140个冬小麦品种(系)对UV-B辐射的响应

吕志伟，冯 青，吕艳伟，刘立科，张艳菊，李保云，张文会

(1.聊城大学生命科学学院，山东聊城 252059； 2.中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193)

140个冬小麦品种(系)对UV-B辐射的响应

吕志伟1，冯 青2，吕艳伟1，刘立科1，张艳菊2，李保云2，张文会1

(1.聊城大学生命科学学院，山东聊城 252059； 2.中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193)

为深入了解不同小麦基因型对UV-B辐射响应的差异，以中国黄淮地区140个冬小麦育成品种(系)为材料，在苗期施加4.3 kJ·m-2·d-1的UV-B辐射，培养15 d后，测定相关的生物量(株高、鲜重、干重)、色素相对含量(花青素、叶绿素、类胡萝卜素)及光化学植被指数(PRI)等指标，计算UV-B辐射下的响应指数，并根据冬小麦幼苗干重响应指数对140个品种(系)进行了UV-B耐性分类。结果表明，140个冬小麦幼苗的7个被检测指标对UV-B辐射的响应不尽相同。对7个被测指标响应指数的相关性分析发现，反映植物生物量指标的响应指数与色素指标的响应指数之间没有显著相关性。有39个品种(系)的幼苗对UV-B辐射敏感，其中，9305031-2的干重降低幅度最大(34.8%)；抗UV-B辐射的品种(系)有36个，其中，京10531干重增加幅度最大(71.0%)；其他65个品种(系)对UV-B辐射不敏感。

冬小麦；UV-B辐射；耐性；响应指数

20世纪以来，由于大气平流层臭氧层变薄而使到达地表的紫外线-B(UV-B，280～320 nm)辐射增强，已成为一个重要的环境问题[1]。UV-B对植物的影响因品种及试验方法而异，部分植物品种的生长受到促进或不显著影响，但是大多数是负面影响。如UV-B辐射可以降低小麦[2]、黄瓜[3]、大豆[4]和水稻[5]等作物的株高、干重，抑制其光合作用，造成严重的经济损失。UV-B对植物生理进程及生长的抑制作用被认为是由于DNA损伤[6]及光合作用器官损害[7]造成的。UV-B对植物的损伤程度与DNA的修复能力[8]、类黄酮含量[9]及活性氧清除能力[10]有关。

自然界不同植物品种、甚至同一物种的不同基因型对UV-B辐射的响应均有差异，如水稻[11]、小麦[12]以及大豆[4]等作物。Dai 等[11]研究了188个水稻品种，发现UV-B辐射对其中6个品种有显著促生长效应。Satao等[13]研究了亚洲的198个水稻品种苗期对UV-B的耐性差异，并分析了抗性品种sasanishiki和敏感品种norin 1对UV-B的抗性机制[8]。面对日益恶化的环境，培育对UV-B耐性强的农作物新品种势在必行。

冬小麦是一种在世界各地广泛种植的重要作物，目前，关于UV-B辐射增强对其光合特性、生长、发育、总生物量和产量的影响已有较多研究。但只有少数研究涉及小麦响应UV-B辐射的品种间差异[12,14]，且供试品种较少。要明确小麦对UV-B辐射的品种间差异及其机理，需要对更多不同基因型的小麦品种进行相关研究。黄淮地区是中国主要的冬小麦生产地区，本研究选取该区域140份冬小麦品种(系)作为供试材料，分析其幼苗期对UV-B辐射的耐性差异，为筛选、培育抗性种质及其相关机制研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为黄淮区域种植的140份冬小麦(TriticumaestivumL.)品种(系)，由聊城大学生命科学学院刘立科博士提供。其中，许多品种曾经在此区域广泛种植，部分品种目前仍是主要的种植品种。

1.2 方 法

1.2.1 幼苗培养与处理

用纯净水室温浸种10 h后25℃催芽。挑选大小相近、发芽一致的小麦种子播于盛有蛭石的医用搪瓷盘中，种子株距1 cm、行距2 cm。播种后置于白天25 ℃、晚上22 ℃左右的培养室内，待出苗后移入人工气候室，同时每盆加Hoagland营养液200 mL。培养温度为白天20 ℃，夜晚15 ℃，光照时间为6:00至18:00，光照强度为600 μmol·m-2·s-1。同时进行UV-B处理，并不断交换搪瓷盘位置。

1.2.2 UV-B辐射处理

本试验中，UV-B处理时间为8 h(9:00至17:00)，总剂量为4.3 kJ·m-2·d-1。UV-B光源购自北京电光源研究所，放射波峰为308 nm。将灯管悬挂在幼苗的上方，处理组灯管周围用双醋酸纤维素膜包裹，以滤去UV-C辐射，但能使UV-B 和 UV-A 辐射透过。对照组灯管采用聚酯薄膜包裹，滤去315 nm以下的UV-B和UV-C 辐射。由于膜会老化，使透光性减弱，每周更换一次。用HR2000CG-UV-NIR超宽波段高分辨率光纤光谱仪(Ocean Optics Inc.USA)检测植株表面接受的紫外辐射强度，并按照GREEN 等[15]的方法转换为生物有效辐射(UV-BBE)。

1.3 测定指标及方法

UV-B处理后第15天取10株小麦幼苗作为样品，测定株高、鲜重、干重及叶绿素、花青素、类胡萝卜素和光化学植被指数(Photochemical Reflectance Index,PRI)的相对值。株高、鲜重和干重用常规方法测定，叶绿素、花青素、类胡萝卜素及PRI采用UniSpec光谱仪(PP Systems,USA)测定，根据Sims 和 Gamon[16]的方法计算叶绿素含量；根据Merzlyak等[17]方法计算花青素和类胡萝卜素含量、根据Penuelas等[18]方法计算PRI。

将对照组与处理组的各被测指标换算为相应的响应指数(RI)：

RI=(处理组-对照组)/对照组×100%。

根据Dai等[11]的方法按照幼苗干重的RI值进行UV-B耐性分类，可分为极强抗性(RI≥30%)、强抗性(30%>RI≥20%)、中抗性(20%>RI≥10%)、弱抗性(10%>RI>0)、弱敏感(0>RI>-10%)、中敏感(-10%≥RI>-20%)、强敏感(-20%≥RI>-30%)、极强敏感(RI≤-30%)以及不敏感品种共9个类别。

1.4 数据处理

试验数据采用SPSS 19.0进行方差分析，并计算不同指标间响应指数的相关系数。

2 结果与分析

2.1 140个冬小麦品种(系)在UV-B处理下的响应指数

在4.3 kJ·m-2·d-1的UV-B辐射下，140个冬小麦品种(系)的株高、鲜重、干重、花青素、叶绿素、类胡萝卜素以及PRI的响应指数变化不尽相同，表1为部分品种对UV-B辐射的响应。

株高的响应指数为-31.3%(9305031-2)～43.3%(京10531)，鲜重的响应指数为-46.6%(9305031-2)～53.6%(京10531)，干重的响应指数为-34.8% (9305031-2)～71.0% (京10531)。色素相关指标中，花青素的响应指数为-21.6%(9305031-2)～19.8%(鉴26)，叶绿素的响应指数为-14.4%(京10531)～9.9%(邢麦4号)，类胡萝卜素的响应指数为-36.2%(济麦19)～26.3%(鉴26)。PRI的响应指数为-16.6%(泰农19)～9.2%(太70)。综合分析可见，试验所采用的UV-B辐射对上述7个检测指标均能产生明显的影响，表现为受到促进或者抑制，但变化范围并不相同。具体到不同的小麦品种(系)，这种影响趋势也不一致。例如9305031-2的生物量和色素均受到UV-B辐射的显著抑制；京10531的生物量受到促进，但色素却受到抑制，而鉴26的表现则正好相反。

表1 UV-B处理下部分冬小麦品种(系)被测指标的响应指数Table 1 RI values of part winter wheat varieties(lines) under UV-B treatment %

*表示UV-B处理与对照差异显著(P<0.05); a:为了便于比较，PRI 的响应指数(RI)被转换成其相反值，因此在表中正值即表示促进作用，而负值则表示抑制作用。

* means significant difference between UV-B treatment with the control(P<0.05); a:The RI value of PRI has been converted to the negative value for better comparison.In this table,positive value means promotion while negative value means inhibition.

表2 140个冬小麦品种(系)7个被测指标响应指数间的相关系数Table 2 Correlation coefficients between seven indices of 140 varieties(lines) under UV-B treatment

**:P<0.001.

2.2 各指标响应指数间的相关系数

由表2可知，株高与鲜重、干重的响应指数极显著正相关；花青素、叶绿素及类胡萝卜素响应指数介于0.617～0.968之间，呈极显著正相关；PRI与花青素和类胡萝卜素的响应指数极显著正相关。生物量指标(株高、鲜重、干重)与色素指标(花青素、叶绿素及类胡萝卜素)之间均不存在显著相关性。说明株高、鲜重及干重等生物量的积累与叶片色素含量间无直接相关关系。

2.3 140个冬小麦品种(系)的UV-B耐性分类

根据干重的响应指数可以将140个供试小麦品种(系)分为3类(表3)，75个品种(系)的干重受UV-B辐射影响显著(P<0.05)，其余品种受UV-B辐射影响不显著。

在受UV-B影响显著的75个品种中，39个品种(系)对UV-B辐射敏感，其中，2个品种(系)属于极强敏感，5个属于强敏感，26个为中等敏感，6个品种是弱敏感。9305031-2的干重降低幅度最大，达34.8%，株高降低了31.3%，鲜重降低了46.6%，叶片中色素浓度(花青素、叶绿素和类胡萝卜素)也显著降低(P<0.05)，属于极强敏感品种。36个品种(系)对UV-B辐射具有抗性，其中，有4个品种(系)属于极强抗性，7个属于强抗性，19个属于中等抗性，6个品种是弱抗性。京10531干重增加幅度最大，达71.0%，株高增加了43.3%，鲜重增加53.6%。农大6081的干重增加幅度仅此于京10531(56.0%)，增加显著，但株高增加不显著。

表3 140个冬小麦品种(系)的UV-B耐性分类Table 3 Distribution of 140 varieties(lines) based on the RI of dry weight under UV-B treatment

3 讨 论

本研究首次比较了黄淮地区140个冬小麦品种(系)幼苗对UV-B辐射的种间响应。在分析小麦品种幼苗对UV-B的响应时，生物量指标(株高、鲜重和干重)[19]、色素浓度(花青素、叶绿素和类胡萝卜素)和PRI等均是国内外学者常用的检测指标[12,20]。UV-B辐射下，140个冬小麦品种(系)幼苗的上述指标表现出不同的种间响应，表明不同基因型的小麦品种(系)对UV-B辐射抗性存在差异，类似的报道也见于水稻[11]及其他小麦品种[12,14]等。

在评价植株的UV-B耐受性时，需要选取准确、合适的指标。干重常用来评价植株的UV-B耐受性，原因在于环境因素的变化会影响到植物的生长，包括影响植物的吸收能力、呼吸作用、光合作用乃至基因的表达等，最终体现在生物量上[11,19]。本试验发现，UV-B辐射能显著影响某些品种的株高或者鲜重，但对干重却无显著影响(如品种B98131-14-5、邢麦4号、太原504等，见表1)，因此，株高和鲜重这两个指标与干重的相关性尽管很高，但并不适合作为幼苗UV-B耐受性的评估指标。类似的现象在其他研究也有报道，这可能与UV-B辐射影响植物内源生长激素有关[4,11-12]，但具体原因有待进一步研究。

在冬小麦不同品种(系)之间，叶绿素的响应指数变化与生物量响应指标之间不存在显著相关性(表2)，说明叶绿素含量的变化不能完全反映植株的UV-B耐受性。Smith等[19]发现，UV-B 辐射能使某些敏感物种(如L.sativaButtercrunch)的叶绿素含量升高，也能使某些抗性物种(如Sinapsisalba)的叶绿素含量降低。在本研究中，花青素和类胡萝卜素含量的响应指标显著相关，二者对光合作用均具有保护作用，花青素及类胡萝卜素含量高则光合作用速率受到的抑制作用就小或不受抑制，甚至受到促进[21]，因此，二者与PRI和叶绿素含量这两个指标均显著正相关。PRI能够间接评价叶片的光合速率[18]，但在本研究中，PRI与小麦生物量及叶绿素含量的相关均不显著。因此，除干重外，其他6个测试指标均不适合直接评价冬小麦幼苗的UV-B耐受性。

某些小麦品种在低剂量的UV-B辐射下生长受到促进，但在较高剂量的辐射下生长受到抑制[22]。可能因为在较低剂量UV-B辐射下，叶片内类黄酮类物质合成增加，使叶片屏蔽UV-B辐射能力增强，能屏蔽大部分UV-B辐射进而保护光合作用免受损伤。到达内部细胞的低剂量UV-B辐射可以作为一个信号因子，刺激植物产生抗UV-B和其他生物胁迫的能力，促进细胞生长和新陈代谢；但当UV-B辐射剂量较高时，增加的类黄酮类物质含量不能充分屏蔽UV-B辐射，植株光合作用受到明显损伤，生物量降低[23]。但在菠菜和豆类作物中，却不存在这样的保护关系[21]。本研究中，光合作用相关色素与生物量之间也不存在显著相关性。进一步证明，植物对UV-B辐射所表现出的种间差异是由一系列复杂的特殊反应所决定的[23-24]。

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Responses of 140 Winter Wheat Varieties to UV-B Radiation

LÜ Zhiwei1,FENG Qing2,LÜ Yanwei1,LIU Like1,ZHANG Yanju2,LI Baoyun2,ZHANG Wenhui1

(1.School of Life Sciences,Liaocheng University,Liaocheng,Shandong 252059,China; 2.College of Agriculture and Biotechnology，China Agricultural University,Beijing 100193,China)

In order to understand the responses of different wheat genotypes to ultraviolet-B(UV-B) radiation,the UV-B responses of 140 winter wheat varieties collected from Huang Huai Region in China were studied at seedling stage under 4.3 kJ·m-2·d-1UV-B radiation for 15 days in the phytotron.To evaluate the tolerance of wheat seedlings,related indices,such as plant biomass(plant height,fresh weight and dry weight),concentrations of pigment(anthocyanin,chlorophyll and carotenoid) and photochemical reflectance index(PRI) were measured.The results showed that differences of seven indices existed among 140 winter wheat varieties under UV-B treatment.Correlation analysis showed that there was no significant correlation between the response indices(RIs) of plant biomass and the RIs of pigment.According to the RI of dry weight,39 cultivars were sensitive to UV-B,of which the variety 9305031-2 displayed the highest reduction in dry weight(34.8%); while 36 varieties were resistant to UV-B radiation,of which the variety Jing 10531 exhibited the highest increase in dry weight(71.0%); and other 65 winter wheats were not sensitive to UV-B radiation.

Winter wheat; Ultraviolet-B radiation; Tolerance; Response index

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.17

时间：2017-06-07

2016-08-23

2016-10-13

国家自然科学基金项目(31200387,31071412)；国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB118300)；山东省自然科学基金项目(ZR2014CL009,2009Zrb01762)

E-mail：lvzhiwei@lcu.edu.cn

张文会(E-mail:whzhang@lcu.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)06-0841-05

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170607.1005.034.html