河南省主推小麥品種越冬期生理生化特性比較研究

張自陽,馮素偉,姜小苓,李淦,胡鐵柱,茹振鋼

（河南科技學院,河南新鄉453003）

河南省屬暖溫帶向亞熱帶、濕潤向半濕潤過渡的季風氣候區,冬季寒冷雨雪少,低溫凍害是黃淮麥區小麥生產上的主要氣象災害之一.近年來河南省災害性天氣頻繁,給農業生產造成巨大損失,特別是低溫對河南省小麥生產構成巨大威脅.據2005年1月12日統計[1],小麥凍害面積143.79萬hm2,嚴重凍害面積24.73萬hm2；2007年3月7日、4月3日河南省出現兩次強度較大的降溫過程,造成大部分小麥品種受凍害,全省小麥受凍害面積達16.04萬hm2,有0.67萬hm2絕收,對小麥生產造成了巨大影響；2010年出現了零下16℃的極端低溫等.小麥凍害已成為小麥生產發展亟待解決的重要問題,而選用抗凍性強的小麥品種是有效防止或減輕凍害損失的基本途徑.

對于小麥的抗寒機理已有較多的研究[2-4],不同研究者對不同地區、不同抗寒品種的生理指標界定也不盡相同[5-6].國審小麥新品種百農矮抗58自審定以來經受了干旱、低溫等多種不良天氣的嚴峻考驗,現在已成為推廣面積最大、發展勢頭最好的全國主導品種.本試驗對百農矮抗58和河南省主栽小麥品種的生理、生化特性進行比較研究,旨在為百農矮抗58的抗寒性研究、黃淮地區半冬性小麥品種抗寒鑒定及小麥新品系抗寒性評價提供生理生化方面的理論依據.

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

供試品種為百農矮抗58、周麥18、鄭麥9023、豫麥49、鄭麥7698、周麥22.試驗材料均由河南科技學院小麥中心提供.

試驗于2010-2011年在河南科技學院試驗田進行.隨機區組設計,3次重復,行長3 m,6行區,行距0.23 m,田間管理同一般高產田.

1.2 取樣與測定方法

試驗材料從2011年1月12日開始取樣,氣溫變化見圖1（取樣前20 d至取樣結束）所示.每隔10 d取樣1次,共3次,每個品種隨機選取長勢一致的麥苗50株,用蒸餾水小心沖洗,晾干,樣品在冰盒上分苗,剪取整個分蘗節和葉片,將葉片和分蘗節均剪成0.5 cm長的小段,混勻,按0.5 g分裝,置-80℃冰箱貯存備用.考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白含量,酸性茚三酮法測定脯氨酸含量[7],蒽酮比色法測定可溶性糖含量[8],電導儀（DDS-307）測定相對電導率[9],愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[7],均3次重復.

圖1 最高溫度與最低溫度變化圖（2010/12/20-2011/02/08）Fig.1 The lowest temperature and the highest temperature during2010-12-20 to2011-02-08

1.3 數據處理

應用Microsoft Excel 2003,SAS9.0進行數據處理.

2 結果與分析

2.1 相對電導率的變化

河南省主推小麥品種越冬期相對電導率的變化見圖2.

圖2 不同小麥品種葉片相對電導率的變化Fig.2 The changes of relative electric conductivityin the leafofdifferent wheat varieties

由圖2可知,6個小麥品種的葉片相對電導率均出現了先升高后降低的變化過程.這是由于小麥葉片在遭受低溫影響時,細胞膜受到傷害,細胞內的各種水溶性物質包括電解質有不同程度的外滲,導致電導率上升,但隨著低溫對葉片的持續影響,小麥在經受了低溫抗寒鍛煉之后,通過自身的調節適應了外在環境的變化,使細胞膜得以修復,又出現了電導率降低的現象.

圖2表明,1月15日與2月6日取樣的6個小麥品種中,百農矮抗58的相對電導率均小于其他5個品種,1月26日取樣的百農矮抗58與鄭麥7698相對電導率均低于其他4個品種.說明在低溫脅迫下百農矮抗58的原生質膜穩定性好,抗寒性相對較強.

2.2 可溶性糖含量的變化

河南省主推小麥品種越冬期可溶性糖含量的變化見表1.

表1 不同小麥品種各器官可溶性糖含量的變化Tab.1 Change ofsoluble sugar content in the organs of different wheat varietiesmg/g

由表1可知,在低溫條件下,不同品種間可溶性糖在不同器官、不同取樣時期差異均達到了顯著水平,且分蘗節中的可溶性糖含量高于葉片中的含量.

2011年1 月15 日取樣的百農矮抗58分蘗節中可溶性糖含量高于其他5個品種,并且達到了顯著差異；1月26日取樣的百農矮抗58分蘗節中可溶性糖含量高于其他5個參試品種,且顯著高于鄭麥9023；2月6日取樣的分蘗節中,百農矮抗58的可溶性糖含量稍低于鄭麥7698,但明顯高于其他4個品種,顯著高于鄭麥9023和豫麥49.

由6個參試品種葉片可溶性糖含量檢測中可以看出,1月15日取樣的百農矮抗58葉片中可溶性糖含量稍低于周麥18,但高于其他4個品種,顯著高于鄭麥9023；1月26取樣的葉片中,百農矮抗58可溶性糖含量最高,且顯著高于鄭麥7698；2月6日取樣的葉片中,百農矮抗58可溶性糖含量均高于其他5個品種,且顯著高于鄭麥9023、周麥22、鄭麥7698.

2.3 可溶性蛋白含量的變化

植株體內的可溶性蛋白質多為一些代謝酶類,其含量多少反映了植株活力的強弱.河南省主推小麥品種越冬期可溶性蛋白含量的變化見表2.

表2 不同小麥品種可溶性蛋白含量的變化Tab.2 Changes of soluble protein content in the organs of different wheat varietiesmg/g

由表2可知,6個參試品種葉片中的可溶性蛋白含量均高于分蘗節,且可溶性蛋白含量在品種間差異達到顯著水平.

百農矮抗58在3個取樣時期的葉片中可溶性蛋白含量均有較多的積累,1月15日取樣的葉片中百農矮抗58的含量高于其他5個品種,且顯著高于周麥18；1月26日葉片取樣中,可溶性蛋白含量稍低于豫麥49,兩者含量差異不顯著,但高于其他4個品種,且可溶性蛋白含量差異與鄭麥9023、周麥18、周麥22達到顯著水平；2月6日取樣的葉片中百農矮抗58的可溶性蛋白含量高于其他5個品種.同樣,百農矮抗58的可溶性蛋白含量在分蘗節中依然較高.

以上結果表明,百農矮抗58可溶性蛋白含量在3個時期整體比較高,說明百農矮抗58具有較強的氮代謝功能.

2.4 脯氨酸含量的變化

河南省主推小麥品種越冬期脯氨酸含量的變化見表3.

表3 不同小麥品種脯氨酸含量的變化Tab.3 Changes ofproline content in the organs of different wheat varietiesμg/g

由表3可知,在低溫脅迫下各參試品種葉片中游離脯氨酸含量處于較高水平,并且在3個取樣時期呈遞增趨勢.分蘗節中脯氨酸含量沒有明顯的遞增趨勢.6個品種3個取樣時期葉片中的游離脯氨酸含量均高于分蘗節.不同品種、不同取樣時期脯氨酸含量差異達到了顯著水平.

1月15 日取樣的分蘗節中,百農矮抗58脯氨酸含量高于其他5個品種,且顯著高于鄭麥9023、周麥22、鄭麥7698；1月26日取樣的分蘗節中,百農矮抗58分蘗節中脯氨酸含量均高于其他5個品種,顯著高于鄭麥7698；2月6日取樣分蘗節中脯氨酸含量最高,且顯著高于鄭麥9023、周麥22、鄭麥7698.

從6個參試品種葉片中的游離脯氨酸含量變化可以看出,1月15日取樣的葉片中,百農矮抗58的脯氨酸含量低于豫麥49,但高于其他4個品種；1月26日取樣的葉片中百農矮抗58的脯氨酸含量顯著高于周麥18、周麥22、鄭麥7698；2月6日取樣的葉片中,百農矮抗58脯氨酸含量最高,顯著高于鄭麥9023、周麥22.

2.5 POD活性的變化

河南省主推小麥品種越冬期分蘗節中POD活性的變化見圖3.

圖3 不同小麥品種分蘗節POD活性變化Fig.3 Changes of PODactivity in the tilleringnode of different wheat varieties

由圖3可知,在低溫持續影響下,6個品種的POD活性在分蘗節中均呈現逐漸增高的趨勢.1月15日與1月26日取材的分蘗節中,百農矮抗58的POD活性高于其他5個品種；2月6日取材的分蘗節POD活性稍低于周麥22,高于其他4個品種.

河南省主推小麥品種越冬期分蘗節中POD活性的變化見圖4.

圖4 不同小麥品種葉片中POD活性變化Fig.4 Changes of PODactivityin the leaves of different wheat varieties

由圖4可知,在低溫持續影響下,除豫麥49外,其余5個品種的POD活性在葉片中均呈現逐漸增高的趨勢.1月15日、1月26日取樣的百農矮抗POD活性稍低于周麥18,但均高于其他4個品種；2月6日取樣的百農矮抗58的POD活性高于其他5個品種.

3 結論與討論

植物的抗寒性受基因型的控制,同時,與其自身代謝和生理過程關系密切.植物在低溫逆境下生長發育受阻,誘發植物體內的抗凍基因合成大量的蛋白以及抗逆境的小分子物質[10].例如,誘導蛋白質的合成、可溶性糖的積累,質膜透性發生改變,抗氧化物及多種代謝酶增加等[11].

本試驗結果表明：在低溫脅迫下,與其他5個品種相比,百農矮抗58分蘗節和葉片中可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量整體較高.并且隨著低溫的持續作用,脯氨酸含量呈明顯的遞增趨勢,電導率變化規律比較明顯,可溶性糖和可溶性蛋白沒有明顯的增加趨勢,但都維持在一個較高的水平.

低溫脅迫下可溶性糖在植物體內逐漸積累,可溶性糖含量較高的植物細胞的溶質濃度增大,緩和胞外結冰引起的細胞失水,增強質膜的穩定性[12],有利于抗寒力的提高.許多研究證明,小麥抗寒性與植株糖含量存在正相關的關系,是衡量小麥抗寒性的一個重要指標[5,13-14].對百農矮抗58葉片和分蘗節的研究結果表明：在持續低溫的影響下,其分蘗節和葉片中積累了大量的可溶性糖,分蘗節中可溶性糖含量大于葉片,說明分蘗節的抗寒適應能力強.含糖量高可以改變細胞溶質的濃度,增強質膜的穩定性,這一點在對其電導率的研究結果中得到證實,百農矮抗58三個取樣時期電導率低于其他5個品種,說明其質膜透性比較穩定,矮抗58的抗寒能力較強.可以把小麥葉片和分蘗節中可溶性糖含量和相對電導率作為半冬性小麥品種抗寒性鑒定的一個重要指標,這與高志強等研究結果相似[5].

許多學者認為脯氨酸含量與高等植物的抗寒性存在相關性,脯氨酸在體內調節滲透壓[15]、降低水勢、解毒并降低冰點[16].對百農矮抗58的研究中發現,在低溫持續影響下,其體內脯氨酸含量較高,隨著低溫時間延長脯氨酸含量呈遞增趨勢.與其他5個品種相比較,百農矮抗58體內脯氨酸含量整體上較高.葉片中的脯氨酸含量有一個比較明顯的遞增趨勢.

POD是植物細胞的保護酶,POD活性越高,其抗寒能力越強.對百農矮抗58 POD活性的研究結果表明：分蘗節和葉片中的POD隨低溫脅迫時間的增長呈明顯的遞增趨勢,與百農矮抗58在2月6日取樣電導率變小有一定的關系,說明此期間分蘗節和葉片的清除自由基的能力強,質膜過氧化程度輕,電解質外滲較少導致電導率較小.

從以上分析中得出如下結論：①供試的6個小麥品種中,百農矮抗58的抗寒性相對較強；②低溫脅迫下葉片相對電導率、分蘗節可溶性糖含量、葉片脯氨酸含量變化規律較明顯,可以作為半冬性品種和新品系抗寒性輔助鑒定的重要指標.

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