河南省不同年代小麦品种苗期渗透胁迫的生理响应

张鹏钰，卫 丽，白田田，张宝娜，杨明达，韩静丽，关小康，王同朝

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002；2.河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450002)

河南省不同年代小麦品种苗期渗透胁迫的生理响应

张鹏钰1，卫 丽1，白田田1，张宝娜1，杨明达2，韩静丽1，关小康1，王同朝1

(1.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450002；2.河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450002)

为探讨河南省小麦品种更替过程中抗旱性演变规律，选用20世纪60年代以来河南省主推的11个小麦品种，在小麦幼苗长至两叶一心期用20% PEG6000(m/V)渗透胁迫处理48，120 h，研究不同品种的生理抗旱特性，采用模糊隶属函数方法计算每个指标的隶属函数值，并对幼苗期抗旱性进行综合评价。结果表明：河南省小麦品种9次更新换代过程中，小麦幼苗期抗旱性逐渐增强。渗透胁迫条件下，各品种叶片相对含水量、叶绿素含量均呈下降趋势，SOD活性和POD活性均呈上升趋势。通过系统聚类分析法对11个品种的抗旱性进行分类，洛旱2号和洛旱12号2个为强抗旱性品种；郑麦9023、豫麦21、豫麦49-198和周麦18为中抗旱性品种；豫麦18、郑麦366和丰产3号为弱抗旱性品种；百农3217和郑引1号为水分敏感型品种。11个小麦品种苗期抗旱性表现为：洛旱2号>洛旱12号>郑麦9023>豫麦21>豫麦49-498>周麦18>豫麦18>郑麦366>丰产3号>百农3217>郑引1号。

小麦；苗期；抗旱性；生理响应

小麦是河南省主要夏粮作物，每年播种面积约534万hm2，其产量占全国小麦总产的1/4，因而河南小麦生产对我国粮食安全及国民经济发展起到十分重要的作用。干旱是影响小麦生长发育和分布的最主要环境因子，周期性或难以预测性干旱常常造成小麦大面积减产，旱灾已成为影响小麦生产安全的主要非生物胁迫因子[1-2]。作物的抗旱性是一个极其复杂的生物学性状，是多个因素共同作用的结果[3-5]。近年来，国内外专家学者对小麦的抗旱性进行了广泛的研究，提出了小麦抗旱性鉴定的一些方法和评价依据[6-7]。金善宝[8]研究发现，小麦抗旱性差异的内在原因在于水分胁迫条件下小麦生理生化的差异。王敏杰[9]研究认为，叶片叶绿素含量直接决定光合作用效率，水分胁迫对叶绿素造成破坏，导致光合速率和光合生产率的下降、作物减产。干旱胁迫条件下，一些保护酶类，超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)等通过调节自身活性使作物适应干旱的环境条件[10-11]。陈红兵等[12]通过对不同小麦品种抗旱性研究发现，幼苗在水分胁迫条件下MDA与抗旱性呈负相关，SOD、POD活性的变化与小麦的抗旱性呈显著正相关。抗旱性强的品种，其MDA变化程度越小、SOD活性则大幅度地升高。小麦幼苗时期的形态指标和部分生理生化指标受干旱胁迫影响较大，不同的品种间差异较为明显，因此，从不同侧面反映了品种的抗旱能力。

我国是世界上主要的干旱缺水国家之一，旱地农业耕作面积约3 300万hm2，据报道，至2050年，我国仍将处于一个大范围干旱频数显著增加的时期[13]，要减缓干旱对作物造成的危害，除了开展节水灌溉、改进耕作栽培技术外，提高小麦自身的抗旱能力是实现抗旱减灾的根本措施。因此，培育高产优质抗旱小麦品种显得尤为重要[14]。为此，选取河南省小麦品种更替过程中自60年代(第3次)至今仍大面积推广种植的11个品种，通过分析水分胁迫下小麦苗期的生理特征变化，利用抗旱系数与隶属函数相结合的方法，对河南省不同年代小麦品种苗期抗旱性进行综合分析，旨在为培育耐旱性强且水分高效利用的新品种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本试验选用的材料为河南省第3～9次小麦品种更新过程中的11个品种，由国家小麦工程技术研究中心2013年种植提供，详见表1。

表1 小麦品种Tab.1 Wheat varieties

1.2 试验方法

各个品种选取籽粒饱满、大小均一的小麦种子，用75%酒精冲洗2次，每次30 s。用蒸馏水反复冲洗3～5次，每次冲洗5 min。在黑暗条件下浸泡过夜，然后置于(25±2)℃暗培养箱中12 h催芽。待种子萌动露白后，取萌发一致的种子，腹沟向下摆在培养皿里，每个培养皿中80粒种子，置于(25±2)℃培养箱中培养，16 h光照，8 h 黑暗交替培养。待小麦长至两叶一心期时添加用1/2MS营养液配置成20%的PEG6000(-0.975 1 MPa)进行渗透胁迫处理，对照继续添加1/2MS营养液培养。

1.3 测定指标及方法

渗透胁迫处理48，120 h后，随机抽取植株叶片中间部位进行生理生化指标的测定。每个指标设对照和处理，各3次重复。用烘干法测定叶片相对含水量(RWC)[15]；分光光度计法测定叶绿素含量[16]；NBT光还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[17]；愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[18]。硫代巴比妥酸显色法测定丙二醛(MDA)含量[19]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010软件处理数据并作图，用SPSS.V12.0生物统计软件进行差异显著性分析，用SPSS.V 12.0软件对数据进行系统聚类。

1.5 抗旱性能评价

1.5.1 抗旱系数的计算 各个指标的抗旱系数(DRC)=渗透胁迫指标的测定值(T)/对照指标的测定值(CK)。

1.5.2 隶属函数的计算 采用模糊隶属函数法，对不同年代的小麦品种各个测定指标的隶属函数值计算加权平均值，来评价不同年代小麦品种抗旱性的差异[20]。

隶属函数值(正相关)的计算公式：U(Xij)=(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1，2，3……；

隶属函数值(负相关) 的计算公式：U(Xij)=1-(Xij-Xmin)/(Xmax-Xmin)，j=1、2、3……；

2 结果与分析

2.1 渗透胁迫对不同年代小麦品种幼苗相对含水量的影响

参试品种幼苗叶片的相对含水量为82%～95%。渗透胁迫后，各品种幼苗相对含水量均不同程度的降低(图1)。渗透胁迫48 h后，洛旱12、郑麦366仍保持较高的相对含水量，而郑引1号、豫麦21相对含水量由原来的82%，84%分别下降至68%，74%，与其他品种存在显著差异。渗透胁迫120 h，郑麦366、郑麦9023、百农3217相对含水量下降趋势较为明显，与处理48 h相比，下降了12%～17%。洛旱2号一直保持较高的相对含水量，与其他品种存在显著差异(图1)。

图1 20% PEG6000渗透胁迫对小麦叶片相对含水量的影响Fig.1 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on leaf relative water content

2.2 渗透胁迫对不同年代小麦品种幼苗叶绿素含量的影响

不同年代小麦品种的叶绿素含量不同，含量较高的为洛旱2号和洛旱12，较低的为百农3217和郑引1号。渗透胁迫48 h，郑麦366和洛旱2号叶绿素含量降低，与其他品种存在显著差异。随着胁迫时间的延长，叶绿素含量呈不断下降的趋势。胁迫120 h，叶绿素含量下降较多的品种为豫麦21和郑麦366，与对照相比，分别下降20%，17%，但与胁迫48 h相比，分别下降了15.0%，3.6%。在渗透胁迫下叶绿素含量依旧较高的小麦品种，其在渗透胁迫条件下具有较强的适应性(图2)。

图2 20% PEG6000渗透胁迫对叶绿素含量的影响Fig.2 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on chlorophyll content

2.3 渗透胁迫对不同年代小麦品种SOD活性的影响

渗透胁迫条件下小麦幼苗时期的SOD活性均呈上升趋势，但不同小麦品种SOD活性上升的速度不同。干旱胁迫120 h上升的速度较48 h快。在整个渗透胁迫过程中，郑引1号、丰产3号的SOD活性与对照相比上升较为缓慢，与对照相比仅增长了10%左右，周麦18、洛旱12及郑麦366总体活性比其他品种上升快，渗透胁迫120 h与48 h相比增长了45%左右，与其他品种存在显著差异，可能是渗透胁迫产生的自由基作为底物诱导和加强了抗氧化酶的活性(图3)。

图3 20% PEG6000渗透胁迫对小麦SOD活性的影响Fig.3 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on SOD activity

2.4 渗透胁迫对不同年代小麦品种POD活性的影响

在一定的渗透胁迫下，小麦幼苗可以通过提高自身保护酶POD的活性来适应干旱环境。由图4可知，不同年代小麦品种幼苗时期叶片的POD活性迅速上升，但不同的小麦品种，POD活性增加的量不同，其中郑麦9023和洛旱12上升幅度最大，分别为29.25%，55.33%。渗透胁迫下，120 h上升的速度比48 h上升的速度快。在整个渗透胁迫过程中，郑麦9023的POD活性变化最为明显，与其他品种存在显著差异。(图4)。

图4 20% PEG6000渗透胁迫对小麦POD活性的影响Fig.4 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on POD activity

2.5 渗透胁迫对不同年代小麦品种MDA含量的影响

渗透胁迫下，不同品种叶片MDA的含量均呈现增多的趋势，且不同小麦品种间差异较大，尤其是胁迫处理120 h后水分敏感型品种均表现为MDA迅速积累，郑引1号、丰产3号与对照相比增长了23%，而抗旱性较强的品种MDA积累较为缓慢，洛旱2号与对照相比增长了1.18%，说明不同品种与不同渗透胁迫时间MDA含量变化各不相同(图5)。

2.6 不同年代小麦品种苗期抗旱性的综合评价

采用模糊数学隶属函数法，对11个小麦品种的各个测定指标分别求其隶属函数值，通过加权隶属函数法得出不同年代小麦品种在幼苗期的抗旱隶属函数值D值，根据D值的大小来判断每个品种的抗旱性。由表2可知，洛旱2号和洛旱12号为强抗旱性品种，郑麦9023、豫麦21、豫麦49-498、周麦18为2级中抗旱型品种，豫麦18、郑麦366、丰产3号为3级弱抗旱性的品种，百农3217和郑引1号为不抗旱的品种。

2.7 系统聚类法对不同年代小麦品种幼苗期抗旱性综合评价

对11个不同年代小麦品种的抗旱系数进行聚类分析。其结果表明，将不同年代小麦品种分为4类，第1类为强抗旱型品种，分别为V7和V8，第2类为中抗旱型小麦品种，分别为V11、V5、V10、V9，第3类为弱抗旱型品种，分别为V4、V6、V1，第4类为不抗旱型品种，分别为V3和V2(图6)。

图5 20% PEG6000渗透胁迫对小麦MDA含量的影响Fig.5 Effect of 20% PEG6000 osmotic stress on malondialdehyde content

品种编号Cultivarscodes隶属函数值ThesubordinatefunctionvaluesRWCChlSODPODMDAD值Dvalue抗旱性评价DroughtresistanceevaluationV10．7460．7300．4850．3660．0000．4703V20．0000．6870．0000．7390．3770．3024V30．4810．0000．5190．3350．0020．2854V40．5430．7190．5980．4460．1940．5022V50．7221．0000．3820．5000．7170．6542V60．7660．2340．8350．5060．0060．4953V70．7760．6340．7741．0000．9890．8251V80．8110．6740．8780．6280．9840．8141V90．5230．5260．8330．7760．5870．6502V101．0000．2120．8670．0000．7130．6302V110．7030．4701．0000．0521．0000．7102权重Weights0．2240．1790．2530．1360．208

图6 系统聚类分析Fig.6 System cluster analysis

3 结论与讨论

小麦幼苗期是小麦生长过程中由营养生长向生殖生长过渡的一个重要时期，与小麦的成苗率和最终产量直接相关。因此，在干旱条件下了解不同年代小麦品种幼苗期的抗旱性，对于促进成苗、减少干旱造成的损失具有重要的意义[21]。研究表明，小麦幼苗时期，渗透胁迫下，不同的小麦品种幼苗期的生长过程中形态变化与生理生化指标的变化存在显著差异，生理生化指标如相对含水量、SOD活性等在小麦体内的变化有一定的规律性，这与渗透胁迫的时间和胁迫程度有关。在抗旱性鉴定相关的生理生化指标测定中，不同品种的抗旱性强弱在不同指标中并不相同，随着渗透胁迫时间的延长，各个指标变化较为明显。

小麦幼苗时期形态指标和生理生化指标受渗透胁迫影响较大，品种之间差异明显。在生理指标测定中，各个品种抗旱性强弱在不同的指标中表现不同。叶绿素含量在不同的小麦品种间差异显著，随着渗透胁迫时间的延长，叶绿素含量明显降低，但在品种之间抗旱系数差异则不显著；但不同品种在渗透胁迫下，SOD活性存在差异，抗旱性强的品种如郑麦366、周麦18，其SOD活性明显高于其他品种，与其他品种存在显著差异；在整个渗透胁迫过程中，POD的活性均比对照要高，但增加的量不同，其中郑麦9023和洛旱12上升幅度最大，分别为29.25%，55.33%。随着渗透胁迫时间延长，胁迫处理120 h上升的速度比48 h快。MDA的含量不仅表示膜脂过氧化程度，也间接表示了组织中自由基的含量。在PEG6000模拟的渗透胁迫条件下，各个小麦品种叶片细胞内丙二醛含量差别很大，尤其是胁迫处理120 h后水分敏感型品种普遍表现为MDA迅速积累，如郑引1号、百农3217，而抗旱性较强的品种洛旱2号、洛旱12号MDA积累量较少，膜损伤程度较低。与郜俊红等[21]、芦静等[22]、齐秀东等[23]，王曙光等[24]的结果基本一致。由此可推断出小麦幼苗期适应干旱环境主要是通过降低相对含水量、调节保护酶的活性等来降低干旱对其损伤的程度。

干旱作为一个非生物胁迫因子，是一个复杂的、交互作用的系统，并不能用单一的指标来判断一个品种的抗旱性强弱。同一个小麦品种的不同抗旱指标的抗旱系数并不相同，且不同的小麦品种的同一抗旱指标的抗旱性也不相同。因此，用任何单一指标的抗旱系数来评价小麦品种幼苗期的抗旱性都存在片面性。为了弥补单一指标带来的偏差，多采用隶属函数法，即累加指定品种各指标的抗旱隶属值，求其平均值，根据各品种平均值大小确定抗旱性强弱。该方法使单个指标对评定抗旱性的局限性得到其他指标的弥补和缓解，从而使评定的结果与实际结果较为接近。

干旱是影响小麦生长发育的主要环境因子，随着水资源的匮乏，干旱将逐渐成为限制我国粮食生产的主要瓶颈因素，因此培育节水抗旱、耐旱小麦品种已成为主要的育种目标。从本试验研究结果来看，河南省小麦品种更替过程中，现代育成的小麦品种抗旱性要好于20世纪70-80年代，一是归结于抗旱种质资源的利用和创新，二是在选育过程中注重了抗旱指标的筛选。同时发现相对含水量是植物组织水分状况的重要指标，对于抗旱育种的选择具有重要意义。渗透胁迫条件下，作物减产的主要原因是水分胁迫造成叶片光合作用的减弱[23]。在渗透胁迫下叶片如可以保持较高的含水量品质，表明在渗透条件下具有较强的适应性，仍可以维持较高的相对含水量，对维持一定的气孔开度和光合作用具有重要的作用。通过主成分分析计算的权重分析表明SOD活性、叶片相对含水量对苗期抗旱性影响较大，因此可在苗期对育种后代材料进行抗旱性初步筛选，对于提高育种效率具有较大的应用价值。

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Physiological Response to Osmotic Stress at Seedling Stage of Wheat Cultivars from Different Periods in Henan Province

ZHANG Pengyu1，WEI Li1，BAI Tiantian1，ZHANG Baona1，YANG Mingda2，HAN Jingli1，GUAN Xiaokang1，WANG Tongchao1

(1.Agronomy College，Henan Agricultural University，Zhengzhou 450002，China； 2.Henan Food Crops Collaborative Innovation Center，Zhengzhou 450002，China)

Eleven representative wheat varieties from 1960s to now were selected to explore the evolution of wheat varieties of Henan Province under drought stress.At two-leaf stage，the drought stress was carried out by 20%-PEG6000(m/V) for 48，120 h，and the physiological drought resistance of different cultivars at seedling stage was analyzed by fuzzy subordinate function of each index.The results indicated that drought stress presented an increasing trend in the nine times of wheat variety upgrading in Henan Province.Under drought stress，relative water content and chlorophyll were reduced，while SOD and POD activity kept rising.Clustering analysis indicated that the 11 cultivars could be classified as four types：highly resistant type (Luohan 2 and Luohan 12)；drought resistant type (Zhengmai 9023，Yumai 21，Yumai 49-198 and Zhoumai 18)，weakly resistant type (Yumai 18，Zhengmai 366 and Fengchan 3) and highly sensitive type (Bainong 3217 and Zhengyin 1).The performance of drought resistance in 11 wheat varieties was Luohan 2>Luohan 12>Zhengmai 9023>Yumai 21>Yumai 49-198>Zhoumai 18>Yumai 18>Zhengmai 366>Fengchan 3>Bainong 3217>Zhengyin 1.

Wheat；Seedling stage；Drought resistance；Physiological response

2016-05-20

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD14B08；2012BAD04B07)；国家自然科学基金项目(31471452)

张鹏钰(1991-)，女，河南郑州人，在读硕士，主要从事作物生理生态研究。

王同朝(1964-)，男，河南社旗人，教授，博士，主要从事作物生理生态研究。

S512.01

A

1000-7091(2016)06-0119-06

10.7668/hbnxb.2016.06.019