拔节期持续低温胁迫对漯麦163生理特性的影响

曹燕燕，胡彦奇，郭春强，葛昌斌，廖平安，李雷雷，王 君，张振永

（1.漯河市农业科学院，河南漯河462000；2.舞阳县农业技术推广总站，河南舞阳462400）

全球每年因低温冷害造成的农作物损失高达数千亿元[1]。在全球气候变暖的大背景下，小麦发生冷害的概率也大大增加，自20世纪80年代以来，黄淮麦区霜冻频发，霜冻害的发生频率高达45%，是冬小麦霜冻害的高发区，特别是河南省商丘地区已高达60%[2]。据统计，2004—2005年度，黄淮麦区发生大面积早春霜冻害，仅河南冻害面积就超过133.3万hm2，其中，约26.7万hm2绝收[3]。春季低温冷害已经严重制约该区小麦的持续高产稳产，成为影响该区小麦产量的主要气象灾害之一[4-6]。漯河市位于豫中南，属黄淮南片麦区，小麦极易遭受低温冷害影响[7-11]，且遭受冷害程度与降温幅度、低温持续时间等有关[12-13]。

低温冷害对小麦生理特性的影响主要表现在叶绿素合成受阻、膜系统失活等[14-15]。膜系统受损后不仅会引起质膜透性增加，细胞内溶质外渗，还会造成酶系统代谢紊乱，有毒物质积累，最终导致细胞和组织受害死亡。在低温胁迫过程中，小麦会相应地通过一系列生理生化反应，如可溶性蛋白和脯氨酸含量增加、保护酶活性增强等来减轻或消除低温伤害产生的不利影响[16-21]。前人[22-25]关于低温胁迫对小麦生理特性的影响已有报道，但大多是0℃低温胁迫1、2 d小麦生理特性的影响，对0℃以下持续低温胁迫3～4 d生理特性研究较少。

漯麦163是漯河市农业科学院以漯麦6010为母本、弗罗里达为父本选育而成的小麦新品种，2020年通过农业部国家农作物品种审定委员会审定（国审麦20200043）。其表现出丰产稳产、适应性广、综合抗病性好、品质优等特点[26]。本研究以新品种漯麦163和黄淮南片麦区对照品种周麦18为研究对象，盆栽种植至拔节期，通过人工智能温室模拟田间低温逆境，探索了漯麦163和周麦18在-3℃低温胁迫1、2、3 d和4 d后生理特性变化以及幼穗受冻情况，以期为漯麦163的抗寒性评价和示范推广、培育抗寒耐寒的小麦新品种和黄淮麦区的丰产增收提供理论支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

2019—2020 年试验设在漯河市农业科学院试验基地（东经113°58′42″，北纬33°37′18″），年平均气温14.7℃，日照时数约2 181 h，无霜期219 d，常年降水量786 mm。播种前0～20 cm土壤有机质含量18.6 g/kg，速效氮61.25 mg/kg，速效磷6.46 mg/kg，速效钾207.77 mg/kg，pH值6.66。

1.2 试验材料

供试材料为小麦新品种漯麦163和黄淮南片麦区对照品种周麦18，由漯河市农业科学院提供。

1.3 试验设计

试验以盆栽法种植。用内径30 cm、高60 cm的无底花盆，花盆底部用网袋扎紧，以便花盆底部充分与土壤接触吸收水肥，减少与大田误差，花盆表面与地表持平。花盆内根据大田0～20、20～40、40～60cm土层分层填土压实，浇透水沉实土壤后于10月15日播种漯麦13和周麦18，3叶期定苗，每盆留苗10株。试验设低温胁迫和常温对照2个处理，每个品种种植15盆，12盆用于低温取样，3盆用于常温对照，共计30盆。小麦拔节期将取样的24盆整体移入人工智能低温室进行低温胁迫处理，低温胁迫温度设置为-3℃，胁迫时间为1、2、3和4 d，光强1 000 μmol/（m2·s），光照时间7：00—18：00，空气相对湿度控制在65%～70%。浇水量根据土壤墒情决定，每盆浇水量一致。其他管理措施同大田。

1.4 测定项目及方法

拔节期取常温对照和低温胁迫1、2、3 d和4 d后主茎最上部展开叶用于各项生理生化指标测定，每个品种取3盆，3次重复。叶绿素含量（Chlo）、脯氨酸含量（Pro）、可溶性蛋白含量（Spro）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、丙二醛（MDA）活性测定均运用双抗体夹心法测定。

方法：用纯化的测定样品捕获抗体包被微孔板，制成固相抗体，往包被的微孔中依次加入所测定样品，再与HRP标记的检测抗体结合，形成抗体—抗原—酶标抗体复合物，经过彻底洗涤后加底物TMB显色。TMB在HRP酶的催化下转化成蓝色，并在酸的作用下转化成最终的黄色，颜色的深浅和样品所测物质呈正相关。用酶标分析仪RT-6100在450 nm波长下测定吸光度（OD值），通过标准曲线计算样品中所测物质含量。

1.5 数据分析

用SPSS 16.0进行统计分析，Microsoft Excel 2003绘图。

2 结果与分析

2.1 持续低温胁迫对小麦叶片叶绿素含量的影响

叶绿素与光合作用密切相关，同时也是衡量植物抗寒力高低的一项重要指标。由图1可见，低温胁迫1 d后供试材料叶绿素含量均显著下降，说明低温胁迫严重阻碍了2个小麦品种的叶绿素合成。漯麦163和周麦18在低温胁迫后差异性表现一致，即低温胁迫1 d与常温对照差异不显著，低温胁迫2、3、4 d与0、1 d呈显著性差异，品种间差异不显著。低温胁迫1、2、3、4 d后，漯麦163分别降低1.12%、8.16%、14.47%和20.03%；周麦18分别降低1.22%、8.52%、17.03%和25.15%。由此可以看出，低温胁迫对小麦叶绿素合成有明显影响，而对漯麦163叶绿素含量影响稍低于周麦18，说明持续低温胁迫条件下漯麦163表现出了较好的光合特性和春季耐寒性。

2.2 持续低温胁迫对小麦叶片渗透调节物质的影响

脯氨酸和可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质，低温胁迫下，植株体内游离脯氨酸的加速合成和含量的增加能够提高植物的抗冷性，而可溶性蛋白含量与植物抗寒性存在密切的正相关。持续低温胁迫条件下漯麦163和周麦18的脯氨酸和可溶性蛋白含量均逐渐增加（图2、3）。低温胁迫后2个品种脯氨酸含量较对照均差异显著，但各品种增加幅度有异，低温胁迫4 d后，漯麦163脯氨酸含量增幅达71.99%，周麦18增幅为68.06%，品种间差异显著；两品种低温处理4 d后可溶性蛋白含量与0、1、2、3 d差异显著，漯麦163可溶性蛋白含量较对照增加33.6%，周麦18较对照增加31.2%，2个品种间差异显著。说明在持续低温胁迫下，漯麦163可以合成更多的渗透调节物质，以缓解低温伤害。

2.3 持续低温胁迫对小麦叶片抗氧化酶活性的影响

由图4、5、6可知，2个小麦品种的抗氧化酶活性变化基本一致，呈现先升高后降低的变化趋势。

低温胁迫下2个小麦品种的SOD活性都有不同程度的提高，2 d后，SOD活性均达到最大值，与常温对照相比，周麦18差异显著；随着低温胁迫时间延长，2个品种SOD活性均出现急剧下降，与第2 d呈显著差异。漯麦163和周麦18的POD活性变化趋势基本一致，2 d后POD活性均达到最大，然后开始明显下降，品种间增幅差异不显著。低温胁迫0～2 d的进程中，漯麦163和周麦18叶片中CAT活性呈上升趋势，与常温对照相比，差异显著；随着胁迫时间的延长，CAT活性开始下降，第2天与第3天、第4天差异显著，第3天和第4天差异不显著，品种间差异达显著水平。由此可以看出，持续低温胁迫下不同品种、不同低温胁迫阶段抗氧化酶活性不同。本试验中持续低温胁迫下漯麦163和周麦18通过提高抗氧化酶活性，来有效清除低温胁迫下小麦叶片积累的活性氧，增强抗寒性，随着低温时间延长，抗寒能力稍有减弱，但仍有一定的清除能力。

2.4 持续低温胁迫对小麦叶片MDA含量的影响

由图7可知，与常温对照相比，持续低温胁迫下2个供试材料MDA含量均呈上升趋势。低温胁迫1、2、3、4 d后，漯麦163叶片MDA活性较对照分别上升9.41%、22.77%、34.16%和41.09%，差异显著；周麦18叶片MDA较对照分别上升8.15%、20.11%、32.61%和40.22%，除第3天和第4天外，差异显著；2个品种间差异显著。可以看出，持续低温胁迫0～2 d后2个供试材料抗氧化酶活性明显提高，可有效抵御低温冷害带来的伤害，随着低温胁迫时间延长，抗氧化酶活性逐渐减弱，已不能及时清除持续低温诱导产生的大量活性氧自由基，此时MDA在植株体内大量聚集，对植株产生伤害。2个小麦品种对持续低温时间敏感性存在明显差异，同时也表明低温对膜脂过氧化程度因品种而异。

3 结论与讨论

拔节期是小麦冬后生长的高峰期，此时小麦进入幼穗分化的关键期，对温度的变化十分敏感，若此时突然发生大幅度的降温，不仅影响小麦幼穗的正常发育，并严重影响小麦产量。低温会使叶绿素分解，叶绿素含量降低，细胞受到伤害，质膜相对透性增加。本试验中，持续低温胁迫后2个小麦品种叶片叶绿素含量显著下降，影响其光合作用，但对漯麦163叶绿素含量影响稍低于周麦18。

植物对低温胁迫的响应是植物体内一个复杂的过程，持续低温胁迫下小麦叶片内部发生的生理特性变化是导致光合性能下降的根本原因[27]，而植物体内可溶性蛋白和脯氨酸的积累有助于小麦在低温胁迫下保持细胞膜的稳定，也有利于叶绿素的合成[28]。本试验中，持续低温胁迫条件下漯麦163和周麦18脯氨酸和可溶性蛋白含量均逐渐增加，与对照相比，低温胁迫4 d后，漯麦163的可溶性蛋白和脯氨酸含量增幅比周麦18大，说明持续低温胁迫条件下漯麦163可以合成更多的渗透调节物质，以缓解低温伤害，并提高自身光合作用。

植物在一定低温范围内通过提高体内SOD、POD、CAT等酶活性来维持体内自由基产生和清除间的动态平衡，当胁迫温度超过耐受范围时，就会导致自由基含量增加，造成膜脂过氧化，丙二醛含量上升，细胞膜系统受到伤害。本试验中，拔节期低温胁迫下，2个品种的SOD、POD和CAT活性总体表现趋势一致，低温处理2 d后SOD、POD和CAT活性均达到最大值，然后开始明显下降。说明持续低温胁迫条件下漯麦163和周麦18通过增加抗氧化酶活性来减轻低温对生物膜的迫害，但随着低温胁迫时间延长，抗寒能力稍有减弱，MDA含量的增加也表明低温胁迫后叶片膜脂过氧化程度仍然呈升高趋势。

2个小麦品种抗低温能力存在差异。漯麦163和周麦18在低温胁迫下叶绿素含量、SOD活性、POD活性、CAT活性、脯氨酸和可溶性蛋白含量的变化存在品种间差异或者差异不明显，在相同的条件下，这主要和品种的抗寒性有关。综合分析各生理指标，漯麦163抗低温能力较好。近3 a大田调查以及对拔节期低温胁迫下2个小麦品种幼穗受冻情况观察发现，漯麦163抗寒性总体高于周麦18，与本研究结果一致。

漯麦163是漯河市农业科学院选育的小麦新品种，具有抗寒性强、中抗赤霉病、抗倒性强、品质优、高产稳产等特性。研究表明，漯麦163属于抗寒性较强的品种，可为抗寒小麦新种质的培育、抗寒研究以及新品种的示范推广提供理论依据。