3種植物提取物對小麥莖稈性狀、光合特性及產量的影響

鄭瑞明,周小云,李 進, 張軍高, 陳 勇，馬德英,梁 晶,龔靜云,雷 斌

(1.新疆農業大學農學院,烏魯木齊 830052；2.新疆作物化學調控工程技術研究中心,烏魯木齊 830091；3.新疆農業科學院核技術生物技術研究所/新疆農作物生物技術重點實驗室,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】化學生長調節劑在小麥生產上應用廣泛[1]。與化學生長調節劑比較，植物源生長調節劑具有高效、低毒、有害生物不容易產生抗藥性等優點[2]。植物源生長調節劑對促進綠色農業生產具有重要意義[3-4]。【前人研究進展】植物源提取物中活性成分主要包括生物堿類化合物、黃酮類化合物、萜類化合物、揮發油等。根據活性成分不同，不同植物提取物具有不同的植物調節活性等生理特性[5-8]。0.01 mg/mL的瑞香狼毒提取物提高小麥種子發芽率[9]；駱駝蓬(PeganumharmalaL.)提取物采用浸種方式處理小麥后，會使小麥根長變長、干重增加[10]；山核桃(CaryacathayensisSarg.)、五爪金龍(Ipomoeacairicavar.gracillima)、扁穗莎草(CyperuscompressusL.)、大黃(RheumofficinaleBaill.)提取物都能促進作物生長[11-14]。【本研究切入點】一定濃度范圍內的植物提取物能夠對植物生長發育起到調控作用，在綠色有機農業生產中具有很好的應用前景。但是對新疆半荒漠半干旱的特殊生態下植物源提取物的生物活性研究的較少。針對新疆特色植物資源篩選生物活性物質過程中，從16種植物中發現苦豆子(Sophraalopecuroides)，孜然(Cuminumcyminum)，苦草(Vallisnerianatans)3種植物的甲醇提取物對小麥萌發和幼苗具有促進生長的作用，可作為一種新的具有促生潛力的植物源活性物質開發利用，但其相關田間應用基礎的研究鮮有報道。一定濃度范圍內植物提取物能夠通過植物生長發育而達到調控的作用，這些植物提取物在綠色有機農業生產中具有良好的應用前景。但是對新疆半荒漠化半干旱的特殊生態下植物源提取物的生物活性研究的較少。需研究苦豆子、孜然和苦草提取物對小麥莖稈性狀、光合特性及產量的影響。【擬解決的關鍵問題】以甲醇提取苦豆子、孜然和苦草經旋轉蒸發得到浸膏，分別稀釋制備成3種不同濃度(1%、0.1%、0.01%)的提取液，以清水處理作為對照，于小麥拔節前期連續噴施3次，分析小麥莖稈指標、光合參數指標以及產量等相關指標的影響，并運用主成分分析評價3種提取物對小麥的使用效果，篩選出符合目標的植物源活性物質并確定適宜的施用濃度，尋找對小麥有生物活性的植物活性物質，為研制植物源農藥新產品、保護環境和農產品食品安全提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019～2021年在新疆農業科學院安寧渠綜合試驗場進行，試驗地E 87°28′，N44°08′，海拔654.0 m，年平均降水量152.0 mm，年均氣溫6.0～7.0℃，全年相對濕度<60%[15]。

采用滴灌栽培，1管4行，行間距15.0 cm，小區面積10.0 m2，理論有效穗數49.0×104穗/hm2，四周設置保護行。土壤為沙壤土，肥力水平：0～30.0 cm，有機質8.5 g/kg，pH 8.4，全氮0.6 g/kg，速效磷18.9 mg/kg，速效鉀147.7 mg/kg，硝態氮4.6 mg/kg，土壤容重1.5 g/cm3。田間滴水共7次，滴水量4 500 m3/hm2，追肥隨水滴施，其它管理模式同大田管理一致。

供試小麥品種為新春44號，由新疆農業科學院核技術生物技術研究所提供。

供試植物為苦豆子、孜然和苦草3種植物(采自新疆瑪納斯縣農業綜合試驗站藥用植物園)，陰干、粉粹，過40目篩后裝入密封袋內保存備用。

1.2 方 法

1.2.1 植物提取物制備

采用超聲波提取法提取植物樣品。分別稱取植物干粉50.0 g，加入甲醇(料液比為1∶10 g/mL)進行提取，每次30 min 重復提取3次；過濾3次，濾液在52.0℃減壓濃縮成浸膏，參照郭小強等[16]方法，再配置成1.0 g/mL母液，放入4.0℃冰箱中保存備用。

1.2.2 指標測定

采用二次稀釋法[17]，將苦豆子、孜然和苦草3種植物提取物母液稀釋制備成1%(m/v，下同)、0.1%、0.01%的溶液備用。以清水作為對照，處理1：0.01%苦豆子，處理2：0.1%苦豆子，處理3：1%苦豆子，處理4：0.01%孜然，處理5：0.1%孜然，處理6：1%孜然，處理7：0.01%苦草，處理8：0.1%苦草，處理9：1%苦草，依次記為CK、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9。分別于小麥拔節前期，每隔2 d噴施1 次，連續3次，17：00以后，天氣晴朗無風，噴霧器均勻噴灑，以小麥葉面水珠飽和而不下滴為準，噴藥時小區間用塑料薄膜隔離。

1.2.2.1 莖稈性狀

參照趙冬霞等[17]方法，于灌漿期每小區隨機取20株，調查測量小麥基部第1、2、3節間長度、莖粗和株高。

1.2.2.2 小麥基部節間內源激素

參照張玉瓊等[18]方法。于灌漿期每小區隨機采樣并稱取小麥基部3節間莖稈2.0 g，迅速用液氮速凍并研成粉末，加入1.5 mL 80%的冷甲醇溶液，密封置于冰箱(4℃)中浸提24 h，8 000 r/min離心10 min，取上清液加1.0 mL 80%的冷甲醇溶液振蕩搖勻，離心10 min取上清液，加入24.0 mL石油醚萃取，棄醚相，水相加入20.0 mL乙酸乙酯萃取，棄水相，加2.0 mL乙酸經C18膠柱分離純化后用氮氣將其吹干，用流動相定容至10.0 mL，分別過0.45 μm有機系針頭式過濾器過濾，并取10.0 μL進行高效液相色譜分析脫落酸(Abscisic acid, ABA)、吲哚乙酸(Indoleacetic acid, IAA)和赤霉素(Gibberellin 3, GA3)含量。

1.2.2.3 小麥旗葉光合指標

參照呂麗榮等[19]方法，采用Li-6400 XT型便攜式光合儀(美國LI-COR公司)，于灌漿期晴朗天氣11：00～12:00測定小麥旗葉的光合特性，每個處理重復10次，取平均值。光合參數測定：使用LED 2×3型紅藍光源葉室，閉合式氣路，葉室溫度設為25℃，CO2濃度約為380.0 μmol/L，光合有效輻射(PAR)設定為1 200.0 μmol/(m2·s)。光合氣體交換參數主要包括胞間凈光合速率(Net photosynthesis rate，Pn)、氣孔導度(Stomatal conductance，Gs)、胞間二氧化碳濃度(Intercellular CO2concentration，Ci)、蒸騰速率(Transpiration rate，Tr)和氣孔限制值(Stomatal limiation)，Ci為胞間CO2濃度，Ca為空氣CO2濃度，閉合氣路下Ca=400.0 μmol/L。

1.2.2.4 葉綠素相對含量

參照薛香等[20]方法，利用日本產SPAD-502葉綠素儀于灌漿期，測定處理小麥的旗葉相對葉綠素含量(Relative chlorophyll content，SPAD value)，每個小區測定7株，每株葉片取3個不同部位進行測定，取平均值。

1.2.2.5 產量構成因素和產量

參照杜小鳳等[21]方法，測定各處理小麥的穗粒數等產量構成要素并計算理論產量。

1.3 數據處理

數據經Excel 2010整理，統計分析方法使用SPSS 19.0進行差異顯著性檢驗和主成分分析，使用GraphPad Prism 7.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 3種植物甲醇提取物對小麥莖稈性狀影響

2.1.1 3種植物甲醇提取物對小麥基部節間長度的影響

研究表明，3種植物甲醇提取物對小麥莖基部節間長度有不同的影響。其中，0.01%苦豆子提取物處理基部第1、2節間長為2.6和7.1 cm，與對照比較分別減少27.8%、13.4%，且差異顯著。0.01%苦豆子處理對控制小麥節間長作用較好，縮短基部3節間長，在小麥拔節期，0.01%苦豆子提取物可調控小麥節間部的生長狀況，減少基部節間長度，防止倒伏。圖1

注：不同小寫字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。CK：清水作為對照；S1：0.01%苦豆子甲醇提取物；S2：0.1%苦豆子甲醇提取物；S3：1%苦豆子甲醇提取物；S4：0.01%孜然甲醇提取物；S5：0.1%孜然甲醇提取物；S6：1%孜然甲醇提取物；S7：0.01%苦草甲醇提取物；S8：0.1%苦草甲醇提取物；S9：1%苦草甲醇提取物，下同

2.1.2 3種植物甲醇提取物對小麥基部節間粗度的影響

研究表明，3種植物甲醇提取物對小麥莖基部節間粗度有不同的作用。在小麥基部第1、2、3節莖粗0.01%苦豆子提取物處理分別為3.2、3.6和4.0 mm，與對照比較分別增加9.4%、16.1%、14.3%，且差異顯著；在基部第2節莖粗方面，0.01%孜然提取物處理為3.5 mm，較對照增加12.9%，且差異顯著。0.01%苦豆子提取物處理可增加小麥基部3節間莖粗，其效果優于0.01%孜然處理。1%苦豆子與1%孜然提取物處理對小麥基部3節間莖粗生長有一定抑制效果。圖2

圖2 不同處理下小麥基部節間莖粗變化Fig.2 Comparison of stem diameter of basal internodes in Wheat

2.1.3 3種植物甲醇提取物對小麥株高的影響

研究表明,3種植物甲醇提取物對小麥株高有不同的作用。0.01%苦豆子提取物處理為77.5 cm較清水處理82.1 cm降低5.6%，達到顯著差異水平，其余處理與清水處理有差異但不顯著。0.01%苦豆子提取物處理降低小麥的株高。圖3

圖3 不同處理下小麥株高變化Fig.3 Comparison of height of the strains in Wheat

2.2 3種植物甲醇提取物對小麥基部節間內源激素的影響

研究表明，3種植物甲醇提取物對于小麥基部節間內源激素影響存在一定差異。0.01%苦豆子提取物處理的莖基部3節間的IAA含量提高16.2%，ABA含量降低7.9%，且差異均顯著，而GA3含量略有下降，下降0.4%。1%苦豆子與1%的孜然提取物處理的IAA含量下降18.9%、20.8%，ABA含量提高8.6%、9.9%，且差異均顯著。0.01%苦豆子提取物處理調控小麥內源激素含量，增加IAA含量，降低ABA含量促進小麥生長；1%苦豆子與1%的孜然提取物則類似脅迫處理，降低IAA含量，增加 ABA含量，抑制小麥生長。0.01%苦豆子甲醇提取物能夠通過調控植物內源激素來改善小麥的生長發育。圖4

圖4 不同處理下小麥基部節間內源激素含量變化Fig.4 Comparison of endogenous hormone contents in basal internodes in Wheat

2.3 3種植物甲醇提取物對小麥旗葉光合特性與SPAD值的影響

研究表明，0.01%苦豆子提取物處理對小麥的光合特性和SPAD值有一定影響。0.01%苦豆子提取物處理的小麥旗葉的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間二氧化碳濃度(Ci)分別為15.5、21.9、322.3，較對照分別增加4.0%、12.9%、2.1%，且差異顯著。1%苦豆子提取物、1%孜然提取物和1%苦草提取物對小麥旗葉光合作用有不同程度的抑制作用。0.01%苦豆子提取物處理在一定程度上提高小麥的凈光合速率。0.01%苦豆子提取物處理的小麥旗葉SPAD值有上升趨勢，SPAD值為54.1，較對照增加6.2%，差異顯著。0.01%苦豆子提取物處理在一定程度上提高小麥的凈光合速率和SPAD值。表1

表1 不同處理下小麥旗葉光合特性變化Table 1 Comparison of photosynthetic characteristics of flag leaves in Wheat

2.4 3種植物甲醇提取物對小麥產量及產量構成因素的影響

研究表明，3種植物低濃度甲醇提取物對小麥產量及產量構成因素具有不同的促進影響。0.01%苦豆子甲醇提取物處理的穗粒數、籽粒重量、千粒重及容重分別為34.5粒、39.9 g、51.0 g、839.8 g，與對照比較，分別增加10.2%、24.7%、2.8%、3.6%，而0.01%孜然提取物處理的穗粒數、籽粒重量分別為34.0粒、35.5 g，分別增加8.6%、10.9%，且差異顯著。1%孜然提取物處理的穗粒數為27.0粒，較對照減少13.7%，且差異顯著。1%苦豆子提取物、1%孜然提取物和1%苦草提取物處理的籽粒重量分別為28.9、26.0和26.8 g，與對照比較，分別降低10.7%、18.8%、16.3%，達到顯著差異水平。低濃度的苦豆子提取物和孜然提取物均有一定增加小麥籽粒重量的效果，而高濃度的苦豆子和孜然以及苦草提取物對小麥的籽粒生長具有抑制作用。表2

表2 小麥產量及產量構成因素比較Table 2 Comparison of yield and yield components in Wheat

2.5 主成分分析和排序

研究表明，第1和第2主成分的特征值分別為10.66和1.87，貢獻率分別為71.09%和12.64%，累積貢獻率為83.55%，0.01%苦豆子提取物處理對小麥生長影響的綜合評價為4.35，在綜合評價分別排在第1位，0.01%孜然提取物處理的綜合評價次之。0.01%苦豆子提取物處理對于促進小麥生長的綜合影響最佳。表3

表3 主成分比較Table 3 Comparison of principal component analysis

3 討 論

植物生長調節劑可通過調控莖、節間的分化，增加小麥基部節間莖粗和降低小麥節間長度來增加小麥的抗倒伏能力，以期獲得高產[22]。小麥旗葉的SPAD值與產量呈顯著正相關[24]。

植物提取物的活性成分對作物生長發育具有調節作用[23，24]。馬唐植物提取的活性成分對主要的農作物小麥、玉米和大豆的生長產生不同程度的抑制作用[25]；木醋液中的活性成分對小麥幼苗的生長表現為低濃度促進生長，高濃度抑制生長[26]。0.01%苦豆子提取物處理與對照相比降低小麥基部3節間長度以及株高和增加基部3節間莖粗的作用，研究結果與前人研究吻合[27]。

植物提取物的調節作用與內源激素調控植物整個發育過程有關，往往表現在多種內源激素水平的變化[26]。海洋藻類提取物含有特殊活性成分和植物內源激素，能夠促進作物生長、提高產量、減輕病蟲害、增強作物抗寒和抗旱能力[28]；人參提取物的活性成分通過減少內源激素IAA的分泌，進而抑制愈傷組織的生長[29]。研究發現，0.01%苦豆子處理可以提高小麥體內IAA含量降低ABA含量，0.01%苦豆子可以通過調控小麥內源激素水平，促進小麥的生長發育。

通過外源物質調節，改變小麥通風透光環境，提高小麥旗葉光合作用，是促進物質交換與能量儲備的重要途徑[30]。海藻提取物可以顯著提升水稻產量并且提高肥料利用效率[31]；海帶提取物可顯著提高甘蔗產量[32]。

小麥生長受農藝性狀、光合參數及產量等多因素影響，采用主成分分析能進行科學綜合評價。0.01%苦豆子處理對小麥的綜合評價效果較好，對其高效提取方式、產品劑型、田間應用等，尚需進一步深入研究。

4 結 論

苦豆子、孜然和苦草3種低濃度甲醇提取物對小麥具有均有不同程度的生長調控作用，能縮短節間長度和增加莖粗的作用，可增強小麥抗倒伏能力，還能降低小麥株高的作用，可改善田間的通風透光條件，提高旗葉光合作用，提高光能利用率，提高作物的產量。0.01%苦豆子提取物處理可增加小麥旗葉的SPAD值并且提高其凈光合速率，較對照增產。0.01%苦豆子提取物對構建小麥高光效、高產量個體和群體具有一定作用。0.01%苦豆子提取物處理對小麥產量影響的綜合評價分為4.35，綜合評價得分排名第1，0.01%苦豆子處理效果最優，0.01%孜然甲醇提取物次之。