趙培培，于立河，趙長江

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院，大慶 163319）

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植面積最大的糧食作物之一，它為世界上35%～40%的人提供食物。隨著世界人口的增多，人們對小麥的需求量不斷增加。因此，提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)是至關(guān)重要的。

低溫是限制植物生長發(fā)育的重要環(huán)境因素，它是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的主要自然災(zāi)害之一。有相關(guān)報道，作物受到低溫冷害后，植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化，水分代謝失調(diào)，破壞酶促反應(yīng)的平衡，擾亂了植物正常的代謝，使植株受害，干物質(zhì)積累量降低，產(chǎn)量和品質(zhì)降低，嚴(yán)重時可使植株干枯死亡。因此，提高植株抗冷害能力至關(guān)重要[1]。

硅是地殼中含量僅次于氧，第二豐富的元素。有大量研究表明，硅對植物的生長發(fā)育是有益的，硅可以提高植物對生物和非生物脅迫的抗性，如抗旱性、抗病性、抗冷害等等[2-4]。因此，研究低溫條件下硅對小麥幼苗生長和相關(guān)生理特性的影響機制對提高小麥產(chǎn)量具有重要的理論與實際意義。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗以硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）作為Si 處理試劑。選用兩種春小麥品種，龍麥26 和克旱16。挑選籽粒大小均勻一致的種子，浸泡20 h 后，用1%的NaCl表面消毒20 min，沖洗干凈。然后在培養(yǎng)箱中25 ℃催芽72 h。催芽后轉(zhuǎn)移到塑料桶中，塑料桶裝有1/2 的霍格蘭營養(yǎng)液。營養(yǎng)液每4 d 更換一次，營養(yǎng)液pH 每次用10 mM NaOH 或H2SO4調(diào)至6.0 左右。將小麥放在可控氣候條件的生長室內(nèi)培養(yǎng)（光周期12 h/12 h黑暗，溫度白天/黑夜21 ℃/17 ℃，相對溫度50%）。

1.2 試驗設(shè)計

將達(dá)到三葉一心期的麥苗分別放在硅（Si）濃度為0、0.5、1.0、2.5 mM 的1/2 強度的霍格蘭營養(yǎng)液中，然后將塑料桶分別置于0 ℃和4 ℃的培養(yǎng)箱中，在光強400 umol·m-2·s-1，光照12 h·d-1條件下低溫處理，培養(yǎng)箱內(nèi)的CO2濃度與生長室內(nèi)濃度一致。每個處理重復(fù)3 次。在低溫處理的12、24、48、72 h 分別取樣測定生理生化指標(biāo)。同時在處理72 h 時取樣測小麥株高，根長，地上部分鮮、干重和根鮮、干重。

1.3 測定方法

1.3.1 生物量的測定

從每個處理中隨機取10 株幼苗，用蒸餾水沖洗干凈，濾紙吸干表面水分，測定麥苗株高、根長、稱取鮮重，然后將其放在105 ℃下殺青20 min，然后70 ℃下烘干至恒重，稱取干重。

1.3.2 POD 和SOD 活性、MDA 和Pro 含量測定

采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測定SOD、愈創(chuàng)木酚法測定POD，同硫代巴比妥酸法測定MDA、酸性茚三酮法測定游離脯氨酸含量，以上指標(biāo)均參照張志良《植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)》[5]測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS19.0 統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對低溫條件小麥幼苗生長的影響

試驗結(jié)果表明，在0 ℃和4 ℃條件下加一定濃度硅（Si）后，兩小麥品種的株高、根長和鮮、干重都有不同程度的升高（表1）。

龍麥26 品種，在0 ℃條件下加Si 處理后，除株高增加不顯著外，其他指標(biāo)隨施硅水平不同均有不同程度的增加。其中，施0.5 mM Si 處理后，根長、根鮮、干重都顯著升高，且分別顯著高于0 mM Si 處理34.9%，87.7%和66.7%（P＜0.05）。而地上部分鮮重和干重分別在加入1.0 mM Si 和2.5 mM Si 時顯著高于0 mM Si 和0.5 mM Si 處理（P＜0.05）。在4 ℃條件下，株高、地上部分鮮、干重隨著施硅水平的增加而增加并在2.5 mM Si 處理時達(dá)到最高，顯著高于其他硅濃度處理。在1.0 mM Si 處理下小麥根長和根鮮重顯著高于其他硅濃度處理，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

表1 硅對低溫條件小麥幼苗株高、根長和鮮干重的影響Table 1 Effects of Si on plant height，root length，fresh and dry weight of wheat seeding under low temperature conditions

克旱16 品種，0 ℃條件下加Si 處理后，小麥幼苗各項值均高于未加硅處理。其中，株高和地上部分鮮重隨著Si 濃度的增加而增加，且加Si 處理均顯著高于未加硅（0 mM）處理（P＜0.05），并在2.5 mM Si 處理時最高；而根長，地上部分干重，根鮮重和根干重均在施1.0 mM Si 處理時達(dá)到最高，且顯著高于其他硅濃度25.8%～134.9%（P＜0.05）。在4 ℃條件下，加0.5 mM Si 處理后，根長，地上部分干重和根鮮重顯著高于其他硅濃度（P＜0.05）。而株高，地上部分鮮重和根干重均在硅濃度為1.0 mM 時達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理。由此可知，不同硅濃度對0 ℃和4℃條件下小麥的生長有影響，其中，1.0 mM Si 處理能夠顯著促進(jìn)小麥生長。

2.2 硅對低溫條件小麥幼苗丙二醛含量的影響

由表2 可知，在0 ℃和4 ℃條件下，不同硅濃度下兩品種小麥葉片MDA 含量均呈現(xiàn)先降低后增加趨勢。龍麥26 品種在0 ℃條件下，在12～48 h 期間，小麥葉片MDA 含量在1.0 mM Si 處理較0 mM Si 處理顯著降低了31.0%，62.3%和34.3%（P＜0.05）；而在72 h 時，小麥葉片MDA 含量在0.5 mM Si 處理下顯著降低，低于0 mM Si 處理33.9%（P＜0.05）。在4 ℃條件下，在12 h 和72 h，MDA 含量在硅濃度為0.5 mM 時達(dá)到最低，顯著低于其他硅濃度處理（P＜0.05）。24～48 h 期間，施硅處理后，不同硅濃度下，MDA 含量均降低，1.0 mM Si 處理下降幅度最大，分別低于0 mM Si 處理52.8%和37.5%?？撕?6 品種，無論是0 ℃還是4 ℃條件下，在12～72 h 期間，小麥葉片MDA 含量均在1.0 mM Si 處理時最低，明顯低于2.5 mM Si 處理，顯著低于0 mM Si 和1.0 mM Si 處理（P＜0.05）。可見，不同硅濃度下小麥葉片MDA積累量有明顯差異，1.0 mM Si 處理的MDA 含量最低。

2.3 硅對低溫條件小麥葉片過氧化物酶（POD）活性的影響

過氧化物酶（POD）是構(gòu)成植物抗氧化防御系統(tǒng)的主要酶之一，其活性的提高有助于植物抗性的增強。由圖1 可知，12～48 h 期間，加硅處理的POD 活性均顯著高于未加硅（0 mM）處理（P＜0.05），且在24 h時，0.5 mM Si 處理中POD 活性達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理47.8%（P＜0.05）。在72 h，1.0 mM Si處理POD 活性顯著高于其他硅處理的POD 活性，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。圖3 中，在24 h 時，與12 h 相比，各處理中POD 活性均降低，但在48～72 h 時，POD 活性開始上升并在72 h 達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理45.6%（P＜0.05）。

表2 硅對低溫條件小麥葉片MDA 含量的影響Table 2 Effects of Si on MDA content of wheat leaf under low temperature conditions

圖1 0 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片POD 活性影響Fig.1 Effects of silicon on POD activity of Longmai26 under 0 ℃

如圖2 所示，12 h 時，Si 濃度為1.0 mM 時對POD 活性的提高最顯著。24 h 時，0.5 mM Si 處理顯著高于其他Si 濃度處理。48～72 h 期間，POD 活性的變化非常顯著，在0～1.0 mM 濃度期間，隨Si 濃度的升高，POD 活性不斷升高，并在72 h 達(dá)到最大值。超過1.0 mM 至2.5 mM 濃度時，POD 活性呈下降趨勢，但仍然顯著高于0 mM Si 處理（P＜0.05）。

圖2 0 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片POD 活性影響Fig.2 Effects of silicon on POD activity of Kehan16 under 0 ℃

由圖4 可知，12～24 h 期間，加Si 處理POD 活性均顯著高于未加Si 處理（P＜0.05）。48 h 時，0.5 mM Si處理中POD 活性達(dá)到最大值，顯著高于其他硅處理（P＜0.05）。在72 h，隨著Si 濃度的升高，POD 活性呈先上升后下降趨勢，但加硅處理的POD 活性仍高于未加硅（0 mM）處理，且達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

圖3 4 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片POD 活性影響Fig.3 Effects of silicon on POD activity of Longmai26 under 4 ℃

圖4 4 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片POD 活性影響Fig.4 Effects of silicon on POD activity of Kehan16 under 4 ℃

2.4 硅對低溫條件小麥葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

超氧化物歧化酶（SOD）是活性氧清除系統(tǒng)中最重要的抗氧化酶，在保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷過程中具有十分重要的作用。由圖5 可知，在12 h，加Si 處理的SOD 活性均顯著高于未加Si 處理（0 mM）（P＜0.05），其中1.0 mM Si 處理顯著高于0 mM Si 處理56.8%。24～48 h，隨著Si 濃度的升高，SOD 活性逐漸升高，并在Si 濃度為2.5 mM 時達(dá)到最大值。圖7中，SOD 活性僅在2.5 mM Si 處理下隨時間推移呈下降趨勢，其他硅濃度呈先升高后降低趨勢，且在24 h時，其SOD 活性在0.5 mM Si 處理下達(dá)到最大值，顯著高于其他硅處理（P＜0.05）。

圖6 中，在12～72 h 期間，0 mM 和0.5 mM Si 處理下，SOD 活性呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，而1.0 mM和2.5 mM Si 處理中，SOD 活性先降低后升高。在72 h，1.0 mM Si 處理的SOD 活性迅速升高，達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理39.2%（P＜0.05），而0.5 mM Si 處理的SOD 活性最高峰出現(xiàn)在24 h，顯著高于0 mM Si 處理29.6%（P＜0.05）。在圖8 中，總體上，12～48 h，SOD 活性的逐漸升高并在48 h 達(dá)到最大值，顯著高于0 mM Si 處理25.9%（P＜0.05）。在72 h時，SOD 活性開始降低。從圖中可看出，1.0 mM Si 處理的SOD 活性明顯高于其他硅濃度，1.0 mM Si 處理能夠顯著提高小麥葉片SOD 活性（P＜0.05）。

圖5 0 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片SOD 活性影響Fig 5 Effects of silicon on SOD activity of Longmai26 under 0 ℃

圖6 0 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片SOD 活性影響Fig 6 Effects of silicon on SOD activity of Kehan16 under 0 ℃

圖7 4 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片SOD 活性影響Fig.7 Effects of silicon on SOD activity of Longmai26 under 4 ℃

圖8 4 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片SOD 活性影響Fig.8 Effects of silicon on SOD activity of Kehan16 under 4 ℃

2.5 硅對低溫條件小麥葉片脯氨酸（Pro）含量的影響

圖9 和圖11 分別為在0 ℃和4 ℃條件下，龍麥26 品種小麥葉片脯氨酸含量變化圖。從兩圖中可看出，總體而言，隨著時間的增加，脯氨酸含量在逐漸降低，且均在1.0 mM Si 處理時達(dá)到最小值。圖9 中。12～24 h，1.0 mM Si 處理脯氨酸含量顯著低于其他硅處理（P＜0.05），同時脯氨酸含量最小值出現(xiàn)在24 h，低于0 mM Si 處理47.4%；圖11 中，12～24 h，1.0 mM Si處理和2.5 mM Si 處理脯氨酸含量均顯著低于其他硅處理（P＜0.05），且脯氨酸含量最小值出現(xiàn)在12 h，低于0 mM Si 處理69.6%，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。在48～72 h，僅1.0 mM Si 處理脯氨酸含量低于其他硅處理，且存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖9 0 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片Pro 含量影響Fig.9 Effects of silicon on Pro content of Longmai26 under 0 ℃

圖10 0 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片Pro 含量影響Fig.10 Effects of silicon on Pro content of Kehan16 under 0 ℃

圖10 和圖12 分別為在0 ℃和4 ℃條件下，克旱16 品種小麥葉片脯氨酸含量變化圖。圖10 中，在12 h，1.0 mM Si 處理脯氨酸含量顯著低于其他硅濃度，相比于0 mM Si 處理降低了49.3%，達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。24～72 h 期間，0.5 mM 和1.0 mM Si 處理下脯氨酸積累量均不斷降低，且在72 h，0.5 mM Si處理中脯氨酸含量達(dá)到最小值，顯著低于0 mM Si處理51.4%（P＜0.05）。圖12 中，在12 h，在0.5 mM Si處理中，脯氨酸含量最低，顯著低于0 mM Si 處理49.1%（P＜0.05）。在24 h，脯氨酸含量隨硅濃度增加而降低，并在2.5 mM Si 處理時達(dá)到最低值，顯著低于0 mM Si 處理68.8%。48～72 h 期間，1.0 mM Si 處理脯氨酸的積累量顯著低于0 mM Si 處理，分別降低了52.5%和42.6%（P＜0.05）。

圖11 4 ℃條件下硅對龍麥26 小麥葉片Pro 含量影響Fig.11 Effects of silicon on Pro content of Longmai26 under 4 ℃

圖12 4 ℃條件下硅對克旱16 小麥葉片Pro 含量影響Fig.12 Effects of silicon on Pro content of Kehan16 under 4 ℃

3 結(jié)論與討論

有研究發(fā)現(xiàn)，硅能夠顯著促進(jìn)植物生長發(fā)育。硅可以促進(jìn)水稻根系生長，提高根系對水分和養(yǎng)分的吸收和利用率，增加根系干物質(zhì)積累[6]。馬成倉等[7]研究結(jié)果表明，硅可以促進(jìn)玉米種子呼吸代謝，提高發(fā)芽率和單株鮮重。試驗結(jié)果顯示，兩品種小麥在低溫條件下加不同濃度硅處理，株高、根長以及鮮干重都顯著增加，說明，硅在一定濃度范圍內(nèi)能夠緩解小麥低溫傷害，促進(jìn)小麥幼苗生長。

MDA 是膜質(zhì)過氧化作用的主要產(chǎn)物之一，其含量的高低可以反映質(zhì)膜破壞的程度[8]。有研究表明，隨低溫危害程度的增大，膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA 含量增多[9]。試驗中，植物在低溫條件下加硅處理可使小麥葉片MDA 含量降低，減輕膜質(zhì)過氧化，顯著降低產(chǎn)生速率和質(zhì)膜滲透率，從而保護(hù)細(xì)胞膜，緩解植物低溫危害。此結(jié)論在低溫脅迫下黃瓜幼苗中得到證實[10]。

大量研究結(jié)果顯示：低溫條件下，植物體內(nèi)積累大量的活性氧自由基。這些活性氧自由基會破壞植物體內(nèi)的一些生物功能分子，導(dǎo)致膜質(zhì)過氧化，造成細(xì)胞膜的氧化損傷。而植物體內(nèi)存在一個抗氧化防御系統(tǒng)，包括一些酶類和非酶物質(zhì)，它們可以清除多余的活性氧自由基，維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整和膜系統(tǒng)的穩(wěn)定，保護(hù)細(xì)胞免受傷害，進(jìn)而增強植株對低溫的抗性[11-12]。試驗中，由圖1 和2 可看出，低溫條件下加硅處理可顯著提高兩品種小麥葉片POD 和SOD 活性。說明，外源硅可以顯著提高低溫條件下小麥抗氧化酶活性，緩解小麥低溫危害。

植物受到低溫危害時，通常通過提高細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)能力來緩解或消除低溫危害。脯氨酸是細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)中主要物質(zhì)之一。試驗結(jié)果表明，在低溫條件下加不同濃度的硅處理，脯氨酸含量相比于未加硅處理顯著降低，其中以1.0mM Si 濃度處理降低效果最佳。脯氨酸含量與植物低溫危害程度密切相關(guān)，但關(guān)于脯氨酸和低溫危害之間的關(guān)系，迄今為止仍有爭議[13]。有大量研究表明[14-15]，游離脯氨酸的積累與植物耐低溫能力呈負(fù)相關(guān)，由此可得出脯氨酸積累可能是植物受到低溫危害的結(jié)果。也有研究報道，脯氨酸的積累可以增加細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，有助于提高植物的抗逆性，耐逆植物中脯氨酸含量一般情況下高于敏感型植物[13，16]。試驗研究結(jié)果表明脯氨酸積累是植物受低溫危害的結(jié)果。

綜上所述，外源硅通過促進(jìn)根系生長，提高小麥生物量，提高SOD、POD 抗氧化酶活性，減少活性氧的產(chǎn)生，降低MDA 含量，保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整，調(diào)節(jié)滲透平衡來緩解低溫對小麥幼苗的傷害。但是，硅對低溫條件下小麥抗寒性的影響程度因品種而有所不同，具體的作用機制還需進(jìn)一步研究。

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