低温胁迫对稻茬小麦根系抗氧化酶活性及内源激素含量的影响

张文静，刘 亮，黄正来，周晓楠，米 璐，贾远远

(安徽农业大学农学院/农业部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室,安徽合肥 230036)



低温胁迫对稻茬小麦根系抗氧化酶活性及内源激素含量的影响

张文静，刘 亮，黄正来，周晓楠，米 璐，贾远远

(安徽农业大学农学院/农业部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室,安徽合肥 230036)

摘要：为探索低温对小麦根系的伤害机理，在分蘖期和拔节期模拟低温，研究低温胁迫对稻茬不同小麦品种(烟农19，抗寒性较强；郑麦9023，抗寒性较差)根系抗氧化酶活性及内源激素含量的影响。结果表明，低温胁迫对小麦根系中抗氧化酶活性和内源激素含量的影响均达到显著水平(P<0.05)。2个小麦品种受到低温胁迫后，根系中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)活性均显著增强，丙二醛含量(MDA)显著下降，且拔节期低温处理小麦的抗氧化酶活性增强幅度更大，MDA含量下降幅度更小。抗寒性较强的小麦品种(烟农19)根系中脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3)和生长素(IAA)含量在低温胁迫后均表现为上升趋势。抗寒性较差的品种(郑麦9023)根系中GA3含量在低温胁迫后增加；ABA含量在低温胁迫后下降；IAA含量在分蘖期低温胁迫后表现为增加，拔节期表现为下降。以上结果表明，分蘖期和拔节期遭受低温后，不同品种稻茬小麦根系中抗氧化酶活性及激素含量受影响的程度不同，抗寒性差的品种根系受低温影响较大，且以拔节期影响更为严重。

关键词：低温胁迫；小麦；根系；抗氧化酶；内源激素

中国稻茬小麦的种植面积居世界之首，在中国的南方和北方都有稻茬麦，主要分布在长江流域。近年来，随着极端气候的频繁发生，冬前苗期的冻害以及返青拔节期的冷害是稻茬麦生产区所遭受的主要气象灾害之一。稻茬小麦多选用的是春性品种，其自身抗寒能力较弱，加之抢墒早播或者晚播的密度过大等原因，容易造成冬前生长过快或麦苗细弱，抗寒能力明显减弱，当冬前遇到急剧降温或者春季遇到持续低温时极易发生寒害。

植物对冷胁迫的最初反应是体内活性氧迸发。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等被认为是清除植物体内活性氧的主要抗氧化物质，可使植物对低温胁迫具有一定程度的耐受力。刘艳阳等[1]研究表明，SOD的活性和丙二醛(MDA)的含量可以用于小麦抗寒性的鉴定。内源激素对植物生长发育具有重要调节作用，可作为信号分子参与低温胁迫的调控。脱落酸(ABA)与赤霉素(GA)被认为对植物抗冷性有重要作用，ABA可诱导一些与抗逆相关的新蛋白质的合成，ABA含量的高低对于植物抵御低温寒害具有重要意义[2-3]。内源ABA含量增加可以诱导应激基因的高量表达，提高植物细胞内保护酶的活性，降低膜脂过氧化物的积累，保证膜结构的稳定性，增强植物抗寒性[4-5]。根系是作物吸收土壤中水分和养分、合成多种生理活性物质的重要器官，根系的生理活性直接影响小麦地上部的生长和产量水平[6]。当环境温度降低时，根系分生组织的分裂潜力受到抑制，生长素(IAA)积累减少，影响根系的生长[7-8]。

目前，低温胁迫对小麦叶片和根系中抗氧化酶活性及激素含量的影响已有相关研究[9-10]，但针对稻-麦轮作制度下，不同生育时期低温对小麦根系的影响报道较少。本研究以小麦品种烟农19(半冬性，抗寒性较强)和郑麦9023(春性，抗寒性较差)为供试材料，在分蘖期和拔节期人工模拟低温胁迫，研究稻茬小麦根系抗氧化酶活性及激素含量的变化，以明确越冬至拔节期间低温寒害对稻茬小麦根系生长发育影响的生理基础，为采取减灾补救措施及选育高产优质抗逆小麦品种提供理论依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试材料：郑麦9023(春性品种，抗寒性较差)，烟农19(半冬性品种，抗寒性较强)。

1.2试验设计

试验于2012年11月至2014年6月在安徽农业大学校内试验基地农翠园(31.83° N，117.24° E)进行。播种时间分别为2012年10月21日和2013年10月28日；前茬为水稻；土壤为黄棕壤土。0～20 cm土层土壤pH为6.5，有机质16.3 g·kg-1、全氮1.3 g·kg-1、速效氮112.2 mg·kg-1、速效磷23.0 mg·kg-1、速效钾161.6 mg·kg-1。盆栽试验，取0～20 cm耕作层土壤装入试验盆(直径35 cm，高40 cm)，每盆装土10 kg，播种前每盆施入有机肥75 g、纯氮1.05 g、P2O51.35 g、K2O 2.25 g；将盆埋于试验田。在小麦拔节期每盆追施纯氮1.05 g，每品种30盆，每盆间苗后留15株。田间管理按高产栽培要求进行。

于小麦分蘖期(2013年1月2日和2014年1月8日)取盆栽小麦于当日20:00移入-10 ℃人工气候室中，次日8:00取出，移至室外，连续处理3 d；于小麦拔节期(2013年3月17日和2014年3月14日)取盆栽小麦于当日20:00移入0 ℃人工气候室，于次日8:00取出，移至室外，连续处理3 d。人工气候室内大气相对湿度设置为75%。每次处理每品种取6盆，每盆采集3株小麦根系，用蒸馏水洗净，滤纸吸干，放进封口袋，经液氮冷冻后，放入-80 ℃超低温冰箱中保存备用。以同品种未低温处理的小麦根系作为对照(CK)。

1.3测定项目与方法

1.3.1根系抗氧化酶活性的测定

SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定[11]；POD活性采用愈创木酚法测定；CAT活性采用过氧化氢法测定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[12]。

1.3.2根系激素含量的测定

使用酶联免疫吸附测定法(ELISA)测定样品中ABA、GA3和IAA的含量，试剂盒由南京建成生物工程研究所提供。

1.4数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2007和SPSS 16.0进行统计与分析。

2结果与分析

2.1低温胁迫对小麦根系抗氧化酶活性的影响

由表1可知，在分蘖期和拔节期遭受低温胁迫后，两个小麦品种根系中抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性均升高，两年试验结果趋势相同，处理间的差异均达到显著水平(P<0.05)。分蘖期和拔节期未低温处理前，烟农19根系中SOD、POD和CAT的活性均低于郑麦9023(除分蘖期POD和CAT活性)，分蘖期和拔节期分别于-10 ℃和0 ℃低温处理后，烟农19根系中抗氧化酶活性均高于郑麦9023。同一品种在不同生育时期遭受低温后，根系中抗氧化酶活性以拔节期升高幅度较大，分蘖期升高幅度较小。如2012-2013年试验中，烟农19根系中SOD活性在低温处理后，拔节期较对照上升了131.48%；分蘖期较对照上升了78.95%。2个小麦品种在分蘖期和拔节期遭受低温胁迫后，根系中MDA含量均出现显著下降(P<0.05)，在2个生长季，烟农19下降幅度较大，分蘖期较对照分别下降25.36%和25.13%，拔节期较对照下降14.09%和19.86%；郑麦9023根系中MDA含量下降幅度较小，分蘖期为11.88%和19.76%，拔节期为12.27%和11.85%。

表1　低温胁迫对小麦根系抗氧化酶活性及MDA含量的影响

不同小写字母表示低温处理与对照之间差异显著(P<0.05)

Different small letters mean significant difference between CK and low temperature treatment at 0.05 level

2.2低温胁迫对小麦根系激素含量的影响

2.2.1对ABA含量的影响

从图1可以看出，低温处理对不同基因型小麦根系中ABA含量的影响不同。郑麦9023根系中ABA含量在低温处理后均表现为下降趋势，在2012-2013年试验中，分蘖期和拔节期较对照分别下降11.79%和5.46%；在2013-2014年试验中，分蘖期和拔节期下降幅度分别为19.88%和4.39%，其中分蘖期根系ABA含量在低温处理前后差异达到显著水平(P<0.05)。烟农19在低温处理后，根系ABA含量呈现上升趋势，在2012-2013年试验中，分蘖期和拔节期较对照分别上升17.21%和10.37%；在2013-2014年试验中，分蘖期和拔节期上升幅度分别为3.41%和76.51%，且低温处理前后差异均达到显著水平(P<0.05)。

2.2.2对GA3含量的影响

图柱上不同小写字母表示低温处理与对照之间差异显著(P<0.05).下同

Different small letters above columns mean significant difference between CK and low temperature treatment at 0.05 level.The same as below

图1低温胁迫对小麦根系分蘖期(A)和拔节期(B)ABA含量的影响

Fig.1 Effects of low temperature stress on ABA content in wheat root at tillering stage(A) and jointing stage(B)

从图2可以看出，低温处理后，两个小麦品种根系中GA3含量均有所上升，处理与对照的差异均达到显著水平(P<0.05)(除2014年分蘖期郑麦9023)，且年际间规律一致。不同品种间比较，低温处理后，以烟农19根系中GA3含量变化幅度较大，2012-2013年试验中，分蘖期和拔节期根系中GA3含量分别上升5.84%和71.83%，2013-2014年试验中，分别上升4.59%和114.59%。郑麦9023根系中GA3含量受低温影响较小，2012-2013年试验中，分蘖期和拔节期根系中GA3含量分别上升4.62%和20.35%，2013-2014年试验中，分别上升0.61%和19.84%。说明拔节期低温对小麦根系的GA3含量影响较大。

图2　低温胁迫对小麦根系分蘖期(A)和拔节期(B)GA3含量的影响

图3　 低温胁迫对小麦根系分蘖期(A)和拔节期(B)IAA含量的影响

2.2.3对IAA含量的影响

从图3可以看出，低温处理对两个小麦品种根系中IAA含量的影响存在差异，但年际间变化规律一致，且低温处理与对照差异显著(P<0.05)。烟农19在分蘖期和拔节期低温处理后，根系中IAA含量在2012-2013年试验间分别上升1.51%和67.90%，在2013-2014年试验间分别上升43.91%和83.84%。郑麦9023在分蘖期低温处理后，根系中IAA含量在两个试验季分别上升22.92%和10.38%；拔节期低温处理后，根系中IAA含量分别下降12.78%和10.90%。

3讨 论

在低温胁迫下，植物会形成过量的活性氧自由基(ROS)，而ROS对细胞膜系统、脂类、蛋白质和核酸等大分子具有较大的破坏性。植物体内的抗氧化酶系统能够清除体内多余的自由基，防止自由基产生的毒害，提高植物对逆境的抗性。本试验结果表明，供试的2个小麦品种在分蘖期和拔节期遭受低温胁迫后，根系中抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性均有所升高，与前人研究结果相似[9,13]；抗寒性较强的半冬性品种烟农19根系中抗氧化酶的活性在低温胁迫后上升幅度较抗寒性较差的春性品种郑麦2093更大。与分蘖期低温处理比较，拔节期遭受低温胁迫后，小麦根系抗氧化酶活性上升幅度更大，说明拔节期小麦根系对低温胁迫伤害的应激反应更强。低温胁迫下，植物体内积累过量ROS，使质膜发生过氧化作用生成MDA，在一定程度上，MDA 含量与植物耐寒性呈负相关关系[14-15]。在本试验中，小麦在分蘖期和拔节期遭受低温胁迫后，根系中MDA含量均出现不同程度下降，以烟农19下降幅度较大，且以分蘖期下降幅度最大，说明2个小麦品种根系在分蘖期和拔节期遭受低温胁迫后具有一定的自我修复机能。

植物内源激素可作为一些信号分子参与低温胁迫的调控，目前被广泛研究的有ABA、GA和IAA。当植物受到低温胁迫后，ABA和GA处理可以引起细胞骨架的重排并提高植物对低温的抗性[16-17]；植物内源ABA含量上升，抗寒性强小麦品种的ABA含量高于抗寒性弱的品种[18]。赵春江等[19]对不同基因型小麦越冬过程中植株内源激素变化的研究发现，植物内源激素CTK、GA和IAA与小麦的抗寒能力有关。本试验中，半冬性品种烟农19在低温胁迫后，根系中ABA含量升高；而春性品种郑麦9023根系中的ABA含量表现为下降趋势，这可能由于低温已超出该品种的应对调节范围，出现了伤害效应，与前人研究结果相似[18]。低温胁迫条件下，小麦叶片中GA3含量明显下降[9,20]。本试验中，两个小麦品种在低温胁迫后，根系中GA3含量均出现上升趋势，且以半冬性品种上升幅度较大。GA3含量升高可以保护微管结构，提高植物的抗冷性[21]。低温胁迫使植物IAA含量上升[22]，也有研究认为，小麦体内IAA含量在低温胁迫下变化不明显或随着温度降低逐渐减少[23]。本试验中，在分蘖期和拔节期遭受低温胁迫后，半冬性品种烟农19根系中IAA含量升高，春性品种郑麦9023分蘖期IAA含量升高，拔节期IAA含量下降，说明抗寒性强的小麦可以通过增加IAA含量来抵抗低温对小麦根系生长的抑制作用。

综上所述，分蘖期和拔节期低温胁迫对2个小麦品种根系中抗氧化酶活性及植物激素含量均产生显著影响。抗寒性好的品种在低温发生时，根系中抗氧化酶活性升高，ABA、GA3和IAA含量增加，对于适应低温胁迫的调节能力较强；不同生育时期比较发现，春性品种在拔节期对低温胁迫的应激适应力较差，根系遭受伤害较大。

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Effect of Low Temperature on Antioxidative Enzymes Activity and Endogenous Hormone Content in Wheat Root of Rice-wheat Rotation

ZHANG Wenjing,LIU Liang,HUANG Zhenglai,ZHOU Xiaonan,MI Lu,JIA Yuanyuan

(College of Agronomy,Anhui Agricultural University/Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic Improvement in South Yellow & Huai River Valley,Ministry of Agriculture,Hefei,Anhui 230036,China)

Abstract:In order to explore the damage mechanism of low temperature on wheat root and provide a theoretical basis for breeding high-yielding varieties with stress resistance,the effects of low temperature stress on antioxidative enzymes activity and endogenous hormone content in root of two wheat cultivars(Triticum L.)(Cold resistant cv. Yannong 19 and weak cold tolerance cv. Zhengmai 9023) grown after rice(Oryza sativa L.) were investigated at the tillering and jointing stages. The results showed that low temperature stress had significant impacts on activity of endogenous protective enzymes and the content of hormones in wheat root(P<0.05). After exposure to low temperature,the activities of antioxidative enzymes,superoxide dismutase(SOD),peroxidase(POD) and catalase(CAT) were enhanced,while the content of malondialdehyde(MDA) was decreased in the root. The activities of antioxidative enzymes were markedly increased,while MDA showed a smaller decrease at jointing stage. The content of abscisic acid(ABA),gibberellin(GA3) and auxin(IAA) showed rising trend after low temperature stress in root of Yannong 19.After exposure to low temperature,the GA3 content was increased,and the ABA content decreased,and IAA content was increased at tillering stage,but decreased at jointing stage in Zhengmai 9023(weak cold tolerance) root. The results suggested that when exposure to low temperature at the tillering and jointing stages,antioxidant enzyme activity and hormone content were affected by different degrees in different genotypes wheat root. The variety with weak cold tolerance got severe degree,and more serious at jointing stage.

Key words:Low temperature stress; Wheat; Root; Antioxidative enzymes; Hormone

中图分类号：S512.1；S311

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)04-0501-06

通讯作者：黄正来(E-mail：xdnyyjs@163.com)

基金项目：国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD16B06,2012BAD04B09,2012BAD14B13)

收稿日期：2015-12-03修回日期：2015-12-22

网络出版时间：2016-04-01

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160401.1534.032.html

第一作者E-mail：zhangwenjing79@126.com