春季低温对小麦产量和光合特性的影响

王瑞霞 闫长生 张秀英 孙果忠 钱兆国 亓晓蕾牟秋焕 肖世和,* 泰安市农业科学研究院, 山东泰安 7000; 中国农业科学院作物科学研究所 / 国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程,北京 0008

低温冷(冻)害是黄淮海麦区频发的自然灾害之一,严重影响并制约小麦的生长发育及产量的提高[1-2]。低温胁迫后, 植物体通过形态结构、内含物质和光合作用等一系列复杂的生理生化变化应对低温环境[3-6],但小麦的耐寒机制是受多因素影响的复杂生理过程,不同品种的抗逆机制不尽相同[7-9]。研究表明, 小麦多个生理生化指标与耐寒性显著相关, 可作为抗寒能力的评价指标, 如丙二醛(MDA)[7]、可溶性糖[7]、脯氨酸[7]或羟脯氨酸[10]、糖蛋白[10]、寒胁迫蛋白[11]、电导率[11]和细胞膜透性[12-13]。刘炜等[14]指出, 低温逆境下小麦 Ca2+-ATPase的活性及其稳定性是决定植株抗寒能力的关键。但利用这些指标鉴定抗寒性,均存在测定步骤繁琐的问题, 不适合进行大规模样品的快速筛选。

光合作用是植物物质代谢和能量转化的源泉[15]。在自然条件下, 叶绿素荧光和光合作用相辅相成,植物在进行光合作用的原初反应能量转换时, 叶绿体色素在光能的吸收、传递和转换过程中起着关键作用。叶绿素荧光参数具有反映光合作用“内在性”的特点, 被称为活体测定叶片光合功能的快速、无损伤探针[16-17]。通过测定光合过程中的荧光特性参数, 可以了解植物的生长发育以及对逆境胁迫、病虫害等的生理响应[18-19]。王晓楠等[20]认为, 在低温驯化及封冻阶段, 可以利用叶绿素荧光参数来鉴定小麦品种的抗寒性。

目前, 针对小麦生理生化特性与抗寒性的关系已有很多研究报道, 但多数试验只是关注小麦某一生育期的耐寒性。例如, 姜丽娜等[7]在拔节期进行低温处理, 并利用小麦叶片的生理响应来评价抗寒性;张志伟等[8]在孕穗期研究不同类型小麦品种低温生理反应及其抗寒性, 张军等[9]研究拔节期低温胁迫对小麦生理生化特性和产量的影响。结合起身期、拔节期和孕穗期综合评定小麦春季耐寒性的研究尚未见报道。本试验以抗寒性不同的小麦品种(系)泰山6426、泰山 4033和济麦 22为试验材料, 研究了不同小麦品种在起身期、拔节期和孕穗期低温处理条件下的产量性状、光合生理指标及叶片细胞结构差异,以期为耐低温品种的选育和利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及田间设计

试验品种包括本单位选育的泰山 6426 (抗冻、优质)和泰山4033 (不抗冻), 以及国家区试对照品种济麦22。

分别于2012—2013和2013—2014小麦生长季,在泰安市农业科学研究院试验基地进行盆栽试验。盆栽土取自大田 0～30 cm 耕层, 土壤为沙壤土, 土壤有机质 17.8 g kg–1、全氮 1.35 g kg–1、铵态氮 12.95 mg kg–1、硝态氮 23.16 mg kg–1、速效磷 38.89 mg kg–1、速效钾 76.91 mg kg–1。盆栽容器为底部带小孔的塑料盆, 盆高20 cm、最大直径25 cm, 每盆装过筛干土约4.0 kg, 将试验盆埋于土壤中, 使盆内土壤与地面持平。分别于2012年10月10日、2013年10月12日播种, 每品种18盆。麦田做畦, 每3盆横排于1.5 m的畦中, 每品种1畦, 共3畦。三叶期定苗, 每盆留苗3株。

1.2 低温处理方法

利用 SPX-0328智能型生化培养箱(宁波江南仪器厂)进行室内低温胁迫处理, 设 3次重复(3盆)。2013年起身、拔节和孕穗期处理的起始时间分别为3月6日、4月1日和4月20日, 2014年3个处理的起始时间分别为3月13日、4月12日和5月1日, 连续处理3 d, 起身期和拔节期胁迫温度为-4℃,孕穗期胁迫温度为0℃。每天于20:00将样品移入低温培养箱中, 并于第 2天 8:00取出, 移回大田原位置, 以自然条件生长作为对照。参照国家区试冻害记载标准划分各品种的抗冻性级别。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 叶片光合参数与荧光参数 低温处理结束后立即取小麦上部功能叶, 测定各项光合指标。每处理3次重复, 每个重复测定3次, 取平均值。

将待测植株暗处理 30 min后, 利用 Mini-PAM光量子分析仪(WALZ, 德国)测定荧光参数, 包括初始荧光强度(Fo)、最大荧光强度(Fm)、PSII最大光化学效率(Fv/Fm)、光化学猝灭系数(NPQ)、电子传递速率(ETR)。

利用 Yaxin-1102便携式光合速率测定仪(北京雅欣理仪科技有限公司)测定叶片气孔导度(Cleaf)、叶绿素含量(Chl)、蒸腾速率(E)、净光合速率(Pn)和胞间CO2浓度(Cint)。起身期和拔节期选上部大小相近的叶片测定, 孕穗期测定旗叶。

1.3.2 叶片细胞结构 在测定光合参数和荧光参数后, 取相同叶片, 将叶片中部横切成约1 cm长的小段, 再从叶片的中部纵切。将切割好的叶片放在载玻片上, 叶片正面朝上, 用Olympus BX41荧光显微镜(日本), 于40× 镜头下观察叶片细胞结构。

1.3.3 产量相关性状 低温处理后将小麦移回大田原位置继续生长, 至灌浆结束时测株高。成熟后收获, 分别调查单株穗数、单株穗粒数和单株产量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007整理数据, 并进行处理与对照的显著性检验(t测验), 利用SPSS17.0软件进行不同处理的多重比较(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 不同时期低温处理对小麦产量性状的影响

不同低温处理对小麦株高有一定影响, 品种间、年度间存在差异, 总体来看, 起身期低温对株高影响较小, 拔节期和孕穗期低温可导致株高不同程度的下降(图1-A, B)。

低温胁迫对穗数和穗粒数的影响明显大于对株高的影响, 单株穗数在不同时期低温处理后均显著下降(图 1-C, D), 穗粒数受低温胁迫的影响更为明显, 并且随低温胁迫的推迟, 下降幅度显著增大(图1-E, F)。比如对照济麦 22, 拔节期低温使穗粒数下降 12.7粒(2012—2013年度)和 15.2粒(2013—2014年度), 降幅分别为 30.8%和 30.4%; 而孕穗期低温使两年度的穗粒数分别下降37.3粒和44.0粒, 降幅高达90.5%和96.5%。

单株产量的变化趋势与穗粒数变化高度吻合(图 1-G, H), 说明低温胁迫造成减产的主要原因是穗粒数下降。3个品种的单株产量较常温对照的下降百分率, 起身期为29.1%～37.6% (2012—2013年度)和 4.1%～11.0% (2013—2014年度), 拔节期为49.1%～60.7% (2012—2013 年度)和 62.9%～65.8%(2013—2014年度), 孕穗期为87.9%～97.3% (2012—2013 年度)和 91.5%～97.8% (2013—2014 年度)。说明孕穗期和拔节期是易受低温冻害的敏感时期, 这也是“倒春寒”易造成小麦大幅减产的一个重要原因。

不同时期低温处理后, 3个品种的单株产量均明显降低, 其中济麦22比常温对照减少5.08～12.28 g株-1(2012—2013 年度)和 1.43～14.2 g 株-1(2013—2014年度), 泰山 6426两年度减产量分别为3.82～11.54 g 株-1和 1.69～14.1 g 株-1, 而泰山 4033降低 3.99～11.41 g 株-1和 0.42～10.1 g 株-1。

2.2 不同时期低温处理对小麦光合特性的影响

由低温引起的叶绿素含量下降, 在品种间表现不完全一致, 孕穗期低温对泰山6426的叶绿素含量无显著影响, 而另2个品种则表现为显著或极显著低于对照; 4个光合特性参数中, 低温胁迫下光合速率、蒸腾速率和叶片气孔导度较对照下降, 胞间CO2浓度则有较大幅度的升高, 除2013—2014年度济麦22孕穗期低温处理的蒸腾速率与常温对照无显著差异外, 其余3个品种的各项参数指标均与对照有显著或极显著差异(表1)。

光合参数变化最明显的是泰山 4033, 变化幅度最小的为泰山 6426。例如, 2012—2013年度, 光合速率、蒸腾速率和叶片气孔导度的降幅, 拔节期低温处理依次为 74.2%、81.7%和 51.8%, 孕穗期低温处理依次为79.2%、46.7%和22.3%, 而胞间CO2浓度在拔节期和孕穗期低温处理中分别比对照高171.2%和51.6%。同期, 泰山6426拔节期低温处理光合速率、蒸腾速率和叶片气孔导度分别降低67.8%、52.3%和 46.8%, 孕穗期低温处理的降幅依次为76.9%、32.9%和21.9%, 胞间CO2浓度在拔节期和孕穗期低温处理中分别比对照高 114.7%和32.1%。说明泰山4033的光合特性受低温影响大, 而泰山6426在低温胁迫后自我调节能力较强, 抗寒性较好。

2.3 不同时期低温处理对荧光参数的影响

不同时期低温处理后, 各品种最大荧光产量显著降低, 差异均达极显著水平(表 2)。除泰山 6426外, 其余2个品种的Fv/Fm也均显著降低, 如济麦22拔节期低温处理后的下降幅度分别为 5.3%和 9.0%,而泰山4033下降幅度分别达到15.9%和13.8%。济麦 22孕穗期下降幅度为 24.1%和 16.7%, 而泰山4033为 20.3%和 19.7%。泰山 6426低温处理后的Fv/Fm下降程度最小, 说明其受低温伤害的程度小,抗寒性最强。

在Fm、Fv/Fm降低的同时, 泰山4033还伴随Fo的上升。在拔节期低温处理后, Fo上升幅度分别为17.1%和 27.6%、而孕穗期低温处理上升幅度达32.0%和28.7%, 表明泰山4033的PSII遭受了破坏,尤以孕穗期伤害最为严重(表2)。

图1 不同时期低温处理对小麦品种产量构成因素的影响Fig. 1 Variation of yield components after low temperature stress at different stages

表1 低温处理后各品种的光合特性差异Table 1 Variation of photosynthetic characteristics after low temperature stress

2.4 低温处理后各品种的叶表组织结构变化

低温处理后, 各品种的叶片表面组织结构均发生了一定程度的变化, 且变化程度随品种而异。主要表现为低温伤害后表皮叶肉细胞破坏严重, 排列趋于松散, 哑铃状的保卫细胞和半圆状的副卫细胞变形, 气孔变大(图2)。

3 讨论

本研究表明, 拔节期和孕穗期低温均可导致小麦单株穗数和穗粒数的减少, 对穗粒数的影响以孕穗期最为严重, 对单株穗数的影响以拔节期最为严重。高艳等[21]也有类似报道, 即早期倒春寒(拔节期)和晚期倒春寒(孕穗期)可分别导致小麦有效穗数和穗粒数的降低而造成减产。王树刚等[22]分析春季低温造成小麦减产的原因为拔节期遭受–4℃低温胁迫,使功能叶受到伤害, 影响有机物质的合成及供应,导致千粒重下降显著。我们认为, 拔节期低温主要导致小麦幼穗受冻, 造成部分茎、蘖冻死, 穗数显著减少; 孕穗期低温造成部分小穗受冻, 加之新生分蘖穗分化进程缩短, 最终穗粒数显著下降。本试验结果表明, 拔节期和孕穗期低温胁迫可导致小麦单株产量均显著下降, 但对不同小麦品种产量构成要素的影响程度不同, 说明不同小麦品种耐倒春寒的特性存在差异。

表2 低温处理后各品种荧光特性Table 2 Variation of fluorescent characteristics after low temperature stress

环境胁迫的程度与植物体内最大量子产量、实际量子产量、初始荧光、光化学猝灭等叶绿素荧光参数的受抑制程度呈显著相关, 可作为植物抗逆的指标[20]。Fv/Fm为没有遭受环境胁迫并经过充分暗适应的植物叶片 PSII最大的量子效率指标, 在正常条件下变化极小, 当遭受逆境时迅速下降[20]。但Fracheboud等[23]报道, 低温胁迫下耐寒性较好的玉米品种, 其叶片的 Fv/Fm下降不明显。在本试验中,不同生育期低温胁迫后, 所有参试品种叶片的Fv/Fm均有所下降, 以孕穗期泰山4033的Fv/Fm下降最为明显, 而泰山6426的下降幅度最小, 说明后者的抗寒性明显优于前者。拔节期和孕穗期低温处理后泰山4033的Fo显著上升, 表明低温处理造成了该品种叶片光合反应中心部分失活或伤害, 抑制了光合作用的原初反应, 这也是其抗寒性明显低于其他 2个品种的原因之一。

光合作用是植物体内极为重要的代谢过程, 对植物生长、产量及其抗逆性都具有重要影响, 光合作用可作为判断植物生长和抗逆性强弱的指标[24]。低温引起的光合速率下降同时伴有气孔导度的下降[22-25],本试验也观测有类似结果, 低温胁迫的小麦叶片净光合速率、叶绿素含量、气孔导度、蒸腾速率均呈下降趋势。另外, 逆境胁迫下叶片净光合速率的下降, 除与叶绿素含量下降有关外, 还有气孔和非气孔因素。叶片光合速率下降的同时, 若伴随着气孔导度和胞间 CO2浓度下降, 则说明光合速率的下降是气孔因素引起[26]。本研究中, 在光合速率和气孔导度下降的同时, 胞间 CO2浓度却显著上升, 造成这一现象的原因可能是长时间的低温胁迫破坏了叶绿体结构, 造成叶片光合器官的损伤, 叶肉细胞的光合活性下降。表明光合速率下降主要是由叶肉细胞的光合活性降低所引起, 而不是由于气孔导度因素导致, 可能与低温下参与光合反应的酶活性降低或光合系统受损有关。

冷害可引起各类细胞器结构的变化, 其破坏程度决定于植物品种的抗寒性[27]。本研究结果表明,在拔节期和孕穗期–4℃低温胁迫下, 3个品种的表皮叶肉细胞破坏严重, 排列趋于松散, 气孔变大; 但上述的变化程度因品种而异, 抗寒性强的品种, 其细胞器和膜结构的稳定性也较高。

本试验虽然对起身期、拔节期和孕穗期低温处理下, 不同小麦品种的产量性状、光合生理指标及叶片细胞结构差异等进行了观测和分析, 但小麦抗寒性是一个极其复杂的生理生化过程, 既与遗传因素和生理调控有密切关系, 更受光照、温度、湿度等环境因素的影响, 其生理和遗传机制有待进一步解析。

4 结论

起身期、拔节期和孕穗期低温处理对小麦单株穗数有显著影响, 尤以孕穗期低温的影响巨大, 进而使单株产量显著降低。无论是拔节期还是孕穗期低温处理, 3个品种的叶绿素含量均呈现一定程度的下降, 下降幅度因品种而异。在低温胁迫下, 小麦旗叶光合速率、蒸腾速率和叶片气孔导度均显著下降,胞间 CO2浓度总体上有较大幅度的升高, 抗寒性弱的品种, 其Fv/Fm下降明显, 因而可以利用这4个光合特性参数, 以及 Fv/Fm对小麦品种抗寒性进行筛选鉴定。

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