寒地冬小麦不同品种越冬期组织结构的差异

李敏敏，李卓夫，王晓楠，付连双，宋永超，王璐

(东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150030)



寒地冬小麦不同品种越冬期组织结构的差异

李敏敏，李卓夫，王晓楠，付连双，宋永超，王璐

(东北农业大学农学院，黑龙江哈尔滨 150030)

摘要：冻害在冬小麦越冬期间能影响小麦的生长发育，并导致减产甚至绝产。为深入了解冬小麦的抗寒机制，通过调查统计以及显微观察，比较了冬小麦不同抗寒性品种东农冬麦1号(强冬性)、Nostar(半冬性)和济麦22(弱冬性)在黑龙江等高寒地区越冬期间分蘖节形态结构和显微结构的差异。结果表明，具有不同枯死度、返青率的冬小麦品种的生活习性、冬前分蘖、叶距、叶宽和分蘖节维管束的分布比例皆存在显著性差异。东农冬麦1号冬前分蘖数、返青率、分蘖节维管束分布比例较高，枯死度、叶距、叶宽较小，生长锥下方的15层细胞较小，组织结构紧密，生长锥外形为敦胖形；东农冬麦1号和Nostar在越冬前维管束组织较完整，济麦22的维管束呈现破损。东农冬麦1号返青率与冬前分蘖数、维管束比例呈极显著正相关，而与其他指标呈显著负相关。

关键词：寒地；冬小麦；越冬；形态结构；显微结构

冬季冻害和春季寒害是小麦生长过程中的主要制约因素，其中越冬期间冻害能影响冬小麦的生长发育,并导致减产甚至绝产。近年来全球气候变暖，冬小麦种植区域可北移至黑龙江等高寒地区，但黑龙江省冬季最低气温在-30 ℃以下，部分地区甚至常出现-45 ℃以下的低温，寒地冬小麦在越冬期间会受到冻害的严重影响。在黑龙江等高寒地区，冬小麦在越冬期间叶、茎等地上组织几乎全部受冻萎蔫死亡，但有一些抗寒性较强的品种可以顺利返青并正常生长，如强冬性品种东农冬麦1号。李卓夫等[1]认为，冬小麦在越冬期间只要分蘖节部位没有遭到致命的损害，就能在越冬后长出新叶并顺利返青。Livingston等[2]在人工模拟的冻害条件下研究发现，不同品种之间维管过渡区和顶端分生组织的再生能力有显著差异。目前冬小麦抗寒性的分子生物学、生理特征及遗传基础研究均获得重大进展[3]，但针对受冻后小麦外部形态和内部组织结构变化的关系鲜见研究报道。本研究观察、分析了越冬期间寒地冬小麦不同品种外部形态特征及分蘖节组织显微结构，以期为冬小麦抗寒育种提供参考依据。

1材料与方法

1.1试验设计

试验以东农冬麦1号、Nostar和济麦22为材料，其分别为强冬性、半冬性和弱冬性。这些品种均由东北农业大学小麦育种研究室提供，于2014年9月12日播种在东北农业大学小麦种植试验田内(北纬 44°04′-46°40′)，采用完全随机设计，每品种种植20行，行长5 m，行距30 cm，株距和播深均为5 cm。

1.2取样及测定方法

从冬小麦冷驯化初期(2014年10月26日)至次年返青期，每隔30 d田间取样一次，进行分蘖节显微观察。根据郑 维等[4]的标准，确定冬小麦驯化开始的时间及封冻期分别为2015年 10月26日-11月9日、2015年11月9 日-2015年3月14日。2014-2015年取样期间的气温变化见图1。

图1　试验期间黑龙江省哈尔滨市的气温变化

1.2.1枯死度和返青情况调查

每个品种随机选三行，长度1 m，调查出苗数，每行算作一个重复，并在最后一次取样时调查返青的麦苗数及枯死度，计算每个品种的返青率。枯死度分为1级抗寒、2级抗寒、3级抗寒和4级抗寒，级别越高，抗寒性越差[5]；返青情况则是以植株长出新叶为顺利返青。

返青率=(返青的麦苗数/出苗数)×100%

1.2.2形态学指标调查

观察各品种的幼苗生长习性。各品种随机取10株小麦，记录它们每个时期的叶距、叶宽及冬前分蘖数。其中叶宽为叶片中最宽距离，测量主茎所有叶片的叶宽并计算平均值；叶距为主茎上第1展开叶与第2展开叶叶枕之间的距离[6]。

1.2.3显微结构观察

田间取样后，剥去叶鞘，剪取主茎分蘖节，用FAA固定液固定，经甘油软化后进行乙醇系列脱水，通过二甲苯透明和石蜡包埋，用Leica CM 1900切片机切片，脱蜡染色并用加拿大树胶封片，Olympus-DP显微图像系统拍照，用B204LEDR生物显微镜观察各品种不同时期生长锥下方的15层细胞的细胞核变化情况、整个分蘖节中维管束所占的比例，并测量各品种不同时期生长锥下方的15层细胞大小。观察生长锥下方维管束在越冬前和返青后的形态变化。

1.3数据处理

用SPSS 17.0按照单因素进行方差分析，用Microsoft Excel 2003作图。

2结果与分析

2.1不同小麦品种枯死度和返青率的差异

东农冬麦1号、Nostar和济麦22的枯死度分别为1级、2级和4级抗寒；返青率分别为99%、62%和0.01%，不同品种间返青率差异显著(P<0.05)。说明东农冬麦1号抗寒性最强，济麦22最弱，Nostar居中。

2.2不同小麦品种形态学和显微指标的差异

东农冬麦1号、Nostar和济麦22的生长习性分别为匍匐、半匍匐和直立。品种间冬前分蘖数、叶距、叶宽均差异显著(P<0.05)(表1)。其中东农冬麦1号冬前分蘖最多，外部形态为簇状，济麦22号冬前分蘖最少。而叶距、叶宽均是东农冬麦1号最小，济麦22最大。

显微观察发现，东农冬麦1号在整个越冬时期细胞的整体形态比其他品种小，而济麦22最大；3个品种分蘖节维管束比例的表现与冬前分蘖的表现一致(表1)。顺利返青的东农冬麦1号和Nostar生长锥下方的细胞在越冬前轮廓不清晰，呈弥散型(图2)，越冬后细胞核恢复正常形态(图3)。

表1　不同品种形态学指标和显微指标差异

同列不同字母表示在0.05水平上差异显著

Different letters following values mean differences at the 5% level of significance

TBW:Tillering before over-wintering; BP:Blade pitch; BW:Blade width; CZ:Cell size; RVB:Ratio of vascular bundle

A:越冬前东农冬麦1号的生长锥；B:越冬前Nostar的生长锥；C:越冬前济麦22的生长锥；D:越冬前东农冬麦1号的细胞形态；E:越冬前Nostar的细胞形态；F:越冬前济麦22的细胞形态

A:The growth cone of Dongnongdongmai 1 before over-wintering; B:The growth cone of Nostar before over-wintering; C:The growth cone of Jimai 22 before over-wintering; D:Cell shape of Dongnongdongmai 1 before over-wintering; E:Cell shape of Nostar before over-wintering; F:Cell shape of Jimai 22 before over-wintering

图2越冬前不同冬小麦品种分蘖节内生长锥和细胞形态(2014年12月25日)

Fig.2Growth cone and cell morphology within tillering node of different varieties before over-wintering(on December 25,2014)

从图2和图3可以直观地看出不同品种间细胞的形态差异、生长锥的形态差异和细胞核的变化情况。东农冬麦1号生长锥下方的15层细胞较小，组织结构紧密，生长锥外形为敦胖形；东农冬麦1号和Nostar在越冬前维管束组织较为完整，济麦22的维管束呈现破损(图4)。经相关分析，东农冬麦1号冬前分蘖数、维管束比例与返青率呈极显著正相关(相关系数分别为0.96和0.94)，与叶距、叶宽和细胞大小呈极显著负相关(相关系数分别为-0.98、-0.99和-0.98)。

A:越冬后东农冬麦1号的生长锥；B:越冬后Nostar的生长锥；C:越冬前东农冬麦1号的细胞核形态；D:越冬前Nostar的细胞核形态；E:越冬前济麦22的细胞核形态； F:越冬后东农冬麦1号的细胞核形态；G:越冬后Nostar的细胞核形态

A:The growth cone of Dongnongdongmai 1 after over-wintering; B:The growth cone of variety Nostar after over-wintering; C:The nuclear shape of Dongnongdongmai 1 before over-wintering; D:The nuclear shape of Nostar before over-wintering; E:The nuclear shape of Jimai 22 before over-wintering; F:The nuclear shape of Dongnongdongmai 1 after over-wintering; G:The nuclear shape of Nostar after over-wintering

图3东农冬麦1号、Nostar越冬后生长锥形态以及越冬前后细胞的形态变化(越冬前：2014年12月25日；越冬后：2015年3月24日)

Fig.3Growth cone shape of Dongnongdongmai 1 and Nostar after over-wintering and the morphologicalchanges of cell before and after over-wintering

(before over-wintering:on December 25,2014; after over-wintering:on March 24,2015 )

A:东农冬麦1号；B:Nostar；C:济麦22；V:相应小麦品种主茎的维管束

A:Dongnongdongmai 1; B:Nostar; C:Jimai 22; V:Vascular bundle

图4东农冬麦1号、Nostar、济麦22在2014年12月25日的维管束形态差异

Fig.4Morphological differences of vascular bundles system of Dongnongdongmai 1, Jimai 22 and Nostar on December 25,2014

3讨 论

本研究发现,返青率较高的东农冬麦1号生长习性为匍匐，冬前分蘖较其他两个品种多，外部形态表现为簇状，叶距较小，叶窄。这与姚景侠等[7]的研究一致。姚景侠等[7]指出抗寒性强的品种在进入深冬以前往往生长缓慢，叶片窄小，叶片颜色较不抗寒品种深一些，幼苗的生活习性为完全匍匐状态，株高一般也比不抗寒品种低，而抗寒性较弱的品种，在越冬前快速生长，植株直立，叶片宽大，并且细胞组织结构大。简令成等[8]也发现不抗寒的品种在越冬前后生长较快，生理活动较旺盛，停止生理活动的时间比抗寒品种要晚。

通过对小麦分蘖节纵切并用中性红染料染色，显微观察发现一些组织形态在返青率不同的品种间存在显著性差异，如细胞大小、维管束的比例和生长锥的形态等。在同等放大倍数下，济麦22与东农冬麦1号和Nostar相比分蘖节细胞较大，细胞组织大，细胞液浓度往往较低，这符合Shi等[9]在低温条件下，蛋白质易于凝固，核膜及其他细胞器结构被破坏，发生冻害死亡的观点。东农冬麦1号和Nostar细胞较小一些，且相对密集，组织密度较大。不同小麦品种的维管组织在越冬前即在2014年12月25日表现出不同程度的破裂，以济麦22号最为严重，东农冬麦1号维管束破损程度最轻。张向前等[10]研究表明，小麦植株长期暴露于低温寒冷的冬季，会使茎秆中导管和筛管内的水分结冰体积增大，致使导管和筛管破裂，严重影响植株的水分和养分运输，进而对小麦生理生化产生一定影响。王 涛等[11]测定了不同冬小麦品种越冬前后束缚水和自由水的含量，发现抗寒性较高的东农冬麦1号中束缚水的含量较高，在高寒地区低温环境下不易结冰或结冰较少。

王召元等[12]研究发现，桃枝条的组织结构与抗寒性具有显著的相关性，其中木质部面积及其在枝条中所占的比例与抗寒性呈显著正相关。木质部细胞多具有硬而厚的壁，虽然活性低，但可以保护细胞避免由冰冻引起脱水导致膜破裂和原生质变形。本研究发现，第二年基本全部返青的东农冬麦1号维管束比例最大，而且分蘖节内的细胞与维管束镶嵌情况也较为复杂，这可能是因为东农冬麦1号的冬前分蘖比较多，形成冬前分蘖的维管束在分蘖节中与细胞有规律的交织在一起，这也符合Livingston等[13]的研究结果。抗寒性不同的冬小麦品种在进入越冬期前的长势不同，如果冬前生长快，则会降低植株的锻炼程度，使其不能进入深度休眠状态。冬前济麦22长势最好，生长锥形态为细长形，东农冬麦1号长势较慢且生长锥外形为敦胖形。付连双等[14]认为冬小麦在越冬前如果累积了足够的抗寒物质，虽然长势较慢，但能顺利返青。在越冬前东农冬麦1号和Nostar品种生长锥下方的细胞中，细胞核的核仁轮廓模糊，细胞核缩小，但大部分没有降解，济麦22大部分细胞的核仁降解，导致第二年未能达到返青，这与简令成等[8]的研究结果一致。

本研究通过观察统计,冬小麦外部形态特征和显微结构下冬小麦越冬期间分蘖节的各组织形态，发现东农冬麦1号、Nostar和济麦22的返青率与冬前分蘖、叶距、叶宽、生长锥下方的15层细胞的形态大小、生长锥长度、生长锥底部宽和维管束占分蘖节相对比例等指标均表现出显著性差异。抗寒性较高的东农冬麦1号在2015年返青率接近100%，在三个品种中返青率最高，主茎叶距比较短，叶形为细窄形，生长锥下方的15层细胞较小，组织结构紧密，生长锥外形为敦胖形，分蘖节中维管束所占的相对比例在三个品种中最高。抗寒性最差的济麦22在2015年返青率几乎为0，抗寒性极差，抗寒中等的Nostar各指标介于东农东农冬麦1号和济麦22之间。这三个品种之间的差异可能与其抗寒生理机制[15]和分子机制[16-17]不同有关，但这需要进一步研究。

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收稿日期：2015-11-28修回日期：2015-12-22

基金项目：黑龙江省教育厅科研项目(12521035)

通讯作者：李卓夫(E-mail:zflicn@163.com)

中图分类号：S512.1；S311

文献标识码：A

文章编号：1009-1041(2016)06-0795-06

Differences of Organization Structure in Different Winter Wheat Varieties at Over-wintering Stage in Cold Region

LI Minmin,LI Zhuofu,WANG Xiaonan,FU Lianshuang,SONG Yongchao,WANG Lu

(College of Agriculture,Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 150030,China)

Abstract:Freezing injury can affect growth and development of winter wheat at the over-wintering stage,and cause yield reduction and even no yield. In order to study the cold resistance mechanism of winter wheat more deeply ,in this paper,with investigation statistics and microscopic observation methods,differences in morphological structure and microscopic structure of the tillering node that comes from different cold resistance winter wheat varieties for example Dongnongdongmai 1(strong winterness),Nostar(semi-winterness) and Jimai 22(weak winterness) were compared at over-wintering stage in alpine region such as Heilongjiang. The results show that winter varieties with different death degree and returning green rate have significant differences in life habit,tiller before winter,leaf space and distribution proportion of vascular bundle. Dongnongdongmai 1 has higher returning green rate and higher distribution proportion of vascular bundle,but lower senescence rate,and less blade pitch and blade width before winter. Fifteen layer of cells at the bottom of the growth cone were lesser,and the organization structure was more closely with a chunky shape. The vascular bundle organs of Dongnongdongmai 1 and Nostar were relatively complete,but the vascular bundle of Jimai 22 has been broken before winter. The returning green rate of Dongnongdongmai 1 was significantly positively correlated with tiller number before winter and the proportion of vascular bundle,but was significantly negatively correlated with other indicators.

Key words:Cold region; Winter wheat; Over-wintering; Morphological structure; Microstructure

网络出版时间：2016-05-30

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20160530.1549.032.html

第一作者E-mail：liminmin527@163.com