下降12%、22%和9%。

圖5 干旱脅迫對灌漿期不同階段小麥淀粉和蛋白質含量的影響

3 討 論

優質專用小麥是優質面包、面條、餅干等食品的原料，國內優質小麥供不應求。西農979是國審優質強筋小麥重要代表，在黃淮海地區廣泛種植。然而小麥品質受氣候環境影響較大，特別是受干旱脅迫影響較為常見，導致優質小麥生產受到限制。此外，同一品種的品質在不同種植條件下差異較大，旱地小麥品質優于水澆地，干旱地區是未來優質小麥生產的重要區域[19,20]。因此，研究優質小麥在不同干旱階段的響應特征，對促進優質小麥品質改良和良種良法配套等種植措施的改進具有重要意義。

小麥開花至成熟是籽粒產量形成的關鍵時期，在該期間植株的光合性能對最終產量形成具有非常重要的作用[21-22]，而干旱脅迫使光合作用參數受到顯著影響[23]。在土壤干旱過程中，葉片相對含水量是反映作物組織中水分狀況的一個較敏感的指標[24]。干旱脅迫下，小麥旗葉相對含水量顯著下降[25-26]。本試驗中，干旱脅迫導致西農979在花后各階段旗葉凈光合速率，蒸騰速率和氣孔導度下降，使花后10 d、20 d胞間CO2濃度減小，顯著降低花后20 d、30 d旗葉相對含水量。結果表明，灌漿期的干旱脅迫對西農979的植株生理代謝有明顯影響，因此應該注意在此期間及時灌溉調控土壤水分狀況，避免干旱缺水導致籽粒灌漿受阻。

干旱脅迫使植物體內活性氧大量積累，對植株造成傷害。SOD、POD 是細胞內清除活性氧的重要保護酶，在正常生長條件下與CAT 協同作用，使生物體內活性氧自由基維持在較低水平[27]。可溶性蛋白質含量是植物總體代謝的一個重要指標[28]，輕度干旱脅迫會引起可溶性蛋白含量上升，而重度或中度干旱脅迫會導致可溶性蛋白含量下降，這可能是因為長期干旱下蛋白分解強于蛋白合成緣故[29-30]。本試驗中，干旱脅迫使花后10 d的西農979旗葉SOD、POD和CAT活性與CK相比明顯升高，且POD和SOD活性在后期下降速度低于CK。本試驗中干旱處理的土壤相對含水量在35%左右，屬于重度干旱脅迫。在該脅迫下，花后10 d的小麥旗葉可溶性蛋白含量與CK相比顯著上升。以上研究結果表明，西農979對干旱有一定的抗性和適應性，在干旱脅迫下能保持良好的葉片狀態，但葉片光合作用、活性氧清除酶活性等已有較為劇烈的變化，生理指標比植株表型響應更為敏感和迅速。因此，在生產中，需要注意及時測量土壤含水量、小麥葉片光合作用等生理指標，及時灌溉補水。

籽粒淀粉和蛋白質組分和含量是小麥品質的主要決定因素。在小麥分蘗期和拔節期，干旱脅迫使結實率顯著降低[31]，持續的土壤干旱使小麥籽粒淀粉和蛋白質產量下降，導致植株產量下降和品質顯著變化[6]。有研究表明，干旱脅迫使小麥籽粒淀粉與蛋白質的含量和組分受到不同程度地影響，主要表現在籽粒蛋白質含量升高、淀粉含量下降，從而改變了小麥的籽粒品質[6,32]。淀粉是小麥籽粒最主要的組分，直鏈淀粉含量和淀粉直支比對小麥面粉及面食的加工品質有較大影響[33,34]，直鏈淀粉含量和淀粉直支比與膨脹勢呈負相關[35]。本試驗中，干旱脅迫導致千粒重、籽粒長度、寬度明顯減小。持續的灌漿期干旱脅迫下，除花后20 d 以外各階段的小麥籽粒蛋白質含量顯著升高，除花后30 d以外各階段每穗籽粒蛋白質量顯著下降，花后各階段淀粉含量下降，籽粒直、支鏈淀粉淀粉含量也均顯著降低，成熟籽粒的淀粉直支比顯著減小。以上結果表明，干旱脅迫對優質強筋小麥西農979的淀粉和蛋白組分及其含量等均有較為顯著的影響。因此，在生產中，我們需要科學合理地補水灌溉，增加小麥籽粒產量，提高蛋白質含量，減小淀粉直/支比，從而有效地改善小麥的營養和加工品質。

本研究以黃淮麥區大面積種植的優質強筋小麥西農979為對象，分析了在灌漿期不同階段小麥旗葉生理和籽粒性狀對干旱脅迫的響應，結果表明西農979在干旱脅迫下表現出生理代謝能力較強、抗氧化酶活性較穩定、籽粒品質較好的特征，但隨著干旱時間和程度的加深，小麥光合系統、活性氧清除系統、籽粒淀粉和蛋白質組分和含量受到顯著影響，提示我們在品種改良時需要加強優質抗旱高產的小麥新品種選育，在生產中我們可以根據情況在灌漿前期或嚴重干旱時適當灌溉和良種良法配套，從而保障高產優質小麥生產力的發揮。