低温胁迫对小麦叶绿素荧光参数及产量的响应

岳俊芹，张素瑜，李向东，邵运辉，方保停，葛胜修，王汉芳，张德奇，杨 程，时艳华，秦 峰

(1.河南省农业科学院小麦研究所，小麦国家工程实验室，农业部黄淮中部小麦生物学与遗传育种重点实验室，农业部中原地区作物栽培科学观测实验站，河南省小麦生物学重点实验室，河南郑州 450002；2.克明面业股份有限公司，湖南长沙 410004)

近年来随着全球气候变暖，极端低温发生的频率、强度和持续时间均在不断加强[1-3]，其对农业生产的灾害性影响日益加重。低温冻害是河南小麦生产常见的气象灾害之一，已成为限制小麦高产和优质的重要因素[4-5]。拔节期是小麦生长发育、幼穗分化的重要时期，此时小麦对温度变化的反应极其敏感，低温胁迫后小麦分蘖节会全部或部分冻死，导致不可逆转的伤害[6]。因此，前人对小麦拔节期低温胁迫效应的研究较多。河南省每年在3月下旬至4月上旬常有寒潮侵袭，此时期冻害后小麦易因穗粒数减少而减产[7-8]。试验结果显示，拔节期低温胁迫后，小麦品种泰山6426、泰山4033 和济麦22的叶绿素含量均呈现下降趋势，下降的幅度因品种而异，且低温胁迫对叶绿素荧光参数也有明显影响,除泰山6426外,其余2个品种Fv/Fm均显著下降[9]。有研究者认为，低温主要是通过降低叶片ΦPSⅡ和qP，使小麦光合速率下降，进而降低小麦干物质积累量，导致减产[10]。综合来看，目前在相关小麦低温效应研究中，处理设置多以单一品种或单一温度为主[11-12]，研究内容也以低温对光合和生理特性的影响分析居多[9,13-17]，而对不同低温条件下多个小麦品种的叶片荧光参数变化报道不多。本试验利用人工气候室模拟低温逆境，研究拔节期不同低温胁迫对小麦荧光参数及产量的效应，以期为小麦高产抗低温逆境栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与田间设计

试验于2017-2019年在河南省现代农业研究开发基地(新乡市平原新区，35°00′N，113°40′E)进行，采用柱栽方式。土壤取自大田0～30 cm耕层，为壤土，有机质含量11.58 g·kg-1，全氮含量1.18 g·kg-1，速效氮含量78.4 mg·kg-1，速效磷含量9.0 mg·kg-1，速效钾含量98.8 mg·kg-1。采用直径21 cm、长60 cm的圆柱装土，柱子底部固定纱网，便于装土。装土前土壤过筛，装土后压实，柱子埋于大田土壤中，柱内土面与地面基本持平。2017年和2018年小麦播种时间均为10月26日播种。选用郑麦366和新麦26为供试材料。每个品种种植44柱，每个柱子种植15株左右，三叶期定苗，每柱定苗10株，小麦生育期间管理同一般大田。

1.2 低温处理方法

设5 ℃、0 ℃和-5 ℃3个温度梯度，以自然条件(平均温度10 ℃)作为对照(CK)。于3月25日晚上20:00将柱栽小麦移入人工气候室(每个温度梯度移入8柱)，进行低温胁迫处理10 h，第二天早上6:00取出后埋于大田原位置，小麦自然生长至成熟。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 株高构成因素的测定

小麦成熟后每个处理随机选取10株，分别测量每株倒一节、倒二节、倒三节的长度和总株高，求平均值。

1.3.2 叶绿素相对含量(SPAD)的测定

低温处理后每7 d，采用日产SPAD-502型叶绿素计，每个柱选取10片最上部展开叶(挑旗后测定旗叶)，每片叶测定一次最宽处的SPAD值，求平均值作为该小区叶片SPAD值。

1.3.3 叶绿素荧光参数的测定

小麦低温处理后每7 d，利用美国 PP SYSTEMS 公司中国总部汉莎科学仪器有限公司生产的FMS2 脉冲调制式荧光仪于上午9：00- 11：00，分别测定一次经过30 min暗适应后的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和充分进行光适应后的PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)，每个柱测定10片最上部展开叶，求10片叶的平均值。

1.3.4 产量性状的测定

小麦成熟后收获每个柱子的全部植株，常规考种测定穗数、穗粒数、千粒重和单株产量。

1.4 数据处理

采用Excel对数据进行初步处理，用DPS 9.5进行方差分析，用Sigmaplot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 低温对小麦株高及节间长度的影响

随着处理温度的降低，2个小麦品种的株高及倒一节、倒二节、倒三节长度均呈下降趋势(表1)。低温处理后，新麦26和郑麦366的株高较CK分别下降4.04%～15.15%和3.76%～ 11.83%，5和0 ℃处理与CK差异均不显著， -5 ℃处理与CK差异均显著。从株高构成看，低温处理对新麦26节间长度的影响较大，其中对倒一节长度影响最大，不同处理间差异均显著；低温对郑麦366三个节间长度的影响较小，三个低温处理间差异均不显著，但-5 ℃处理与CK差异均显著。

表1 不同低温处理对小麦株高的影响Table 1 Effects of different low temperature stresses on plant height of wheat

2.2 低温对小麦叶片叶绿素含量(SPAD值)的影响

低温处理后0～36 d，2个小麦品种的SPAD值变化均不大，从处理后42 d开始呈下降趋势(图1)。低温处理的小麦叶片SPAD值显著低于CK(新麦26在处理后21 d除外)，且处理温度越低，SPAD值越小。低温处理后49 d时，5、0和-5 ℃处理的新麦26 SPAD值相对于CK分别下降4.71%、30.9%和42.6%，郑麦366分别下降 3.0%、26.5%和37.45%。这说明拔节期低温胁迫会导致小麦叶片叶绿素减少，不利于生育中后期光合作用，其中对新麦26的影响较大。

2.3 低温对小麦叶片Fv/Fm和ΦPSⅡ的影响

低温处理后，随着小麦生育期的延长，2个品种叶片Fv/Fm和ΦPSⅡ均先下降，在处理后21 d达到最低后又逐渐升高(图2和图3)。两个品种的Fv/Fm和ΦPSⅡ均随处理温度的降低而下降，其中新麦26的Fv/Fm在5、0和-5 ℃处理后21 d时分别比CK下降2.54%、4.05%和5.46%，ΦPSⅡ分别下降8.23%、16.58%和21.65%；郑麦366的Fv/Fm分别下降2.27%、3.54%和 4.41%，ΦPSⅡ分别下降11.09%、13.47%和 17.48%，说明拔节期低温胁迫对新麦26的Fv/Fm和ΦPSⅡ的影响大于郑麦366。

表2 不同低温胁迫对小麦产量及其构成因素的影响Table 2 Effects of different low temperature stress on yield and its components of wheat

2.4 低温对小麦产量及其构成因素的影响

由表2可知，与CK相比，低温胁迫导致小麦单株穗数、穗粒数、千粒重和单株产量均不同程度降低。新麦26的穗粒数在低温(5、0、-5 ℃)处理间差异显著，郑麦366的穗粒数在不同处理间只有-5 ℃处理与CK差异显著；三个低温处理中，新麦26和郑麦366的穗数和千粒重均与CK差异显著。新麦26和郑麦366的低温处理单株产量降幅分别为29.58%～55.52%和23.65%～47.95%，产量变化均显著。

3 讨 论

低温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[18-19]。叶绿素是植物重要的光合色素，低温胁迫下小麦旗叶叶绿素含量下降，可能是低温胁迫导致植株体内代谢减弱，养分吸收转运速度下降，抑制叶绿素合成，也可能是因为低温胁迫产生超氧自由基积累并引发叶绿素的分解[20]。低温胁迫对叶片叶绿素合成的抑制程度与低温程度和品种的耐寒性有关[21]。陈思思等[11]分析得出，在小麦拔节期，随低温程度的增加，扬麦16叶绿素含量呈下降趋势，-2和-4 ℃胁迫48 h后，叶片叶绿素含量分别比对照降低29.7%和46.6%。Li等[22]研究表明，拔节期低温胁迫(5 d低于外界 8 ℃)显著降低小麦叶片相对叶绿素含量，且低温处理后7 d叶片叶绿素含量不能恢复到对照水平。本试验条件下，处理温度越低，小麦SPAD值越小，说明受低温胁迫程度越重，新麦26低温胁迫后SPAD值下降的幅度大于郑麦366，说明不同品种对低温的抗性不同[21]。

叶绿素荧光技术能够快速无损地检测作物叶片对环境胁迫的敏感性，近年来被广泛应用于评估环境胁迫对作物的影响[23]。低温胁迫下，大麦叶片叶绿素荧光参数的变化与低温程度有关[25]。Li等[22]分析得出，小麦拔节期低温胁迫(5 d低于外界8 ℃)显著降低叶片Fv/Fm，且低温处理7 d后叶片Fv/Fm不能恢复到对照水平，表明拔节期低温胁迫显著抑制了小麦叶片光能利用能力。本研究结果表明，低温胁迫后，小麦叶片Fv/Fm和ΦPSⅡ随处理温度的降低呈下降趋势，处理后21 d达到最低值，随后又逐渐恢复。不同品种下降的程度不同，新麦26的Fv/Fm和ΦPSⅡ值在低温处理21 d时的下降幅度均大于郑麦366，说明拔节期低温胁迫对新麦26叶片Fv/Fm和ΦPSⅡ的影响大于郑麦366。

有关低温胁迫对小麦产量的影响，已有很多研究[9,27-28]。王永华等[29]研究表明，拔节期间温度越低，对小麦危害越重，可造成小麦大面积减产，减产幅度达到40%～60%。本研究结果表明，低温胁迫下2个品种的单株产量较CK均显著下降，且降幅随着胁迫程度的加重总体上呈增大趋势，低温胁迫对新麦26影响大于郑麦366。同时低温也导致单株穗数、穗粒数和千粒重下降，说明低温不利于穗部发育，进而影响产量形成。这与前人研究规律一致[29]。

本研究中，设置的温度梯度较大，测定的日期间隔较长，下一步将会进一步缩小低温胁迫的梯度，缩短测定时间间隔，探讨不同品种在不同低温胁迫下的致死临界温度，以期为小麦春季低温诊断和及时采取补救措施提供理论支撑。