9个冬小麦品种对苗期干旱的生理响应及抗旱性评价

高宝云，张 军

（商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000）

9个冬小麦品种对苗期干旱的生理响应及抗旱性评价

高宝云，张 军

（商洛学院生物医药与食品工程学院，陕西商洛726000）

以长4640等9个冬小麦品种为材料，对其在干旱胁迫下叶片相对含水量（RWC）、保护酶活性（SOD，POD和CAT）、质膜氧化程度（MDA含量和相对电导率）、渗透调节物质含量（脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白）等生理生化指标进行测定，基于单项指标的抗旱系数，利用主成分分析对供试品种的苗期抗旱性进行综合评价。结果表明，干旱胁迫后，叶片相对含水量较对照有不同程度地下降；保护酶活性（SOD，POD和CAT）、质膜氧化程度（MDA含量和相对电导率）、脯氨酸和可溶性糖含量整体呈上升趋势；而可溶性蛋白质含量在品种间变化趋势不尽相同。通过主成分分析和聚类分析，9个供试品种分为3类：小偃22和晋麦47属强抗旱型；商麦5226、秦麦9号、长4640、商麦8928和西农889属中等抗旱型；长武134和郑麦9023为弱抗旱型。

冬小麦；抗旱性；生理特性；综合评价

水分是限制作物生产力的关键生态因素之一。据不完全统计，世界范围内因干旱造成的减产可能要超过其他自然灾害所导致的产量损失之和[1-2]。由全球变暖导致的气温升高及可利用水资源的日益减少，干旱胁迫可能伴随着小麦的整个生育期[3]。故研究小麦如何适应干旱胁迫的机制，提高抗旱性评价的准确性，对于确定品种的适应种植区域和稳定粮食生产具有重要的意义。苗期是小麦生长发育的重要阶段，“有了苗，就有3分收成”[4]。小麦苗期若遭遇干旱，导致冬前生长迟缓、分蘖不足、难以形成壮苗越冬，并对后期生长造成不可逆的影响[5]。前人研究表明，逆境胁迫后小麦的保护酶活性、质膜氧化程度和渗透调节物质含量会发生一系列的生理生化变化[5-7]。在分析方法上，为避免单一指标的片面性，近些年越多越多的学者采用主成分分析[8]或灰色关联分析[9]来分析小麦的抗逆性。前人研究为后续小麦抗旱性提供了较好的借鉴与参考。

鉴于小麦对干旱的生理响应在不同基因型间存在显著差异[10]，笔者对长4640等9个抗旱性有明显差异的冬小麦品种在幼苗期进行PEG6000干旱胁迫，测定叶片生理生化指标变化，采用主成分分析法进行抗旱性评价，以期为生产上筛选抗旱品种、选用抗旱品种提供参考。

1 材料和方法

1.1 材料

供试小麦品种为长4640、长武134、晋麦47、商麦5226、商麦8928、郑麦9023、小偃22、西农889和秦麦9号，种子由西北农林科技大学农学院和商洛学院良繁中心提供。

1.2 方法

人工挑选大小基本一致的种子，1%NaClO消毒5 min，蒸馏水反复冲洗后置于培养皿中，加蒸馏水放置于室温下24 h。在中下部和底部打孔的塑料杯（300 mL）中装入适量除去杂物的锯末，将露白种子均匀放置于杯中，用锯末轻轻覆盖，再用蒸馏水浇透，待苗齐后每杯选留15株长势均匀的小苗。小麦一叶一心时用Hoagland营养液浇灌，二叶一心时开始干旱胁迫。试验设2个水分梯度，干旱胁迫（DS）用20%PEG-6000（用Hoagland营养液配制而成）处理，对照（CK）加等量Hoagland营养液。每个品种每个处理16杯。每天定时定量浇灌。

1.3 测定指标及方法

处理0，48，96 h后取第1片完全展开叶进行测定。测定指标为叶片相对含水量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、丙二醛（MDA）含量、电导率（REC）、脯氨酸含量、可溶性糖含量和可溶性蛋白含量。以上生理指标的测定方法参考文献[11]进行。每个指标3次重复。

1.4 数据处理

参照贾寿山等[12]求得单个指标的抗旱系数。

参照白志英等[13]求得每一个供试小麦综合指标的隶属函数值。

其中，Xj表示第j个综合指标，Xmax和Xmin为j个综合指标的最大值和最小值。

各综合指标权重（重要程度）用公式（3）计算[13]。

式中，Pj为第j个综合指标的贡献率，wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的权重。

参照谢志坚[14]计算抗旱性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 PEG6000胁迫对小麦幼苗期生理指标的影响

2.1.1 对幼苗期小麦叶片相对含水量的影响 由图1-A可知，干旱胁迫后供试品种的叶片含水量呈下降趋势。其中，干旱处理48，96 h后，均为郑麦9023叶片相对含水量较对照降幅最大，分别为13.27%和33.26%，呈统计学显著性（P＜0.05）；晋麦47降幅最小，分别为3.35%和9.56%，其余品种降幅介于二者之间。

2.1.2 对幼苗期小麦保护酶活性的影响 由图1-B可知，小麦叶片SOD活性随着干旱胁迫时间的延长显著性增加。其中，干旱胁迫48，96 h后，晋麦47的SOD活性增幅最大，分别较对照增加95.24%和169.13%；胁迫48 h后西农889的SOD活性增幅最小（25.16%），胁迫96 h后郑麦9023的SOD活性增幅最小（48.36%）。

干旱胁迫后叶片POD活性整体呈增加趋势（图1-C）。其中，干旱处理48 h后各供试品种POD活性较对照有不同程度地增加，长4640的POD活性增幅最大（19.09%），商麦5226的POD活性增幅最小（6.90%）；处理96 h后，郑麦9023、西农889和秦麦9号的POD活性有所下降，郑麦9023降幅最大，较对照下降9.88%，其余5个品种POD活性则继续增加。

由图1-D可知，除秦麦9号外，其余供试品种叶片CAT活性较对照均随着干旱胁迫时间的延长显著性增加。其中，胁迫48 h后，晋麦47的CAT活性增幅最大（111.22%），96 h后，长4640的CAT活性增幅最大（210.68%）；胁迫48 h后秦麦9号的增幅最小（33.33%），胁迫96 h时西农889的CAT活性增幅最小（58.82%），其余品种的CAT活性则处于二者之间。

2.1.3 对幼苗期小麦质膜氧化程度的影响 从图2-A可以看出，小麦叶片MDA含量在干旱胁迫后呈增加趋势。其中，胁迫48，96 h后，郑麦9023的叶片MDA较对照增幅最大，分别为173.99%和268.17%；晋麦47增幅最小，分别为46.23%和80.64%。

从图2-B可以看出，除晋麦47外，其余供试品种叶片相对电导率随着干旱胁迫时间的延长显著性增加。其中，胁迫48，96 h后，相对电导率增幅最大的为郑麦9023，分别为117.31%和252.33%；胁迫48 h增幅最小的是商麦5226（64.52%），胁迫96 h后增幅最小的是晋麦47（100.65%）。

2.1.4 对幼苗期渗透调节物含量的影响 由图3-A可知，小麦叶片脯氨酸含量在干旱胁迫后较对照有不同程度的增加。其中，处理48，96 h后，晋麦47增幅最大，分别为64.51%和127.41%；郑麦9023增幅最小，分别为14.73%和27.21%，其余品种介于二者之间。

小麦叶片可溶性糖含量随干旱胁迫时间延长呈上升趋势（图3-B）。其中，处理48，96 h后，均是晋麦47可溶性糖增幅最大，分别为42.72%和96.09%；处理48 h后，增幅最小的是西农889，为13.82%，处理96 h后增幅最小的为秦麦9号，为23.72%。

由图3-C可知，小麦叶片可溶性蛋白含量在干旱胁迫后变化趋势不完全一致。其中，胁迫48 h后，西农889和秦麦9号的可溶性蛋白含量较对照有所下降；胁迫96 h后，除西农889和秦麦9号外，郑麦9023的可溶性蛋白较对照下降，且郑麦9023和秦麦9号下降呈统计学显著性，其余品种有不同程度地增加。

2.2 各单项指标的抗旱系数及简单相关分析

用公式（1）求出各单项生理指标的抗旱系数（表1）。由表1可知，干旱胁迫后，叶片相对含水量有所下降；保护酶活性（SOD，POD和CAT）、质膜氧化程度（MDA含量和相对电导率）、可溶性糖含量和脯氨酸含量均有不同程度地增加；可溶性蛋白质含量在品种间变化趋势不尽一致。从各单项指标来看，指标间变化幅度和趋势在品种间不尽相同，可见小麦的抗旱性是一个复杂的综合性状，任一单项指标评价小麦抗旱性存在着片面性。另外，从相关系数矩阵来看，各单项指标间存在着或大或小的相关性（表2），使得它们提供的信息发生重叠。因此，不能利用这些指标直接评价供试品种的抗旱性。

表1 各单项指标的抗旱系数%

表2 单项指标的相关系数矩阵

2.3 主成分分析

利用SAS软件对叶片相对含水量等9个单项指标的抗旱系数进行主成分分析。将9个单项指标转化为9个新的且相互独立的综合指标。处理48 h下前3个综合指标的贡献率分别为0.731 9，0.130 5和0.061 8（表3），CI1～CI3累积贡献率达92.41%，其余忽略不计；处理96 h下，前3个综合指标的贡献率分别为0.832 1，0.093 5和0.043 7（表3），CI1～CI3累积贡献率达96.93%，其余亦忽略不计。根据贡献率可知各综合指标的相对重要性。

表3 各综合指标的系数及贡献率

2.4 抗旱性综合评价

表4 各品种的综合指标值、u（Xj）、权重、D值及综合评价

2.4.1 隶属函数分析 根据公式（2）求出每个供试 小麦品种3个综合指标的隶属函数值（表4）。对于同一综合指标如CI1，干旱处理48 h后晋麦47的u（X1）值最大，为1，表明其在CI1这一综合指标上表现为强抗旱性；郑麦9023的u（X1）值最小，为0，则其在CI1这一综合指标上表现为弱抗旱性。干旱处理96 h后，小偃22的u（X1）值最大，为1，表明其在CI1这一综合指标上表现为强抗旱性；郑麦9023的u（X1）值最小，为0，则其在CI1这一综合指标上表现为弱抗旱性。

2.4.2 权重的确定 根据各综合指标贡献率的大小（48 h分别为0.731 9，0.130 5和0.061 8，96 h分别为0.832 1，0.093 5和0.043 7），用公式（3）可求得各综合指标权重。经计算，干旱处理48 h后3个综合指标的权重分别为0.792，0.141和0.067，干旱处理96 h后3个综合指标的权重分别为0.858，0.096和0.045（表4）。

2.4.3 综合评价 用公式（4）计算各小麦品种综合抗旱能力大小，根据D值，对供试小麦品种抗旱性进行大小排序。其中，胁迫48，96 h后均是小偃22的D值最大，表明该品种抗旱性最强；郑麦9023的D值最小，表明其抗旱性最弱。胁迫48，96 h后，除商麦8928和西农889外，其余品种抗旱性强弱排名均一致。采用最大距离法对D值进行聚类分析，可将9个供试品种抗旱性可分为3类：小偃22和晋麦47为一类，属强抗旱型；商麦5226、秦麦9号、长4640、西农889和商麦8928为一类，属中等抗旱型；郑麦9023和长武134为弱抗旱型（表4）。

3 讨论

众多研究表明，植物遭受逆境胁迫时会发生一系列的生理生化变化。其中，水分特征是植物抗旱性的重要指标[15]。本研究中，干旱胁迫下叶片相对含水量呈降低趋势，可见小麦可通过调整叶片含水量来适应变化后的水分环境。逆境胁迫下植物活性氧代谢失调，植物会启动自身的保护机制，主要表现为保护酶活性增强[13-16]。张军等[8]研究表明，干旱胁迫下灌浆期小麦叶片保护酶活性增强，以减轻干旱逆境对小麦的伤害。本研究中，小麦叶片中保护酶活性随着干旱胁迫时间的延长而增加，表现出对干旱胁迫一定的主动应对性和抗性。逆境胁迫会加剧机体活性氧自由基的积累，当超过保护酶的清除能力时，引发质膜细胞质膜发生过氧化，进而破坏生物膜的结构[17]。本研究支持这一结论，表现为干旱胁迫下MDA含量和相对电导率高于对照，且随着胁迫时间的延长，其值进一步增加。

渗透调节物质的积累，有利于降低清除胁迫产生的活性氧，避免质膜过氧化[18]。本研究中，干旱胁迫后脯氨酸和可溶性糖含量均较对照有不同程度的增加，这与前人研究结果基本一致[19-20]。而西农889和秦麦9号在胁迫24，96 h时蛋白低于对照，说明干旱对这2个品种小麦叶片可溶性蛋白产生了严重的影响，其负效应已经大于正效应[21]，导致叶中蛋白质下降。

作物抗旱性是一个复杂的生物学性状，选用科学的评价体系是准确衡量作物抗旱性的基础。研究认为，抗旱指数可以作为小麦抗旱性评价的综合指标[22]。该法不能区分不同生育时期的抗旱性，只能在收获后才能使用，周期长且筛选品种有限。作物的抗旱性是作物本身与环境共同作用的结果，通过测定苗期叶片相对含水量等与抗旱性相关的理化指标对早期抗旱性鉴定[6]及加速品种选用（育）具有重要的意义。而多个指标难免存在不同程度的关联性，主成分分析因其能克服上述缺点，使得评价更加科学合理，因而，被越来越多的学者应用到抗逆性评价[8，13，21-23]。本研究中，通过聚类分析将9个供试品种的抗旱性分为3类。这与生产实践基本相符。小偃22自1998年审定推广以来，目前在陕西省及周边地区有较大面积的种植[24]，晋麦47从2000年开始作为国家黄淮麦区旱地小麦区域试验的对照品种[25]。这与二者较好的抗旱适应性密不可分。郑麦9023抗旱性相对最弱，这可能与其是高水肥品种有关。可见应用主成分分析法评价苗期小麦抗旱性是行之有效的。

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Biochemical Responses of 9 Winter Wheat Cultivars to Drought Stress at Seedling Stage and Drought Resistance Evaluation

GAOBaoyun，ZHANGJun

（College ofBiopharmaceutical and Food Engineering，Shangluo University，Shangluo 726000，China）

This paper aimed at probing evaluation of drought resistance of winter wheat cultivars based on the responses of the physiological indices under simulated drought stress.Taking Chang 4640 and other 8 winter cultivars as tested materials,the physiological indexes,namely relative water content（RWC）,protective enzymes activity（SOD,POD and CAT）,plasma membrane oxidation degree（MDA content and relative electrical conductivity）,osmotic substances content（proline content,soluble sugar content and soluble protein）were measured after 48 h and 96 h drought stress,respectively,and the drought resistance was also comprehensively evaluated by the methods of principal component analysis and cluster analysis.The results showed that under drought stress,RWC decreased at different levels compared with CK.SODactivity,PODactivity,CATactivity,MDAcontent,REC,proline content and soluble sugar content increased,while soluble protein content increased or decreased to some extent.Based on principal component analysis and clusters,the nine wheat varieties were divided into three groups.Xiaoyan 22 and Jinmai 47 belonged to high drought resistance group, Shangmai 5226,Qinmai 7,Chang 4640,Shangmai 8928 and Xinong 889 belonged to middle drought resistance group,and Changwu 134 and Zhengmai 9023 belonged to lowdrought resistance group.

winter wheat;drought resistance;physiological characteristics;comprehensive evaluation

S512.1＋1

A

1002-2481（2017）03-0340-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.03.06

2016-11-21

高宝云（1973-），女，陕西洛南人，实验师，主要从事作物抗逆生理生化研究工作。