低温胁迫下秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗生理指标的影响

路正禹，李任任，於丽华，王宇光，耿贵

（1.黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080）

0 引言

全球人口持续暴增，导致世界粮食需求量迅猛增加。与此同时，自然环境恶化、极端天气频发等问题，也造成农业生产力不断下降，其中低温胁迫对农作物影响尤为严重，已成为世界各国农作物栽培中普遍存在的问题[1]。低温作为农作物生长发育过程中不可避免的自然灾害，是限制其地理分布、生长发育、产量和品质的重要非生物胁迫之一[2]。低温胁迫下，植株生理、生化、代谢、分子水平均受影响。其表型常为发芽不齐、幼苗发育不良、叶片变黄（黄化）、叶片萎蔫、植物组织坏死等，严重阻碍植物正常生长发育[1]。MORADTALAB等[3]研究表明，低温胁迫下玉米幼苗生长受抑制，叶片出现枯萎及坏死。CHO 等[4]表明水稻幼苗在低温下生长缓慢，分蘖减少，产量显著降低。此外，ZHANG 等[5]发现低温胁迫会导致水稻小穗不育，且易染病。据估计，中国每年因低温而损失的稻米为300万t至500万t[6]。因此，低温冷害问题是实际农业生产中棘手并急待解决的问题，而在幼苗时期采取物理性防寒措施尤为重要。

中国古代农学著作《齐民要术》中对物理性防寒措施记载丰富[7-8]。其中，秸秆覆盖作为常见的保护性耕作措施，可协调土壤气、热、肥、水[9]，改善作物生长环境，从而提升作物产量[10]。近年，有关秸秆覆盖的报道较多，主要集中于旱地土壤水分利用、土壤养分含量、作物生长发育及产量等方面[11]。董云云等[12]发现秸秆覆盖蓄水能力随覆盖厚度增加而提升，且研究表明秸秆覆盖下大豆产量提升15.69%～34.61%，水分利用效率提升28.14%～45.71%。徐鹏飞等[13]在研究中发现，非生长季秸秆覆盖处理土壤耗水强度低于常规露地处理，平均减少37.2 mm。且雨养旱作下,秸秆覆盖处理春玉米吐丝期叶面积指数较露地处理提高10%。秸秆还田后土壤全氮、磷含量在一定程度上有所增加[14]。秸秆覆盖结合保护性耕作有利于土壤养分和水稻产量增加[15]。目前，有关秸秆覆盖与低温胁迫的相关研究较少，甜菜上没见相关研究报道。

甜菜为藜科甜菜属，是我国北方重要制糖原料，主要种植于内蒙古、黑龙江、新疆地区。这些地区早春气温低，严重制约甜菜获得高产、稳产。此外，全球温室效应愈演愈烈，导致北半球极端天气频发（主要为极端冷事件），如倒春寒和寒潮等[15]，也严重影响我国甜菜产业稳步发展。韩振津[8]在甜菜苗期冻害调查中发现，苗龄小抗冻性弱，苗龄大抗冻性强。因此，在植株幼苗弱小时采取低温防护措施十分必要。本试验在甜菜子叶期进行秸秆覆盖低温胁迫处理，研究秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗抗冻能力和生理特性的影响，以期找出行之有效且适合农作物实际生产的耐低温策略，这对于提升实际生产中甜菜幼苗期耐早春低温、防寒减灾、延长生育期、扩大种植范围等具有重要意义，并可以合理利用秸秆资源，实现资源循环再利用。

1 材料与方法

1.1 试验基本情况

供试甜菜品种：‘KWS1176’。试验于2020 年7 月6 日—7 月29 日在黑龙江大学现代农业与生态环境学院光照培养室进行。

邓军说：“还记得有一天下午石老头儿的课不？我逃课到星光录像厅看录像，不一会你也去了，我喊了你好几声，你都没有理我，于是我就跟你开了个玩笑，模仿女孩子的笔迹给你写了个约会的纸条，后来你就出去了。那天你真的去了？”

1.2 试验方法

卷积神经网络的训练方法如图2所示，主要由前向传播和反向传播两部分组成。前向传播是样本数据由低层到高层逐层传播的过程，如果前向传播得到的输出值与目标值存在误差，则将误差从高层往低层反向传播回网络中，计算误差梯度，最后利用误差梯度更新卷积神经网络每一层参数的权重，达到自主学习的能力。

低温处理下T0、T1、T2 表型与常温处理CK 相比差异明显[图1(a)]，株高呈递增趋势。其中T0 受冻最严重，与CK、T1、T2均具有明显差异。图1(a)表明，随秸秆覆盖量不断增加，甜菜幼苗抗冻能力有所提升。4组处理下甜菜子叶期幼苗对比发现[图1(b)]，T0 子叶受冻严重且下胚轴颜色变黑；T1 子叶皱缩卷曲，有轻微冻害；T2与CK差异不大，无明显冻害。

表1 甜菜种子发芽及生长期低温培养箱温度设置情况Table 1 Temperature setting of low temperature incubator during germination and growth of sugar beet seeds

表2 甜菜低温锻炼期和冷冻期温度设置情况Table 2 Temperature setting of sugar beet during low temperature treatment exercise and freezing period

联合国气候变化公约秘书处（UNFCCC）对2012年后CDM的分析认为，CDM是《京都议定书》的一部分，《京都议定书》是无限期的一个合法的框架公约。虽然通过谈判形成的附件Ⅰ国家减排目标是有承诺期的，但是CDM本身是个长期的机制，其延续性并不依存于特定的承诺期。只要人们仍然关注气候变化，关注人类的生存环境，即便CDM不存在，也会有一个替代机制。只有市场机制的参与，才能最有效地调动各方力量解决气候和环境问题。以2012年年底为分界点，讨论三种不同情况下的减排量法律后果。

历史是一门具有重要教育意义的学科，在丰富悠久的历史发展历程中包含着几千年来人类精神文明发展的结晶，在历史教材中蕴含着丰富的历史文化与人文底蕴。那么在进行教育教学活动的过程中，同样需要重视对学生人文素养和历史底蕴的培养，在学习过程中培养学生的历史人文性，帮助学生在今后的学习过程中，能以正确的历史眼光进行辨别与分析。

1.3 数据分析

试验采用Excel和SPSS统计软件进行数据统计分析。

1.2.2 测定项目与方法

参照吕春华[16]的方法测定甜菜幼苗干鲜重、相对电导率、丙二醛（MDA）含量，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，脯氨酸和可溶性糖含量。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫下不同秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗生长状况的影响

设置4 组处理：低温无秸秆覆盖处理（T0）、低温3 g 玉米秸秆覆盖处理（T1）、低温5 g 玉米秸秆覆盖处理（T2）、常温无秸秆覆盖处理（CK），每组处理10 个重复。每盆装入土壤500 g，均匀放置30 粒‘KWS1176’种子，并用100 g 土壤覆盖。放入培养箱中，培养温度设置见表1。待甜菜种子发芽，生长至子叶期，进行10 h低温锻炼处理,锻炼期温度和冷冻期温度设置见表2。低温锻炼处理后取出，放入培养箱中恢复12 h，随后进行10 h低温冷冻处理。低温冷冻处理后取出，放入培养箱中恢复12 h后，取样后测定各项指标。

图1 低温胁迫下不同秸秆覆盖处理下甜菜子叶期幼苗(a)生长情况表型和(b)单株对比Fig.1 Phenotypic differences of growth(a)and comparison of single-plant(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress with different straw covering treatments

低温胁迫下不同秸秆覆盖处理对甜菜子叶期幼苗鲜重和干重的影响（图2），4组处理之间均具有显著性差异（P＜0.05）。由幼苗生长状态、幼苗鲜重和干重可见，秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗有良好防冻效果；秸秆覆盖量越大，其对甜菜幼苗保护能力越强。

本次设计中为了使调试工作比较方便，特意加入了LCD显示模块来显示超声波所测距离。LCD屏幕连接在主控板上。具体电路原理图如图6所示。

图2 低温胁迫下不同秸秆覆盖处理对甜菜子叶期幼苗(a)鲜重和(b)干重的影响Fig.2 Effects of different straw covering treatments on fresh weight(a)and dry weight(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

2.2 低温胁迫下不同秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗叶片细胞膜透性的影响

常温处理（CK）甜菜子叶期幼苗叶片细胞内MDA 含量低[图3(b)]。低温胁迫后，各秸秆覆盖处理的叶片细胞内MDA 含量较CK 均具有显著性差异（P＜0.05）。其中，T0 较CK 高出99.14%。T1、T2 处理MDA 含量较CK 相比则分别高出57.72%、28.10%。此外，T1、T2 处理MDA 含量较T0 分别减少20.80%、35.67%，其中T2较T0下降幅度最大。试验结果表明，低温胁迫下甜菜叶片细胞内MDA 含量显著提高；甜菜叶片细胞内MDA含量随着秸秆覆盖量增加逐渐降低。

1.2.1 试验设计

未经低温胁迫处理（CK）的甜菜叶片相对电导率较低[图3(a)]，平均14.39%左右。当对甜菜子叶期幼苗进行低温胁迫处理后，各处理组叶片相对电导率均有显著上升，除T1、T2 之间，其他处理之间差异显著（P＜0.05），T0、T1、T2 处理电导率较CK 分别升高278.89%、201.73%、44.08%，即低温胁迫下甜菜子叶期幼苗叶片细胞受损，导致细胞膜透性增强，相对电导率增加。此外，低温胁迫下各处理组相对电导率随秸秆覆盖量增加而降低，呈递减趋势。其中T1、T2处理电导率较T0分别减少20.36%、61.97%，且T2较CK 电导率变化提升幅度最小，仅为6.20%。因此推测，秸秆覆盖通过保护甜菜子叶期幼苗叶片细胞膜，减缓电导率上升幅度。

重庆市儿童爱心庄园是在重庆市委、市政府的关心下，按照国内一流标准设计建造的儿童福利机构，于2011年11月正式开园，主要承担孤残儿童集中收养、保育护理、康复治疗、特殊教育、科研、培训以及对全市孤残儿童养育的指导工作。

图3 低温胁迫下不同秸秆覆盖处理对甜菜子叶期幼苗叶片(a)相对电导率和(b)MDA的影响Fig.3 Effects of different straw covering treatments on relative conductivity(a)and MDA(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

2.3 低温胁迫下不同秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗叶片抗氧化酶系活性的影响

常温处理（CK）甜菜子叶期幼苗叶片细胞内SOD 活性最低[图4(a)]。T1、T2 与CK 相比分别提高了19.54%、9.58%，比T0 降低了7.69%、17.48%。与常温处理CK 相比，低温胁迫后甜菜子叶期幼苗叶片细胞内POD活性显著上升[图4(b)]，各处理之间差异显著（P＜0.05），T0、T1、T2处理POD 活性分别较对照组CK增加了250%、125%、62.5%。此外，随着秸秆覆盖量的增加，POD 活性变化在T0、T1、T2 三个处理间也有显著差异（P＜0.05），呈下降趋势。其中，T1、T2较T0相比分别减少了35.71%、53.57%。常温培养下甜菜子叶期幼苗叶片细胞CAT活性相对较低[图5(a)]。T0、T1、T2叶片细胞内CAT活性较CK分别增加了79.16%、54.29%、22.77%；T1、T2叶片细胞内CAT活性较T0分别减少了13.88%、31.48%。APX 活性[图5(b)]，T0与CK 相比差异显著（P＜0.05），其APX 活性增加了38.77%；T1、T2 与CK 相比差异不显著。从测定结果可以得出，低温胁迫下甜菜子叶期幼苗叶片细胞内各抗氧化酶系活性除APX 外，均显著提高，且酶活性随秸秆覆盖量增加而降低,其中POD酶活性降低幅度最大。

图4 低温胁迫下不同秸秆覆盖处理对甜菜子叶期幼苗叶片(a)SOD和(b)POD活性的影响Fig.4 Effects of different straw covering treatments treatments on SOD(a)and POD(b)activities of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

图5 低温胁迫下不同秸秆覆盖处理对甜菜子叶期幼苗叶片(a)CAT和(b)APX活性的影响Fig.5 Effects of different straw covering treatments on CAT(a)and APX(b)activities of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

2.4 低温胁迫下不同秸秆覆盖对甜菜子叶期幼苗叶片内渗透调节物质的影响

常温培养下（CK）甜菜子叶期幼苗叶片游离脯氨酸含量较低[图6(a)]。幼苗低温胁迫后，T0、T1、T2 处理游离脯氨酸含量较CK相比均具有显著性差异（P＜0.05），分别增加了243.47%、89.77%、46.87%，其中T0较CK增长幅度最大；而T1、T2较CK增长幅度相对较小。此外，T1、T2较T0相比减少了44.75%、57.24%。

不同处理之间低温胁迫下甜菜子叶期幼苗叶片内可溶性糖含量差异显著（P＜0.05），T0、T1、T2 较CK 相比均有不同程度上升[图6(b)]。其中，T0上升程度最为显著（P＜0.05），可溶性糖含量较CK 增长168.87%；T1、T2 较CK 增长幅度相对较小，分别为50.97%、21.18%。此外，T1、T2 较T0 相比分别减少了43.85%、54.93%。综上，低温胁迫下甜菜幼苗叶片内渗透调节物质含量整体呈递增趋势；秸秆覆盖后叶片内渗透调节物质含量明显下降，且对甜菜幼苗保护能力随秸秆覆盖量增加而增强。

图6 低温胁迫下不同秸秆覆盖处理对甜菜子叶期幼苗叶片(a)脯氨酸和(b)可溶性糖的影响Fig.6 Effects of different straw covering treatments on proline(a)and soluble sugar(b)of sugar beet seedlings in cotyledon stage under low temperature stress

3 讨论与结论

低温是影响植物生长和生产力的关键因素之一。为确保生存，植物不断进化出一系列应对策略。近年来，相关人员对耐冷机制进行深入探索，并报道了大量植物冷应激反应研究，为植物的耐寒和驯化提供有益信息。但实际生产中，倒春寒等极端天气依旧严重制约我国北方地区的甜菜种植。秸秆覆盖是物理防寒措施，对甜菜幼苗起保护作用。因此，实际生产中利用秸秆覆盖进行防寒，是具有创新意义且行之有效的解决方法。其不仅适应现今农作物生产策略，做到资源合理再利用，而且可减少防寒投入，增加甜菜种植户的利润。

（1）植株叶片相对电导率反映植物细胞膜透性，通常用于衡量细胞膜损害程度[17]。MDA 是膜脂过氧化作用最终产物[18]，具有细胞毒性[19]，其含量反映植物逆境胁迫下受损情况[20]。杨豫等人[21]研究表明，低温处理下不同品种葡萄根系相对电导率均随温度降低而升高。姜琳琳等人[22]研究发现低温下苹果花组织受损严重，且MDA含量呈先增后降最后趋于平稳。本试验发现，秸秆覆盖通过保护甜菜幼苗，有效降低甜菜子叶期幼苗叶片细胞相对电导率和MDA 含量。甜菜子叶期幼苗因苗龄过小、膜系统不完善，导致幼苗耐低温能力较弱。而秸秆覆盖作为防寒措施，可有效保护甜菜幼苗，维持细胞膜稳态，减弱低温胁迫对幼苗叶片的影响。且秸秆覆盖量越大，其对甜菜幼苗保护能力越强。因此，可以考虑在实际生产中利用秸秆对甜菜幼苗进行防寒覆盖。

（2）研究表明抗氧化酶系统是抵御低温胁迫的有效机制[23-25]。本研究发现，秸秆覆盖各处理组抗氧化酶活性明显下降，除APX 外各保护酶活性均随秸秆覆盖量增加而降低，且POD活性变化幅度最大。对此猜测，叶片抗氧化酶活性降低与秸秆覆盖量增加有关。低温胁迫下甜菜子叶期幼苗叶片中抗氧化酶均维持于较高活性水平以抵御低温。但受秸秆覆盖保护的幼苗，叶片受胁迫程度较轻，导致未完全激活抗氧化酶调节系统，以致各抗氧化酶活性提升幅度较缓。

（3）脯氨酸含量常反映植物适应逆境胁迫能力[26-27]，BORMAN 等人[28]研究表明烟草抗冷能力与脯氨酸含量有明显关联性。可溶性糖通过改变细胞液浓度和细胞渗透势，防止细胞脱水。KAMATA 等人[29]发现植物通过增加可溶性糖含量以提高渗透压浓度，减少低温胁迫产生的危害。本研究表明，低温胁迫下甜菜子叶期幼苗脯氨酸含量和可溶性糖含量与秸秆覆盖量呈负相关，即秸秆覆盖在低温胁迫下对甜菜幼苗起重要保护作用。