不同小麥品種對灌漿期高溫的響應(yīng)差異

姜麗娜，楊娜娜，方保停，李向東，李春喜

(1.河南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南新鄉(xiāng) 453007； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，河南鄭州 450002)

小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物之一，其貿(mào)易量占全球糧食作物貿(mào)易總量的20%，在人類生活中占重要地位[1]。溫度是影響小麥生長發(fā)育的主要生態(tài)因子，灌漿期是決定小麥最終產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵時期，適宜的灌漿溫度有利于干物質(zhì)積累，促進(jìn)種子成熟[2-3]。而溫度過高則使植株呼吸消耗過大，光合速率下降，葉片黃化早衰，籽粒灌漿受到阻礙，導(dǎo)致籽粒不飽滿[4]。在中國北方地區(qū)，小麥生育后期溫度回升較快，常出現(xiàn)高溫天氣，尤其是干燥條件下，高溫低濕伴隨大風(fēng)形成的干熱風(fēng)常導(dǎo)致小麥高溫逼熟，減產(chǎn)幅度達(dá)10%～30%，是當(dāng)前小麥生產(chǎn)中面臨的主要問題之一[5-6]。在抗逆性評價研究方面，國內(nèi)外學(xué)者篩選出多個與小麥耐熱性相關(guān)生理指標(biāo)，如可溶性蛋白質(zhì)含量[7-9]、可溶性糖含量、超氧化物岐化酶(SOD)活性[10]和丙二醛(MDA)含量[11]等。研究表明，由單一指標(biāo)評價植物的抗逆性存在不確定性，目前多采用模糊數(shù)學(xué)法對多個指標(biāo)進(jìn)行綜合分析[12-14]。本研究以黃淮海地區(qū)16個小麥品種為材料，在灌漿期遮棚模擬高溫環(huán)境，分析高溫處理后小麥旗葉生理性狀及籽粒產(chǎn)量的變化，并通過隸屬函數(shù)法、主成分分析等方法對各指標(biāo)性狀的相對值進(jìn)行分析，進(jìn)而評價小麥品種的耐熱性，以期為該區(qū)域灌漿期高溫耐熱性小麥品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計

試驗于2015—2016年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地試驗田進(jìn)行。土壤為壤土，前茬玉米秸稈還田。耕層土壤有機(jī)質(zhì)11.58 g·kg-1，全氮1.18 g·kg-1，速效氮78.4 mg·kg-1，速效磷9.0 mg·kg-1，速效鉀98.8 mg·kg-1。采用裂區(qū)設(shè)計，主區(qū)為溫度控制，副區(qū)為小麥品種，溫度控制設(shè)高溫處理和田間自然生長2個水平，小麥品種設(shè)矮抗58等16個，具體見表1。副區(qū)內(nèi)各因素隨機(jī)排列，小區(qū)面積3 m2(2 m×1.5 m)，每小區(qū)種植6行。播種、開花和收獲時間分別為2015年10月11日、2016年4月27日和6月4日。

以田間自然生長為對照；采用人工升降塑料棚(覆0.1 mm無色透明聚乙烯薄膜，棚體長×寬×高=30 m×6 m×2 m)模擬高溫環(huán)境。自2016年5月13日起每天11:00—16:00進(jìn)行遮棚處理，5月30日結(jié)束。同時記錄田間自然生長麥田(對照組)和塑料棚(高溫組)內(nèi)的溫度和相對濕度(圖1)。研究時間段內(nèi)，小麥花后白天對照組和高溫組的日均溫分別為29.84±3.26 ℃和34.87±4.24 ℃，2組小麥生長環(huán)境溫差為3.1～7.1 ℃。

圖1 高溫處理期間(5月13-30日)高溫組和對照組的日平均溫度和相對濕度Fig.1 Average daily temperature and relative humidity under high temperature group and control group during high temperature treatment(May 13-30,2016)

1.2 樣品采集與測定

分別于高溫處理7 d(5月20日)和15 d(5月28日)時取各處理小麥旗葉，-80 ℃保存?zhèn)溆?，以測定可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量、MDA含量及SOD活性。其中，可溶性蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法[15]，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[16]，SOD活性測定采用氮藍(lán)四唑比色法[16]，MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法[17]。

成熟期取1 m2麥株，脫粒晾干，測定千粒重并計算其產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 性狀相對值的計算

以性狀指標(biāo)的相對值(Xj)作為評價品種(系)抗熱性的指標(biāo)[18]。計算公式：

Xj=某性狀指標(biāo)高溫處理測定值/該指標(biāo)對照測定值×100%

1.3.2 耐熱性分析

運(yùn)用測定指標(biāo)的性狀相對值計算隸屬函數(shù)值[20]，運(yùn)用綜合指標(biāo)的權(quán)重[21]計算各品種的綜合抗熱能力的大小。

1.3.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS 22和Microsoft Excel 2016軟件統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，采用LSD法進(jìn)行多重比較，差異顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫對小麥旗葉中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由表1可知，高溫處理7 d時，高溫組，鄭麥366旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量最高，達(dá)5.78 μg·g-1，矮抗58最低，為5.46 μg·g-1；對照組，山農(nóng)20旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量最高，達(dá)5.88 μg·g-1，鄭麥366最低，為3.45 μg·g-1。高溫處理7 d時，除山農(nóng)20旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為高溫組低于對照組外，其他15個品種均表現(xiàn)為高溫組高于對照組，其中安農(nóng)0711、淮麥33、濟(jì)麥22、良星99、平安8號、石麥19、石麥22、西農(nóng)979、豫麥49-198、鄭麥366、鄭麥7698、周麥18和周麥22(共13個品種)與對照間的差異達(dá)到顯著水平，且鄭麥366增幅最大，達(dá)67.30%。

表1 高溫對小麥旗葉中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Table 1 Effects of high temperature on soluble protein content of flag leaf in wheat

高溫處理15 d時，高溫組，濟(jì)麥22旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量最高，達(dá)6.10 μg·g-1，西農(nóng)979最低，為4.46 μg·g-1；對照組，矮抗58旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量最高，達(dá)6.37 μg·g-1，石麥19最低，為3.60 μg·g-1。高溫處理15 d，除矮抗58和淮麥33旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量低于對照外，其他14個品種均高于對照，其中安農(nóng)0711、濟(jì)麥22、良星99、平安8號、山農(nóng)20、石麥19、石麥22、豫麥49-198、鄭麥366、鄭麥7698和周麥22(共11個品種)與對照間的差異達(dá)到顯著水平，且石麥19增幅最大，達(dá)68.52%。

與高溫處理7 d相比，高溫處理15 d時，濟(jì)麥22、石麥19和石麥22旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量顯著增加，而鄭麥366則顯著降低。

2.2 高溫對小麥旗葉中可溶性糖含量的影響

由表2可知，高溫處理7 d時，高溫組，石麥22旗葉中的可溶性糖含量最高，達(dá)11.84 mg·g-1，良星99最低，為5.52 mg·g-1；對照組，矮抗58旗葉中的可溶性糖含量最高，達(dá)11.01 mg·g-1，豫麥49-198最低，為3.60 mg·g-1。高溫處理7 d時，平安8號和山農(nóng)20旗葉中的可溶性糖含量表現(xiàn)為高溫組顯著低于對照組，而石麥19、石麥22和蘭考198旗葉中的可溶性糖含量則表現(xiàn)為高溫組顯著高于對照組。

高溫處理15 d時，高溫組，石麥19旗葉中的可溶性糖含量最高，達(dá)7.41 mg·g-1，矮抗58最低，為1.86 mg·g-1；對照組，石麥22旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量最高，達(dá)10.17 mg·g-1，豫麥49-198最低，為5.44 mg·g-1。高溫處理15 d時，矮抗58、良星99、平安8號、山農(nóng)20、石麥22、蘭考198、西農(nóng)979、鄭麥366、鄭麥7698和周麥22(共11個品種)旗葉中的可溶性糖含量表現(xiàn)為高溫組顯著低于對照組。

與高溫處理7 d相比，高溫處理15 d時，矮抗58、濟(jì)麥22、石麥19、石麥22、蘭考198、豫麥49-198、鄭麥366、鄭麥7698、周麥18和周麥22旗葉中的可溶性糖含量顯著下降。

表2 高溫對小麥旗葉中可溶性糖含量的影響Table 2 Effects of high temperature on soluble sugar content of flag leaf in wheat

2.3 高溫對小麥旗葉中超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

由表3可知，高溫處理7 d時，高溫組，山農(nóng)20旗葉中的SOD活性最高，達(dá)212.90 U·g-1，淮麥33最低，為181.94 U·g-1；對照組，安農(nóng)0711旗葉中的SOD活性最高，達(dá)221.54 U·g-1，淮麥33最低，為160.42 U·g-1。高溫處理7 d時，濟(jì)麥22、良星99、山農(nóng)20、石麥22、豫麥49-198旗葉中的SOD活性表現(xiàn)為高溫組顯著高于對照組。

高溫處理15 d時，高溫組，良星99旗葉中的SOD活性最高，達(dá)223.23 U·g-1，平安8號最低，為128.39 U·g-1；對照組，平安8號旗葉中的SOD活性最高，達(dá)186.53 U·g-1，淮麥33最低，為135.60 U·g-1。高溫處理15 d時，矮抗58、良星99、石麥19、石麥22、蘭考198和鄭麥7698旗葉中的SOD活性表現(xiàn)為高溫組顯著高于對照組。

與高溫處理7 d相比，高溫處理15 d時，淮麥33、平安8號、濟(jì)麥22、鄭麥366、豫麥49-198和周麥18旗葉中的SOD活性顯著降低，而石麥22則顯著增加。

表3 高溫對小麥旗葉中超氧化物歧化酶活力的影響Table 3 Effects of high temperature stress on SOD activity of flag leaf in wheat

2.4 高溫對小麥旗葉中丙二醛(MDA)含量的影響

由表4可以看出，高溫處理7 d時，高溫組，安農(nóng)0711旗葉中的MDA含量最高，達(dá)2.21 μmol·g-1，蘭考198最低，為0.54 μmol·g-1；對照組，石麥19旗葉MDA含量最高，達(dá)3.47 μmol·g-1，良星99最低，為1.28 μmol·g-1。除安農(nóng)0711、良星99和周麥22旗葉MDA含量高溫處理前后差異不顯著外，其他13個品種的小麥旗葉MDA含量均為高溫組顯著低于對照組，并以濟(jì)麥22和蘭考198降幅最大，相比對照含量分別下降63.53%和80.33%。

高溫處理15 d時，高溫組，西農(nóng)979、周麥18旗葉MDA含量最高，達(dá)1.96 μmol·g-1，山農(nóng)20最低，為0.23 μmol·g-1；對照組，石麥22旗葉丙二醛含量最高，達(dá)1.25 μmol·g-1，濟(jì)麥22、山農(nóng)20和石麥19均較低，為0.02 μmol·g-1；濟(jì)麥22、良星99、平安8號、豫麥49-198和周麥22旗葉MDA含量均為高溫組顯著高于對照組。

與高溫處理7 d相比，高溫處理15 d時，安農(nóng)0711、石麥19、石麥22和周麥22旗葉MDA含量顯著下降。

表4 高溫對小麥旗葉丙二醛含量的影響Table 4 Effect of high temperature on malondialdehyde content in flag leaf of wheat

2.5 高溫對不同小麥品種千粒重、產(chǎn)量及抗熱指數(shù)的影響

高溫處理后小麥千粒重和產(chǎn)量均有所降低(表5)，但千粒重與對照組的差異均未達(dá)到顯著水平，只有豫麥49-198和鄭麥366的產(chǎn)量顯著降低。分析千粒重?zé)岣兄笖?shù)發(fā)現(xiàn)，安農(nóng)0711、濟(jì)麥22、石麥19、蘭考198、鄭麥366和周麥22的千粒重?zé)岣兄笖?shù)S>1，為千粒重?zé)崦舾衅贩N；其他品種千粒重?zé)岣兄笖?shù)S<1，為千粒重耐熱品種。分析產(chǎn)量熱感指數(shù)發(fā)現(xiàn)，矮抗58、安農(nóng)0711、平安8號、石麥22、蘭考198、西農(nóng)979、鄭麥7698和周麥18的產(chǎn)量熱感指數(shù)S<1，為產(chǎn)量耐熱品種；其他品種的產(chǎn)量熱感指數(shù)S>1，為產(chǎn)量熱敏感品種。

2.6 綜合評價

計算高溫處理7 d和高溫處理15 d小麥旗葉生理指標(biāo)及籽粒產(chǎn)量和千粒重的相對值，并進(jìn)行相關(guān)分析。結(jié)果顯示，高溫處理7 d時，小麥旗葉中的相對可溶性蛋白質(zhì)含量、相對可溶性糖含量與籽粒相對千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.677和-0.511，小麥旗葉中的相對SOD活性與籽粒相對產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.554；高溫處理15 d，小麥旗葉中的相對可溶性蛋白質(zhì)含量與相對可溶性糖含量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.509。表明各指標(biāo)間均存在不同程度的相關(guān)性。

為進(jìn)一步探究各指標(biāo)間的關(guān)系，通過主成分分析法對各品種的性狀相對值進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，前6個主成分的貢獻(xiàn)率分別為0.288、0.211、0.155、0.107、0.086和0.067，累積貢獻(xiàn)率達(dá)91.639%。其中，第1主成分中系數(shù)較大的項是高溫處理7 d時旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量、千粒重和產(chǎn)量，分別為0.425、0.402和0.490；第2主成分中系數(shù)較大的項是高溫處理15 d時旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)含量和高溫處理7 d時旗葉丙二醛含量，分別為0.460和0.507；第3主成分中系數(shù)最大的項是高溫處理15 d時旗葉中的可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖含量，分別為0.453和0.562；第4主成分中系數(shù)最大的項是高溫處理15 d時旗葉中的超氧化物歧化酶活性，為0.739；第5主成分系數(shù)最大的項是高溫處理7 d時旗葉中的可溶性糖含量，為0.526；第6主成分中系數(shù)最大的項是高溫處理15 d時旗葉中的可溶性糖含量，為0.489。

表5 高溫對不同小麥品種千粒重、產(chǎn)量及抗熱指數(shù)的影響Table 5 Effect of high temperature on grain weight,grain yield and heat resistance index of different wheat varieties(lines)

表6 不同小麥品種的綜合指標(biāo)值、隸屬函數(shù)值、權(quán)重、D值及綜合評價Table 6 Comprehensive index,U(j),index weight,D value and comprehensive valuation of wheat varieties(lines)

將通過主成分分析得到的6個主成分作為新的6個綜合指標(biāo)，權(quán)重分別為0.314、0.231、0.170、0.118、0.094和0.073(表6)。綜合上述6個主成分的各項系數(shù)發(fā)現(xiàn)，小麥旗葉可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量和千粒重系數(shù)均較大，表明在主成分分析中這3個指標(biāo)的權(quán)重較高，可作為評價小麥耐熱性的主要指標(biāo)。綜合轉(zhuǎn)化后6個新指標(biāo)的特征向量CI1、CI2、CI3、CI4、CI5、CI6以及6個新指標(biāo)的隸屬函數(shù)值U(x1)、U(x2)、U(x3)、U(x4)、U(x5)、U(x6)計算反映小麥品種綜合抗熱能力的D值，并采用最大距離法對D值進(jìn)行聚類分析(圖略)，結(jié)果顯示，參試的16個小麥品種可聚為3類：濟(jì)麥22和石麥19為第Ⅰ類，耐熱性較強(qiáng)；周麥18、鄭麥7698、良星99、淮麥33、鄭麥366、石麥22、安農(nóng)0711、周麥22和豫麥49-198為第Ⅱ類，耐熱性中等；山農(nóng)20、蘭考198、平安8號、西農(nóng)979和矮抗58為第Ⅲ類，耐熱性較弱。

3 討 論

作物的抗逆性是較復(fù)雜的數(shù)量遺傳性狀。單項指標(biāo)不能全面、準(zhǔn)確評價作物的耐熱性，運(yùn)用多個指標(biāo)根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行綜合評價，可以使評價分析結(jié)果更接近生產(chǎn)實際。李召鋒等[22]研究春小麥耐熱性發(fā)現(xiàn)，高溫會嚴(yán)重降低籽粒千粒重、穗粒重和產(chǎn)量，認(rèn)為千粒重是判斷品種耐熱性的重要指標(biāo)，這與本研究結(jié)果一致。陳冬梅等[23]研究黃淮海麥區(qū)熱脅迫對小麥千粒重和產(chǎn)量的影響，提出良星99為千粒重耐熱品種，濟(jì)麥22、石麥19和石麥22為千粒重?zé)岣衅贩N，而本研究認(rèn)為，石麥22耐熱性適中，與陳冬梅等[23]的研究結(jié)果存在一定差異，這可能與種植環(huán)境不同有關(guān)，因為耐熱程度與環(huán)境和品種密切相關(guān)，耐熱性是針對同一環(huán)境下相對多個品種提出的。陳 芳等[24]對小麥耐熱性鑒定與熱脅迫機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)高溫能使超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性下降，而丙二醛含量則表現(xiàn)為先上升后下降。本研究中，高溫處理后小麥旗葉的超氧化物歧化酶活性略高于田間自然生長小麥，說明高溫可以激發(fā)植株的抗氧化作用，減緩高溫造成的傷害。小麥旗葉丙二醛含量在高溫處理7 d后下降而15 d后又呈上升趨勢，可能是因為高溫處理15 d時的積溫才達(dá)到足以導(dǎo)致膜脂過氧化的程度。

本研究綜合各品種旗葉可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量，并結(jié)合主成分分析，認(rèn)為可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和千粒重3項指標(biāo)更能反映小麥灌漿期的耐高溫能力；最后，運(yùn)用隸屬函數(shù)法和聚類分析法對不同品種小麥的耐熱性進(jìn)行綜合評價，認(rèn)為在本研究條件下濟(jì)麥22和石麥19在灌漿期耐熱性較高，山農(nóng)20、蘭考198、平安8號、西農(nóng)979和矮抗58耐熱性較低。主成分分析是針對小麥?zhǔn)芨邷睾笃渖頍崦舾兄笜?biāo)進(jìn)行的綜合分析，這些生理指標(biāo)的復(fù)雜反應(yīng)是小麥抗熱機(jī)理過程的一部分，最終影響籽粒千粒重和產(chǎn)量。而根據(jù)小麥千粒重、產(chǎn)量熱感指數(shù)進(jìn)行耐熱性分析，亦能較為形象直觀的反映高溫處理后小麥經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品情況。在品種選育時，要將品種的遺傳基因、分子機(jī)理和生理指標(biāo)相結(jié)合進(jìn)行綜合性分析，為抗逆品種選育以及品種減災(zāi)等提供理論支撐。