不同冬小麦品种拔节期低温生理生化反应及其灰色关联度分析

曹燕燕，张宏套，郭春强，葛昌斌，廖平安，黄杰，乔冀良，齐双丽，李雷雷

（漯河市农业科学院，河南 漯河 462300）

小麦作为我国的第二大粮食作物，生育期间常遇到干旱、低温冷害、晚霜冻、干热风等农业气象灾害，已成为小麦产量提高的限制因素［1］。近年来，温室效应引起的全球气候变暖，造成我国冬暖春寒现象频繁发生，从而导致小麦春季冻害不断发生。拔节期是春季小麦快速生长期，对水肥要求较高，是决定小麦产量的一个重要阶段［2］，对温度变化也十分敏感，若此时突遭大幅度降温，将严重影响小麦产量，一般减产10%～30%，严重时减幅达到50%［3］。黄淮海小麦优势产区是我国最大的冬小麦产区，对确保我国粮食安全具有重大意义［4］。几乎每年3—4月黄淮麦区都会出现2～5 d的大幅度降温天气，降温达6～10℃，有时甚至低于0℃，严重影响并制约小麦的生长发育及产量提高［5，6］。因此，关于小麦冻害，特别是春季冻害的研究对黄淮麦区小麦的增产丰收有着十分重要的意义。

春季突遇低温胁迫时，小麦植株体内会发生复杂的生理生化及分子生物学变化，表现在膜流动性改变、抗氧化酶活性增加及渗透调节物质的积累等［7－10］，以此来响应外界温度的迅猛降低和提高植株抵抗低温伤害的能力。研究表明，脯氨酸（Pro）含量、丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理生化指标的变化可作为评价小麦抗寒性高低的鉴定指标［11－14］。小麦的抗寒性受众多基因控制，因此将产量因子与抗寒性生理生化指标结合起来进行分析，可以更准确地评价小麦品种的抗寒性。

漯麦163是以漯麦6010为母本、弗罗里达为父本杂交选育而成的小麦新品种，2018年通过湖北省审定（鄂审麦2018006），2020年通过国家农作物品种审定委员会审定（国审麦20200043）。漯麦163表现出丰产稳产、适应性广、综合抗病性好、品质优等特点［15，16］。目前关于冬小麦抗寒生理的研究已有不少报道［16，17］，但关于漯麦163的抗寒性研究却是空白。本试验以漯麦163及其母本漯麦6010、郑麦9023（对照）和偃展4110为材料，将其盆栽至拔节期，再通过春化室模拟低温处理，研究拔节期低温对不同品种小麦叶片生理生化特性的影响，并利用灰色关联度分析法研究低温胁迫下小麦生理特性与产量的关系，寻找与产量性状密切相关的生理指标，以期为小麦品种抗寒性评价、生产上抗寒品种的选用和漯麦163的示范推广提供理论依据，也为室内快速鉴定冬小麦的抗寒性提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2018—2019年在漯河市农业科学院试验田网室内进行。供试品种漯麦163、漯麦6010、郑麦9023（对照）和偃展4110种子，由漯河市农业科学院小麦研究所提供，盆栽法种植。盆直径30 cm，高60 cm，底部用网袋包裹，以保持下层土壤通气良好。每盆装入大田0～30 cm耕层土壤后埋入大田，盆内土壤与地面持平。播前每盆施复合基肥6 g，浇透水沉实土壤后于10月15日播种，3叶期定苗，每盆留苗9株。每个品种种植9盆，其中3盆用于低温取样，3盆用于低温胁迫后测产，3盆用于常温对照，共计36盆。浇水量根据土壤墒情决定，每盆浇水量一致。其它管理措施同大田，2019年6月3日收获。

1.2 低温处理方法

2019年春季，各小麦品种植株生长至拔节期，取样显微镜观察幼穂分化进入雌雄蕊原基分化期时，将6盆均移入春化室模拟春季低温胁迫。春化室内设置为白天0℃、夜间－4℃，误差0.5℃，空气相对湿度为70%。采用人工光源，光照时间为8∶00—18∶00。低温处理0、1、2、3 d和4 d时取主茎最上部的展开叶用于生理生化指标检测，每个品种取3盆作为3个重复。各品种剩余3盆在低温处理4 d后移至自然条件下，直至收获。

1.3 测定项目及方法

生理生化指标测定：每个品种测定3次取平均值。丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸比色法［18］；超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑（NBT）法［19］；过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法［19］；过氧化氢酶（CAT）活性测定采用过氧化氢法［20］；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G－250比色法［18］；脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法［18］。

产量因子测定：低温胁迫处理4 d后，将未取样的盆栽小麦放置到大田原位置，自然条件下恢复生长。成熟后收获，分别调查单株穗数、单株穗粒数和单株产量。

1.4 数据处理与分析

利用Microsoft Excel 2007进行数据统计和作图，利用DPS 15.10软件进行差异显著性和灰色关联度分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对拔节期小麦叶片生理生化指标的影响

2.1.1 对拔节期小麦叶片保护酶活性的影响 植物遭受逆境时，超氧阴离子自由基会大幅度增高，SOD是一种能消除活性氧对细胞膜损害的酶［21］。由图1A可以看出，低温胁迫后，各小麦品种叶片SOD活性不同程度地增加，且与常温对照相比，均达到显著水平；持续2 d低温下，郑麦9023和漯麦6010的SOD活性持续升高，但漯麦163和偃展4110出现不同程度的降低；低温持续至第3天，漯麦163和偃展4110的SOD活性又上升，而郑麦9023和漯麦6010下降。由此可见，不同品种的SOD活性对低温的响应能力存在差异，但均通过较大幅度的提高来抵抗低温胁迫所造成的伤害，长期低温胁迫下漯麦163和偃展4110表现出较强的抗寒性。

图1 低温胁迫下拔节期小麦叶片保护酶活性的变化

由图1B可以看出，低温胁迫后各品种的POD活性都有不同程度的增加，且漯麦6010和漯麦163与对照呈显著差异；低温胁迫2 d和3 d，各品种的POD活性持续增加；第4天，除郑麦9023和偃展4110有所降低外，漯麦163和漯麦6010仍呈上升趋势。说明持续低温胁迫下，漯麦163和漯麦6010叶片的POD仍保持较强的抗氧化能力，而其它两个品种的抗氧化能力稍有减弱。

由图1C可以看出，低温胁迫后4个小麦品种叶片CAT活性均有不同程度提高，与常温对照相比，均达到显著水平。其中低温胁迫1 d，漯麦163升幅最大，为543.77%，其次为漯麦6010，为423.55%；低温胁迫2 d，4个品种CAT活性均出现下降；至第3天，除漯麦6010继续下降外，其余品种CAT活性开始回升；第4天时，除郑麦9023和偃展4110外，漯麦6010和漯麦163的CAT活性均上升。这表明持续4 d低温抑制了郑麦9023和偃展4110清除活性氧的能力，但漯麦163和漯麦6010的CAT活性仍维持在较高水平，可将活性氧的伤害限制在一定的范围内。

2.1.2 对拔节期小麦叶片丙二醛含量的影响

由图2可知，与常温对照相比，低温胁迫1 d，各品种小麦叶片的MDA含量均有不同程度的增加，且均差异显著，其中漯麦6010增幅最大，为111.96%，漯麦163增幅最小，为46.16%；低温处理2 d，除郑麦9023上升外，其余品种MDA含量出现下降；低温胁迫2、3 d和4 d，除偃展4110外，各品种与对照均差异显著；低温持续胁迫4 d，偃展4110的MDA含量出现下降，其它3个品种MDA含量呈现上升趋势。这表明低温胁迫下，各品种植株已经受到活性氧的伤害，但品种间受到的伤害程度不同。

图2 低温胁迫下拔节期小麦叶片丙二醛含量的变化

2.1.3 对拔节期小麦叶片可溶性蛋白和脯氨酸含量的影响 由图3A可知，低温胁迫后，各品种的可溶性蛋白含量均呈增加趋势。低温处理1 d，除郑麦9023外，其余3个品种可溶性蛋白含量与常温对照相比，均显著提高；第2天，郑麦9023可溶性蛋白含量上升，其它3个品种下降；第3天和第4天，除郑麦9023外，其余3个品种均缓慢增加。这说明在低温胁迫下，小麦叶片积累了大量的可溶性蛋白，以保持细胞内环境的相对稳定，结果也表明郑麦9023在低温逆境下生成可溶性蛋白的能力稍弱些。

由图3B可知，低温胁迫下，4个小麦品种的脯氨酸含量呈现先升后降再升的趋势。低温胁迫第1天，4个小麦品种脯氨酸含量与常温对照相比，均有提高，除郑麦9023外，其它3个品种差异显著；低温胁迫第2天至第4天，郑麦9023和偃展4110脯氨酸含量没有显著变化；低温胁迫第4天与第2天、第3天比，漯麦163脯氨酸含量变化差异显著，漯麦6010低温胁迫第4天与第3天的脯氨酸含量差异显著。由此可以看出，在长期低温胁迫下，漯麦163和漯麦6010表现出更强的渗透调节能力。

图3 低温胁迫下拔节期小麦叶片可溶性蛋白和脯氨酸含量的变化

2.2 拔节期低温胁迫对小麦产量及其构成因素的影响

由表1可知，与自然温度下的对照相比，拔节期低温造成各品种小麦的成穗数、穗粒数和单株产量均显著下降，不孕小穗数均显著上升；结实小穗数除郑麦9023与对照有显著差异外，其余3个品种均无显著差异；千粒重除漯麦6010与对照无显著差异外，其余3个品种均显著降低。单株减产率依次为郑麦9023（49.79%）＞偃展4110（47.92%）＞漯麦163（44.06%）＞漯麦6010（38.99%）。以上结果说明，拔节期低温胁迫对小麦成穗数和穗粒数影响显著，单株穗数和穗粒数的变化幅度越小，单株产量减产越少。

表1 拔节期低温胁迫对小麦产量性状的影响

2.3 拔节期低温胁迫下小麦生理生化特性与产量的灰色关联度分析

由表2可以看出，拔节期低温胁迫后，小麦各生理生化指标增减幅与其产量降幅的关联度大小依次为：脯氨酸含量＞可溶性蛋白含量＞MDA含量＞POD活性＞CAT活性＞SOD活性，其中SOD活性与产量的关联度最小，关联度为0.5604。说明小麦拔节期遭受低温胁迫时，脯氨酸、可溶性蛋白、MDA含量和POD、CAT活性对小麦产量影响较大，与小麦拔节期耐寒性的关系密切。

表2 拔节期低温胁迫下小麦各生理指标与产量的关联度及排序

3 讨论与结论

低温胁迫能够使植物正常的生理代谢失去平衡，细胞内活性氧自由基的产生会加快和增多，而活性氧清除系统又表现出相对较弱的清除能力，导致活性氧自由基在体内大量积累，植株受到伤害。SOD、POD和CAT是植株防御体内因活性氧自由基过多积累而造成细胞伤害的重要的保护性抗氧化酶类，能够清除植物体内具有潜在危害的氧负离子和过氧化氢。张勇等［22］研究指出，SOD、POD和CAT等抗氧化物酶活性的高低可以反映植物在低温胁迫下抵御低温逆境胁迫的能力；李春燕等［23］研究指出，小麦在苗期低温胁迫下SOD、POD和CAT等抗氧化酶活性的变化随低温胁迫的加剧呈先上升后降低的趋势。本研究中，低温胁迫1 d，各小麦品种叶片的SOD、POD和CAT活性均呈上升趋势，表明在一定的低温胁迫下，三种酶能够保持协调一致，从而有效清除活性氧，保护植株免遭低温伤害；持续2 d，各品种POD活性均上升，SOD和CAT活性则有升有降；持续3 d和4 d，漯麦163和漯麦6010的SOD、POD和CAT活性一直呈现上升趋势，说明两品种在长期低温胁迫下能有效清除自由基，有较强的抗寒性，而郑麦9023和偃展4110的SOD、POD和CAT活性呈下降趋势（偃展4110的SOD活性除外），这可能与两品种自身较弱的抗寒性有关，最终导致不能有效清除低温胁迫造成的自由基升高。

SOD、POD和CAT作为植物体内重要的保护性抗氧化酶类，相互协调及时清除多余的超氧阴离子自由基等活性氧，保护膜系统不受损伤。但当保护酶的清除能力不足以清除多余的氧自由基时，就会引起膜脂不饱和脂肪酸发生过氧化，最终形成有毒物质MDA［24］。本试验中，除郑麦9023外，低温处理2 d，其它品种MDA含量呈现下降趋势，而到第3天又呈上升趋势。这说明随着低温时间的持续延长，酶促系统已经不能及时清除持续低温造成的过量活性氧和自由基，从而导致MDA在植株体内的积累。

低温胁迫下，植物体内脯氨酸含量的增加能够提高植物的抗冷性，且小麦抗寒性随脯氨酸含量的增加而增强［25］。低温胁迫能够引起小麦细胞内可溶性蛋白含量的增加，可溶性蛋白含量与其抗寒性存在密切的正相关［26］。本研究中，低温胁迫后，4个小麦品种的脯氨酸含量呈上升趋势；低温至第4天，除偃展4110外，其它3个品种的脯氨酸含量均呈增加趋势，且漯麦163和漯麦6010的脯氨酸含量与第3天相比，差异达显著水平，说明两品种在低温下能够通过脯氨酸含量的增加来提高抗寒性。可溶性蛋白含量整体呈上升趋势，随着低温胁迫时间延长，增量差异不显著，但其值整体高于自然对照。

拔节期低温可导致小麦成穗数和穗粒数显著下降，不孕小穗数显著上升，单株产量下降。本试验中，各个品种的单株产量减幅不同，说明不同品种耐拔节期低温的特性存在差异。灰色关联度分析表明，脯氨酸、可溶性蛋白、MDA含量和POD、CAT活性与产量的关联度较高，可作为小麦耐寒性鉴定的重要指标。

漯麦163是漯河市农业科学院选育的小麦新品种，具有丰产稳产、抗寒性强、中抗赤霉病、抗倒性强、品质优等特性。研究发现，漯麦163属于抗寒性较强的品种，主要是因为：①母本漯麦6010具有较强的抗寒性，丰富的遗传基础使得漯麦163具有较强的抗寒性；②持续低温胁迫下，漯麦163的SOD、POD、CAT活性仍维持在较高水平，可以将活性氧的伤害限制在一定范围内，提高植物抗寒性；③长期低温胁迫下，漯麦163的可溶性蛋白和脯氨酸含量显著上升，表现出更强的渗透调节能力。本研究也可为漯麦163的示范推广提供理论依据。