灌浆期矮抗58小麦旗叶响应干旱胁迫生理生化特性研究

王沛沛 李静涵 卢园园 雷志华 李玉华

小麦是我国位居第二的粮食作物，在我国国民经济和农业生产中具有重要意义。冬小麦在我国西北、华北地区广泛种植，但该地区水资源缺乏，降水量较少，且降水时空分布不均，降雨高峰期往往与冬小麦需水期错位，严重制约小麦生产。冬小麦一般在每年的5月底至6月中下旬成熟，这段时期我国北方地区经常遭受春旱、初夏旱，有时甚至伴随高温，对小麦生育后期的发育和成熟极为不利，严重影响小麦的产量和品质。

矮抗58小麦具有高抗倒伏、抗寒、抗病和高产的特性，在河南省广泛种植。旗叶是小麦最主要的光合器官，其生理性状优劣对小麦籽粒的形成及干物质的积累具有重要作用。小麦灌浆期是小麦水分临界期之一，在此时期，小麦需要大量的水分才能完成受精和种子胚胎的发育，灌浆期干旱引起光合作用降低，干物质积累减少，最终导致小麦减产。本研究以冬小麦矮抗58为对象，通过防雨棚控水试验，重点研究矮抗58小麦旗叶在灌浆期响应干旱胁迫的生理生化特性及高产原因，旨在为河南省旱地高产冬小麦品种的选用和栽培提供理论依据。

一、材料与方法

（一）材料与处理

试验材料为河南省主推小麦品种矮抗58。试验在郑州师范学院科研基地防雨棚内进行。试验地前茬作物为玉米，收获后对棚内土地浇足底墒水以保证小麦正常出苗，土地适合翻耕后施足基肥用手扶拖拉机深翻。土壤质地为潮土，0～0.2 m 土层有机质质量分数为10.30 g/kg、全氮为0.54 g/kg、速效磷为17.82 mg/kg、速效钾为657.53 mg/kg、碱解氮为152.10 mg/kg。试验棚内划分A区和B区各60 m2，中间5 m间隔带。A区为对照组（CK），B区为干旱组（DS），在A区和B区内又划出3个小区作为3 次重复取样点。2017年10月5日播种，播种量为 170 kg/hm2，行距为 0.2 m。CK分别在拔节期（2018年3月11日）、孕穗期（2018年4月15日）各灌水1次，DS是在拔节期灌水1次，其他除草防虫害均按照农田正常管理。2018年5月13日测定旗叶光合和荧光，采摘旗叶擦拭干净后用液氮速冻，储存于-80 ℃冰箱备用。

（二）测定项目与方法

利用便携式光合仪（LI-6400XT，USA）于10：00—11：30选取长势相同的小麦旗叶测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）和胞间CO2（Ci）浓度。用便携式可调荧光仪（PAM-2500，Heinz Walz GmbH，Germany）测定叶绿素荧光参数，包括最小荧光（Fo）、最大荧光（Fm）、光系统II（PSII）最大光化学效率（Fv/Fm）、实际量子产量（Y（II））和电子传递速率（ETR）。分别用丙酮和乙醇浸提法测定叶绿素含量，硫代巴比妥酸法测定MDA含量，电导率仪（DDSJ-308A，Shanghai， China）测定质膜透性，氮蓝四唑法测定SOD活性，愈创木酚法测定POD活性，紫外分光光度计法测定CAT活性、APX活性、GSH含量，磺基水杨酸法测定Proline含量，双吡啶法测定AsA含量。上述试验方法均采用李合生的试验指导。

（三）统计分析

利用 Excel 2010进行原始数据整理，用SPSS 20进行 one way-ANOVA 分析，用LSD法进行差异显著性检验。

二、结果与分析

（一）干旱胁迫对旗叶光合和荧光特性指標的影响

叶绿素荧光是灵敏快速、无伤害的研究植物光合作用与环境关系的内在探针，其参数可用来描述植物光合作用和光合生理状况。由表1可知，和CK相比，矮抗58小麦旗叶叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv/Fm、Y（II） 与光合参数Pn、Tr等差异不显著，但ETR、Gs和Ci明显降低，说明在小麦拔节期浇水后一直到灌浆期，虽然叶绿素含量明显降低，但矮抗58小麦旗叶的PSII结构受缺水影响不大，能够正常生长和发育。叶绿素含量降低，可能是土壤缺水导致叶绿体类囊体膜不稳定和色素-蛋白质复合体的光合抑制造成的。本试验中，DS和CK小麦旗叶的Fo和Fm 无明显差异，但ETR、Gs和Ci明显降低，气孔作为CO2和水分进出叶肉细胞的通道，在小麦拔节期之后干旱处理直至灌浆期，Gs下降，致使细胞气孔关闭，Ci降低，使得旗叶的光合ETR和PSII原初光能转换效率及PSII潜在活性受到抑制，但光合作用Pn和Tr 被抑制程度不显著。

（二）干旱对旗叶MDA含量、质膜透性和抗氧化酶活性的影响

大量研究表明，干旱等逆境条件会造成植物组织细胞内ROS积累，进而引起膜脂质过氧化、膜结构及透性改变。MDA是细胞膜脂质过氧化的最终产物，其积累量的高低可表示细胞膜脂质过氧化作用的程度，质膜透性数值变化大小可指示细胞质膜受到逆境伤害的程度。由表1可知，干旱胁迫处理使矮抗58小麦旗叶的MDA含量和细胞膜透性均显著升高，这说明干旱胁迫导致小麦旗叶细胞内产生了较多的ROS，造成细胞膜脂质过氧化程度加剧，损伤了细胞膜的完整性，使细胞膜透性增大。

研究表明，抗氧化酶系统能够积极响应干旱胁迫，此系统清除ROS的过程被认为是作物耐旱机制的一个重要方面。抗氧化酶类主要有SOD、CAT和APX等，其中SOD通过歧化反应将O2- 转化为H2O2，POD、CAT 和APX将H2O2转化为O2和H2O，它们在清除过量ROS和抵抗氧化损伤过程中发挥着重要作用。由表1可知，在干旱处理条件下，矮抗58小麦旗叶中SOD活性、POD活性和APX活性均升高，但CAT活性却下降，这说明矮抗58小麦在干旱胁迫下激活了SOD、POD与APX这些酶蛋白基因的转录和翻译，积极清除细胞内的ROS，从而保护小麦的组织细胞。而CAT活性显著下降，可能是干旱胁迫抑制了CAT基因的表达或CAT对干旱胁迫非常敏感，导致其活性下降。

（三）干旱对旗叶Proline、GSH和AsA含量的影响

Proline是植物细胞内的渗透调节物质和酶的保护剂，可调节细胞内氧化还原电势。有研究表明，在干旱胁迫下抗旱性强的小麦品种会积累更多的Proline，并认为干旱胁迫下植物体内Proline的积累可作为抗旱性的鉴定指标。抗氧化物质GSH和AsA与抗氧化酶都可以清除植物体内产生的ROS，与植物对干旱的耐受性有一定的关系。本研究中，干旱胁迫使矮抗58小麦旗叶中Proline、GSH与AsA的含量显著升高，这表明矮抗58小麦在干旱胁迫下旗叶通过渗透物质的积累来降低细胞的渗透势，组织细胞的代谢能力大大提高，从而减缓干旱逆境的伤害，矮抗58小麦对干旱胁迫具有良好的耐性。

基金项目：郑州师范学院大学生创新性实验计划项目（DCZ2018015）。