干旱胁迫对不同彩粒小麦苗期生长发育的影响

张健龙，易 科，张一岚，赵一迪，晁漫宁,，谈宏斌，孙风丽,，奚亚军,，张 超,

(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. 陕西省种业集团有限责任公司，西安 710016)

小麦是中国三大粮食作物之一，其生产对保障国家粮食安全具有重要意义[1]。同时，中国是一个水资源短缺、干旱频发的国家[2]，干旱严重影响小麦主产区的小麦产量和质量，提高小麦抗旱能力和水分利用效率是解决北方麦区产量低而不稳的关键，而选育抗旱品种是解决小麦干旱胁迫最经济有效的措施之一[3]。因此，抗旱育种成为小麦育种的主要方向之一，其中优异种质资源的发掘利用是抗旱育种的关键基础。

彩粒小麦是指籽粒种皮或糊粉层颜色与生产上常用小麦不同的小麦，报道的有紫粒、黑粒、蓝粒等。研究表明，彩粒小麦富含蛋白质和对人体有益的微量元素或矿物质，具有较高的营养价值和良好的保健作用[4]。彩粒小麦富含花青素，有利于去除逆境下产生的活性氧。但目前对于彩粒小麦品质研究较多，对抗旱性研究罕见报道。抗旱表型鉴定与生理生化指标测定相结合对小麦优异种质资源进行苗期抗旱性鉴定具有快速和相对准确的特点[5]。植株生理生化指标主要包含叶片相对含水量(leaf relative water content, RWC)、光合系统相关参数(叶绿素荧光参数测定等)、脯氨酸质量分数、叶绿素质量分数等[6-9]。本试验将以旱地小麦区试对照品种‘晋麦47’为对照，选取9份彩粒小麦及其与主栽品种的杂交后代纯合株系为材料，利用抗旱表型鉴定与植株生理生化指标测定相结合的方法研究干旱胁迫对不同彩粒小麦生长发育的影响，以期为小麦抗旱育种和抗旱分子机理解析提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料及种植条件

供试小麦材料为彩粒小麦及其与主栽品种杂交后代纯系材料，对照为旱地小麦区试对照品种‘晋麦47’，具体信息参见表1，本试验为便于表述分别以1～10号作为标识。

试验于2018-2019年在西北农林科技大学南校区温室进行。选取饱满一致种子在25 ℃催芽24 h，发芽种子移入塑料盆中进行盆栽。试验采用规格为7 cm × 7 cm × 7 cm且底部带孔的塑料盆，盆栽用土为蛭石与基质2∶1混合，每盆装土90 g，定苗4株。试验设3个生物学重复，每个重复含4盆，共16株苗。试验分对照组和处理组，每12盆放于一个塑料盘中，塑料盘贴对应标签。温室光照为自然光，每天17:00-22:00进行补光处理，以1/3 Hoagland溶液浇灌补充水分。

表1 供试材料编号和遗传背景Table 1 Number and genetic background of tested materials

1.2 试验处理和样品制备

移栽后10 d浇灌至土壤饱和含水量，开始对处理组进行自然干旱胁迫。干旱胁迫过程中，对照组正常管理，处理组每天停止浇灌同时盘内盘间位置无规则变动，干旱处理结束后进行拍照和叶绿素荧光测定。

干旱处理采用不浇水方式进行，10 d后1号小麦(对照：‘晋麦47’)叶片萎蔫，土壤相对含水量降至10%以下，此时测定土壤和叶片相对含水量、叶片光合作用等相关指标。取样后继续干旱处理，在约50%苗处在濒死状态时以1/3 Hoagland营养液进行复水，4 d后统计成活率。

土壤相对含水量和叶片相对含水量均采用烘干法称重法测量。测定土壤相对含水量时，每种样品的不同处理共取3个重复，每个重复取盆中部距表层1～3 cm土壤约5～15 g。随机选取4盆浇灌至饱和含水量后取样测量饱和含水量。测定叶片相对含水量时，每种样品的不同处理共取3个重复，每个重复取不同盆中的2～4片旗叶，剩余旗叶放于-80 ℃冰箱中保存备用。

土壤相对含水量=(初始湿质量-干质量)/(饱和湿质量-干质量)×100%

叶片相对含水量=(初始鲜质量-干质量)/(饱和鲜质量-干质量)×100%

1.3 光合作用相关参数测定

选取同一处理不同盆中长势相同植株，在旗叶的相同位置使用Dual-PAM-100(德国 WALZ)测量叶绿素荧光参数，每处理6次生物学重复。

1.4 叶绿素和游离脯氨酸质量分数测定

采用80% 丙酮比色法测定叶绿素质量分数[10]，采用酸性茚三酮法测定游离脯氨酸质量分数[11]。

1.5 数据处理与分析

每个试验均设3个以上生物学重复，试验结果以“平均值±标准误”的形式表示，采用 Microsoft Excel 2016 软件处理数据和绘图，SPSS 25.0 统计分析软件检测差异显著性和多重比较(LSD法)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同彩粒小麦材料表型和成活率的影响

在持续干旱10 d后，1号小麦(对照：‘晋麦47’)出现萎蔫现象，此时测定土壤相对含水量已降至5%以下(图1-A)，属于极端重度干旱胁迫[12]。与正常浇水的对照组相比，干旱胁迫导致小麦植株生长缓慢，但严重干旱胁迫时不同小麦植株萎蔫程度存在显著差异：6、9、10号小麦萎蔫最严重；1、3、8号小麦萎蔫较轻，叶卷曲较为明显，与3、8号小麦相比，1号小麦植株较挺拔；2、7号小麦叶部平展，萎蔫程度与1号小麦相似；4、5号小麦与其他小麦相比没有明显的叶卷曲现象，并且植株较为挺拔，其中5号小麦叶色与其他小麦相比较浅(图2-A)。继续进行干旱胁迫，待50%植株处于濒死状态时进行复水处理，4 d后统计成活率发现，2、4、5、7号小麦复水后的成活率与1号小麦无显著差异，3、6、8、9、10号小麦复水后成活率小于1号小麦，其中9号小麦复水后成活率最低(图2-B)。综合干旱胁迫下的表型观察和成活率数据分析结果可知， 2、4、5、7号小麦抗旱性较好，其中4和5号小麦表现最为突出。

误差线上不同字母表示同一处理不同材料间差异显著(P<0.05)，下同

2.2 干旱胁迫对不同彩粒小麦材料旗叶相对含水量的影响

叶片相对含水量是植株重要的水分状况指标，密切反映水分供给与蒸腾之间的关系。干旱胁迫条件下，作物叶片相对含水量可作为品种抗旱性鉴定的重要指标，并且叶片相对含水量和作物产量呈现显著的正相关[13-15]。在干旱胁迫进行到10d时，对照品种‘晋麦47’发生萎蔫，土壤处于极端重度干旱胁迫条件。此时，对不同类型小麦旗叶相对含水量进行了测定。测定结果发现，2、6、9、10号小麦叶片相对含水量与对照组相比显著下降，1、3、4、5、7、8号小麦叶片相对含水量下降不显著(图1-B)。在干旱处理组中，6、9、10号小麦叶片相对含水量显著低于1号对照品种，其他小麦与1号小麦差异不显著(图1-B)。结合表型分析结果，可以发现叶片相对含水量变化趋势与土壤相对含水量呈现一定相关，但不同材料间差异显著，揭示了不同小麦材料抗旱性存在差异。

A.植株表型；B.复水后成活率

2.3 干旱胁迫对不同彩粒小麦材料光合作用相关参数的影响

光合作用是植物生长发育的基础，且在干旱条件下变化较为显著，是小麦抗旱性生理鉴定的重要组成部分[16-17]。经过暗适应的旗叶在测定荧光诱导动力学参数中，可变荧光(Fv)与最大荧光(Fm)的比值(Fv/Fm)代表光系统 Ⅱ 的最大光合效率。测定结果发现，干旱胁迫均导致旗叶Fv/Fm有所下降，不同小麦间的下降幅度存在显著差异，其中5号小麦变化不显著。9、10号小麦下降幅度分别为3.0%和4.8%，显著大于1号小麦，2、4、6、7号小麦下降幅度小于1号小麦，其中4号小麦下降幅度最小为1.1%(图3-A,B)。表明干旱胁迫对4、5号小麦的光系统 Ⅱ 的损伤较小，而对9、10号小麦损伤较大。

叶绿素荧光产量下降(淬灭)可以由光合作用的增加引起，也可以由热耗散的增加引起。由光合作用引起的荧光淬灭称之为光化学淬灭(qP)，由热耗散引起的荧光淬灭称之为非光化学淬灭(qN)。qP反映光系统 Ⅱ 天线色素吸收的光能用于光化学反应的份额，qN反映光系统 Ⅱ 反应中心通过热耗散掉的光能大小[18]。测定结果显示，干旱胁迫均导致不同小麦的qP显著下降，其中10号小麦下降幅度最大为57.3%。处理组中3、10号小麦的qP显著小于1号小麦，其他小麦与1号小麦相比差异不显著(图3-C)。不同小麦的qN对干旱胁迫的反应存在差异，10号小麦qN显著下降，3、4号小麦qN变化不显著，其他小麦qN显著增加，处理组中，2、3、5、6、8、9号小麦显著大于1号小麦的qN(图3-D)。表明在干旱胁迫下1、2、4、5、6、7、8、9号小麦光系统 Ⅱ 的电子传递活性较大，并且能维持较高的效率完成光系统 Ⅱ 将捕获的光能转换成化学能。光合电子传递总是与形成的光合磷酸化相耦联，非环式电子传递链的最终电子受体是NADPH+，因此较高的光系统 Ⅱ 电子传递活性有助于形成更多的ATP和NADPH供碳同化之需，从而形成更多的光合产物[19-20]。5号小麦qN最大，表明其可以更好通过热耗散释放多余的光能，从而更好的保护光合器官。

图3 不同小麦材料的叶绿素荧光参数Fig.3 Chlorophyll fluorescence parameters of different wheat materials

ETR(Ⅰ)和ETR(Ⅱ)分别表示光系统 Ⅰ 和光系统 Ⅱ 的相对电子传递速率。测定结果显示，与对照相比，干旱胁迫导致1、2、7、8、9、10号小麦ETR(Ⅱ)显著下降，其中10号小麦下降幅度最大为54.9%，处理组中，9、10号小麦显著低于1号小麦。干旱胁迫下1、6、8、9号小麦ETR(Ⅰ)与对照相比显著下降，其中9号小麦下降幅度最大(图3-E，F)。表明干旱胁迫对9、10号小麦光合电子传递影响较大，而3、4、5号小麦依旧可以将受激发的电子高效地进行传递，保障光合作用正常进行。

2.4 干旱胁迫对不同彩粒小麦材料叶绿素质量分数的影响

小麦生长发育过程中，功能叶片的叶绿素质量分数直接影响光合作用和光合产物的形成[8,21]。研究表明经一定程度的干旱处理后，植株会表现出一定抗旱性，即叶绿素质量分数的上升，但在长时间干旱条件下，植株趋于衰败[22]。测定结果显示，干旱胁迫导致小麦旗叶的叶绿素质量分数显著增加，而不同小麦叶绿素质量分数的增加幅度存在差异，其中9、10号小麦干旱胁迫条件下叶绿素质量分数分别增加了5.7倍和4.6倍，4号小麦增幅仅为51.1%(图4-A)。处理组中不同材料叶绿素质量分数、叶绿素a质量分数(chlorophyll content a, Chl a)和叶绿素b(chlorophyll content, Chl b)质量分数变化趋势相似。其中7号小麦叶绿素a和叶绿素b显著下降 15.5%和23.3%，干旱胁迫导致除7号小麦以外的其他小麦材料叶绿素a和叶绿素b质量分数的显著增加，且两者的增加趋势相同，其中9号小麦叶绿素a和叶绿素b质量分数增幅最大，分别是对照的5.6倍和6.0倍(图4-B)。结合表型鉴定结果表明，本试验干旱胁迫时间较短，植株叶片仍保持绿色，体内叶绿素没有大量降解，叶绿素质量分数与叶片鲜质量存在较大相关性，变化幅度较大，但在一定程度上反映了不同材料抗旱性的差异。

图4 不同小麦材料的叶绿素质量分数及组分Fig.4 Chlorophyll contents and components of different wheat materials

2.5 干旱胁迫对不同彩粒小麦材料叶片游离脯氨酸质量分数的影响

干旱胁迫下游离脯氨酸是小麦的主要渗透调节物质之一，脯氨酸质量分数的增高能够降低叶片细胞的渗透势，防止细胞脱水，同时保护细胞膜系统，维持胞内酶的结构[23]。在本试验对照组中，5、9号小麦与1号小麦游离脯氨酸质量分数无明显差异，其余小麦游离脯氨酸质量分数均显著高于1号小麦。处理组中，2、4、5号小麦游离脯氨酸质量分数显著低于1号小麦，3、6、9号小麦显著高于1号小麦。与对照相比，干旱胁迫导致小麦游离脯氨酸显著增加，不同小麦增加幅度存在明显差异，其中3、6、9号小麦增幅大于1号小麦(表2)。结合叶片相对含水量分析结果，可以发现脯氨酸质量分数的变化趋势与叶片相对含水量的变化趋势有一定的相关性。

表2 不同小麦材料的脯氨酸质量分数Table 2 Proline content in different wheat materials

2.6 不同测定指标之间的相关性分析

相关性分析结果显示，土壤相对含水量与各个参数之间均呈现显著的相关关系，其中与叶片相对含水量(RWC)之间呈极显著的正相关，且相关系数最高为0.782。而叶片相对含水量(RWC)与复水后成活率、叶绿素质量分数、脯氨酸质量分数之间为极显著的相关性(表3)。表明各个参数均可在显著水平上反映土壤水分的变化情况，而土壤水分的变化对叶片含水量影响较大，叶片水分的变化对复水后成活率、叶绿素质量分数、脯氨酸质量分数影响较大。

表3 不同测定指标的相关性Table 3 Relevance of different parameters

3 讨 论

干旱处理直接影响小麦植株的生长发育，干旱胁迫下小麦的萎蔫程度、株高、叶面卷曲程度等均可作为植株抗旱性鉴定的指标[4]。本试验中，当土壤相对含水量达到严重干旱胁迫的情况下，不同小麦的植株形态存在显著差异，与1号小麦(对照：‘晋麦47’)相比，4、5号小麦在干旱胁迫下表现出更强的适应能力，而6、9、10号小麦适应能力较差，其余小麦无明显差异。因此推测4、5号小麦的抗旱性强于1号小麦，2、3、7、8号小麦抗旱性与1号小麦相似。通过测定小麦旗叶的相对含水量的结果同样表明4、5号小麦干旱胁迫下依旧能保持较高的叶片含水量，从而缓解干旱对植株形态的影响。而6、9、10号小麦的水分供求对干旱胁迫更敏感。相关性分析结果显示复水后成活率与叶片相对含水量存在极显著的正相关，说明叶片相对含水量可作为抗旱性鉴定的重要生理指标。

干旱胁迫导致小麦光系统Ⅱ的光化学过程发生混乱，叶绿素荧光动力学参数变化灵敏，其变化程度可以用来鉴别小麦忍耐干旱的能力，目前认为抗旱能力愈强，叶绿素荧光动力学参数的变化程度愈小。Fv/Fm被认为是反应植物光抑制程度的可靠指标，其变化程度可作为小麦抗旱性鉴定的重要指标[5,24-25]。Fv/Fm、qP、qN、ETR等叶绿素荧光参数的测定结果表明干旱胁迫下4、5号小麦能维持良好的光合作用，9、10号小麦光合作用对干旱胁迫较为敏感，而其他小麦的光合作用与1号小麦相似。相关性分析结果表明叶绿素荧光参数与叶片相对含水量、土壤相对含水量之间存在显著的相关性，从而表明叶绿素荧光参数在小麦抗旱鉴定方面具有一定可靠性。Fv/Fm、qN、ETR(Ⅰ)与复水后成活率之间无显著的相关性，推测是由于不同小麦的Fv/Fm、qN、ETR(Ⅰ)正常生长条件下存在显著差异，而复水后成活率统计时认为不同小麦在正常生长过程中没有差异或者差异很小。

在水分胁迫下，叶片中叶绿素质量分数发生变化，但抗旱性品种比不抗旱品种变化幅度小[22]。本试验中，虽然土壤相对含水量达到严重干旱胁迫的水平，但由于干旱胁迫时间较短，旗叶水分大量流失，样品质量急剧下降，所以导致大多数小麦叶绿素及其组分含量显著增加。相关性分析结果显示叶绿素质量分数与叶片含水量达到极显著的相关，亦证明了上述观点。 4号小麦变化幅度最小，9、10号小麦变化幅度较大，表明4号小麦的叶绿素调控对干旱具有较强的适应性。结合相关性分析结果发现，叶绿素质量分数与复水后成活率达到极显著的相关，表明叶绿素质量分数可作为小麦抗旱性鉴定的参考指标。干旱胁迫导致叶绿素质量分数升高，但Fv/Fm显著下降，推测是干旱胁迫使叶片水分的大量流失，导致水分成为光合作用的限制因子，虽然9、10号小麦叶绿素质量分数较高，但其叶片相对含水量较低，从而导致其Fv/Fm较低。

脯氨酸作为细胞质渗透调节物质和防脱水剂在干旱胁迫中发挥重要作用[26]。本试验中，干旱胁迫下叶片脯氨酸质量分数显著增加，表明植株在干旱条件下通过增加脯氨酸质量分数来调节水分供求关系。2、4、5、7、8、10号小麦与1号小麦相比脯氨酸质量分数无显著变化，表明其在干旱胁迫下的渗透调节和防脱水能力与1号小麦相似。相关性分析中，脯氨酸质量分数与复水后的成活率、叶片相对含水量存在极显著的相关。干旱胁迫下植株体内水分的大量流失导致较多脯氨酸的产生，从而调节植株水分的供求平衡。在本试验中，脯氨酸质量分数越高表明植株失水越严重，受到干旱胁迫的损伤越大。

综合抗旱表型鉴定与生理生化指标测定结果，可以发现4号(‘ZHW’/‘小偃22’杂交后代)和5号(‘0705-39’/‘INDB’杂交后代)彩粒小麦的抗旱性优于对照，9、10号小麦对干旱胁迫较为敏感，2、3、6、7、8号小麦抗旱性与对照无显著差异。2份经过表型与生理生化指标抗旱性鉴定筛选的彩粒小麦新材料对干旱胁迫具有较好的适应性，有望成为新的抗旱种质资源用于旱地小麦育种和抗旱分子机制解析。