不同抗寒性小麥品種生長點發育進程及生理指標差異分析

劉 暢,杜羽晨,李寧輝,陸霄光,趙 烈,付連雙,劉 鑫,劉 君,王曉楠

(東北農業大學農學院,黑龍江哈爾濱 150030)

低溫是限制冬小麥生長的主要逆境脅迫因素之一[1]。冬小麥的抗寒性是遺傳與環境因子相互作用的結果,不同品種的抗寒能力有所差異。中國高寒地區冬季寒冷漫長,導致冬小麥無法安全越冬。東農系列小麥品種的育成,為高寒地區開展冬小麥高產育種提供了優良的抗寒材料[2]。篩選抗寒性強的冬小麥品種,可豐富高寒地區抗寒種質資源。

小麥生理指標的變化更能直觀地反映小麥品種的抗寒性。劉艷陽等[3]采用室內低溫冷凍法處理雙單倍體群體的133個株系,發現幼苗葉片中丙二醛(MDA)含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性可作為小麥抗寒性鑒定的理化指標。姜麗娜等[4]通過測定小麥拔節期低溫脅迫下葉片的生理指標,發現可溶性糖、脯氨酸和MDA含量以及過氧化物酶(POD)活性可作為小麥拔節期抗寒性鑒定的評價指標。小麥的生長點分化狀態影響其抗寒性,小麥生長點分化包括營養生長階段和生殖生長階段。生長點伸長是小麥通過春化階段的標志[5-6]。黃淮麥區冬小麥生長點在越冬階段的分化進程一般在二棱期[7],但寒地冬小麥在越冬過程中生長點的分化狀態尚不清楚,且抗寒性不同的小麥品種之間生長點分化進程和生理指標的差異也有待探索。

本研究在大田條件下種植抗寒性不同的3個小麥品種,調查越冬期小麥生長點的分化進程,并檢測相對電導率、葉綠素熒光參數、MDA含量以及SOD、POD和過氧化氫酶(CAT)活性的變化,以期明確小麥生長點分化進程對其抗寒性的影響,為抗寒性小麥品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為抗寒性不同的3個小麥品種,分別為東北農業大學農學院小麥研究所育成的強抗寒性冬小麥品種東農冬麥1號(在高寒地區越冬返青率高于80%)、山東省農科院育成的在黃淮麥區主推的弱抗寒性冬小麥品種濟麥22號(在高寒地區越冬返青率低于40%)和不抗寒性春小麥品種中國春(在高寒地區越冬返青率低于20%)。

1.2 試驗設計

試驗材料于2019年9月10日種植在黑龍江省哈爾濱市東北農業大學校內試驗基地。試驗采用隨機區組設計,3次重復,小麥行長3 m,行距30 cm,5行區,種植密度均為200萬株·hm-2。鄭 維等[8]提出,白天溫度在0 ℃以上,晚間溫度在-2 ℃以下,日平均溫度低于10 ℃,土壤表面成晝消夜凍的狀態,即為低溫馴化階段;環境最高溫度在0 ℃以下,則為封凍階段。根據本試驗期間哈爾濱市的氣溫變化情況,分別于2019年10月10日(生長期)、11月1日(馴化期)、11月20日(封凍期)取樣,進行相關指標的測定,封凍前記錄每個品種的植株數,于次年4月下旬記錄每個品種的返青成活植株數并計算返青率。返青率=返青成活植株數/封凍前植株數×100%。2020年種植時間、種植方式及返青率調查同2019年。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株外部形態特征及生長點分化進程的觀察

于2019和2020年生長期、馴化期和封凍期,隨機從大田中選取5株小麥樣品,水洗后用濾紙吸干水分,取主莖分蘗節,參照Guo等[9]的方法剝取生長點后,利用Olympus-DP電子顯微鏡進行觀察,拍照記錄生長點的分化狀態。

1.3.2 相對電導率的測定

參照高京草等[10]和鄒 琦[11]的方法測定相對電導率,略作改動。具體方法:于2019和2020年生長期、馴化期和封凍期,選取長勢一致的5株小麥,水洗后用濾紙吸干水分,用打孔器取0.2 g小麥葉片樣品,置于去離子水中,真空泵抽15 min,用電導率儀測定其電導率值(S1)。然后放入沸水浴中20 min,樣品冷卻后再次測量其電導率(S2)。相對電導率=S1/S2×100%。

1.3.3 MDA含量及抗氧化酶活性的測定

取2020年生長期、馴化期和封凍期的小麥葉片和分蘗節,采用硫代巴比妥酸(TBA)法[12]測定MDA含量;采用NBT還原法[13]測定SOD活性;參考Wei等[14]的方法測定POD活性,參考豆昕桐等[15]的方法測定CAT活性。

1.3.4 葉綠素熒光參數的測定

于2020年生長期、馴化期和封凍期,使用便攜式調制葉綠素熒光儀PAM-2500進行葉綠素熒光參數的測定,每次測定均選取植株完全展開的新葉中間部位,葉片經暗適應30 min后進行初始熒光(Fo)測定,打開飽和脈沖進行最大熒光(Fm)測定,根據所測數據計算可變熒光(Fv=Fm-Fo)和PSⅡ最大量子產額(Fv/Fm)。每個處理3次重復。

1.4 數據處理

采用SPSS Statistics進行數據處理,采用Excel 2016和Adobe Photoshop制作圖表。

2 結果與分析

2.1 不同抗寒性小麥品種的返青率

從表1可以看出,中國春和濟麥22在2020年的返青率均為0,在2021年的返青率分別為15.28%和35.62%;而強抗寒品種東農冬麥1號在2020和2021年的返青率均在98%以上。說明3個品種的抗寒性差異明顯。

表1 抗寒性不同的3個小麥品種的越冬返青率Table 1 Overwintering survival rate of the three varieties with different cold resistance

2.2 不同抗寒性小麥品種的分蘗節生長點分化進程

從圖1可以看出,2019年中國春和濟麥22在生長期時,其生長點均已分化進入二棱期,而東農冬麥1號的生長點在封凍期仍處于單棱期。2020年三個品種在生長期時,生長點均處于單棱期,但中國春和濟麥22的生長點在封凍期已進入二棱期,而東農冬麥1號的生長點在封凍期仍處于單棱期,說明越冬過程中,東農冬麥1號的生長點分化明顯滯后于濟麥22和中國春。

DM1:東農冬麥1號;JM22:濟麥22;CS:中國春。圖2～7同。DM1: Dongnongdongmai 1; JM22: Jimai 22; CS: Chinese Spring. The same in figures 2-7.圖1 3個小麥品種的分蘗節生長點分化進程Fig. 1 Growth point differentiation process of the three varieties with different cold resistance

2.3 不同抗寒性小麥品種葉片的相對電導率

相對電導率可衡量細胞電解質的外滲狀況,反映細胞膜受傷害的程度[16]。從圖2可以看出,2019和2020年田間小麥葉片的相對電導率趨勢一致,從生長期至封凍期,葉片的相對電導率均呈現出逐漸上升的變化趨勢。2019年在生長期和馴化期,3個品種的相對電導率差異均不顯著;而在封凍期,東農冬麥1號的相對電導率均顯著低于中國春和濟麥22(圖2A)。2020年在生長期和馴化期,東農冬麥1號的相對電導率顯著低于中國春和濟麥22;而在封凍期,3個品種的相對電導率差異不顯著(圖2B)。

同一時期圖柱上不同字母表示不同品種間在0.05水平上差異顯著。圖3～7同。Different letters above the columns at the same stage indicate significant differences among different varieties at 0.05 level. The same in figures 3-7.圖2 不同時期3個小麥品種的相對電導率Fig. 2 Relative electrical conductivity of the three wheat varieties at different stage

2.4 不同抗寒性小麥品種的MDA含量

MDA是膜脂過氧化產物,可反映植物受逆境傷害的程度[17]。從圖3可以看出,東農冬麥1號葉片中MDA含量從生長期至封凍期無明顯變化,而其分蘗節中MDA含量以及中國春和濟麥22葉片和分蘗節中MDA含量從生長期至封凍期均呈逐漸升高的變化趨勢。葉片中,3個時期中國春的MDA含量均顯著高于濟麥22和東農冬麥1號,且生長期、馴化期濟麥22和東農冬麥1號之間的MDA含量差異均不顯著,封凍期東農冬麥1號的MDA含量顯著低于濟麥22(圖3A)。分蘗節中,生長期和馴化期3個品種的MDA含量差異均不顯著,封凍期東農冬麥1號的MDA含量顯著低于中國春和濟麥22(圖3B)。

圖3 不同時期3個小麥品種的MDA含量(2020)Fig. 3 MDA content of the three wheat varieties at different stages (2020)

2.5 不同抗寒性小麥品種的抗氧化酶活性

植物在遭受低溫脅迫時體內會產生并積累活性氧,從而破壞植物結構與功能。SOD、POD、CAT是植物體內重要的活性氧清除酶[18]。從圖4 可以看出,3個小麥品種葉片和分蘗節中SOD活性從生長期至封凍期均呈逐漸降低的變化趨勢。葉片中,生長期和封凍期3個小麥品種的SOD活性均無顯著差異;馴化期東農冬麥1號的SOD活性顯著高于濟麥22和中國春,且濟麥22與中國春差異不顯著(圖4A)。分蘗節中,生長期3個品種的SOD活性差異不顯著;馴化期東農冬麥1號的SOD活性顯著低于中國春和濟麥22,且中國春和濟麥22差異不顯著;封凍期東農冬麥1號的SOD活性顯著高于濟麥22,但與中國春差異不顯著(圖4B)。

圖4 不同時期3個小麥品種的SOD活性(2020)Fig.4 SOD activity of the three wheat varieties at different stages (2020)

從圖5可以看出,3個小麥品種葉片中POD活性從生長期至封凍期總體上均呈逐漸升高的變化趨勢;分蘗節中POD活性變化趨勢則表現不一致,中國春呈先升高后降低的變化趨勢,而濟麥22和東農冬麥1號呈先降低后升高的變化趨勢。

圖5 不同時期3個小麥品種的POD活性(2020)Fig.5 POD activity of the three wheat varieties at different stages (2020)

葉片中,3個時期東農冬麥1號的POD活性均顯著高于中國春和濟麥22,在生長期和封凍期濟麥22的POD活性顯著高于中國春,而在馴化期兩個品種間差異不顯著(圖5A)。分蘗節中,生長期和馴化期東農冬麥1號的POD活性顯著低于中國春,但與濟麥22差異不顯著;封凍期東農冬麥1號的POD活性顯著高于中國春和濟麥22,且中國春的POD活性顯著高于濟麥22(圖5B)。

從圖6可以看出,3個小麥品種葉片和分蘗節中CAT活性從生長期至封凍期均呈逐漸升高的變化趨勢。葉片中,生長期和馴化期3個小麥品種的CAT活性差異均不顯著;封凍期東農冬麥1號的CAT活性顯著高于中國春和濟麥22,且濟麥22顯著高于中國春(圖6A)。分蘗節中,生長期東農冬麥1號的CAT活性顯著高于中國春,但與濟麥22差異不顯著;馴化期和封凍期東農冬麥1號的CAT活性均顯著高于中國春和濟麥22,且封凍期濟麥22的CAT活性顯著高于中國春,而馴化期兩品種間差異不顯著(圖6B)。

圖6 不同時期3個小麥品種的CAT活性(2020)Fig. 6 CAT activity of the three wheat varieties at different stages (2020)

2.6 不同抗寒性小麥品種的葉綠素熒光參數

葉綠素熒光參數是衡量非生物脅迫下植物光合生理狀態的有效指標[19-20]。從圖7A可以看出,中國春和濟麥22葉片的F0從生長期至封凍期均呈先降低后升高的變化趨勢,而東農冬麥1號則呈先升高后降低的變化趨勢。生長期和封凍期濟麥22的F0顯著高于中國春和東農冬麥1號,且中國春和東農冬麥1號之間無顯著差異;馴化期東農冬麥1號的F0顯著高于中國春和濟麥22,且中國春和濟麥22之間差異不顯著。從圖7B可以看出,中國春和濟麥22葉片的Fm從生長期至封凍期均呈逐漸降低的變化趨勢,而東農冬麥1號則呈先升高后降低的變化趨勢。生長期和封凍期濟麥22的Fm顯著高于中國春和東農冬麥1號,且生長期中國春顯著高于濟麥22,而封凍期兩個品種間差異不顯著;馴化期東農冬麥1號的Fm顯著高于中國春和濟麥22,且濟麥22顯著高于中國春。從圖7C可以看出,3個小麥品種葉片的Fv/Fm從生長期至馴化期總體上均呈逐漸降低的變化趨勢。生長期3個品種的Fv/Fm差異不顯著;馴化期東農冬麥1號的Fv/Fm顯著低于中國春和濟麥22,且中國春和濟麥22之間差異不顯著;封凍期東農冬麥1號的Fv/Fm顯著高于中國春,但與濟麥22之間差異不顯著。

1:生長期; 2:馴化; 3:封凍封。1:Growing stage; 2:Domestication stage; 3:Freeezing stage.圖7 不同時期3個小麥品種的葉綠素熒光參數(2020)Fig. 7 Chlorophyll fluorescence parameter of the three wheat varieties at different stages (2020)

3 討論

越冬期和返青期是冬小麥能否安全越冬和產量形成的關鍵時期,對該時期小麥的生長點分化進程和生理指標進行檢測,可為小麥的抗寒性鑒定提供一定的理論基礎[21]。低溫可導致小麥體內相對電導率、生長點分化進程、抗氧化酶活性以及葉綠素熒光參數發生變化,進而影響翌年的返青率。本研究發現,2020年濟麥22和中國春的返青率比2019年有所提高,且濟麥22的返青率增幅較大。2019年濟麥22和中國春的生長點分化進程較快,生長期時其生長點已分化至二棱期;在2020年其生長點分化進程較慢,在封凍期時仍處于二棱期,而2019和2020年封凍期時東農冬麥1號的生長點仍處于單棱期。說明東農冬麥1號的生長點分化進程較慢,能夠安全度過越冬期,從而保證翌年的返青率。

相對電導率是反映植物組織受凍后細胞原生質膜透性的重要指標,且電導率越高植株受損越嚴重[22]。本研究中2019和2020年3個品種的相對電導率從生長期至封凍期均呈逐漸升高的變化趨勢。但2020年變化幅度較2019年小,推測這與2020年雪層覆蓋較厚有關,且研究結果也顯示,連續2年抗寒品種東農冬麥1號的相對電導率增幅均低于中國春和濟麥22。前人研究發現,低溫脅迫下,植物體內會產生大量的活性氧自由基,引發膜脂過氧化[23],產生膜脂過氧化產物丙二醛(MDA),且膜脂過氧化的程度隨溫度降低和脅迫時間延長而加重[24]。本研究中,封凍期東農冬麥1號的MDA含量均顯著低于濟麥22和中國春,表明抗寒品種的膜脂過氧化程度較低。隨著負積溫的不斷增加,MDA的含量整體表現為上升趨勢,即超氧陰離子的含量超出抗氧化保護系統的清除能力,細胞膜不能夠修復低溫對細胞膜的損害,細胞膜脂質過氧化產物增多[25]。為了保護細胞免受活性氧自由基的毒害,植株形成了酶保護機制[26],抗氧化酶活性的增加可以減輕低溫對生物膜的損傷[27]。分蘗節是冬小麥安全越冬的關鍵部位,本研究中,封凍期小麥POD、CAT的活性均明顯高于生長期,且東農冬麥1號的增幅大于濟麥22和中國春,分蘗節的增幅也大于葉片。這進一步證明東農冬麥1號的抗寒性優于濟麥22和中國春。這與前人對東農冬麥1號的抗寒生理特性研究結果一致[28-29]。

葉綠素熒光參數也是抗寒性鑒定的重要指標之一,被稱為測定葉片光合功能快速、無損傷的探針,能較好地反映植株生長以及受脅迫時的生理狀況[30]。Fv/Fm是指沒有遭受環境脅迫并經過暗適應的植物葉片PSⅡ最大光化學效率,是植物潛在的最大光合能力[31]。高等植物的Fv/Fm在0.75～0.85之間,在逆境條件下迅速下降[31]。本研究中,生長期3個品種的Fv/Fm值均在0.70～0.75之間,馴化期Fv/Fm值均有所下降,表明此時葉片已經遭受低溫脅迫,但下降趨勢不明顯;進入封凍期后Fv/Fm迅速降低,濟麥22和東農冬麥1號分別是0.45和0.42,顯著高于中國春(0.35)。說明封凍期東農冬麥1號和濟麥22的Fv/Fm仍能保持較高水平。這與張 婭等[32]的研究結果一致。