外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉生理特性及籽粒產量的影響

丁會納,馬冬云,秦海霞,侯俊峰,王晨陽,謝迎新,郭天財

(河南農業(yè)大學 農學院/國家小麥工程技術研究中心/河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學國家重點實驗室,河南 鄭州 450002)

外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉生理特性及籽粒產量的影響

丁會納,馬冬云*,秦海霞,侯俊峰,王晨陽,謝迎新,郭天財*

(河南農業(yè)大學 農學院/國家小麥工程技術研究中心/河南省糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/小麥玉米作物學國家重點實驗室,河南 鄭州 450002)

為了探討外源H2S供體NaHS能否在小麥生育后期提高其抗旱性,在大田盆栽條件下,以豫麥49-198為材料,于小麥挑旗期設置干旱處理,并在葉面噴施不同濃度(0、0.05、0.10 mmol/L)NaHS,測定不同處理下小麥旗葉葉綠素、丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)含量及抗氧化酶活性和籽粒產量。結果表明,葉面噴施NaHS可以顯著提高干旱脅迫下小麥旗葉葉綠素含量,降低旗葉MDA和H2O2含量,提高旗葉中SOD、POD、CAT活性,進而提高干旱脅迫下小麥單株有效穗數(shù)、百粒質量和籽粒產量。其中,干旱脅迫下葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥籽粒產量分別較不噴施NaHS處理顯著提高17.9%、21.4%。綜上,外源H2S 可以通過提高小麥旗葉的抗氧化酶活性降低MDA等有害物質積累,提高小麥植株的抗旱性,進而增加籽粒產量。

小麥； 硫化氫； 干旱脅迫； 生理指標； 產量

干旱是植物生長過程中經(jīng)常遭受的重要逆境脅迫,嚴重影響植物的生長發(fā)育,造成農作物減產,甚至絕收[1-2]。干旱是我國糧食生產的首要災害[3]。小麥是我國主要的糧食作物,是國民經(jīng)濟的基礎[4],對我國的糧食安全具有重要作用。因此,研究干旱脅迫下小麥的生理反應和抗旱機制是緩解干旱脅迫的重要途徑,對未來農業(yè)的發(fā)展有重要意義[5]。

H2S是近年來發(fā)現(xiàn)的繼NO和CO之后的第3種內源氣體信號分子,可調解氣孔運動,促進根的發(fā)育,增強光合作用,緩解干旱、滲透和金屬離子等多種非生物脅迫造成的傷害等,在植物生長發(fā)育及抗御逆境脅迫中起重要作用[6-8]。研究發(fā)現(xiàn),干旱條件下,H2S參與干旱誘導擬南芥氣孔關閉的信號轉導過程[9]；在干旱脅迫條件下,在大豆的培養(yǎng)液中添加H2S供體硫氫化鈉(NaHS)能夠緩解干旱脅迫對大豆幼苗根部膜系統(tǒng)的傷害,且NaHS濃度為40 μmol/L時效果最好[10]；外源H2S可以抑制干旱脅迫下甘薯的葉綠體氧化,提高光合作用,增加地上部和地下部的生物量[11]；適宜濃度的H2S在一定程度上可以提高干旱脅迫下玉米幼苗的滲透調節(jié)物質含量和抗氧化能力,從而提高對干旱環(huán)境的適應能力[12-13]。H2S在緩解小麥干旱脅迫中也起到了積極作用。吳單華等[14]研究發(fā)現(xiàn),在高溫和干旱脅迫下，NaHS灌根可提高小麥幼苗葉片中脯氨酸和可溶性糖含量,減輕膜脂過氧化產物的積累,從而提高小麥幼苗的存活率。目前，關于H2S在小麥生長后期干旱脅迫條件下的作用研究較少,而小麥生育后期由于高溫干旱天氣的增多,更容易遭受干旱脅迫而影響籽粒產量。為此,在小麥生育后期設置干旱處理,采用葉面噴施不同濃度H2S供體NaHS,研究其對小麥干旱脅迫的緩解作用,以期為小麥抗旱栽培提供理論依據(jù)與技術參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2014—2015年在河南農業(yè)大學科教示范園區(qū)進行,試驗地土壤為潮土,土壤含有機質10.8 g/kg、 全氮0.93 g/kg、速效磷25.1 mg/kg、速效鉀124.9 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試材料為冬小麥品種豫麥49-198,采用盆栽種植。盆高25 cm、直徑20 cm,土過篩后裝盆。每盆裝土10 kg,基施N(尿素，含N 46%)2.1 g、K2O(氯化鉀，含K2O 62%)0.8 g、P2O5(過磷酸鈣，含P2O512%)0.9 g,拔節(jié)期追施0.3 g尿素。在小麥挑旗期開始進行干旱脅迫和葉面噴施處理,共設置4個處理：對照(土壤相對含水量75%±5%,CK)、中度干旱(土壤相對含水量55%±5%,T1)、中度干旱+葉面噴施0.05 mmol/L NaHS(T2)、中度干旱+葉面噴施0.10 mmol/L NaHS(T3)。NaHS在小麥進行干旱處理時開始噴施,每7 d噴施一次,每次噴施濃度參照上面4個處理，共噴施4次。每個處理10盆,3葉期定苗,每盆留苗10株。管理同一般大田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生理指標 分別于干旱處理14、21 d取樣,隨機選取長勢一致的小麥旗葉20片,迅速放入液氮中,帶回實驗室放于-80 ℃冰箱，用于測定葉綠素、丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)含量及抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性。其中,葉綠素含量采用分光光度法測定[15]；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法測定[15]；H2O2含量參照Jessup等[16]的方法測定；SOD活性采用NBT光化還原法測定[17],POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[18],CAT活性采用鉬酸鹽方法測定[19]。

1.3.2 籽粒產量 成熟期收獲整盆小麥有效穗,考種后脫粒、風干并測定其總質量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

采用統(tǒng)計分析軟件DPS V7.05進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計及差異顯著性分析,利用Excel 2007進行作圖。

2 結果與分析

2.1 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉葉綠素含量的影響

由表1可知,干旱脅迫下,小麥旗葉內葉綠素含量均較對照顯著下降,但葉面噴施適宜濃度的NaHS使葉綠素含量較干旱脅迫未噴施NaHS處理顯著提高。在干旱脅迫14 d時,葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉中葉綠素a含量和總葉綠素含量分別較T1處理提高19.5%、31.9%和 10.7%、20.4%,葉綠素b含量顯著降低。干旱脅迫21 d時,小麥旗葉葉綠素a、b及總含量在0.05 mmol/L和0.10 mmol/L NaHS處理之間沒有顯著差異,但均較T1處理顯著提高。其中,葉面噴施0.05 mmol/L和0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量分別較T1處理提高了85.4%、54.5%、74.8%和93.3%、54.5%、82.2%。綜上,葉面噴施NaHS可以提高干旱脅迫下小麥葉片葉綠素含量,緩解干旱脅迫對小麥的傷害。

表1 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉葉綠素含量的影響 mg/g

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。

2.2 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉H2O2和MDA含量的影響

由表2可知,在干旱脅迫下,小麥旗葉中H2O2和MDA含量較對照顯著提高,表明干旱脅迫造成了小麥葉片中細胞膜的損傷以及過氧化物的累積;而葉面噴施NaHS后可以降低旗葉H2O2和MDA含量,減少干旱脅迫對植株的傷害。在干旱脅迫14 d時,葉面噴施0.10 mmol/L NaHS處理旗葉中H2O2含量較T1處理顯著降低16.6%,MDA含量較T1處理降低,但差異不顯著；0.05 mmol/L NaHS處理旗葉中H2O2、MDA含量均較T1處理下降,但差異不顯著。在干旱脅迫21 d時,噴施0.05 mmol/L NaHS處理小麥旗葉中H2O2、MDA含量分別較T1處理顯著降低14.1%、7.9%,而噴施0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉中H2O2、MDA含量分別較T1處理顯著降低52.2%、7.9%。綜上,噴施NaHS可以降低小麥旗葉中H2O2和MDA等有害物質的積累,減少干旱脅迫對植株的傷害。

表2 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉H2O2和MDA含量的影響 μmol/g

2.3 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉抗氧化酶活性的影響

2.3.1 SOD 由圖1可知,與對照相比,干旱脅迫顯著抑制小麥旗葉SOD活性,而葉面噴施NaHS后可以緩解這種抑制作用，提高SOD活性。干旱脅迫14 d時,葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉SOD活性分別較T1處理顯著提高15.5%、22.0%,接近對照水平。干旱脅迫21 d時,葉面噴施0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉SOD活性較T1處理顯著提高27.0%；但0.05 mmol/L NaHS處理小麥旗葉SOD活性與T1處理之間差異不顯著。綜上,噴施適宜濃度的NaHS可提高小麥葉片SOD活性,進而增強小麥的抗旱性。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.3.2 POD 由圖2可知,與對照相比,干旱脅迫顯著抑制小麥旗葉POD活性,而葉面噴施NaHS后可以消除這種抑制作用,顯著提高POD活性。干旱脅迫14 d時,葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉POD活性分別較T1處理顯著提高22.3%、30.0%,且0.10 mmol/L NaHS處理顯著高于0.05 mmol/L NaHS處理。干旱脅迫21 d時,葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉POD活性分別較T1處理顯著提高32.1%、34.8%,0.05、0.10 mmol/L NaHS處理之間差異不顯著。

圖2 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉POD活性的影響

2.3.3 CAT 由圖3可知,與對照相比,干旱脅迫顯著抑制小麥旗葉CAT活性,葉面噴施NaHS后這種抑制作用得到緩解。干旱脅迫14 d時,葉面噴施NaHS處理小麥旗葉CAT活性較T1處理提高,但差異不顯著。干旱脅迫21 d時,噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥旗葉CAT活性分別較T1處理顯著提高13.6%、10.1%,表明葉面噴施NaHS可提高小麥旗葉內CAT活性,減少干旱脅迫對植株造成的傷害,提高小麥的抗旱性。

圖3 外源H2S對干旱脅迫下小麥旗葉CAT活性的影響

2.4 外源H2S對干旱脅迫下小麥籽粒產量的影響

由表3可知,干旱脅迫下,小麥單株有效穗數(shù)、百粒質量、籽粒產量均較對照顯著下降,葉面噴施NaHS后單株有效穗數(shù)、百粒質量、籽粒產量均有所提高。其中,噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理單株有效穗數(shù)均較T1處理顯著提高,但噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理之間無顯著差異；葉面噴施0.10 mmol/L NaHS處理百粒質量較T1處理顯著增加0.13 g；葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS處理小麥籽粒產量分別較T1處理顯著提高17.9%、21.4%。綜上,干旱條件下葉面噴施NaHS可以提高小麥抗旱性,從而增加籽粒產量。

表3 外源H2S對干旱脅迫下小麥產量及其構成因素的影響

3 結論與討論

旗葉是小麥植株生育后期重要的光合器官,葉綠素含量高低反映了植株光合能力的高低,一定程度上反映植物的抗旱能力。本研究結果表明,在干旱脅迫下,小麥旗葉葉綠素含量顯著降低,嚴重影響光合產物的積累；而葉面噴施NaHS后小麥旗葉葉綠素含量顯著提高,這與Zhang等[20]采用NaHS噴施滲透脅迫下的甘薯葉片可以顯著減弱其失綠程度,增加植物葉片葉綠素含量的結果相一致。上述結果表明，葉面噴施NaHS可以提高小麥旗葉葉綠素含量,減緩干旱脅迫對小麥造成的傷害。

植物在逆境條件下,細胞內活性氧的不斷積累加速質膜過氧化反應,引起MDA等有害物質的積累,而SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性的增加可以降低活性氧積累及有害物質的產生。研究表明,NaHS可以提高鋁脅迫下種子胚乳β-淀粉酶和酯酶活性,同時減少鋁脅迫對植物細胞質膜均一性的損壞,MDA和H2O2水平也相應降低[21]。在本研究中,干旱脅迫下,SOD、POD和CAT活性顯著下降,同時H2O2和MDA含量顯著上升；而葉面噴施NaHS后,SOD、POD和CAT活性顯著增加,且MDA、H2O2含量顯著下降,表明NaHS可通過增加小麥旗葉抗氧化酶活性來降低細胞內活性氧及MDA等有害物質的積累,提高小麥的抗旱性。在大豆的研究中也發(fā)現(xiàn),噴灑NaHS可緩解干旱降低幼苗葉綠素含量的現(xiàn)象,且可顯著提高SOD、CAT活性,降低LOX活性,延緩MDA和H2O2的過量積累[22]。前人研究表明,植株生長對NaHS有濃度依賴性,NaHS濃度低于4.2 μmol/L時,可以促進水稻幼苗生長,而濃度高于8.5 μmol/L時則抑制水稻幼苗的生長[23]。在本研究中,沒有發(fā)現(xiàn)與此一致的結論,在小麥生育后期葉面噴施0.05、0.10 mmol/L NaHS均可以增加小麥抗氧化酶活性，減少旗葉葉綠素分解,降低MDA、H2O2的積累,增強植株的抗旱性,從而增加小麥籽粒產量,且這2種NaHS濃度處理之間籽粒產量沒有顯著差異。

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Effect of Exogenous Hydrogen Sulfide on Physiological Characteristics of Flag Leaf and Grain Yield of Wheat under Drought Stress

DING Huina,MA Dongyun*,QIN Haixia,HOU Junfeng,WANG Chenyang, XIE Yingxin,GUO Tiancai*

(College of Agronomy,Henan Agricultural University/National Engineering Research Center for Wheat/Collaborative Innovation Center of Henan Grain Crops/State Key Laboratory of Wheat and Maize Crop Science,Zhengzhou 450002,China)

In order to investigate whether the exogenous hydrogen sulfide donor sodium hydrosulfide(NaHS) can improve the drought resistance at late growth stages of wheat,the experiments were carried out to study the the contents of chlorophyll,malondialdehyde(MDA),hydrogen peroxide(H2O2)and antioxidant enzymes activities of flag leaf and grain yield of wheat with foliar spraying exogenous different concentrations(0,0.05,0.10 mmol/L)of NaHS under drought stress.The results showed that foliar spraying NaHS could significantly increase the concent of chlorophyll,reduce the contents of MDA and H2O2,and increase the SOD,POD and CAT activities of flag leaf,sequentially improving panicle number per plant,hundred-grain weight and grain yield of wheat under drought stress.Compared with the treatment without NaHS,the yield of the treatments with 0.05 mmol/L NaHS and 0.10 mmol/L NaHS significantly increased by 17.9% and 21.4%,respectively.These results showed that exogenous H2S could improve the drought resistance of wheat plant,and increase grain yield by increasing the activity of antioxidant enzymes of flag leaf and reducing harmful substance accumulation.

wheat; hydrogen sulfide; drought stress; physiological indexes; yield

2016-01-30

國家科技支撐計劃項目(2015BAD26B00)；農業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201203031)；河南省高校重點項目 (15A210004)

丁會納(1992-)，女，河南濮陽人，在讀碩士研究生，研究方向：作物栽培。E-mail:1124936854@qq.com

*通訊作者：馬冬云(1972-)，女，河南修武人，副研究員，博士，主要從事小麥品質生理研究。E-mail:xmzxmdy@126.com 郭天財同為通訊作者。

S512.1

A

1004-3268(2016)07-0013-05