不同细胞质小麦雄性不育系杂种F1越冬期生理生化特性分析

巴青松，谢琴琴，张改生，李桂萍，陈 楚，宋运贤，傅兆麟

(1.淮北师范大学生命科学学院/资源植物生物学安徽省重点实验室，安徽淮北 235000；2.西北农林科技大学农学院/陕西省作物杂种优势研究与利用重点实验室，陕西杨凌 712100)

黄淮麦区属暖温带向亚热带、湿润向半湿润过渡的季风气候区，冬季寒冷、雨雪少，冬季冻害和春季寒害是小麦生长过程中的主要制约因素，其中，越冬期间冻害会影响冬小麦的生长发育，并导致减产甚至绝产[1]。研究表明，低温可使植物的生物膜由液晶态变为凝胶态甚至冰晶态，原生质的流动受阻[2]。同时，低温逆境会使植物细胞发生一系列生理生化变化，如增加抗氧化物质含量、降低可溶性糖积累量、诱导新蛋白合成、增加多种代谢酶活性等[3]。研究表明，SOD活性、MDA含量等可作为细胞膜脂过氧化程度衡量指标，电导率、细胞液浓度等可作为质膜透性衡量指标，可溶性糖和脯氨酸等渗透调节物质含量的变化可作为植物抗寒性鉴定指标[4-5]。

细胞质雄性不育(cytoplasmic male sterility, CMS)是小麦杂种优势利用的重要途径之一，K型(Ae.kotschyi)、Ven型(Ae.ventricosa)、S型(Ae.squarrosa)和B型(Ae.bicornis)细胞质雄性不育系既易保持又易恢复，且恢复源广泛分布在普通小麦栽培品种内，这些不育系的创制为小麦杂种优势利用打下了良好的基础，具有广阔的应用前景[6-8]。人们为了探寻异源细胞质对杂种F1的影响，对不同类型小麦细胞质效应进行了大量研究，但多集中于农艺、产量和品质性状及不育系的光合生理特性等方面[9-11]，关于不同类型小麦细胞质对其杂种F1越冬期生理特性影响的研究尚未见报道。本研究利用同核异质的K型、V型、S型和B型细胞质的稳定不育系及其保持系和恢复系，配制K、V、S型和B型四种小麦细胞质杂种F1，对其越冬性相关生理指标进行研究，旨在探讨细胞质对其杂种F1越冬期生理特性的影响，为利用小麦不育类型选配抗冻性杂种小麦提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试材料为保持系8222、恢复系R113和同核异质不育系K8222(细胞质来源为Ae.kotschyi)、B8222(细胞质来源为Ae.bicornis)、Ven8222(细胞质来源为Ae.ventricosa)和S8222(细胞质来源为Ae.squarrosa)，以及K8222/R113(K)、B8222/R113(B)、Ven8222/R113(Ven)、S8222/R113(S)的F1，均由西北农林科技大学陕西省作物杂种优势研究与利用重点实验室提供。试验于 2017-2018 年在淮北师范大学试验田进行，随机区组设计，3 次重复，行长 2 m，8行区，行距0.25 m。田间管理同一般高产田。

1.2 调查及取样

根据包雨卓等[12]的研究结果，当小麦越冬期连续 10 d 最低温度的平均值为 -5 ℃时，与小麦抗寒相关的物质会大量积累。本试验于2018年1月4日至14日进行取样。随机取长势基本一致的杂种F1幼苗30株，将所取幼苗叶片用蒸馏水冲洗3次后，用滤纸吸干，剪成小段，用锡箔纸包裹后液氮速冻，置-80 ℃冰箱保存备用。

1.3 测定指标及方法

1.4 数据分析

数据采用SPSS 19.0进行方差分析(ANOVA)和差异显著性检验，采用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 叶片中SOD、POD和CAT活性比较

由图1A可知，K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片的SOD酶活性分别为190.1、205.7、194.9和270.2 U·g-1，以S型杂交F1叶片SOD活性最高，与其他类型差异显著；K型和Ven型差异不显著。

由图1B可知，K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片POD酶活性分别为343.3、326.7、296.7和453.3 U·g-1，其中，S型杂交F1叶片POD活性最高，与其他类型差异显著；以Ven型最低，但与 B型差异不显著；K型和B型差异不显著。

由图1C可以得出，K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片CAT酶活性分别为18.5、18.3、16.2和24.4 U·g-1，其中，S型杂种F1叶片 CAT活性最高，与其他类型差异显著；以Ven型最低，且与其他类型差异显著；K型和B型差异不显著。

综上所述，在低温条件下，小麦不同雄性不育系杂种F1对逆境的适应能力不同；S型雄性不育系杂种F1叶片的抗氧化酶活性均保持较高水平，推测其对低温胁迫的抗性较好。

图柱上的不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Different letters above columns mean significant differences among the treatments(P<0.05).The same below.

图1不同细胞质类型杂种F1叶片SOD、POD和CAT活性差异比较

Fig.1ComparisonofSOD,PODandCATactivityamongdifferentcytoplasmichybridF1leaves

2.2 叶片中和H2O2含量比较

2.3 叶内渗透调节物质含量比较

K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片中可溶性糖含量依次为2.8、2.6、2.9和3.4 mg·g-1，以S型杂交F1叶片最高，各处理间差异显著(图3)。由此可见， S型雄性不育系杂种F1叶片在持续低温胁迫下积累了较高浓度的可溶性糖。

K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片Pro含量分别为25.7、26.9、25.2和46.8 mg·g-1，S型杂交F1叶片Pro含量显著高于其他类型，其他3个类型间差异均不显著(图4)。

2.4 叶片中MDA含量和电导率的比较

K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片MDA含量分别为4.3、4.5、5.7和2.9 μmol·g-1，S型杂交F1叶片MDA含量显著低于其他类型；以Ven型含量最高，且显著高于其他类型(图5)。推测 S型雄性不育系杂种F1叶片具有较强的越冬能力。

图2 不同细胞质类型杂种F1叶片和H2O2含量差异比较Fig.2 Comparison of H2O2 content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

图3 不同细胞质类型杂种F1叶片可溶性糖含量差异比较Fig.3 Comparison of soluble sugar content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

图4 不同细胞质类型杂种F1叶片脯氨酸含量差异比较Fig.4 Comparison of proline content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

图5 不同细胞质类型杂种F1叶片MDA含量差异比较Fig.5 Comparison of MDA content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

由图6可知，K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片电导率分别为0.64、0.56、0.68和0.19，S型杂交F1叶片电导率最低，且显著低于其他类型。说明S型雄性不育系杂种F1叶片细胞膜完整性被破坏程度最小。

2.5 叶片中叶绿素含量比较

K、B、Ven型和S型雄性不育系杂种F1叶片叶绿素含量分别为0.92、0.86、0.96和1.24 mg·g-1，以S型杂交F1最高，且显著高于其他类型(图7)。田间观察结果显示，S型杂种F1叶色较深，叶表面蜡质化较为明显。

图6 不同细胞质类型杂种F1叶片电导率差异比较Fig.6 Comparison of electrical conductivity among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

图7 不同细胞质类型杂种F1叶绿素含量差异比较Fig.7 Comparison of chlorophyll content among different cytoplasmic hybrid F1 leaves

3 讨 论

小麦与水稻、玉米、高粱等作物一样，杂种F1具有明显的杂交优势，比常规品种一般可增产15%～30%[15]。自1951年日本Kihara首次将普通小麦细胞核导入尾状山羊草细胞质而获得普通小麦雄性不育系以来，世界上许多国家先后开展了利用雄性不育系创制杂交小麦的研究工作。目前，利用小麦细胞质雄性不育(CMS)实现小麦三系配套,并用于小麦杂交制种的小麦细胞质雄性不育系有T型(T.timopheevi)、K型(Ae.kotschyi)、V型(Ae.ventricosa)、S型(Ae.squarrosa)等不育系类型[16]。目前，部分杂交小麦组合已开始商品化制种，在小麦生产中推广应用，具有广阔的应用前景[17]。温度是影响小麦分布、产量和品质的重要环境因素，低温不仅限制小麦的种植范围，还会影响其产量和品质[18]。植物在低温逆境下生长发育受阻，诱发植物体内的抗冻基因合成大量的蛋白及抗逆境的小分子物质[19]。

可溶性糖和游离脯氨酸是细胞内重要的渗透调节物质，其含量多少对植物抗寒性影响较大[21-22]。在逆境下植物积累大量的可溶性糖以提高细胞液浓度，使细胞渗透势增大以减少水分流失，增强质膜的稳定性，从而提高组织抗冷性[23]。小麦抗寒性与植株可溶性糖含量存在正相关的关系[24]。在苗期低温胁迫下，抗寒性强的冬小麦叶片中可溶性糖含量升高幅度要快于抗寒性弱的品种[25]。本研究结果表明，S型雄性不育系杂种F1叶片在持续低温的影响下，其叶片中积累了较多的可溶性糖，推测其抗寒性较强。也有研究认为还原性糖含量与抗寒性并不相关[26]。研究结果的差异可能与品种、组织器官、测定时期和指标不同有关。

研究认为，脯氨酸含量与高等植物的抗寒性存在相关性，脯氨酸可调节植物细胞渗透压、降低水势、解毒并降低冰点[27-28]。孙金月等[29]认为，经抗寒锻炼处理小麦中游离脯氨酸含量比未经抗寒锻炼处理增加5～32倍，脯氨酸积累进程在各个品种间差异较大。本试验发现，在低温胁迫下，S型雄性不育系杂种F1叶片中脯氨酸含量较高且随低温的持续，脯氨酸含量呈递增趋势。

植物体感受低温的部位是细胞膜，细胞膜是生物体和细胞器与环境之间的界面，在维持植物体正常生理生化过程中起着重要作用。临界低温会引起膜脂的相变，使膜从流动液晶态转变为固态、凝胶态，造成膜收缩，引起细胞膜透性的增加，导致细胞代谢和功能紊乱，最终对植物体造成伤害[30]。本研究表明，S型雄性不育系杂种F1叶片中的MDA含量、电导率显著低于其他雄性不育系杂种F1，说明其质膜透性比较稳定。综上所述，S型雄性不育系杂种F1具有较强的抗寒能力。