小麦返青期生理指标与抗寒性的关系

王运智王萍

(1.德州市农业农村局农业综合执法支队，山东 德州 253000；2.平原县农业农村局，山东 德州 253100)

前言

高产和稳产仍然是我国现阶段作物育种的首要育种目标。环境因素严重影响小麦产量，温度是影响作物生长发育和形态建成最重要的环境因素之一，适宜的发育温度是作物营养生长和产量形成的前提和保障，而低温冻害往往会造成作物产量大幅度下降，甚至造成绝收现象。随着近年极端天气的增多，低温冻害成为影响农业生产中最严重的环境胁迫因子之一，研究如何提高作物的抗寒性能十分必要[1,2]。植物的抗寒性是植物长期在低温寒冷的生长环境中通过自身遗传变异和自然选择或人为选择而获得的。小麦苗期主要包括出苗期、3叶期、分蘖期、越冬期和返青期等发育时期，该时期是小麦分蘖和穗分化的重要阶段[3]，极易受环境温度的影响，低温冻害往往会造成田间缺苗、断垄的现象，从而对后期产量的形成造成严重的影响[4]。因此，研究小麦苗期抗冻机制，制定合理的抗冻措施，对小麦的健康生长和产量提高至关重要。

植物抗冻性的生理机制主要基于增加膜的稳定性、限制冰晶的形成、基因表达发生改变和抗氧化性增强4个方面[5]。通过对植物生理生化方面的研究发现，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量以及SOD的活性都与植物的抗寒性相关[6-10]。将植物置于非冰冻致死温度中加以锻炼，能诱导植物提高抗寒能力[10-15]。在植物抗寒基因工程研究方面，陈儒钢等分别对植物抗冻基因的表达进行了研究，发现COR基因和CBF1转录因子等与植物抗寒调控机制有关[9,16,17]；在栽培措施方面，代海芳等研究发现，在黄淮地区冬小麦的播种深度在4～6cm时抗寒性最强[18]。此外，赵春江等对植物内源激素与小麦抗寒性的关系进行了研究和分析，发现脱落酸水平在抗寒性强的冬性品种中显著高于抗寒性较弱的品种，赤霉素含量则在抗寒性较弱的春性品种中含量较高，生长素越冬前在抗寒性强的品种中含量较高，而春性品种中的细胞分裂素水平一直保持相对稳定[19]。

当前冬小麦返青期叶片可溶性糖、叶绿素含量以及苗期归一化植被指数(NDVI)与抗寒性关系的研究甚少。苗期归一化植被指数(NDVI)是基于植物光谱特征的指标，是由叶片组织对可见光和近红外光的反射值运算而成的数据。植物反射光谱在近红外光和可见光波长间存在显著差异，由于叶绿素的吸收，通常植物对蓝光和红光有较强烈的吸收，而对近红外光有较强烈的反射，强度主要受叶片特性的影响，土壤水分含量、营养状况和叶片发育阶段的环境因素是决定叶片细胞特性的关键[20]。叶片是植物光合作用的主要器官，叶绿体是高等植物进行光合作用的关键场所，其中的叶绿素是最重要的光合色素，其含量的高低不仅可以反映植物光合系统性能状况，而且决定植物冠层光合产物总量。近年的研究发现，叶绿素的含量可用于鉴定植物的光合潜力、叶片和穗部的衰老、N亏缺和产量潜力[21,22]。本研究通过测定不同冬小麦品种(系)返青期叶片可溶性糖和叶绿素含量以及苗期NDVI值的大小，从而探究能反应冬小麦返青期抗寒性能的生理指标，为今后冬小麦的引种、抗寒育种以及抗寒品种的筛选提供理论依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本试验选用15个山东和河北等地主要推广材料，包括“京411”、“中优9507”、“中麦36”、“西农529”、“科农2009”、“山农28”、“中麦175”、“中麦415”、“济麦22”、“济麦23”、“师栾02-1”、“西农585”、“周麦18”、“冀麦325”和“新冬37”。分别于2018—2019年度在河北省石家庄市和山东省德州市开展试验。2次重复，随机区组排列，小区行长6m，行宽0.25m，4行区，面积6.0m2。分别于2018年3月28日和2018年3月30日在河北省石家庄市和山东省德州市两试验地进行田间取样，并测定叶绿素含量和NDVI值。2019年2点取样日期分别为4月1日和4月4日。

田间管理参考国家区域试验标准开展。底肥施用以尿素、钾肥和磷酸二铵为主，辅施少量复合肥，施用量因地力差异进行适当调整。针对土传病虫害，播种时拌种并开展土壤处理，防止地下害虫和土壤病害的传播。10月播种后，于田间喷洒除草剂进行除草，并注意预防除草剂病害。小麦出苗后，及时查看出苗情况，针对严重缺苗断垄现象及时补苗移栽，尽量避免出现田间出苗差异，确保苗情匀整。春季田间管理参考常规标准进行追肥、浇水、除草等措施。

1.2 生理表型测定方法

1.2.1 可溶性糖含量

称取0.01g植物叶片并置入10.0mL离心管，于离心管中加入9.0mL去离子水；将离心管置于100℃水浴锅中煮沸30min，在0℃冰水混合浴中冷却5min；将冷却样品置于5000R·min-1离心机离心10min，并将上清液移入50mL容量瓶中，保留离心管中样品。重复以上步骤1次，用去离子水将容量瓶定容至50mL用于糖含量的测定。可溶性糖含量测定参考硫酸蒽酮法[23]。

1.2.2 苗期归一化植被指数(NDVI)

使用便携式植物光谱分析仪(Greenseeker 505型)在天气晴好且植株叶表干燥条件下，按照小区种植顺势进行测量。测量时确保探头与小麦冠层保持平行，且维持15cm的高度，以1m·s-1的速度水平滑动。为避免边界效应，NDVI测定小区中间2行的NDVI值。

1.2.3 叶绿素含量

使用SPAD-502叶绿素仪，在晴朗天气且植株叶表干燥条件下，于非边行区随机选择15片生长健康的正常叶片(叶片表面朝上)，叶绿素仪在叶面距茎秆的1/3处测定，每测定5片叶记录平均值。

1.3 统计与分析

基本数据采用采用Excel 2019开展统计分析；Statistical Analysis System 8.2软件相关性分析。

2 结果与分析

2.1 抗寒相关基本统计量分析

可溶性糖、叶绿素含量以及NDVI值测定结果的基本统计量见表1。NDVI值在所有材料的变异范围为0.18～0.39，均值为0.31；其中，NDVI最弱为“新冬37”(0.18)，最大值为“山农26”(0.39)。SPAD值在所有材料的变异范围为41.24～56.75，均值为50.23；其中，SPAD最小为“冀麦325”(41.24)，最大值为“中麦175”(56.75)。可溶性糖含量在所有材料的变异范围为8.25～40.23，均值为29.31；其中，可溶性糖含量最低为“科农2009”(8.25)，最大值为“济麦22”(40.23)。“京411”、“山农28”，“中麦175”、“中麦415”、“济麦22”和“济麦23”为耐寒材料；“中优9507”、“中麦36”、“西农529”、“科农2009”、“师栾02-1”、“西农585”为中等耐寒材料；“周麦18”、“冀麦325”和“新冬37”为冷敏感材料。

表1 不同材料可溶性糖、叶绿素含量和NDVI值基本统计量

2.2 可溶性糖、叶绿素含量和NDVI值的方差分析

不同材料可溶性糖、叶绿素含量和NDVI值的方差分析结果见表2。不同品种间的NDVI值、叶绿素含量和可溶性糖含量在不同品种间差异均达到显著水平(P<0.05)；重复间叶绿素含量、NDVI值与可溶性糖含量差异显著(P<0.05)；环境间NDVI值、可溶性糖含量和叶绿素含量的差异达显著水平(P<0.05)；不同冻害分级间NDVI值、可溶性糖含量和叶绿素含量都表现为差异显著(P<0.05)。

表2 各统计量方差分析结果

2.3 抗寒性与生理特性的关系

抗冻材料、中抗材料和敏感材料间的NDVI值、SPAD值和可溶性糖含量均在P=0.05水平下呈显著差异。NDVI值、SPAD值和可溶性糖含量可作为材料抗寒性筛选的生理指标，用于抗性材料筛选，减少田间工作量。

表3 品种生理性状在不同抗冻反应间的比较分析

3 结论与讨论

可溶性糖作为细胞质中主要的有机溶质，通过渗透调节方式提高细胞质浓度而增强植物的抗寒性能，可溶性糖含量不但可以作为植物抗寒性能的指标，而且在高盐、高温、干旱等生长环境中在许多植物器官中都有积累，因此可作为反应多种环境胁迫因子胁迫程度的指标[11-13]。NDVI值的大小与植被覆盖率、植被生产力有很好的线性关系，NDVI值也与植物氮肥的需求状况紧密相关，选用不同基因型小麦分析NDVI值与抗寒性的关系，有助于阐明选育抗寒小麦品种的植被生长基础[21,24]。植物的光合作用常受到外界环境因素和自身生理生化因素的限制，其中低温冻害是影响光合作用最严重的环境因素之一，低温胁迫下会严重降低植物的光合速率。叶绿素作为光合作用的主要色素，通过分析不同冬小麦品种叶绿素含量与抗寒性的关系，可用来指导鉴定耐低温型的小麦品种[22]。抗寒性较强的植物只有通过低温锻炼才能增强其抗寒性能，所以适当的低温胁迫对植物抗寒性能的提高有一定的促进作用，而且在小麦的春化阶段只有经历一定阶段的低温环境才能完成花芽的分化，夜间适宜的低温也有利于作物干物质的形成和累积。同时，同一作物不同的生长发育阶段以及同一作物在不同种植区域对温度的要求也是变化的。

目前随着研究进展，植物抗冻机制在基因水平、生理生化水平以及栽培技术措施等多个层面均有较深研究[15-19]。植物的抗寒机制是植物基因型和环境因素共同作用的结果，气候的变化、海拔及纬度的变化、季风因素的影响以及种植方式、管理措施的不同，都会对植物的抗寒性能产生一定的影响，而在相同的生长环境和田间管理条件下，植物的基因型差异便成了决定植物抗冻机制的主要因素。因此，筛选适宜于当地气候的抗寒材料对于保证粮食生产安全具有重要意义。本试验通过在相同的田间栽培管理措施下，于2018—2019年度在河北石家庄和山东德州两地开展试验，对抗冻级别不同的材料于返青期测定了可溶性糖含量、叶绿素含量及NDVI值。叶绿素含量、可溶性糖含量和NDVI值在抗冻材料、中抗材料和敏感材料之间的差异性显著。结合叶绿素含量，可溶性糖含量或NDVI值可以很好地反映出冬小麦返青期的不同抗冻级别。

此外，通过对不同材料间的可溶性糖、叶绿素含量以及NDVI值进行相关性分析发现，叶绿素含量与可溶性糖含量、NDVI值与可溶性糖含量以及NDVI值与叶绿素含量的相关系数分别是0.21、0.17和0.15。由相关系数可知，本试验所选择的3个抗寒生理指标间的相关性较小，这可能与不同指标所代表的表型不同有关。如，可溶性糖含量可以有效提升细胞质浓度，避免受损害，但是与叶绿色及绿色覆盖面积关联不大。叶绿色含量则代表叶片抗寒性强弱，但是叶绿色含量高并不能表明其覆盖面积范围大小。而NDVI指数则主要与单位面积内的绿色覆盖面积相关，与叶绿素含量则无关。3个表征不同的测试指标，可以更全面地反映材料抗寒能力。

筛选抗寒材料对于选育耐冷性品种具有重要意义。本研究在2a两点环境下，针对20份黄淮麦区主栽品种开展抗寒筛选工作，并测定相关指标。“京411”、“山农28”、“中麦175”、“中麦415”、“济麦22”和“济麦23”等材料在2个环境下均有较好的抗寒性，在山东及河北地区可以做适量推广。同时，也可以开展后续研究，将这些品种作为供体亲本应用于下一步的抗寒育种研究工作中。本试验下一步也将会对这些材料开展群体构建，结合基因型鉴定的方式，发掘抗寒相关位点和基因，解析抗寒遗传机制，加速选育抗寒品种进程。