小麥返青期生理指標(biāo)與抗寒性的關(guān)系

王運(yùn)智王萍

(1.德州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)業(yè)綜合執(zhí)法支隊(duì)，山東 德州 253000；2.平原縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 德州 253100)

前言

高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)仍然是我國現(xiàn)階段作物育種的首要育種目標(biāo)。環(huán)境因素嚴(yán)重影響小麥產(chǎn)量，溫度是影響作物生長發(fā)育和形態(tài)建成最重要的環(huán)境因素之一，適宜的發(fā)育溫度是作物營養(yǎng)生長和產(chǎn)量形成的前提和保障，而低溫凍害往往會造成作物產(chǎn)量大幅度下降，甚至造成絕收現(xiàn)象。隨著近年極端天氣的增多，低溫凍害成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最嚴(yán)重的環(huán)境脅迫因子之一，研究如何提高作物的抗寒性能十分必要[1,2]。植物的抗寒性是植物長期在低溫寒冷的生長環(huán)境中通過自身遺傳變異和自然選擇或人為選擇而獲得的。小麥苗期主要包括出苗期、3葉期、分蘗期、越冬期和返青期等發(fā)育時期，該時期是小麥分蘗和穗分化的重要階段[3]，極易受環(huán)境溫度的影響，低溫凍害往往會造成田間缺苗、斷壟的現(xiàn)象，從而對后期產(chǎn)量的形成造成嚴(yán)重的影響[4]。因此，研究小麥苗期抗凍機(jī)制，制定合理的抗凍措施，對小麥的健康生長和產(chǎn)量提高至關(guān)重要。

植物抗凍性的生理機(jī)制主要基于增加膜的穩(wěn)定性、限制冰晶的形成、基因表達(dá)發(fā)生改變和抗氧化性增強(qiáng)4個方面[5]。通過對植物生理生化方面的研究發(fā)現(xiàn)，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量以及SOD的活性都與植物的抗寒性相關(guān)[6-10]。將植物置于非冰凍致死溫度中加以鍛煉，能誘導(dǎo)植物提高抗寒能力[10-15]。在植物抗寒基因工程研究方面，陳儒鋼等分別對植物抗凍基因的表達(dá)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)COR基因和CBF1轉(zhuǎn)錄因子等與植物抗寒調(diào)控機(jī)制有關(guān)[9,16,17]；在栽培措施方面，代海芳等研究發(fā)現(xiàn)，在黃淮地區(qū)冬小麥的播種深度在4～6cm時抗寒性最強(qiáng)[18]。此外，趙春江等對植物內(nèi)源激素與小麥抗寒性的關(guān)系進(jìn)行了研究和分析，發(fā)現(xiàn)脫落酸水平在抗寒性強(qiáng)的冬性品種中顯著高于抗寒性較弱的品種，赤霉素含量則在抗寒性較弱的春性品種中含量較高，生長素越冬前在抗寒性強(qiáng)的品種中含量較高，而春性品種中的細(xì)胞分裂素水平一直保持相對穩(wěn)定[19]。

當(dāng)前冬小麥返青期葉片可溶性糖、葉綠素含量以及苗期歸一化植被指數(shù)(NDVI)與抗寒性關(guān)系的研究甚少。苗期歸一化植被指數(shù)(NDVI)是基于植物光譜特征的指標(biāo)，是由葉片組織對可見光和近紅外光的反射值運(yùn)算而成的數(shù)據(jù)。植物反射光譜在近紅外光和可見光波長間存在顯著差異，由于葉綠素的吸收，通常植物對藍(lán)光和紅光有較強(qiáng)烈的吸收，而對近紅外光有較強(qiáng)烈的反射，強(qiáng)度主要受葉片特性的影響，土壤水分含量、營養(yǎng)狀況和葉片發(fā)育階段的環(huán)境因素是決定葉片細(xì)胞特性的關(guān)鍵[20]。葉片是植物光合作用的主要器官，葉綠體是高等植物進(jìn)行光合作用的關(guān)鍵場所，其中的葉綠素是最重要的光合色素，其含量的高低不僅可以反映植物光合系統(tǒng)性能狀況，而且決定植物冠層光合產(chǎn)物總量。近年的研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素的含量可用于鑒定植物的光合潛力、葉片和穗部的衰老、N虧缺和產(chǎn)量潛力[21,22]。本研究通過測定不同冬小麥品種(系)返青期葉片可溶性糖和葉綠素含量以及苗期NDVI值的大小，從而探究能反應(yīng)冬小麥返青期抗寒性能的生理指標(biāo)，為今后冬小麥的引種、抗寒育種以及抗寒品種的篩選提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用15個山東和河北等地主要推廣材料，包括“京411”、“中優(yōu)9507”、“中麥36”、“西農(nóng)529”、“科農(nóng)2009”、“山農(nóng)28”、“中麥175”、“中麥415”、“濟(jì)麥22”、“濟(jì)麥23”、“師欒02-1”、“西農(nóng)585”、“周麥18”、“冀麥325”和“新冬37”。分別于2018—2019年度在河北省石家莊市和山東省德州市開展試驗(yàn)。2次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)行長6m，行寬0.25m，4行區(qū)，面積6.0m2。分別于2018年3月28日和2018年3月30日在河北省石家莊市和山東省德州市兩試驗(yàn)地進(jìn)行田間取樣，并測定葉綠素含量和NDVI值。2019年2點(diǎn)取樣日期分別為4月1日和4月4日。

田間管理參考國家區(qū)域試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)開展。底肥施用以尿素、鉀肥和磷酸二銨為主，輔施少量復(fù)合肥，施用量因地力差異進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。針對土傳病蟲害，播種時拌種并開展土壤處理，防止地下害蟲和土壤病害的傳播。10月播種后，于田間噴灑除草劑進(jìn)行除草，并注意預(yù)防除草劑病害。小麥出苗后，及時查看出苗情況，針對嚴(yán)重缺苗斷壟現(xiàn)象及時補(bǔ)苗移栽，盡量避免出現(xiàn)田間出苗差異，確保苗情勻整。春季田間管理參考常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行追肥、澆水、除草等措施。

1.2 生理表型測定方法

1.2.1 可溶性糖含量

稱取0.01g植物葉片并置入10.0mL離心管，于離心管中加入9.0mL去離子水；將離心管置于100℃水浴鍋中煮沸30min，在0℃冰水混合浴中冷卻5min；將冷卻樣品置于5000R·min-1離心機(jī)離心10min，并將上清液移入50mL容量瓶中，保留離心管中樣品。重復(fù)以上步驟1次，用去離子水將容量瓶定容至50mL用于糖含量的測定。可溶性糖含量測定參考硫酸蒽酮法[23]。

1.2.2 苗期歸一化植被指數(shù)(NDVI)

使用便攜式植物光譜分析儀(Greenseeker 505型)在天氣晴好且植株葉表干燥條件下，按照小區(qū)種植順勢進(jìn)行測量。測量時確保探頭與小麥冠層保持平行，且維持15cm的高度，以1m·s-1的速度水平滑動。為避免邊界效應(yīng)，NDVI測定小區(qū)中間2行的NDVI值。

1.2.3 葉綠素含量

使用SPAD-502葉綠素儀，在晴朗天氣且植株葉表干燥條件下，于非邊行區(qū)隨機(jī)選擇15片生長健康的正常葉片(葉片表面朝上)，葉綠素儀在葉面距莖稈的1/3處測定，每測定5片葉記錄平均值。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

基本數(shù)據(jù)采用采用Excel 2019開展統(tǒng)計(jì)分析；Statistical Analysis System 8.2軟件相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 抗寒相關(guān)基本統(tǒng)計(jì)量分析

可溶性糖、葉綠素含量以及NDVI值測定結(jié)果的基本統(tǒng)計(jì)量見表1。NDVI值在所有材料的變異范圍為0.18～0.39，均值為0.31；其中，NDVI最弱為“新冬37”(0.18)，最大值為“山農(nóng)26”(0.39)。SPAD值在所有材料的變異范圍為41.24～56.75，均值為50.23；其中，SPAD最小為“冀麥325”(41.24)，最大值為“中麥175”(56.75)。可溶性糖含量在所有材料的變異范圍為8.25～40.23，均值為29.31；其中，可溶性糖含量最低為“科農(nóng)2009”(8.25)，最大值為“濟(jì)麥22”(40.23)。“京411”、“山農(nóng)28”，“中麥175”、“中麥415”、“濟(jì)麥22”和“濟(jì)麥23”為耐寒材料；“中優(yōu)9507”、“中麥36”、“西農(nóng)529”、“科農(nóng)2009”、“師欒02-1”、“西農(nóng)585”為中等耐寒材料；“周麥18”、“冀麥325”和“新冬37”為冷敏感材料。

表1 不同材料可溶性糖、葉綠素含量和NDVI值基本統(tǒng)計(jì)量

2.2 可溶性糖、葉綠素含量和NDVI值的方差分析

不同材料可溶性糖、葉綠素含量和NDVI值的方差分析結(jié)果見表2。不同品種間的NDVI值、葉綠素含量和可溶性糖含量在不同品種間差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)；重復(fù)間葉綠素含量、NDVI值與可溶性糖含量差異顯著(P<0.05)；環(huán)境間NDVI值、可溶性糖含量和葉綠素含量的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；不同凍害分級間NDVI值、可溶性糖含量和葉綠素含量都表現(xiàn)為差異顯著(P<0.05)。

表2 各統(tǒng)計(jì)量方差分析結(jié)果

2.3 抗寒性與生理特性的關(guān)系

抗凍材料、中抗材料和敏感材料間的NDVI值、SPAD值和可溶性糖含量均在P=0.05水平下呈顯著差異。NDVI值、SPAD值和可溶性糖含量可作為材料抗寒性篩選的生理指標(biāo)，用于抗性材料篩選，減少田間工作量。

表3 品種生理性狀在不同抗凍反應(yīng)間的比較分析

3 結(jié)論與討論

可溶性糖作為細(xì)胞質(zhì)中主要的有機(jī)溶質(zhì)，通過滲透調(diào)節(jié)方式提高細(xì)胞質(zhì)濃度而增強(qiáng)植物的抗寒性能，可溶性糖含量不但可以作為植物抗寒性能的指標(biāo)，而且在高鹽、高溫、干旱等生長環(huán)境中在許多植物器官中都有積累，因此可作為反應(yīng)多種環(huán)境脅迫因子脅迫程度的指標(biāo)[11-13]。NDVI值的大小與植被覆蓋率、植被生產(chǎn)力有很好的線性關(guān)系，NDVI值也與植物氮肥的需求狀況緊密相關(guān)，選用不同基因型小麥分析NDVI值與抗寒性的關(guān)系，有助于闡明選育抗寒小麥品種的植被生長基礎(chǔ)[21,24]。植物的光合作用常受到外界環(huán)境因素和自身生理生化因素的限制，其中低溫凍害是影響光合作用最嚴(yán)重的環(huán)境因素之一，低溫脅迫下會嚴(yán)重降低植物的光合速率。葉綠素作為光合作用的主要色素，通過分析不同冬小麥品種葉綠素含量與抗寒性的關(guān)系，可用來指導(dǎo)鑒定耐低溫型的小麥品種[22]。抗寒性較強(qiáng)的植物只有通過低溫鍛煉才能增強(qiáng)其抗寒性能，所以適當(dāng)?shù)牡蜏孛{迫對植物抗寒性能的提高有一定的促進(jìn)作用，而且在小麥的春化階段只有經(jīng)歷一定階段的低溫環(huán)境才能完成花芽的分化，夜間適宜的低溫也有利于作物干物質(zhì)的形成和累積。同時，同一作物不同的生長發(fā)育階段以及同一作物在不同種植區(qū)域?qū)囟鹊囊笠彩亲兓摹?/p>

目前隨著研究進(jìn)展，植物抗凍機(jī)制在基因水平、生理生化水平以及栽培技術(shù)措施等多個層面均有較深研究[15-19]。植物的抗寒機(jī)制是植物基因型和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，氣候的變化、海拔及緯度的變化、季風(fēng)因素的影響以及種植方式、管理措施的不同，都會對植物的抗寒性能產(chǎn)生一定的影響，而在相同的生長環(huán)境和田間管理?xiàng)l件下，植物的基因型差異便成了決定植物抗凍機(jī)制的主要因素。因此，篩選適宜于當(dāng)?shù)貧夂虻目购牧蠈τ诒ＷC糧食生產(chǎn)安全具有重要意義。本試驗(yàn)通過在相同的田間栽培管理措施下，于2018—2019年度在河北石家莊和山東德州兩地開展試驗(yàn)，對抗凍級別不同的材料于返青期測定了可溶性糖含量、葉綠素含量及NDVI值。葉綠素含量、可溶性糖含量和NDVI值在抗凍材料、中抗材料和敏感材料之間的差異性顯著。結(jié)合葉綠素含量，可溶性糖含量或NDVI值可以很好地反映出冬小麥返青期的不同抗凍級別。

此外，通過對不同材料間的可溶性糖、葉綠素含量以及NDVI值進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量與可溶性糖含量、NDVI值與可溶性糖含量以及NDVI值與葉綠素含量的相關(guān)系數(shù)分別是0.21、0.17和0.15。由相關(guān)系數(shù)可知，本試驗(yàn)所選擇的3個抗寒生理指標(biāo)間的相關(guān)性較小，這可能與不同指標(biāo)所代表的表型不同有關(guān)。如，可溶性糖含量可以有效提升細(xì)胞質(zhì)濃度，避免受損害，但是與葉綠色及綠色覆蓋面積關(guān)聯(lián)不大。葉綠色含量則代表葉片抗寒性強(qiáng)弱，但是葉綠色含量高并不能表明其覆蓋面積范圍大小。而NDVI指數(shù)則主要與單位面積內(nèi)的綠色覆蓋面積相關(guān)，與葉綠素含量則無關(guān)。3個表征不同的測試指標(biāo)，可以更全面地反映材料抗寒能力。

篩選抗寒材料對于選育耐冷性品種具有重要意義。本研究在2a兩點(diǎn)環(huán)境下，針對20份黃淮麥區(qū)主栽品種開展抗寒篩選工作，并測定相關(guān)指標(biāo)。“京411”、“山農(nóng)28”、“中麥175”、“中麥415”、“濟(jì)麥22”和“濟(jì)麥23”等材料在2個環(huán)境下均有較好的抗寒性，在山東及河北地區(qū)可以做適量推廣。同時，也可以開展后續(xù)研究，將這些品種作為供體親本應(yīng)用于下一步的抗寒育種研究工作中。本試驗(yàn)下一步也將會對這些材料開展群體構(gòu)建，結(jié)合基因型鑒定的方式，發(fā)掘抗寒相關(guān)位點(diǎn)和基因，解析抗寒遺傳機(jī)制，加速選育抗寒品種進(jìn)程。