灌浆期高温与干旱胁迫对小麦籽粒淀粉合成关键酶活性及淀粉积累的影响

胡阳阳　 卢红芳　 刘卫星　 康　娟　 马　耕　 李莎莎褚莹莹　 王晨阳,2,*

1河南农业大学, 河南郑州 450002; 2国家小麦工程技术研究中心, 河南郑州 450002

淀粉作为小麦籽粒主要组成成分, 其含量及积累动态决定着小麦产量和品质状况。籽粒淀粉积累受到一系列淀粉合成关键酶的调节。有研究表明,蔗糖合酶(SS)、ADPG焦磷酸化酶(AGPase)、可溶性淀粉合酶(SSS)、结合态淀粉合酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)是控制淀粉合成代谢的关键酶[1-2], 在小麦籽粒淀粉合成与积累中起重要作用。其中, 小麦籽粒直链、支链和总淀粉的积累速率与 SBE、SSS、GBSS和AGPase活性均存在显著的相关性[3-4]。

温度和水分是影响小麦生长发育的主要环境因子, 尤其是在生育后期, 对产量形成和品质优劣有重要的影响。花后高温和干旱往往导致小麦穗粒数减少, 粒重和产量显著降低[5-6]。黄淮海麦区灌浆后期还经常遭遇高温与干旱复合胁迫的危害, 甚至形成干热风天气, 导致小麦减产10%～30%[7]。随着全球气候变暖, 后期高温、干旱及其复合胁迫对小麦生产的影响呈加重趋势。

针对花后高温、干旱单因子胁迫对小麦籽粒灌浆和品质的影响已有较多研究。花后不同时期的高温胁迫均会抑制GBSS、SSS、SBE、AGPase的活性,导致淀粉积累发生改变; 胁迫发生的越早, 对淀粉积累影响越大[8]。干旱胁迫降低籽粒 SSS、SBE、AGPase的活性, 减少籽粒直、支链淀粉含量, 导致总淀粉含量显著下降[9-10]。当小麦花后遭遇极端高温(35℃以上)和干旱双重胁迫时, 会导致灌浆期明显缩短, 籽粒直链、支链淀粉和总淀粉含量降低, 影响淀粉的糊化特性, 并使籽粒蛋白质积累量和产量下降, 而且高温与干旱存在显著的互作效应[11-14]。然而, 小麦籽粒灌浆期较长, 黄淮麦区一般 35～45 d,花后高温发生时间存在较大的不确定性, 以往对短暂高温(2～4 d)的模拟与生产实际出入较大, 不仅夜间温度难以确定, 而且在返还大田后受到整个灌浆期气候条件的显著影响, 难以定量描述。本研究设置了灌浆期不同昼/夜温度模式和干旱胁迫处理, 以观测小麦籽粒淀粉合成关键酶活性及淀粉积累的变化, 探讨昼/夜高温模式与干旱复合胁迫下小麦籽粒产量形成机制, 为小麦抗逆保优栽培提供理论依据。

1　材料与方法

1.1　试验材料和试验设计

2015—2016和 2016—2017年度在河南农业大学科教试验园区, 选用高产强筋小麦品种郑麦 366进行盆栽试验, 该品种蛋白质含量 16%, 湿面筋含量33%。试验用土为耕层土壤(pH 8.0), 含有机质18 g kg-1、全氮1 g kg-1、碱解氮58 mg kg-1、速效磷68 mg kg-1、速效钾 205 mg kg-1, 田间持水量为26%。试验用盆的高27 cm, 盆口直径24 cm, 每盆装土10 kg; 播种前将装土盆钵埋于大田, 使盆内土面与大田基本齐平。于2015年10月20日和2016年10月17日播种, 播种前每盆施纯氮1.15 g、P2O51.35 g和K2O 1.15 g; 三叶期定苗, 每盆12株; 拔节期结合浇水, 每盆追施纯氮1.15 g。

开花期选择同一天开花、大小均匀的麦穗挂牌标记, 于开花后第10天, 选长势均匀一致的盆栽小麦转移至人工气候室进行逆境处理, 小麦生长至成熟。设置人工气候室光照时间为 8：00—18：00, 自然光照强度为500 μmol m-2s-1, 自动控温控湿, 温度变幅为±1℃, 相对湿度为 50%±10%。模拟适温(25℃/15℃)和高温(32℃/22℃)两种昼/夜温度模式, 在每种温度模式下设正常水分处理(土壤相对含水量75%左右)和轻度干旱处理(土壤相对含水量 50%左右), 形成 4个温度水分处理组合, 即对照(CK)、干旱(DS)、高温(HT)和高温干旱复合胁迫(HT+DS), 每处理组合15盆。对于干旱处理自高温处理前7 d开始控制浇水, 采用称重法与土壤水分测定仪TDR300相结合的方法测定土壤含水量, 确保高温处理时达到目标含水量。

逆境胁迫处理前一天取样一次, 其后每 4 d取样一次, 直至小麦成熟。每次取15个单茎(穗), 一部分籽粒样品于105℃杀青20 min, 70℃烘至恒重, 用高速万能粉碎机(天津泰斯特仪器有限公司)磨粉,用以测定直链和支链淀粉含量。另一部分样品经液氮速冻后保存于-80℃超低温冰箱, 用于测定淀粉合成关键酶活性。

1.2　淀粉合成相关酶活性测定方法

采用淀粉合成酶试剂盒(苏州科铭生物技术有限公司, 货号为SS-2-Y、GBSS-2A-Y、SSS-S-Y、AGP-2A-Y 和 SBE-2-Y)分别测定 SS、GBSS、SSS、AGPase和 SBE活性, 其中 GBSS、SSS和 AGPase活性用每克植物鲜重每分钟催化产生 NADPH的量(nmol)来表示, SS活性用每克植物鲜重每分钟催化产生的蔗糖量(μg)来表示, SBE活性以波长 660 nm下的吸光度下降百分率表示, 每克植物鲜重在反应体系中每降低1%碘蓝值为一个酶活力单位。

1.3　籽粒淀粉含量及淀粉积累速率测定方法

采用双波长法[15]测定直链、支链淀粉含量, 两者之和为总淀粉含量。

式中,n为开花后天数,Rn为第n天的淀粉积累速率,Cn+4和Cn-4分别为第n+4天和第n-4天的淀粉积累量。

1.4　数据处理和做图

用 SPSS 21.0软件进行方差分析和相关分析,用Microsoft Excel 2003绘制折线图。

2　结果与分析

2.1　高温与干旱胁迫对小麦籽粒淀粉合成关键酶活性的影响

2.1.1高温与干旱胁迫下GBSS活性变化灌浆期不同处理小麦籽粒GBSS活性变化均为单峰曲线,CK和DS处理的GBSS活性于花后26 d达到峰值,而HT及HT+DS处理峰值分别提前至花后18 d和14 d (图 1-A)。总的来看, 无论单因子或复合胁迫,胁迫初期(花后14 d) GBSS活性均高于CK, 自花后18 d开始,HT和HT+DS处理GBSS活性迅速降低,与CK差距很大, 而DS处理在花后30 d才显著低于CK (P＜0.05)。

2.1.2高温与干旱胁迫下SSS活性变化不同处理小麦籽粒 SSS活性的变化趋势均呈单峰曲线(图1-B)。CK、DS、HT及 HT+DS处理 SSS活性分别于花后26 d、22 d、18 d、14 d达最大值, 表明HT、DS及HT+DS均使SSS活性峰值提前。与CK相比,逆境胁迫下在花后10～22 d提高了籽粒SSS活性, 但之后开始显著低于对照(P＜0.05)。

图1　灌浆期不同胁迫处理小麦籽粒淀粉合成关键酶活性的变化Fig. 1　Dynamics of starch synthesis key enzyme activities during grain filling under different stress treatmentsHT： 高温; DS： 干旱; HT+DS： 高温与干旱复合胁迫。DS： drought stress; HT： high temperature stress;HT+DS： compound stress of HT and DS.

2.1.3高温与干旱胁迫下SBE活性变化在胁迫4 d (花后14 d)时, HT处理使SBE活性略高于CK,之后迅速降低, 平均比CK低23.3% (2015—2016年度)和31.2% (2016—2017年度); 而DS及HT+DS处理全程导致SBE活性降低, 尤其是从花后14 d开始,2015—2016年度平均分别下降28.8%和46.8%, 2016—2017年度平均下降23.3%和41.2% (图1-C)。

2.1.4高温与干旱胁迫下AGPase活性变化小麦籽粒 AGPase活性变化趋势与 GBSS活性一致,CK和DS处理AGPase活性于花后22 d达到最大值, 而 HT及 HT+DS处理的峰值分别提前到花后18 d和14 d。花后18 d, HT处理AGPase活性略高于对照, 之后各处理 AGPase活性均迅速降低,HT+DS处理酶活性最低, 其次是HT处理, 再次是DS处理(图1-D)。说明AGPase活性受高温胁迫的影响大于干旱胁迫, 并且复合胁迫表现出显著的叠加效应。

2.1.5高温与干旱胁迫下 SS活性变化不同处理籽粒SS活性的变化均呈单峰曲线, 除DS处理SS活性在花后14 d达到最大值, 其他处理均于花后18 d达到峰值, 之后迅速下降(图 1-E)。HT及 HT+DS处理使小麦籽粒SS活性显著降低, 2015—2016年度平均比CK低23.8%和32.1%, 2016—2017年度平均低18.2%和29.5%; 而DS处理SS活性在花后10～18 d高于 CK, 之后平均比 CK低 19.1% (2015—2016年度)和25.6% (2016—2017年度)。HT对SS活性的影响大于DS, HT+DS处理, SS活性降幅最大。

2.2　高温与干旱互作对小麦籽粒淀粉合成关键酶活性影响的方差分析

HT处理对花后14 d的SBE和AGPase活性影响不显著, 对其他各时期各种所测淀粉合成关键酶的活性影响均达显著水平; DS除对花后 14 d的GBSS影响不显著外, 对所有关键酶活性的影响均达显著水平;高温与干旱对淀粉合成关键酶活性的影响存在显著的互作效应(表1)。

2.3　高温与干旱胁迫对小麦籽粒淀粉积累的影响

2.3.1高温与干旱胁迫对小麦籽粒淀粉含量的影响

表1　高温与干旱胁迫对小麦籽粒淀粉合成关键酶活性影响的互作效应方差分析(F值)Table 1　Variance analysis on interaction of HT and DS on activity of key starch synthesis enzymes (F-value)

小麦籽粒中直、支链淀粉及总淀粉含量变化趋势一致(图2), HT、DS及HT+DS均使籽粒淀粉含量显著下降。与CK相比, DS、HT及HT+DS处理的直链淀粉含量下降5.9%、10.2%、19.7% (2015—2016年度)和5.5%、9.5%、19.2% (2016—2017年度), 支链淀粉含量分别低7.2%、11.2%、18.2% (2015—2016年度)和 6.7%、11.2%、18.3% (2016—2017年度), 总淀粉含量下降 6.9%、10.99%、18.6% (2015—2016年度)和6.4%、10.8%、18.5% (2016—2017年度)。可见, HT对籽粒淀粉含量的影响大于DS, HT+DS大于单一胁迫。同时, 逆境胁迫缩短了小麦生育期,DS、HT及HT+DS较CK分别缩短4 d、8 d和12 d。

图2　不同处理籽粒直链淀粉(A)、支链淀粉(B)和总淀粉含量(C)的变化Fig. 2　Changes of amylose (A) amylopection (B), and total starch (C) contents under different treatmentsHT： 高温; DS： 干旱; HT+DS： 高温与干旱复合胁迫。DS： drought stress; HT： high temperature stress;HT+DS： compound stress of HT and DS.

2.3.2高温与干旱胁迫对小麦籽粒淀粉积累速率的影响不同处理下小麦籽粒淀粉积累速率均呈单峰曲线变化, HT和HT+DS在花后14 d达到峰值, CK和DS于花后18 d达到峰值(图3)。HT、DS及HT+DS均降低了小麦籽粒淀粉积累速率, 分别较 CK下降6.0%、11.4%、21.8% (2015—2016年度)和 8.4%、11.9%、26.4% (2016—2017年度)。

2.4　高温与干旱胁迫对成熟期小麦籽粒淀粉及其组分含量的影响

HT、DS及其复合胁迫(HT+DS)均显著降低小麦籽粒直链、支链和总淀粉含量(表 2)。与 CK相比,HT、DS和HT+DS直链淀粉的含量分别下降10.6%、4.1%、14.5% (2015—2016年度)和 10.2%、4.2%、14.9% (2016—2017年度), 支链淀粉含量分别下降13.8%、6.9%、19.7% (2015—2016年度)和13.4%、6.0%、18.7% (2016—2017年度), 总淀粉含量分别下降13.0%、6.2%、18.4% (2015—2016年度)和12.7%、5.6%、17.8% (2016—2017年度)。HT、DS及 HT+DS使成熟期籽粒淀粉直/支比分别较 CK提高 3.7%、3.5%、6.4% (2015—2016年度)和3.7%、1.9%、4.6%(2016—2017年度)。表明高温胁迫对淀粉组成的影响大于干旱, 而复合胁迫具有叠加效应。

图3　不同处理小麦籽粒淀粉积累速率的变化Fig. 3　Changes of starch accumulating rate in wheat grains under different treatmentsHT： 高温; DS： 干旱; HT+DS： 高温与干旱复合胁迫。DS： drought stress; HT： high temperature stress;HT+DS： compound stress of HT and DS.

2.5　高温与干旱胁迫对小麦籽粒产量及其构成因素的影响

HT和DS处理从花后10 d开始, 小麦穗数、穗粒数已基本确定, 因此各处理的穗数和穗粒数差异不显著, 但千粒重和籽粒产量都显著低于对照, 以复合胁迫造成的减产最明显(表 3)。HT+DS处理的千粒重和盆产量两年度降幅为 33.4%～36.6%和33.5%～38.1%; HT处理使千粒重和盆产量降低17.6%～22.5%和 20.5%～21.5%; DS处理的减产幅度相对较小, 千粒重下降 13.7%～14.5%, 盆产量下降18.1%～18.3%。

2.6　小麦籽粒淀粉合成关键酶活性与淀粉积累量的相关性

在多数测定时期, 籽粒GBSS、SSS活性与支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的含量均呈极显著正相关(花后 22 d直链淀粉除外); 在灌浆后期(花后22～26 d), SBE、AGPase活性与籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的含量亦呈极显著正相关; SS活性在灌浆初期(花后14 d)与籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的含量均呈极显著负相关, 而后期(花后22～26 d)则呈显著正相关(表 4)。由此可见, GBSS、SSS、SBE、AGPase和 SS共同参与籽粒淀粉的合成与积累, 但其功能与作用时期有所不同。

表2　不同处理成熟期小麦籽粒淀粉及其组分含量Table 2　Starch content and its components in wheat grain under different treatments at maturity

表3　不同处理对成熟期小麦籽粒产量及其构成因素的影响Table 3　Effects of different treatments on grain yield and its components of wheat

3　讨论

3.1　高温干旱胁迫下小麦籽粒淀粉合成关键酶活性与淀粉积累

小麦籽粒的充实过程主要是淀粉的合成与积累过程, 受一系列与淀粉合成有关酶的调控[16]。AGPase、SSS、GBSS、SBE和SS被认为是调控淀粉合成的关键酶[17-18]。灌浆期高温、干旱导致小麦籽粒淀粉积累量下降, 一方面是由于籽粒蔗糖供应减少引起糖原不足, 另一方面则因灌浆中后期淀粉合成关键酶活性下降[8,19-22]。逆境胁迫对籽粒淀粉合成关键酶活性的影响与籽粒发育阶段有关,高温、干旱诱导了胁迫初期籽粒GBSS、SSS、SBE、AGPase和SS的活性, 而对胁迫后期的酶活性起抑制作用, 从而导致籽粒淀粉积累速率下降[23-25]。孙立影等[26]对春小麦花后不同时期施以短暂高温(35±3, 3 d), 结果籽粒AGPase、SSS 和SBE活性较对照下降7%～13%。石慧清等[19]在大田条件下于花后设置增温棚(增温2～5℃), 观测到高温处理使持绿型小麦品种籽粒SS、AGPase和SSS活性峰值分别下降7.7%、10.0%和 21.5%, 非持绿型小麦品种分别下降14.1%、27.7%和 27.9%, 表明小麦对高温胁迫的响应存在着基因型差异。本研究在昼夜高温模式下,籽粒 SS、AGPase、SSS和 SBE活性的峰值较对照平均分别下降11.1%、15.6%、3.6%和3.5%, 并在多数测定时期低于对照。高温、干旱及其复合胁迫提高了灌浆前期籽粒 GBSS、SSS活性, 而降低了灌浆后期的酶活性。从影响程度上看, 高温胁迫的影响大于干旱, 复合胁迫大于单一胁迫, 表现出明显的叠加效应。研究证明, 籽粒SSS、SBE、AGPase和 SS活性与支链淀粉的合成具有显著的相关性,而GBSS、AGPase和SS的活性与直链淀粉合成关系密切[2,10,27-28]。在本研究中, SSS和GBSS活性与籽粒支链、直链和总淀粉含量在多个测定时期均存在极显著正相关, 而SS、AGPase和SBE活性在灌浆后期(22～26 d)与籽粒支链、直链和总淀粉的含量呈极显著正相关, 表明高温、干旱及其复合胁迫对淀粉积累的影响是淀粉合成相关酶综合作用的结果。

表4　小麦籽粒淀粉合成关键酶活性与淀粉积累的相关系数Table 4　Correlation coefficients of activities of key starch synthesis enzymes with contents of starch and its components

3.2　高温干旱胁迫下小麦籽粒淀粉积累与产量

籽粒淀粉的合成与积累既受遗传因素的影响,也易受环境条件的影响[29-31]。高温和干旱胁迫对小麦内部结构和功能会造成一定的损伤[32-34], 灌浆期超过30℃的温度显著影响小麦籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量, 导致粒重和产量下降[22,35-37]。胡吉帮等[38]研究表明, 灌浆前中期短暂高温(38℃,2～4 d)可导致小麦的成熟期提前3～5 d。本研究在不同昼夜温度模式下, 高温、干旱及复合胁迫分别使小麦生育期缩短8、4和12 d。可见, 灌浆期持续的逆境胁迫(如昼夜温度模式)对小麦植株的影响大于短期极端高温。在本试验干旱胁迫下, 2015—2016年度在灌浆前期籽粒直链、支链和总淀粉含量与对照差异不显著, 而2016—2017年度则使其显著增加,这种差异性可能与处理之前的气候条件差异或水分控制有关, 但随着胁迫时间的延长, 最终均导致籽粒直链、支链和总淀粉含量的显著下降, 两年结果一致。试验结果还表明, 高温胁迫初期会提高淀粉积累速率, 但随着胁迫时间的延长, 籽粒发育进程加快, 成熟期提前, 最终淀粉积累速率下降, 直链、支链和总淀粉含量低于对照, 粒重降低, 这与李春艳等[39]研究结果一致。杨晓娟等[33]研究认为干旱胁迫对小麦籽粒淀粉积累和粒重的影响比短暂高温胁迫更为明显, 而岳鹏莉等[12]通过设置花后短暂高温(38℃)、干旱(55%)及其复合胁迫处理, 使小麦粒重分别下降34.4%、7.6%和43.2%, 表明高温胁迫的影响大于干旱处理。本研究中, 高温、干旱及其复合胁迫使小麦淀粉含量平均较对照分别下降 10.9%、6.7%和 18.6%, 粒重平均分别下降20.2%、14.1%和35.1%, 产量平均分别下降 20.1%、18.2%和 35.8%,即高温的影响大于干旱胁迫, 复合胁迫具有明显的叠加效应。上述试验结果的差异与胁迫强度、持续时间(如短暂高温或持续昼夜温度模式)及胁迫处理时期有关, 同时还因基因型不同而有所差异。

4　结论

小麦灌浆期持续高温、干旱及其复合胁迫均导致小麦籽粒淀粉合成关键酶活性降低, 籽粒总淀粉及其组分含量减少, 进而粒重下降, 产量降低。本试验条件下, 高温处理对小麦籽粒淀粉合成关键酶活性、淀粉积累及产量的影响大于干旱胁迫, 且高温与干旱具显著的互作效应。高温与干旱胁迫通过影响籽粒中GBSS、SSS、SBE、AGPase和SS活性而改变淀粉积累特性, 最终影响小麦籽粒产量。

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