灌浆期持续干旱对小麦光合、抗氧化酶活性、籽粒产量和品质的影响

晁漫宁，史新月，张健龙，张一岚，王志成，李春艳，孙风丽，张超，奚亚军

(1.西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100；2.农业农村部西北地区小麦生物学与遗传育种重点实验室，陕西杨凌 712100；3.陕西省宝鸡市陇县种子管理站，陕西宝鸡 721000)

随着我国市场经济的发展和人民生活水平的提高，优质专用小麦的需求量急速增加。由于基础研究相对滞后以及气候变化，小麦主产区干旱频发，严重影响了优质小麦生产[1-2]。灌浆期是决定小麦产量和品质的关键时期，除遗传因素外，环境因素对小麦灌浆有着不可忽视的影响，其中缺水是生产上最常遇到的环境因素之一[3]。水分缺乏会明显抑制小麦籽粒灌浆，减少干物质向籽粒的运输与积累，降低千粒重[4-5]，改变籽粒品质特性[6]。干旱胁迫通过多种方式影响小麦源库代谢，包括影响叶片碳水化合物的合成和籽粒同化物的转化。光合作用是小麦干物质积累的基础，小麦旗叶光合能力的强弱对产量形成具有重要作用。干旱胁迫后，小麦叶片净光合速率下降，影响产量形成[7]。干旱缺水时小麦会通过提高抗氧化酶活性和增加渗透调节物质含量，增强对逆境的抗性和适应能力，从而减轻逆境胁迫的威胁[8]。淀粉和蛋白质是小麦籽粒中的主要组分，两者的含量决定着小麦产量的高低和品质的优劣[9-10]。干旱胁迫也会影响籽粒淀粉和蛋白质的含量及其组成。目前，花后干旱胁迫对小麦生理、产量和品质的影响已有较多研究，但有关灌浆期持续干旱对优质强筋小麦影响的研究相对较少。早熟多抗小麦品种西农979是目前国内大面积种植的优质强筋小麦代表品种之一。本试验分析了灌浆期干旱胁迫对强筋小麦西农979旗叶光合、抗氧化酶活性、籽粒性状、产量和品质的影响，以期为强筋优质小麦的高产抗旱栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

选用广泛种植的早熟多抗优质强筋小麦西农979作为试验材料，其种子由农业农村部西北地区小麦生物学与遗传育种重点实验室提供。

1.2 试验设计

小麦分别于2017年10月-2018年2月和2018年10月-2019年2月在西北农林科技大学实验地进行大田种植，而后移栽至西北农林科技大学南校区温室。实验采用底部带孔的塑料盆(直径30 cm，高度26 cm)，每盆装土5.5 kg，定植5株，盆栽用土为大田耕层土与育苗基质1∶1混合。设置正常供水(CK)和干旱胁迫2个水分处理，每个处理种植20盆。干旱胁迫处理从开花前逐渐减少浇水，从开花期开始采用称重法进行水分控制，一直持续到灌浆结束。正常供水处理的土壤相对含水量保持在80%左右，干旱处理的土壤相对含水量控制在35%左右。拔节前温室温度控制在16 ℃，拔节后温度白天26 ℃，晚上 16 ℃。每天17:00-22:00进行补光，小麦植株顶部补光光强为500 μmol-2·s-1。

1.3 测定项目和方法

在干旱胁迫后10 d、20 d、30 d和成熟期分别从对照和干旱处理中选取长势一致的麦穗和旗叶取样，其中部分旗叶立刻进行叶片相对含水量的测定，剩余旗叶与小麦穗取样后液氮速冻，保存在-80 ℃备用。参考谢祝捷等方法[11]，略作改进，将未成熟的籽粒105 ℃杀青1 h后42 ℃烘干至恒重，成熟的籽粒直接42 ℃烘干至恒重。

1.3.1 叶相对含水量测定

取新鲜旗叶，迅速放入培养皿称出鲜重(Wf)，然后将叶片浸入去离子水中浸泡过夜充分吸水后取出，用吸水纸擦干叶片表面水分，称重(Wt)，最后烘干至恒重(Wd)，每个处理重复3次。计算叶片相对含水量(RWC)。RWC=(Wf-Wd)/(Wt-Wd)×100%。

1.3.2 旗叶光合参数测定

选取旗叶中部，用美国LI-COR公司的 LI-6800便携式光合仪，测定光合速率等参数，每个处理重复5次。测定时光合仪光量子通量密度为750 μmol·m-2·s-1，气体流速为500 μmol·s-1，CO2浓度为400 μmol·mol-1。

1.3.3 抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量测定

将保存于-80 ℃的旗叶取出进行相关酶活性和可溶性蛋白含量测定，每个处理重复3次。过氧化物酶(POD)活性测定参照Chance B等的方法[12-13]，过氧化氢酶(CAT)活性测定参照Aebi H的方法[14-15]，超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑法测定[16]，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定[17]。

1.3.4 籽粒性状及结实率调查

将花后10 d、20 d、30 d及成熟期的籽粒烘干，用标康BK-302电子游标卡尺测定籽粒长度和宽度，称取单粒重。重复三次，每个重复测20 个籽粒。在小麦完熟后，随机取5个主穗，统计小穗数、穗粒数并计算结实率。

1.3.5 籽粒淀粉和蛋白质含量测定

将花后10 d、20 d、30 d及成熟期的籽粒烘干后用研钵研磨，用孔径为0.15 mm的标准筛过筛。用双波长法[18]测定淀粉及其组分含量，每个处理重复3次。利用瑞典FOSS公司Kejdale 8400 全自动凯氏定氮仪测定全氮含量，含氮量乘以 5.7 即为蛋白质含量[11]，每个处理重复3次。

1.4 数据处理

本试验均含三个以上生物学重复。使用SPSS Statistics 22软件进行处理间差异显著性测验(ANOVA，LSD 0.05)，用Microsoft Excel 2010绘图。由于两年数据趋势一致，所以以下分析均采用两年平均值进行。

2 结果与分析

2.1 灌浆期干旱胁迫对小麦植株叶片相对含水量和光合特性的影响

随着干旱胁迫时间的延长，土壤和小麦叶片水分亏缺程度增加。花后10 d、20 d和30 d，干旱胁迫下小麦旗叶相对含水量较CK分别下降2%、14%和78%(图1)。干旱胁迫下，小麦旗叶光合受到抑制(图2)。与CK相比，干旱胁迫下花后10 d、20 d和30 d的旗叶净光合速率分别下降14%、33%和103%，蒸腾速率分别下降38%、44%和104%，气孔导度分别下降21%、46%和104%，花后10 d和20 d的胞间CO2浓度分别减小3%和10%。

图2 干旱胁迫对不同灌浆阶段小麦光合特性的影响

图柱上同一组数据的小写字母不同表示在0.05水平上差异显著。下图同。

2.2 灌浆期干旱胁迫对小麦旗叶抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量的影响

在灌浆前期(花后10 d)，干旱胁迫后小麦旗叶SOD、POD和CAT活性及可溶性蛋白含量均不同程度升高，增幅分别为2%、17%、4%和5%(图3)。在小麦灌浆中后期，三种酶活性和可溶性蛋白含量均呈下降趋势，其中POD和SOD活性下降速度低于CK。干旱胁迫下花后30 d旗叶的POD和SOD活性显著高于CK，CAT活性和可溶性蛋白含量显著低于CK。

图3 干旱胁迫对不同灌浆阶段小麦旗叶保护酶活性和可溶性蛋白含量的影响

2.3 灌浆期干旱胁迫对小麦籽粒性状及结实率的影响

灌浆期干旱胁迫后小麦千粒重、籽粒长宽和结实率均显著下降，小穗数、穗粒数、颖花数变化不显著(图4)。与CK相比，干旱胁迫下花后10 d、20 d、30 d以及成熟期的千粒重分别下降6%、12%、5%和6%，籽粒宽度缩小10%、11%、4%和11%，花后10 d和20 d的籽粒长度显著缩小5%和3%，结实率下降14%。

SP:小穗数；SG：穗粒数；FR：颖花数；SR：结实率(%)。

2.4 灌浆期干旱胁迫对淀粉组分和蛋白质含量的影响

干旱胁迫显著影响了灌浆期籽粒的淀粉和蛋白质积累，其中淀粉总含量的变化趋势主要受到支链淀粉含量变化的影响(图5)。与CK相比，干旱胁迫下花后10 d的籽粒淀粉含量和直支比无显著变化，干旱胁迫下花后20 d的直链淀粉含量无显著变化，支链淀粉含量和淀粉总含量均下降20%，直支比变化不显著。干旱胁迫下花后 30 d的直链淀粉含量、支链淀粉含量、淀粉总含量和直支比分别下降39%、36%、37%和5%。与CK相比，干旱胁迫下成熟期籽粒直链淀粉含量、支链淀粉含量、淀粉总含量和直支比分别下降58%、27%、37%和42%。成熟期籽粒淀粉直支比显著下降的主要原因是CK植株淀粉在花后30 d以后仍在积累，特别是直链淀粉积累显著，而干旱处理的淀粉积累在花后30 d以后基本停止。对灌浆期不同阶段小麦籽粒的蛋白质含量进行测定发现，花后10 d、30 d和成熟期的蛋白质相对含量分别升高4%、9%和8%，花后10 d、20 d和成熟期每穗籽粒蛋白质量分别下降12%、22%和9%。

图5 干旱胁迫对灌浆期不同阶段小麦淀粉和蛋白质含量的影响

3 讨 论

优质专用小麦是优质面包、面条、饼干等食品的原料，国内优质小麦供不应求。西农979是国审优质强筋小麦重要代表，在黄淮海地区广泛种植。然而小麦品质受气候环境影响较大，特别是受干旱胁迫影响较为常见，导致优质小麦生产受到限制。此外，同一品种的品质在不同种植条件下差异较大，旱地小麦品质优于水浇地，干旱地区是未来优质小麦生产的重要区域[19,20]。因此，研究优质小麦在不同干旱阶段的响应特征，对促进优质小麦品质改良和良种良法配套等种植措施的改进具有重要意义。

小麦开花至成熟是籽粒产量形成的关键时期，在该期间植株的光合性能对最终产量形成具有非常重要的作用[21-22]，而干旱胁迫使光合作用参数受到显著影响[23]。在土壤干旱过程中，叶片相对含水量是反映作物组织中水分状况的一个较敏感的指标[24]。干旱胁迫下，小麦旗叶相对含水量显著下降[25-26]。本试验中，干旱胁迫导致西农979在花后各阶段旗叶净光合速率，蒸腾速率和气孔导度下降，使花后10 d、20 d胞间CO2浓度减小，显著降低花后20 d、30 d旗叶相对含水量。结果表明，灌浆期的干旱胁迫对西农979的植株生理代谢有明显影响，因此应该注意在此期间及时灌溉调控土壤水分状况，避免干旱缺水导致籽粒灌浆受阻。

干旱胁迫使植物体内活性氧大量积累，对植株造成伤害。SOD、POD 是细胞内清除活性氧的重要保护酶，在正常生长条件下与CAT 协同作用，使生物体内活性氧自由基维持在较低水平[27]。可溶性蛋白质含量是植物总体代谢的一个重要指标[28]，轻度干旱胁迫会引起可溶性蛋白含量上升，而重度或中度干旱胁迫会导致可溶性蛋白含量下降，这可能是因为长期干旱下蛋白分解强于蛋白合成缘故[29-30]。本试验中，干旱胁迫使花后10 d的西农979旗叶SOD、POD和CAT活性与CK相比明显升高，且POD和SOD活性在后期下降速度低于CK。本试验中干旱处理的土壤相对含水量在35%左右，属于重度干旱胁迫。在该胁迫下，花后10 d的小麦旗叶可溶性蛋白含量与CK相比显著上升。以上研究结果表明，西农979对干旱有一定的抗性和适应性，在干旱胁迫下能保持良好的叶片状态，但叶片光合作用、活性氧清除酶活性等已有较为剧烈的变化，生理指标比植株表型响应更为敏感和迅速。因此，在生产中，需要注意及时测量土壤含水量、小麦叶片光合作用等生理指标，及时灌溉补水。

籽粒淀粉和蛋白质组分和含量是小麦品质的主要决定因素。在小麦分蘖期和拔节期，干旱胁迫使结实率显著降低[31]，持续的土壤干旱使小麦籽粒淀粉和蛋白质产量下降，导致植株产量下降和品质显著变化[6]。有研究表明，干旱胁迫使小麦籽粒淀粉与蛋白质的含量和组分受到不同程度地影响，主要表现在籽粒蛋白质含量升高、淀粉含量下降，从而改变了小麦的籽粒品质[6,32]。淀粉是小麦籽粒最主要的组分，直链淀粉含量和淀粉直支比对小麦面粉及面食的加工品质有较大影响[33,34]，直链淀粉含量和淀粉直支比与膨胀势呈负相关[35]。本试验中，干旱胁迫导致千粒重、籽粒长度、宽度明显减小。持续的灌浆期干旱胁迫下，除花后20 d 以外各阶段的小麦籽粒蛋白质含量显著升高，除花后30 d以外各阶段每穗籽粒蛋白质量显著下降，花后各阶段淀粉含量下降，籽粒直、支链淀粉淀粉含量也均显著降低，成熟籽粒的淀粉直支比显著减小。以上结果表明，干旱胁迫对优质强筋小麦西农979的淀粉和蛋白组分及其含量等均有较为显著的影响。因此，在生产中，我们需要科学合理地补水灌溉，增加小麦籽粒产量，提高蛋白质含量，减小淀粉直/支比，从而有效地改善小麦的营养和加工品质。

本研究以黄淮麦区大面积种植的优质强筋小麦西农979为对象，分析了在灌浆期不同阶段小麦旗叶生理和籽粒性状对干旱胁迫的响应，结果表明西农979在干旱胁迫下表现出生理代谢能力较强、抗氧化酶活性较稳定、籽粒品质较好的特征，但随着干旱时间和程度的加深，小麦光合系统、活性氧清除系统、籽粒淀粉和蛋白质组分和含量受到显著影响，提示我们在品种改良时需要加强优质抗旱高产的小麦新品种选育，在生产中我们可以根据情况在灌浆前期或严重干旱时适当灌溉和良种良法配套，从而保障高产优质小麦生产力的发挥。