輕度干熱風條件下噴施復合寡糖提高冬小麥葉片生理活性和籽粒淀粉合成關鍵酶活性

韓 燕，徐亞楠，宋吉青，柳斌輝，韓 偉，齋藤信，白文波*

（1 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081；2 河北省農林科學院旱作農業研究所，河北衡水053000；3 山東省農業技術推廣總站，濟南 250100；4 昭和電工株式會社，日本東京 105-8518）

干熱風是我國華北、西北和黃淮流域小麥種植區面臨的主要氣象災害之一，具有區域性頻發和重發的特點。干熱風一般發生在五月中下旬的小麥揚花灌漿期，呈現高溫低濕并伴有大風的災害特點[1]，易導致小麥葉片蒸騰加劇、葉片光合能力降低[2]，根系活力減弱、灌漿時間縮短[3]，植株提早衰老，引起生理干旱[4]，致使植株正常生理活性破壞和早衰，引發不同程度的減產[5]。黃淮海冬小麥種植區干熱風災害尤為突出，嚴重時減產可達30%左右[6]。

籽粒淀粉含量是小麥產量和品質形成的重要指標之一[7]，其合成過程受到ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶和束縛態淀粉合成酶調控[8]。這3種酶在小麥灌漿期的活性與淀粉積累速率呈正相關[9–10]。前人研究也發現，上述3種淀粉合成過程中的關鍵酶易受環境因素影響，對高溫尤為敏感[11–14]。高溫會促使小麥籽粒總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量及其積累速率顯著降低[11]。黃淮海麥區高溫低濕型干熱風災害主要發生在小麥開花灌漿期，恰逢小麥淀粉積累的關鍵期[12]，其對穗部籽粒發育[13]、籽粒形成和淀粉積累過程勢必產生負面影響[14]。

在農業生產中，目前主要通過篩選抗逆品種、適時灌溉和合理施肥，以及適期選擇調控制劑等來進行干熱風防控。化學調控制劑因具有靈活度高、施用方法簡單、見效快等優點，已逐漸成為廣泛應用的技術措施之一。寡糖 (oligosaccharides)是近年來被國內外學者們廣泛關注的一類生物刺激素制劑[15–16]，是由2～10個相同或不同的單糖通過糖苷鍵連接而形成的直鏈或含分支鏈的糖類化合物，其在農業上的應用主要集中在土壤污染修復[17]、種子包衣[18]、作物抗逆[19]和動物飼料添加等方面[20]。已有研發發現，寡糖制劑在促進小麥生長[19]和防治真菌病害[21]，以及誘導小麥抗逆性等方面僅有少量應用。針對干熱風脅迫下外源寡糖類制劑對小麥功能葉持綠能力和水分生理特征、籽粒淀粉合成過程，以及產量構成等的綜合影響研究還鮮有報道。

現階段的農用寡糖制劑大多局限于特定成分，往往存在功能單一、廣譜性差、效果不穩定等突出問題[22]，也極大限制了產品的推廣應用，研發應用多功能型復合寡糖制劑也是綠色可持續農業發展的迫切需求。本研究圍繞天然復合寡糖類制劑，比較研究在干熱風脅迫下，通過不同時期外源制劑對開花灌漿期冬小麥功能葉生理特性、籽粒淀粉合成關鍵酶活性、產量及產量構成等因素的影響，明確復合寡糖對干熱風條件下冬小麥生長發育的緩解作用，以及各生理指標與產量因子之間的內在關系，以期為多功能型寡糖類制劑的創新研發和合理應用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

于2020—2021年小麥生長季，在河北省農林科學院旱作農業研究所衡水試驗基地 (37°54′N、115°42′E，海拔20 m)布置大田試驗。該區為海河平原典型麥區，全年平均降水量497 mm，年平均溫度13.3℃，無霜期202天，年有效積溫4604℃。試驗區為冬小麥—夏玉米輪作種植模式，0—30 cm土層土壤有機質、全氮、速效氮、有效磷和速效鉀含量分別為 15.6 g/kg、1.15 g/kg、84.0 mg/kg、14.4 mg/kg和 182 mg/kg。

采用懸掛在試驗小區的溫濕度記錄儀 (LR-5001，蘇州德銳控電子有限公司)進行溫濕度實時記錄，小麥生育期內每30 min測量一次。利用小型氣象站[天坼氣象站，東方智感 (浙江)科技股份有限公司]進行田間風速采集，生育期內每1 h測量一次。依據國家氣象局2019年發布的氣象行業標準[23]，小麥生育期內，同時滿足高溫低濕型干熱風災害三要素條件的共有2 d，分別為開花后24天和26天 (圖1)，均為輕度干熱風日，即發生了兩次輕度干熱風過程，根據干熱風災害等級標準，判斷2021年為輕度干熱風年型。

圖1 開花后田間小氣候因子的日變化Fig. 1 Diurnal variation of field microclimatic factors after anthesis

1.2 試驗設計

供試冬小麥為‘濟麥22’，屬于耐高溫品種。2020年10月15日播種，基本苗330萬株/hm2。5月1日開花，5月31日進入蠟熟期，6月5日收獲。試驗地底施復合肥405 kg/hm2，折合純氮225 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2，生育期內春灌1水，其余管理按當地常規技術措施，試驗期間無明顯病蟲害發生。

試驗共設置5個處理：1)拔節期和開花期均噴清水對照 (CK)；2)拔節期和開花期各噴KH2PO41次對照 (CKP)；3)拔節期噴寡糖1次 (BT)，開花期噴清水；4)拔節期噴清水，開花期噴施寡糖1次 (HT)；5)在拔節期和開花期各噴施寡糖1次 (BTHT)。每個處理 3 次重復，每個小區面積 9 m2(6.0 m×1.5 m)，小區周圍設1.0 m的保護行，共15個小區，采用完全隨機區組排列。供試寡糖由作者單位與日本昭和電工株式會社合作研發，主要有效成分為水 (80%～99%)、磷酸二氫鉀 (0～12%)和復合寡糖 (0～10%)。每次噴施按推薦濃度稀釋1000倍。噴施用清水為自來水，磷酸二氫鉀為優級純化學試劑。每次噴施溶液量約為300 kg/hm2。小麥拔節期始于4月8日，開花期始于5月1日。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 旗葉葉綠素相對含量 (SPAD) 于小麥抽穗期在每個小區選取10株長勢基本一致的植株掛牌標記，于小麥開花后10 (5月11日起)、15、20、25、30天，采用葉綠素活體測定儀SPAD-502 (柯尼卡美能達，日本)測定SPAD值。

1.3.2 離體旗葉失水速率 (water loss rate of excisedleaves，RWL) 于小麥開花后5天 (5月6日)開始，每隔5天取1次葉片樣品，直至小麥成熟。各小區內隨機選取5片帶穗植株的旗葉，用自封袋密封保存帶回后迅速擦拭葉片，測定葉片初始 (時間為t1)鮮重 (FW1)、網紗上自然失水 2 h (時間為t2)后的葉重 (FW2)，以及烘干后的葉干重 (DW)[24]：

RWL [mg/(g·min)] = (FW1? FW2)/DW/(t2?t1)

1.3.3 葉面積指數 (LAI)的測定 各小區內選取長勢基本一致的行距進行標記，分別于冬小麥開花后5 (5 月 6 日)、10、15、20、25 和 30 天的上午 9:00—12:00，采用 SUNSCAN 冠層分析儀 (Delta-T, 英國)在標示區域進行LAI測定，設置葉片消光系數為0.85。每個行距測量3次，取平均值作為該小區的LAI值。出現枯黃葉片時，將SUNSCAN探測器置于枯黃葉片上部進行測量，葉片全部枯黃時結束測定。

1.3.4 淀粉合成關鍵酶活性 分別采集開花后11(5月12日)、16、21、26和30天的新鮮籽粒，參照Nakamur等a[25]的方法測定ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase)、束縛態淀粉合成酶 (grain starch binding synthase，GBSS)和可溶性淀粉合成酶 (soluble starch synthase，SSS)活性。

1.3.5 小麥產量及產量構成因素 小麥成熟時各小區隨機選取3個具有代表性的1 m雙行 (邊行除外)的植株調查穗數，計算折合成單位面積穗數；隨機選取30穗計算穗粒數；然后收獲籽粒，曬干后，隨機取1000粒測千粒重，3次重復計算平均千粒重，并計算小麥理論產量，即理論產量 (kg/hm2)=穗數 (×104/hm2)×穗粒數 (粒)×千粒重 (g)×10?6×85%。同時，在試驗小區選取遠離邊行20 cm的3 m2樣方單獨收割，脫粒曬干稱重后折算為實際產量。

1.4 數據處理

采用Excel 2013和SPSS 21.0軟件對數據進行統計分析，并利用單因素和Duncan法進行方差分析和多重比較 (α=0.05)，利用Origin作圖，圖表中數據至少為3次測定的平均值。

2 結果與分析

2.1 復合寡糖對冬小麥旗葉葉綠素相對含量(SPAD)的影響

表1顯示，開花后20天內，各噴施處理的小麥旗葉SPAD值沒有顯著差異；開花后25天，BT處理的SPAD值與CK差異未達顯著水平，其余噴施處理旗葉SPAD值的增加量均達到顯著水平，增加幅度為12.45%～15.22%；開花后30天，除HT處理外，其余處理的旗葉SPAD值也較CK顯著提高9.16%～12.36%，其中BTHT處理顯著增加了12.36%。試驗期間，開花后24天和26天分別出現了兩次輕度干熱風，比較干熱風發生前 (開花后20天)、后(花后30天)的SPAD值下降幅度可以發現，CK處理急劇降低了70.88%；CKP和BTHT處理則分別降低68.57%和68.00%，低于CK，說明即使發生脅迫影響，開花期和拔節期組合噴施復合寡糖和磷酸二氫鉀能在一定程度上緩解輕度干熱風對小麥旗葉葉綠素的脅迫。

表1 各處理冬小麥花后旗葉SPAD值Table 1 SPAD values of flag leaves of winter wheat at different days after anthesis

2.2 復合寡糖對離體旗葉失水速率 (RWL)的影響

開花后10天和20天，BT處理的RWL較CK和CKP分別顯著降低6.52%和9.25% (花后10天)、27.26% 和 21.15% (花后 20 天) (表2)。開花后 15天，只有BTHT處理的RWL較CK顯著降低10.58%；開花后10、15和20天，HT、BTHT處理與CKP處理對RWL的影響差異均不顯著。第一次輕度干熱風發生后的開花后25天，BT與BTHT處理的RWL較CK分別顯著降低15.08%和21.73%，說明此時BT與BTHT處理葉片受到的生理干旱傷害較小，仍具有較好的保水力。開花后30天，各處理間差異均不顯著，此時小麥進入蠟熟期，環境氣溫整體偏高，小麥葉片處于快速脫水狀態，加之經歷兩次干熱風影響，進一步加重了小麥的生理干旱，即使噴施制劑也未能顯現減緩作用。

表2 不同處理下冬小麥旗葉離體葉片失水速率動態變化[mg/(g?min)]Table 2 Dynamics of water loss rate of excised flag leaves of winter wheat under different treatments

2.3 復合寡糖對小麥葉面積指數的影響

表3顯示，與CK相比，HT和BTHT處理的小麥LAI顯著增加14.56%～78.40%和16.62%～77.78% (開花后10天除外)；與CKP相比，僅在開花后5、20和30天，HT和BTHT處理的小麥LAI顯著增加了12.53%～49.74%和16.31%～49.22%，試驗期間顯著增加了49.53%～50.47%。僅在開花后5天，BT處理的LAI較CK和CKP顯著增加17.56%和24.22%；在開花后10、15和25天，所有寡糖處理LAI與CKP差異均不顯著。本研究中，開花后24和26天分別出現了兩次輕度干熱風，通過分析干熱風發生后小麥LAI 值的下降幅度發現，開花后30天，CK處理的LAI 值較開花后20天急劇降低80.51%，HT和BTHT處理則分別降低69.64%和70.73%。這表明噴施復合寡糖有利于小麥葉片LAI值維持較高的水平，而且受干熱風脅迫的影響也相對較小，其中BTHT處理的效果最好，且該處理葉片LAI與旗葉SPAD降幅具有一致性 (表2)，說明BTHT處理有助于小麥光合能力的穩定。

表3 不同處理下冬小麥葉面積指數的動態變化Table 3 Dynamics of winter wheat LAI under different treatments

2.4 復合寡糖對淀粉合成關鍵酶活性的影響

2.4.1 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 (AGPase)活性 開花后11天，冬小麥進入灌漿期，HT和BTHT處理的AGPase活性較CK分別顯著增加6.45%和11.14%(圖2A)。開花后16天，僅BTHT處理的AGPase活性較CK和CKP處理顯著增加；開花后21天，則是BT處理較CK顯著提高6.06%。開花后26天，即使經歷了兩次干熱風影響，復合寡糖處理BT、HT和BTHT的AGPase活性較CK和CKP均顯著提高。開花后30天，HT處理的AGPase活性較CK和CKP分別增加了16.91%和14.41%。同時也較其它寡糖處理顯著增加了8.66%以上。可見，拔節期和開花期兩次組合噴施對比任一單獨噴施處理更有助于提高小麥灌漿期籽粒AGPase活性，增強蔗糖轉化為淀粉的能力，持續不斷充盈籽粒庫容，以減緩干熱風對小麥籽粒的傷害。在冬小麥灌漿后期，HT處理對AGPase活性增加效果甚至比BTHT處理更佳。

圖2 不同處理下冬小麥籽粒關鍵酶活性的動態變化Fig. 2 Dynamics of key enzyme activities in winter wheat grains under different treatments

2.4.2 束縛態淀粉合成酶 (GBSS)活性 開花后11天，BTHT組合處理的GBSS活性較CK和CKP顯著增加7.05%和18.99%；開花后16天，所有寡糖處理的GBSS活性較CK均顯著增加 (圖2B)。開花后21天，小麥處于籽粒干物質快速填充階段，所有處理的GBSS活性差異均不顯著。開花后26天，經歷兩次干熱風影響，與CK和CKP處理相比，BTHT處理的GBSS活性分別顯著提高9.20%和3.41%；即使在開花后30天，BTHT處理的GBSS活性仍保持最高，較CK和CKP處理分別顯著增加12.28%和6.30%；同時HT處理的GBSS活性也較CK顯著增加。與開花后21天相比，開花后30天時CK處理的GBSS活性急劇降低8.97%，但CKP和BTHT處理僅分別降低4.91%和3.16%，說明葉面噴施制劑有助于干熱風脅迫下小麥直鏈淀粉合成酶活性的穩定和增加。拔節期和開花期同時噴施寡糖對于增加小麥籽粒GBSS活性具有協同作用，在籽粒快速灌漿后期增加尤為明顯，這進一步說明復合寡糖有助于提高受干熱風影響的冬小麥蔗糖轉化為直鏈淀粉的潛能。

2.4.3 可溶性淀粉合成酶 (SSS)活性 與CK相比，開花后11至30天內任一取樣時刻，組合處理BTHT的SSS活性均顯著增加了6.05%～15.59%，且在開花后11天和開花后30天，其活性較CKP處理也分別顯著提高了5.92%和9.39% (圖2C)。開花后16天至21天，各噴施處理組與CK差異均不顯著(BTHT處理除外)。開花后30天，寡糖處理BT和HT的作用也逐漸凸顯，其SSS活性較CK和CKP增加1.97%～12.89%。說明適期噴施復合寡糖能促使干熱風條件下冬小麥籽粒SSS活性維持較高的水平，而且在灌漿后期效果更明顯；其中BTHT處理效果最好。

2.5 復合寡糖對冬小麥產量及產量構成因素的影響

由表4可知，與CK相比，各制劑處理雖未引起小麥穗數和穗粒數的顯著增加，但BTHT處理促使千粒重顯著增加5.09%。通過收獲3 m2樣方測得的實際產量發現，除HT處理外，其余制劑處理均不同程度地促使小麥顯著增產6.69%以上。結合理論產量和實際產量，BTHT組合的增產作用最大，其次為BT處理。進一步說明適期噴施寡糖不僅能緩解干熱風脅迫對小麥產量的不利影響，且在輕度干熱風脅迫下，還有明顯的增產潛力。拔節期和開花期組合噴施對產量增加的影響具有協同作用。

表4 不同處理對冬小麥產量及產量構成因素的影響Table 4 Effects of different treatments on yield and yield components of winter wheat

2.6 相關性分析

利用Spearman相關性分析發現，SPAD、LAI和AGPase活性均與產量呈正相關關系 (表5)，RWL與產量呈負相關關系。同時，GBSS和SSS與產量顯著正相關 (P<0.05)。其中，LAI與SPAD、GBSS和AGPase，SPAD與AGPase顯著正相關 (P<0.05)，RWL與SSS顯著負相關 (P<0.05)。由此說明復合寡糖通過顯著提升淀粉合成相關酶活性，促進淀粉合成，進而直接影響產量形成。同時LAI的穩定對SPAD、GBSS和AGPase活性均有明顯影響，說明寡糖有利于穩定或延長小麥葉片的光合生理功能，影響小麥淀粉合成酶活性，進而間接影響產量。

表5 各處理冬小麥產量形成重要參數的相關性分析Table 5 Correlation analysis of yield formation factors in different regulation treatments under dry hot wind

3 討論

3.1 復合寡糖對冬小麥旗葉葉片生理特性的影響

前人研究發現，小麥在灌漿期發生的干熱風災害會引起植物細胞失水和葉片葉綠素降解，造成葉片蒸騰加劇、光合作用無法正常進行等一系列生理失調現象[26]，最終影響干物質儲運和小麥產量[13]。小麥功能葉的葉綠素含量和離體失水速率等指標對水分虧缺反應敏感[27]，常常被作為小麥抗旱性鑒定的生理指標[28]。本研究中，開花后20天之前，試驗地沒有明顯的干熱風發生，各處理之間SPAD值差異均不顯著；開花后24天和26天發生兩次輕度干熱風，從開花后25天開始，BTHT處理和常規化學防控措施CKP處理組的旗葉SPAD值顯著高于CK，且維持在相對較高的水平。與CK相比，從開花后10天開始，各制劑處理的RWL均有不同程度的降低趨勢，但各處理間的顯著性差異并未隨著小麥生育進程呈規律性的變化。開花后25天取樣時恰逢遭遇第一次干熱風影響，BTHT和BT處理的RWL值較CK顯著減小，但與CKP差異不顯著，開花后30天，可能受兩次干熱風災害影響小麥早衰，各處理RWL值均無顯著差異；但BTHT處理和HT處理的LAI值顯著高于CK和CKP處理。可見，適期葉面噴施復合寡糖，能在一定程度上提高葉片SPAD值，尤其對灌漿后期葉片LAI值和保水能力有明顯促進作用，這樣就有助于維持葉片持綠功能，促進光合作用，進而減緩干熱風對葉片的危害，提高小麥抵御干熱風的能力。有研究也發現，在小麥生育后期噴施葉面肥可以延緩葉片衰老[6]、提高葉片SPAD值和延長灌漿時間，提高植株抗干熱風能力[12]。本試驗中，拔節期和開花期組合噴施復合寡糖對小麥葉片光合和水分生理特性的影響效果最優。

3.2 復合寡糖對冬小麥籽粒蔗糖—淀粉代謝途徑關鍵酶活性的影響

籽粒灌漿速率和淀粉積累速率與淀粉合成關鍵酶呈正相關，開花后4～15天是籽粒淀粉合成相關酶最活躍的時期[7–8,11]。本研究中，開花后10天左右小麥進入灌漿期，籽粒淀粉合成關鍵酶AGPase、SSS和GBSS活性也隨著生育進程呈小幅上升趨勢。對比不同處理，經歷兩次干熱風后，HT處理提高AGPase活性的效果最明顯，即使在開花后30天，其AGPase酶活性仍處于較高水平。SSS和GBSS活性基本在開花后21天達到峰值，BTHT處理對GBSS和SSS活性提高的效果最明顯。大量研究表明，當外界脅迫發生時，小麥淀粉合成過程中的關鍵酶活性會下降，造成小麥籽粒中淀粉含量下降[29]，最終影響小麥的產量和品質[30]。本研究中，受開花后24天和26天兩次輕度干熱風影響，小麥籽粒GBSS和SSS活性在此后下降幅度尤為明顯，這可能與高溫阻礙蔗糖向淀粉轉化，抑制籽粒淀粉關鍵合成酶活性有關[10–11]。與對照CK相比，復合寡糖對小麥快速灌漿后期籽粒蔗糖—淀粉代謝途徑關鍵酶AGPase、SSS和GBSS活性增加和穩定的作用更明顯。寡糖對干熱風脅迫下冬小麥籽粒淀粉合成關鍵酶活性的影響，與籽粒干物質積累轉運以及籽粒灌漿進程等密切相關，后續需要加強上述方面的深入研究。

3.3 復合寡糖對冬小麥產量和產量構成因素的調控作用

大量研究表明，干熱風會影響小麥籽粒灌漿，造成小麥減產，但在小麥關鍵生長期，噴施外源制劑可以緩解干熱風對小麥產量帶來的不利影響[5–8]。本研究中，與對照相比，拔節期和開花期兩次噴施復合寡糖的BTHT處理有助于小麥千粒重顯著增加，同時對輕度干熱風脅迫下小麥產量也有明顯促增作用，這可能歸功于冬小麥生長后期，即使遭遇輕度干熱風脅迫，制劑處理也能促使旗葉SPAD和葉片LAI維持較高的水平，使葉片具有較高的保水能力。結合相關性分析，GBSS和SSS活性與產量顯著正相關，說明寡糖通過調控淀粉合成關鍵酶活性影響產量形成；同時也通過維持或延長葉片光合生理功能，進一步改善淀粉合成酶活性。王慧等[31]利用營養復配制劑也能達到緩解小麥干熱風的不利作用。我們前期研究也證實，噴施磷糖類制劑可以促進開花期至成熟期小麥葉片和穗部干物質的轉運，進而延長小麥灌漿期[13]。

4 結論

噴施復合寡糖制劑可以明顯提升小麥灌漿后期旗葉的葉綠素含量和葉面積指數，改善小麥灌漿前期葉片保水能力，進而提高旗葉光合性能，增強植株的抗干熱風能力。噴施復合寡糖還能維持較高的淀粉合成關鍵酶活性，進而提升光合產物轉化為淀粉的能力，最終增加產量。

從噴施方法看，在拔節期和開花期各噴施1次寡糖的效果最好，但其產量與只在拔節期噴施1次的處理無顯著差異。