不同冬小麥品種拔節期低溫生理生化反應及其灰色關聯度分析

曹燕燕，張宏套，郭春強，葛昌斌，廖平安，黃杰，喬冀良，齊雙麗，李雷雷

（漯河市農業科學院，河南 漯河 462300）

小麥作為我國的第二大糧食作物，生育期間常遇到干旱、低溫冷害、晚霜凍、干熱風等農業氣象災害，已成為小麥產量提高的限制因素［1］。近年來，溫室效應引起的全球氣候變暖，造成我國冬暖春寒現象頻繁發生，從而導致小麥春季凍害不斷發生。拔節期是春季小麥快速生長期，對水肥要求較高，是決定小麥產量的一個重要階段［2］，對溫度變化也十分敏感，若此時突遭大幅度降溫，將嚴重影響小麥產量，一般減產10%～30%，嚴重時減幅達到50%［3］。黃淮海小麥優勢產區是我國最大的冬小麥產區，對確保我國糧食安全具有重大意義［4］。幾乎每年3—4月黃淮麥區都會出現2～5 d的大幅度降溫天氣，降溫達6～10℃，有時甚至低于0℃，嚴重影響并制約小麥的生長發育及產量提高［5，6］。因此，關于小麥凍害，特別是春季凍害的研究對黃淮麥區小麥的增產豐收有著十分重要的意義。

春季突遇低溫脅迫時，小麥植株體內會發生復雜的生理生化及分子生物學變化，表現在膜流動性改變、抗氧化酶活性增加及滲透調節物質的積累等［7－10］，以此來響應外界溫度的迅猛降低和提高植株抵抗低溫傷害的能力。研究表明，脯氨酸（Pro）含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理生化指標的變化可作為評價小麥抗寒性高低的鑒定指標［11－14］。小麥的抗寒性受眾多基因控制，因此將產量因子與抗寒性生理生化指標結合起來進行分析，可以更準確地評價小麥品種的抗寒性。

漯麥163是以漯麥6010為母本、弗羅里達為父本雜交選育而成的小麥新品種，2018年通過湖北省審定（鄂審麥2018006），2020年通過國家農作物品種審定委員會審定（國審麥20200043）。漯麥163表現出豐產穩產、適應性廣、綜合抗病性好、品質優等特點［15，16］。目前關于冬小麥抗寒生理的研究已有不少報道［16，17］，但關于漯麥163的抗寒性研究卻是空白。本試驗以漯麥163及其母本漯麥6010、鄭麥9023（對照）和偃展4110為材料，將其盆栽至拔節期，再通過春化室模擬低溫處理，研究拔節期低溫對不同品種小麥葉片生理生化特性的影響，并利用灰色關聯度分析法研究低溫脅迫下小麥生理特性與產量的關系，尋找與產量性狀密切相關的生理指標，以期為小麥品種抗寒性評價、生產上抗寒品種的選用和漯麥163的示范推廣提供理論依據，也為室內快速鑒定冬小麥的抗寒性提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2018—2019年在漯河市農業科學院試驗田網室內進行。供試品種漯麥163、漯麥6010、鄭麥9023（對照）和偃展4110種子，由漯河市農業科學院小麥研究所提供，盆栽法種植。盆直徑30 cm，高60 cm，底部用網袋包裹，以保持下層土壤通氣良好。每盆裝入大田0～30 cm耕層土壤后埋入大田，盆內土壤與地面持平。播前每盆施復合基肥6 g，澆透水沉實土壤后于10月15日播種，3葉期定苗，每盆留苗9株。每個品種種植9盆，其中3盆用于低溫取樣，3盆用于低溫脅迫后測產，3盆用于常溫對照，共計36盆。澆水量根據土壤墑情決定，每盆澆水量一致。其它管理措施同大田，2019年6月3日收獲。

1.2 低溫處理方法

2019年春季，各小麥品種植株生長至拔節期，取樣顯微鏡觀察幼穂分化進入雌雄蕊原基分化期時，將6盆均移入春化室模擬春季低溫脅迫。春化室內設置為白天0℃、夜間－4℃，誤差0.5℃，空氣相對濕度為70%。采用人工光源，光照時間為8∶00—18∶00。低溫處理0、1、2、3 d和4 d時取主莖最上部的展開葉用于生理生化指標檢測，每個品種取3盆作為3個重復。各品種剩余3盆在低溫處理4 d后移至自然條件下，直至收獲。

1.3 測定項目及方法

生理生化指標測定：每個品種測定3次取平均值。丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸比色法［18］；超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍四唑（NBT）法［19］；過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創木酚法［19］；過氧化氫酶（CAT）活性測定采用過氧化氫法［20］；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍G－250比色法［18］；脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法［18］。

產量因子測定：低溫脅迫處理4 d后，將未取樣的盆栽小麥放置到大田原位置，自然條件下恢復生長。成熟后收獲，分別調查單株穗數、單株穗粒數和單株產量。

1.4 數據處理與分析

利用Microsoft Excel 2007進行數據統計和作圖，利用DPS 15.10軟件進行差異顯著性和灰色關聯度分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對拔節期小麥葉片生理生化指標的影響

2.1.1 對拔節期小麥葉片保護酶活性的影響 植物遭受逆境時，超氧陰離子自由基會大幅度增高，SOD是一種能消除活性氧對細胞膜損害的酶［21］。由圖1A可以看出，低溫脅迫后，各小麥品種葉片SOD活性不同程度地增加，且與常溫對照相比，均達到顯著水平；持續2 d低溫下，鄭麥9023和漯麥6010的SOD活性持續升高，但漯麥163和偃展4110出現不同程度的降低；低溫持續至第3天，漯麥163和偃展4110的SOD活性又上升，而鄭麥9023和漯麥6010下降。由此可見，不同品種的SOD活性對低溫的響應能力存在差異，但均通過較大幅度的提高來抵抗低溫脅迫所造成的傷害，長期低溫脅迫下漯麥163和偃展4110表現出較強的抗寒性。

圖1 低溫脅迫下拔節期小麥葉片保護酶活性的變化

由圖1B可以看出，低溫脅迫后各品種的POD活性都有不同程度的增加，且漯麥6010和漯麥163與對照呈顯著差異；低溫脅迫2 d和3 d，各品種的POD活性持續增加；第4天，除鄭麥9023和偃展4110有所降低外，漯麥163和漯麥6010仍呈上升趨勢。說明持續低溫脅迫下，漯麥163和漯麥6010葉片的POD仍保持較強的抗氧化能力，而其它兩個品種的抗氧化能力稍有減弱。

由圖1C可以看出，低溫脅迫后4個小麥品種葉片CAT活性均有不同程度提高，與常溫對照相比，均達到顯著水平。其中低溫脅迫1 d，漯麥163升幅最大，為543.77%，其次為漯麥6010，為423.55%；低溫脅迫2 d，4個品種CAT活性均出現下降；至第3天，除漯麥6010繼續下降外，其余品種CAT活性開始回升；第4天時，除鄭麥9023和偃展4110外，漯麥6010和漯麥163的CAT活性均上升。這表明持續4 d低溫抑制了鄭麥9023和偃展4110清除活性氧的能力，但漯麥163和漯麥6010的CAT活性仍維持在較高水平，可將活性氧的傷害限制在一定的范圍內。

2.1.2 對拔節期小麥葉片丙二醛含量的影響

由圖2可知，與常溫對照相比，低溫脅迫1 d，各品種小麥葉片的MDA含量均有不同程度的增加，且均差異顯著，其中漯麥6010增幅最大，為111.96%，漯麥163增幅最小，為46.16%；低溫處理2 d，除鄭麥9023上升外，其余品種MDA含量出現下降；低溫脅迫2、3 d和4 d，除偃展4110外，各品種與對照均差異顯著；低溫持續脅迫4 d，偃展4110的MDA含量出現下降，其它3個品種MDA含量呈現上升趨勢。這表明低溫脅迫下，各品種植株已經受到活性氧的傷害，但品種間受到的傷害程度不同。

圖2 低溫脅迫下拔節期小麥葉片丙二醛含量的變化

2.1.3 對拔節期小麥葉片可溶性蛋白和脯氨酸含量的影響 由圖3A可知，低溫脅迫后，各品種的可溶性蛋白含量均呈增加趨勢。低溫處理1 d，除鄭麥9023外，其余3個品種可溶性蛋白含量與常溫對照相比，均顯著提高；第2天，鄭麥9023可溶性蛋白含量上升，其它3個品種下降；第3天和第4天，除鄭麥9023外，其余3個品種均緩慢增加。這說明在低溫脅迫下，小麥葉片積累了大量的可溶性蛋白，以保持細胞內環境的相對穩定，結果也表明鄭麥9023在低溫逆境下生成可溶性蛋白的能力稍弱些。

由圖3B可知，低溫脅迫下，4個小麥品種的脯氨酸含量呈現先升后降再升的趨勢。低溫脅迫第1天，4個小麥品種脯氨酸含量與常溫對照相比，均有提高，除鄭麥9023外，其它3個品種差異顯著；低溫脅迫第2天至第4天，鄭麥9023和偃展4110脯氨酸含量沒有顯著變化；低溫脅迫第4天與第2天、第3天比，漯麥163脯氨酸含量變化差異顯著，漯麥6010低溫脅迫第4天與第3天的脯氨酸含量差異顯著。由此可以看出，在長期低溫脅迫下，漯麥163和漯麥6010表現出更強的滲透調節能力。

圖3 低溫脅迫下拔節期小麥葉片可溶性蛋白和脯氨酸含量的變化

2.2 拔節期低溫脅迫對小麥產量及其構成因素的影響

由表1可知，與自然溫度下的對照相比，拔節期低溫造成各品種小麥的成穗數、穗粒數和單株產量均顯著下降，不孕小穗數均顯著上升；結實小穗數除鄭麥9023與對照有顯著差異外，其余3個品種均無顯著差異；千粒重除漯麥6010與對照無顯著差異外，其余3個品種均顯著降低。單株減產率依次為鄭麥9023（49.79%）＞偃展4110（47.92%）＞漯麥163（44.06%）＞漯麥6010（38.99%）。以上結果說明，拔節期低溫脅迫對小麥成穗數和穗粒數影響顯著，單株穗數和穗粒數的變化幅度越小，單株產量減產越少。

表1 拔節期低溫脅迫對小麥產量性狀的影響

2.3 拔節期低溫脅迫下小麥生理生化特性與產量的灰色關聯度分析

由表2可以看出，拔節期低溫脅迫后，小麥各生理生化指標增減幅與其產量降幅的關聯度大小依次為：脯氨酸含量＞可溶性蛋白含量＞MDA含量＞POD活性＞CAT活性＞SOD活性，其中SOD活性與產量的關聯度最小，關聯度為0.5604。說明小麥拔節期遭受低溫脅迫時，脯氨酸、可溶性蛋白、MDA含量和POD、CAT活性對小麥產量影響較大，與小麥拔節期耐寒性的關系密切。

表2 拔節期低溫脅迫下小麥各生理指標與產量的關聯度及排序

3 討論與結論

低溫脅迫能夠使植物正常的生理代謝失去平衡，細胞內活性氧自由基的產生會加快和增多，而活性氧清除系統又表現出相對較弱的清除能力，導致活性氧自由基在體內大量積累，植株受到傷害。SOD、POD和CAT是植株防御體內因活性氧自由基過多積累而造成細胞傷害的重要的保護性抗氧化酶類，能夠清除植物體內具有潛在危害的氧負離子和過氧化氫。張勇等［22］研究指出，SOD、POD和CAT等抗氧化物酶活性的高低可以反映植物在低溫脅迫下抵御低溫逆境脅迫的能力；李春燕等［23］研究指出，小麥在苗期低溫脅迫下SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性的變化隨低溫脅迫的加劇呈先上升后降低的趨勢。本研究中，低溫脅迫1 d，各小麥品種葉片的SOD、POD和CAT活性均呈上升趨勢，表明在一定的低溫脅迫下，三種酶能夠保持協調一致，從而有效清除活性氧，保護植株免遭低溫傷害；持續2 d，各品種POD活性均上升，SOD和CAT活性則有升有降；持續3 d和4 d，漯麥163和漯麥6010的SOD、POD和CAT活性一直呈現上升趨勢，說明兩品種在長期低溫脅迫下能有效清除自由基，有較強的抗寒性，而鄭麥9023和偃展4110的SOD、POD和CAT活性呈下降趨勢（偃展4110的SOD活性除外），這可能與兩品種自身較弱的抗寒性有關，最終導致不能有效清除低溫脅迫造成的自由基升高。

SOD、POD和CAT作為植物體內重要的保護性抗氧化酶類，相互協調及時清除多余的超氧陰離子自由基等活性氧，保護膜系統不受損傷。但當保護酶的清除能力不足以清除多余的氧自由基時，就會引起膜脂不飽和脂肪酸發生過氧化，最終形成有毒物質MDA［24］。本試驗中，除鄭麥9023外，低溫處理2 d，其它品種MDA含量呈現下降趨勢，而到第3天又呈上升趨勢。這說明隨著低溫時間的持續延長，酶促系統已經不能及時清除持續低溫造成的過量活性氧和自由基，從而導致MDA在植株體內的積累。

低溫脅迫下，植物體內脯氨酸含量的增加能夠提高植物的抗冷性，且小麥抗寒性隨脯氨酸含量的增加而增強［25］。低溫脅迫能夠引起小麥細胞內可溶性蛋白含量的增加，可溶性蛋白含量與其抗寒性存在密切的正相關［26］。本研究中，低溫脅迫后，4個小麥品種的脯氨酸含量呈上升趨勢；低溫至第4天，除偃展4110外，其它3個品種的脯氨酸含量均呈增加趨勢，且漯麥163和漯麥6010的脯氨酸含量與第3天相比，差異達顯著水平，說明兩品種在低溫下能夠通過脯氨酸含量的增加來提高抗寒性。可溶性蛋白含量整體呈上升趨勢，隨著低溫脅迫時間延長，增量差異不顯著，但其值整體高于自然對照。

拔節期低溫可導致小麥成穗數和穗粒數顯著下降，不孕小穗數顯著上升，單株產量下降。本試驗中，各個品種的單株產量減幅不同，說明不同品種耐拔節期低溫的特性存在差異。灰色關聯度分析表明，脯氨酸、可溶性蛋白、MDA含量和POD、CAT活性與產量的關聯度較高，可作為小麥耐寒性鑒定的重要指標。

漯麥163是漯河市農業科學院選育的小麥新品種，具有豐產穩產、抗寒性強、中抗赤霉病、抗倒性強、品質優等特性。研究發現，漯麥163屬于抗寒性較強的品種，主要是因為：①母本漯麥6010具有較強的抗寒性，豐富的遺傳基礎使得漯麥163具有較強的抗寒性；②持續低溫脅迫下，漯麥163的SOD、POD、CAT活性仍維持在較高水平，可以將活性氧的傷害限制在一定范圍內，提高植物抗寒性；③長期低溫脅迫下，漯麥163的可溶性蛋白和脯氨酸含量顯著上升，表現出更強的滲透調節能力。本研究也可為漯麥163的示范推廣提供理論依據。