孕穗期不同漬害時長對小麥生理特性及產量的影響

丁富功，盧奕霏，賈寶森，朱旭東，熊澤浩，王 超，侯澤豪，劉易科，朱展望，張迎新，王書平，方正武,3 *

（1. 長江大學農學院/主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心，湖北 荊州 434025；2. 湖北省農業科學院糧食作物研究所，湖北 武漢 430064；3. 湖北荃銀高科種業有限公司，湖北 荊州 434025）

0 引言

【研究意義】長江中下游麥區是我國的主產麥區之一，播種面積約占全國麥區的15%左右[1]，也是冬小麥漬害頻發的區域。在小麥生殖生長期，該區降水豐富，田間積水將直接引起根際缺氧，使小麥呼吸作用受到抑制，影響地上部光合等生理特性，削弱了光合產物的積累，最終使小麥產量降低[2?3]。如何減輕漬害，提高小麥產量和效益，是該地區小麥生產的重要課題[4]。【前人研究進展】農業生產中，小麥的正常生長發育和生理代謝過程常遭受逆境脅迫的影響[5]。冠層功能葉的光合產物是小麥產量的主要來源[6]，籽粒產量的70%左右均來自花后光合產物的積累量[7]；逆境脅迫引起葉片光合色素降解，使植物光合作用受到影響，導致光合產物積累量減少[8?9]。林琪等[10]研究發現干旱脅迫過程中，小麥旗葉內活性氧（ROS，Reactive oxygen species）和丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量持續增加，而超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性逐漸下降；劉莉等[11]研究認為，O2·?、H2O2代謝失調和MDA過量積累以及抗氧化酶活性的下降或功能轉變均可能是導致雄性不育的重要因素。大量研究表明，逆境脅迫可降低細胞內抗氧化物酶的活性，引起植物體內ROS的過量積累，造成生物大分子損傷和膜脂過氧化，使細胞正常生理功能受損。目前這些酶活性的變化已廣泛用于植物對逆境反應機理的研究[12]。黃欽友[4]通過人工模擬小麥漬害脅迫得出抽穗揚花期漬水SPAD值顯著下降，不同葉位葉片的SPAD值下降程度差異顯著。劉聰等[13]研究認為適當濃度的ROS是植物所必需的，而在逆境脅迫下ROS會大量積累，從而抑制植物的生長發育甚至殺死植物。程琳等[14]研究表明開花坐果期漬害脅迫對不同種植方式的西瓜生長都有抑制作用，葉片中的超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量都不同程度下降。小麥的每個生育期發生漬害均可導致減產，在孕穗期前后小麥根系對氧的需求量劇增，若此時受漬則對小麥危害最大[15]。劉楊等[16]研究發現，在孕穗期和灌漿期漬害脅迫5～15 d，小麥減產分別可達6%～77%和7%～56%；李金才等[17]等研究表明孕穗期漬害脅迫對小麥產量的影響最大，其次是灌漿期和拔節期，而苗期漬害脅迫對產量的影響最小；孕穗期發生漬害脅迫對千粒重的影響大于拔節期，對株穗數和穗粒數的影響大于灌漿期，因為此時小麥正處于營養生長到生殖生長的過渡階段。【本研究切入點】目前國內外學者在小麥應對漬害脅迫下生理特性和產量的變化已進行了大量的研究，但漬害脅迫對小麥的影響十分復雜，僅通過某一個材料（品種）、從某一個方面對其研究遠遠不夠[18]。并且小麥不同材料（品種）間對漬害脅迫的耐受性存在差異。【擬解決的關鍵問題】本研究通過盆栽控水試驗，研究孕穗期不同時長的漬害脅迫對小麥生理特性和產量的影響，分析小麥品種間的耐漬性差異及小麥生理特性和產量性狀之間的聯系，從而為進一步解析小麥耐漬性遺傳機理研究和漬害鑒定提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2018年11月至2019年6月在湖北省荊州市荊州區長江大學農學院試驗基地（30°N，112°E）進行。供試材料是由江蘇里下河農科所培育的春性中熟新品種揚麥16和中國農業科學院作科所和棉花所共同選育的國審高產品種中麥895。

1.2 試驗設計

本試驗采用裂區設計，主處理為漬害脅迫處理，副處理為供試品種。漬害脅迫處理設置9個持續時間，分別為0、1、3、5、7、9、11、13和15 d。以不漬害處理為對照（CK），每處理5盆，3次重復。在透明防雨棚內進行盆栽控水試驗，采用盆口直徑34 cm，底直徑30 cm，高度27 cm的塑料盆，并配套相同規格的無孔套盆。土壤過篩與基肥混勻后裝盆澆水（基肥用量為每kg干土施用N 0.15 g，P2O50.10 g和K2O 0.15 g），待土自然沉實后播種，播種期為11月10日。每盆選種播撒15粒，三葉一心期定植大致相同的植株10株。

試驗從小麥孕穗期（4月6日）開始，期間灌水保持在土壤表層以上2～3 cm作為漬害脅迫標準。漬害脅迫期間隨機選取各處理15株主莖綠葉測量其SPAD值和形態指標，并取鮮樣低溫保存。漬害盆栽在脅迫結束后移除套盆讓多余水分流出，自然落干，此后正常澆水并保留至小麥完熟（收獲期均為5 月27日），管理同當地田間栽培管理措施一致。

1.3 測定指標

1.3.1 葉綠素測定 采用日產的SPAD-502葉綠素測量儀測定小麥旗葉、倒二葉的葉綠素含量，選取葉片上部1/3處、中部、下部1/3處，每葉測 5 點取平均 值，以SPAD值表示。

1.3.2 活性氧測定 參照盧奕霏[19]的方法測定O2·?產生速率和H2O2含量，采用紫外分光光度計測定530 nm處的光密度，即O2·?產生速率的吸光值，以nmol·mg?1·min?1表示。將1 mL酶液與0.1 mL 5%硫酸鈦及0.2 mL濃氨水混合，待沉淀形成后3 000 r·min?1離心10 min，棄上清后的沉淀用丙酮反復沖洗，直到去除植物色素，靜置沉淀后用5 mL濃度為2 mol·L?1的硫酸溶解，在410 nm處測其H2O2含量吸光值，含量 (FW) 以nmol·g?1表示。

1.3.3 抗氧化酶活性測定 參照Ba等[20]的方法測定CAT活性，以每分鐘內D240 nm減少0.01為1個酶活性單位(U)；參照王愛國等[21]的方法測定SOD活性，在560 nm下測其吸光值，以抑制NBT光化還原作用50%的酶量為1個酶活性單位；參照Wang等[22]的方法測定POD活性；參照Wang等[23]的方法測定M DA含量。

1.3.4 農藝性狀和產量因素測定 小麥完熟后收獲，測定小麥產量及其構成因素，包括株高、穗長、有效 穗、穗粒數以及單株產量，并稱取千粒重。

1.4 數據分析

用Microsoft Excel 2016進行數據整理，采用SPSS 19.0對數據進行方差分析，最終結果以“平均值 ±標準差”表示，用 Origin 2017 進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 漬害脅迫小麥葉片SPAD值的變化

由圖1可知，孕穗期發生漬害脅迫，小麥葉片的葉綠素含量隨漬害脅迫時間的持續呈下降趨勢，且小麥品種間和不同葉位的葉片應對漬害脅迫的反應均存在差異。旗葉（圖1-A）與倒二葉（圖1-B）在漬害脅迫1～3 d期間，小麥的SPAD值有小幅度下降趨勢。漬害脅迫7～15 d小麥的SPAD值顯著下降；在漬害脅迫第15 d后，揚麥16和中麥895漬害脅迫組的旗葉SPAD值分別較CK組下降了19.42%和26.02%（圖1-A），倒二葉的SPAD值分別較CK組下降了19.39%和21.75%（圖1-B）。表明在漬害脅迫時下葉位葉片先受害，而后向上葉位的葉片擴展；且葉片受害越重SPAD值下降幅度越大。整個漬害脅迫前后，揚麥16的旗葉和倒二葉的SPAD值下降0.13%～36.01%和4.11%～40.28%，中麥895的旗葉和倒二葉的SPAD值下降0.13%～42.97%和5.80%～44.92%，這表明隨著漬害脅迫時間的持續和葉位降低，SPAD值的降低幅度增大，揚麥16的S PAD值始終高于同時期的中麥895。

圖1 孕穗期漬害脅迫小麥葉片SPAD值的變化Fig. 1 Changes on leaf SPAD of wheat plants at booting stage under waterlogging

2.2 漬害脅迫對超氧陰離子自由基（O2·?）產生速率和過氧化氫（H2O2）含量的影響

如圖2-A所示，隨著漬害脅迫程度的加劇，O2·?的產生速率呈先降低后升高的趨勢。在漬害脅迫1～7 d，超氧陰離子自由基（O2·?）的產生速率呈逐漸降低趨勢，且在漬害脅迫3～9 d低于CK組；漬害脅迫7～15 d，O2·?的產生速率高于CK組，在漬害脅迫第15 d，揚麥16和中麥895的超氧陰離子自由基（O2·?）產生速率分別是CK的1.2倍和1.19倍，這說明長期的漬害脅迫使小麥膜脂過氧化作用加劇，加速了植物組織的損傷和衰老。

如圖2-B所示，隨著漬害脅迫時間的持續H2O2含量呈現升高的趨勢。漬害脅迫1～5 d，H2O2的含量緩慢增多；在漬害脅迫第7 d，漬害脅迫的H2O2含量呈急速升高趨勢，且小麥揚麥16的H2O2含量顯著高于中麥895，在漬害脅迫第15 d，揚麥16和中麥895的H2O2含量是CK含量的109.51%和116.67%，表明長期的漬害脅迫導致內源清除H2O2能力的降低，大量H2O2的積累，加速了膜脂過氧化作用和衰老 進程。

2.3 漬害脅迫對抗氧化酶活性的影響

如圖3-A所示，在漬害脅迫中小麥CAT的酶活性呈現“升高—降低”的趨勢，且漬害脅迫兩品種的酶活性變化趨勢一致。漬害脅迫1～7 d時，CAT活性呈升高趨勢，漬害脅迫第7 d，揚麥16和中麥895的CAT酶活性達到峰值，分別是CK組的1.88倍和2.07倍，這表明小麥在受到漬害脅迫后，刺激了CAT酶活性的急劇升高；漬害脅迫7～15 d，CAT的酶活性急速降低，自漬害脅迫13 d開始，CAT酶活性開始低于CK組；漬害脅迫第15 d，揚麥16和中麥895的CAT活性分別較CK組下降了26.18%和36.41%。說明隨著漬害脅迫時間的延長，細胞受到的不可逆性損傷越大，從而導致小麥葉片CAT酶活性的降低。

如圖3-B所示，漬害脅迫期間小麥SOD的活性呈現“升高—降低”的趨勢。漬害脅迫1～11 d，SOD的酶活性均高于CK組且呈增加趨勢，其中，揚麥16在漬害脅迫第9 d時SOD酶活達到峰值為224.74 U·g?1，中麥895在漬害脅迫第7 d時SOD酶活達到峰值為247.39 U·g?1，表明短期漬害脅迫下的小麥通過增加SOD活性來清除活性氧自由基，從而提高抗氧化能力。漬害脅迫11 d后，SOD酶活性逐漸低于CK組，漬害脅迫第15 d，揚麥16和中麥895的酶活性較CK組分別降低了63.02%、77.65%。由此表明在長期漬害脅迫下，作為O2·?清除劑的SOD活性降低，使大量的O2·?進一步衍生為H2O2（圖2-B）。

圖2 孕穗期漬害脅迫小麥超氧陰離子自由基（O2·?）產生速率和過氧化氫（H2O2）含量的變化Fig. 2 Changes on superoxide anion radical (O2·?) generation rate (A) and hydrogen peroxide (H2O2) content (B) in wheat at booting stage under waterlogging

如圖3-C所示，漬害脅迫期間小麥POD的活性呈“升高—降低”的趨勢。漬害脅迫1～9 d，POD的酶活性均高于CK且呈升高趨勢，其中，揚麥16在漬害脅迫第9 d時POD酶活達到峰值為239.28 U·g?1，中麥895在漬害脅迫第7 d時POD酶活達到峰值為251.11 U·g?1，表明POD活性對漬害低氧脅迫感受靈敏，從而調節其含量以適應外界變化。在漬害脅迫9～15 d，POD活性逐漸降低，并在漬害脅迫15 d時，揚麥16和中麥895的POD活性分別較CK降低了12.72%和11.66%。表明在漬害脅迫初期的POD活性增強，清除了植株體內過量積累的部分O2·?和H2O2，但隨著后期O2·?和H2O2的不斷積累，進而 抑制了POD的活性。

圖3 孕穗期漬害脅迫對小麥旗葉抗氧化酶活性的變化Fig. 3 Changes on antioxidant enzyme activity in flag leaves of wheat at booting stage under waterlogging

2.4 漬害脅迫對MDA含量的影響

MDA含量變化能體現植株受到逆境傷害時生物膜的損傷程度[11]。如圖4所示，在CK組中MDA含量均表現穩定，但在漬害脅迫中，MDA的含量呈現“減少—增加”的趨勢，漬害脅迫1～9 d，MDA含量均低于CK組；其中，在漬害脅迫第5 d，揚麥16和中麥895的MDA含量較CK組分別降低了23.89%和26.78%，表明漬害脅迫使細胞膜脂過氧化作用提升，導致MDA含量降低；漬害脅迫11 d后，MDA的含量急劇且高于CK組，并在漬害脅迫第15 d，揚麥16和中麥895的MDA含量達到了CK組含量的1.27倍和1.33倍，由此表明隨著漬害脅迫時間的持續，小麥葉片的膜脂過氧化程度進一步加劇。

圖4 孕穗期漬害脅迫對小麥旗葉MDA含量的變化Fig. 4 Changes on MDA content in flag leaves of wheat at booting stage under waterlogging

2.5 孕穗期漬害脅迫對小麥產量因子的影響

表1所示為供試兩品種在孕穗期不同漬害時長處理下小麥各農藝性狀和產量性狀的表現。孕穗期漬害脅迫15 d，2個小麥品種的株高、穗長、有效穗、穗粒數和千粒重等均顯著降低（中麥895的株高除外）。且漬害脅迫15 d后，中麥895和揚麥16的穗長分別較CK組減少了0.43 cm和0.42 cm，中麥895的株高無顯著性變化，而揚麥16的穗長較CK降低了1.2 cm，這可能是由有小麥品種間的差異性或對不同品種對漬害脅迫的敏感程度不同所致；從產量要素來看，在漬害脅迫15 d后中麥895和揚麥16的有效穗數分別較CK減少了27.27%和23.40%，穗粒數較CK下降了3.8粒、4.1粒，千粒重分別較CK下降了11.1 g和6.6 g，從單株產量來看，中麥895產量降幅最大，達到了51.47%，由此表明在孕穗期發生漬害脅迫使得田間缺氧，從而抑制植株對營養物質的吸收與積累，使得小麥生物量大幅降低，從而導致穗粒數減少和籽粒灌漿不飽滿，產生的空粒、癟粒顯著降低了小麥的穗粒數和千粒重。

表1 孕穗期漬害脅迫對小麥產量構成因子的影響Table 1 Effects of waterlogging on yield traits of wheat plants

此外，短期內漬害各產量要素有小幅度升高現象，具體表現為在漬害脅迫1～3 d時，中麥895和揚麥16的單株產量分別較對照增加了0.40%～2.81%和2.13%～3.46%，這可能是由于小麥的應激反應造成的。

3 討論與結論

孕穗期是小麥需水的臨界期，也是防治漬害脅迫的關鍵時期[24]。光合作用是物質和能量來源的基礎。澇漬脅迫下乙烯含量升高，可促進葉綠素降解，導致小麥葉片萎黃、脫落，從而降低葉片的光合能力，導致冠層葉片光合產物的積累量減少，直接導致籽粒灌漿不足，有效穗數顯著降低，無效穗數顯著上升[25]。因此，葉綠素含量的變化可以作為衡量小麥漬害脅迫程度的主要指標之一。向永玲等[26]研究發現，小麥不同葉位對漬害脅迫的表現存在差異性，澇害首先危害下葉位葉片，而后向上葉位葉片擴展。在本研究中，揚麥16和中麥895的倒二葉的SPAD值始終低于同期的旗葉，這表現在小麥的受害程度與葉綠素的含量呈正相關，且受害越重的葉片SPAD值下降幅度越大。

氧氣是作物生存的重要因素，細胞在呼吸利用O2的過程中可形成超氧自由基（O2·?）、過氧化氫（H2O2）、羥自由基（OH）等活性氧基團（ROS），低濃度的活性氧可充當信號分子，使植物產生防御反應[13]。當植物遭受漬害脅迫時，誘導植株產生過量的ROS可氧化膜脂，破壞細胞膜結構和功能，引起酶類失活，降解葉綠素和降低光合效率等[27]。李玲等[28]通過盆栽試驗研究不同漬水時長對冬油菜苗期的影響發現，根系丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性等生長及生理指標均表現為先升高后降低的趨勢。在本研究中，小麥的CAT、SOD和POD等抗氧化物酶的酶活性在整個漬害中呈現“∧”型變化趨勢，而漬害脅迫前期的O2·?生成速率、MDA含量和H2O2的含量處于降低或緩慢增加的趨勢，表明在漬害脅迫初期，小麥的細胞膜受到損傷后，刺激抗氧化酶活性急劇上升，植物利用抗氧化酶暫時清除了多余的膜脂過氧化產物，使植物體內活性氧的產生與清除處于平衡狀態，避免植物細胞受到傷害[29]。但隨著漬害脅迫時長的持續，細胞受到活性氧的損傷程度加劇，進而抑制了抗氧化酶活性，導致脅迫后期的O2·?生成速率、MDA含量和H2O2的含量均顯著高于CK組。同時，長期的漬害脅迫環境所引起的ROS的過量積累可誘導產生離子滲漏、細胞死亡，從而抑制植株對營養物質的吸收與積累，使得生物量大幅降低[30]。本研究主要體現在小麥籽粒灌漿不飽滿、千粒重和穗粒數的顯著降低，最終導致減產。

形態學指標和生理指標是衡量植物對逆境抗性常用的指標，形態學指標中的產量指標是最直觀、最重要的指標[31]。前人研究發現漬害脅迫反而促使部分材料增產[18]，在本研究中短期漬害脅迫，有效穗數、穗粒數和千粒重等指標均有小幅度升高現象，由于小麥孕穗期正處于營養與生殖生長并進期，此時小麥生長代謝加快，短期漬害滿足了作物所需的大量水分，使得小麥在短期內漬害出現小幅度增產現象，這與前人的研究結果一致[32]。此外，向永玲等[33]研究表明，灌漿期漬害脅迫可導致小麥的有效穗數、穗粒數和千粒重均呈現降低趨勢且導致減產。同樣，在本研究中，隨著漬害脅迫時間的持續，小麥的穗長、有效穗數、穗粒數、千粒重也均呈現顯著降低趨勢，而揚麥16的各項指標均高于中麥895，且單株產量亦顯著高于中麥895，因此，本研究認為供試的2個小麥品種的耐漬性強弱表現為：揚麥16＞中麥895。

綜上所述，孕穗期遭受漬害脅迫對小麥產量有顯著影響，長期漬害使得小麥田間缺氧，嚴重影響小麥葉片活性氧代謝系統的平衡，葉片生長停滯，導致葉綠素分解和葉片光合能力降低，從而抑制植物對營養物質的吸收和積累，使小麥生物量大幅降低，導致籽粒灌漿不足，空粒、癟粒和無效穗數增多，最終引起小麥減產。決定小麥產量的三因素，即有效穗數、穗粒數和千粒重，三者之間有一定的制約性和協調性，因此只有當三者的乘積達到最佳組合時，才能使小麥獲得最高產量。