春季低温胁迫对不同小麦品种结实率及叶片生理特性的影响

谢凤仙 王智煜 张自阳

摘要 [目的]研究低温胁迫对小麦生长发育的影响。[方法]以百农207、AK58、郑麦366叶片为材料，在小麦四分体时期对其进行低温（0 ℃，3 d）处理，测定四分体时期小麦叶片中超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性、可溶性蛋白含量、丙二醛（MDA）含量等生理指标，并调查小麦结实率。[结果] 3个小麦品种遭到低温胁迫后的抗氧化酶活性增加，对小麦起到保护作用，其中百农207和AK58抗氧化酶活性相比于对照增长较大，而郑麦366抗氧化酶活性相比于对照增长幅度较小；同时郑麦366受到低温胁迫MDA含量明显高于百农207和AK58，即郑麦366叶片发生脂质过氧化作用，细胞膜破坏最严重。[结论]百农207、AK58四分体时期抗倒春寒能力比较强，而郑麦366抗倒春寒性较差。

关键词 小麦；四分体时期；低温胁迫；结实率；生理特性

中图分类号 S512.1 文献标识码

A 文章编号 0517-6611（2018）32-0033-03

Effects of Low Temperature Stress on the Seed Yield and Physiological Characteristics of Different Wheat Varieties in Spring

XIE Fengxian1，WANG Zhiyu2，ZHANG Ziyang2 （1.Wuzhi Station for Popularizaing Agricultural Technique，Wuzhi，Jiaozuo 454950；2.Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang，Henan 453003）

Abstract [Objective]To study the effect of low temperature stress on the growth and development of wheat.[Method] The leaves of Bainong 207，AK 58 and Zhengmai 366 were treated at low temperature （0） at tetrad stage to determine the activity of superoxide dismutase （SOD） in wheat leaves at tetrad stage.The activity of peroxidase（POD），the content of malondialdehyde （MDA） and other physiological indexes were investigated，and the seed setting rate of wheat was investigated.[Result]The antioxidant enzyme activities of the three wheat varieties increased after being subjected to low temperature stress，which played a protective role in wheat.The antioxidant enzyme activities of Bainong 207 and AK 58 were higher than those of the control.The antioxidant enzyme activity of Zhengmai 366 was smaller than that of control.At the same time，the MDA content of Zhengmai 366 was significantly higher than that of Bainong 207 and AK 58 under low temperature stress，indicating that the leaves of Zhengmai 366 had lipid peroxidation and cell membrane damage was the most serious.[Conclusion]Bainong 207 and AK 58 had a strong ability to resist the cold in the spring.However，Zhengmai 366 had poor resistance to inverted spring cold.

Key words Wheat；The tetrad period；Low temperature stress；Seed setting rate；Physiological characteristics

基金項目 河南省基础与前沿技术研究计划项目（162300410142）。

作者简介 谢凤仙（1966—），女，河南武陟人，高级农艺师，从事小麦高产栽培技术研究。*通讯作者，副教授，从事小麦遗传育种研究工作。

收稿日期 2018-09-27

近年来，黄淮麦区爆发大面积的早春（倒春寒）冻害。2004年，受害的冬小麦面积为333万hm2 [1]。仅河南省发生倒春寒的面积超过133.3万hm2，其中几乎26.7万hm2出现绝收。2009、2013和2018年，黄淮麦区和长江中下游麦区再次经历了大面积的倒春寒。倒春寒的频繁发生严重影响了小麦的高产稳产，其特点具有随机性和不可预测性，使得人为的农艺预防和补救方法难以跟上，容易造成小麦产量不可逆转的损失。

低温胁迫下植物产生大量过氧化氢和O2-、OH-等活性氧自由基，活性氧会导致膜脂质过氧化和膜系统氧化损伤[2]。植物体内有一系列的酶和非酶抗氧化剂清除活性氧自由基，保护植物细胞免受活性氧损伤，维持细胞膜系统的稳定性，增加植物的耐寒性[3]。前人研究表明，清除活性氧过程中最重要的抗氧化酶有SOD、POD、CAT等。这些抗氧化酶能够使植物在一定程度上具有耐受、减缓或抵抗低温胁迫的能力[4]。植物在温度降低的过程中，临界低温会导致膜脂的相变，以及

细胞膜的通透性和细胞膜结构的改变，导致细胞代谢紊乱和细胞功能的丧失，从而对植物体造成损害。低温胁迫下小麦能够产生一系列的生理生化变化，如超氧化物歧化酶（SOD）活性和过氧化氢酶（CAT）活性、过氧化物酶（POD）活性和MDA含量的变化，这些均可作为植物抗寒性鉴定的指标[5-8]。

笔者以半冬性小麦品种百农207、AK58、郑麦366为试验材料，研究低温胁迫对小麦结实率、抗氧化酶活性的影响，找出小麦对低温胁迫的响应机制，为小麦抗倒春寒种质资源筛选及品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验材料为百农207，AK58，郑麦366，均由河南省小麦杂交工程中心提供。

1.2 试验方法

试验于2016—2017年在河南省新乡市河南科技学院作物育种实验室进行，材料的种植采用盆栽方法，盆栽土取大田耕层0～25 cm深处土壤，土壤平均碱解氮含量62.1 mg/kg ，速效磷11.1 mg/kg ，速效钾130.5 mg/kg，有机质1.15 mg/kg。盆直径22 cm，高25 cm，每盆装土8 kg，盆底部钻5个小孔，保证盆内土壤与与大田土壤的温度一致、水分和空气流通。将盆埋入大田后，盆内泥土与盆外大田齐平。泥土用水浇透沉实后于10月10日播种，3叶期定苗，每盆留苗8株。3个品种分别设对照和处理2组，每组6桶。

待小麦幼穗发育到四分体时期时，放入人工气候箱0 ℃低温处理3 d，对照为正常环境中生长，取小麦叶片放入-80 ℃低温冰箱备用。

1.3 测定指标与方法 过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法测定； 过氧化氢酶（CAT）采用过氧化氢法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法测定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定。将处理后盆栽的小麦埋于田间自然生长至成熟时调查结实率，每处理调查10株，求平均结实率。结实率（%）=单穗小花结实总数/单穗小穗基部小花总数×100%。

1.4 数据处理 采用Excel 2017及DPS数据分析软件对试验数据进行分析和处理。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对不同小麦品种结实率的影响

从表1可以看出，在正常生长情况下，AK58的结实率较高，达到99.5%，其次是百农207、郑麦366；在低温处理条件下，AK58、百农207的结实率依然较高，但是受低温的影响，郑麦366结实率显著下降，仅为10.5%。

2.2 四分体期低温胁迫对3个小麦品种叶片可溶性蛋白含量的影响

从图1可以看出，低温下3个小麦品种百农207、郑麦366、AK58的可溶性蛋白质含量均比对照高，差异显著。与对照相比，低温胁迫下AK58、百农207处理可溶性蛋白质含量明显增加，而郑麦366处理增加不大。

2.3 四分体期低温胁迫对3个小麦品种叶片SOD活性的影响

由图2可知，在正常生长条件下，3个小麦品种百农207、郑麦366、AK58的SOD活性分别为37.81、37.84和45.93 U/mg；低温胁迫后，百农207、郑麦366、AK58共3个品种SOD活性均显著高于其对照，并且达到显著水平。其中百农207和AK58受到低温胁迫后SOD活性较高，而郑麦366受低温胁迫后SOD活性比前2个品种低。SOD活性大小顺序依次为AK58处理、百农207处理、郑麦366处理、AK58对照、百农207对照、郑麦366对照。

2.4 四分体期低温胁迫对3个小麦品种叶片POD活性的影响

由图3中可知，低温胁迫下，3个小麦品种百农207、郑麦366、AK58的POD活性均比对照明显增加，差异显著。其中，百农207、AK58的POD活性上升幅度大于郑麦366，表明百农207、AK58受到低温胁迫后POD活性较高，而郑麦366受到低温胁迫后POD活性低于前2个品种，POD有利于清除过氧化物、降低活性氧对细胞的损伤。

2.5 四分体期低温胁迫对3个小麦品种叶片MDA含量的影响

由图4可知，在正常条件下，3个小麦品种郑麦366的MDA含量较高，而百农207和AK58的MDA含量较低；低温处理后，3个品种的MDA含量均比对照明显下降，差异显著。然而郑麦366的MDA含量仍然高于百农207和AK58。

2.6 四分体期低温胁迫对3个小麦品种叶片CAT含量影响

由图5可知，与对照相比，

3个小麦品百农207、郑麦366、AK58的CAT活性顯著升高，达到显著水平。其中，AK58和百农207增加幅度较大，显著高于郑麦366低温处理下的CAT活性。

3 结论与讨论

有研究表明春季低温（倒春寒）严重影响小麦的结实性，使小麦的结实率下降，最终影响小麦的产量。该研究发现，在低温胁迫下百农207、AK58、郑麦366结实率分别下降11.7%，11.2%，86.8%。其中，百农207、AK58的结实率降低不明显，而郑麦366下降比较明显，表明百农207、AK58抗倒春寒能力强，而郑麦366的抗倒春寒能力较弱。

许多研究者认为，低温胁迫对植物的影响主要集中在蛋白质、酶活性、膜系统、细胞失水等，最终导致机体代谢紊乱，甚至细胞死亡[9]。春季低温逆境下（倒春寒），植物组织细胞内部生理生化发生改变。植物细胞内的可溶性蛋白具有较强的吸水性，它能够降低细胞内部束缚水的冰点，减少细胞内部结冰从而导致植物细胞被伤害的机会[10]。植物细胞膜的空间构像和物理状态改变很大程度上受到低温胁迫的影响。膜相的改变可以很好地抑制细胞膜正常功能的运行，使蛋白质从膜上解离，并切发生膜融合，从而造成植物细胞组织的破坏。植株在低温胁迫条件下常诱导产生较多的蛋白质来提高细胞膜的完整性与稳定性，从而提高抗寒性[11-12]。但是，不同的小麦品种在抵御低温胁迫的过程中产生出的可溶性蛋白质含量不同，从而表现出不同的抗寒能力。该研究表明，低温胁迫下AK58和百农207的可溶性蛋白质含量明显增加，而郑麦366可溶性蛋白质含量与对照相比增加较少。这说明低温胁迫下AK58和百农207能够产生较多的可溶性蛋白质来抵御低温胁迫的伤害，不耐低温的郑麦366由于产生可溶性蛋白质较少而容易受到伤害，从而造成结实率显著下降。

低温逆境会引起植物体内发生一系列的生理生态变化，由逆境导致的活性氧的积累及其引起的氧化胁迫被认为是植物受低温胁迫的重要原因[13-15]。抗氧化酶系统能清除活性氧，抵御活性氧带来的损害，进而提高植物细胞抗氧化保護的能力；SOD对O2-的歧化作用被认为是抵御低温胁迫的主要因素之一，CAT、POD能清除氧代谢过程中产生的H2O2以及细胞体内产生的有害物质[16-17]。活性氧代谢的平衡一旦被打破，ROS的高度氧化活性对细胞膜有强烈的破坏性影响，导致不饱和脂肪酸的过氧化作用形成MDA，MDA会导致交联和失活的酶蛋白膜，进一步损伤细胞膜结构和功能，MDA的积累能间接地反映植物体内受氧化胁迫伤害的状况[18-19]。该试验中百农207、AK58、郑麦366的SOD、CAT和POD活性均上升，其中百农207、AK58上升比较明显；3个品种MDA含量均下降，但受到低温胁迫后百农207、AK58的MDA含量相对比较低，其膜质过氧化程度小，这可能是因为细胞中SOD和POD活性上升，清除自由基能力提高，从而减少膜脂发生过氧化。

综上所述，不同的小麦品种抗春季低温胁迫的能力不同，小麦叶片四分体时期AK58和百农207抗春季低温胁迫能力要显著高于郑麦366。低温胁迫下，AK58和百农207积累了较高的可溶性蛋白质来抵御低温胁迫的伤害，同时具有较强的抗氧化酶活性来抵御活性氧代谢带来的损伤，这可能是AK58和百农207具有耐春季低温胁迫的原因。

参考文献

[1]

高媛，齐晓花，杨景华，等.高等植物对低温胁迫的响应研究[J].北方园艺，2007（10）：58-61.

[2] 李美如，刘鸿先，王以柔.细胞氧化应激机制与植物抗冷性机理的研究[J].生命科学，1996（4）： 30-34.

[3] WISE R R，NAYLOR A W.Chillingenhanced photooxidation：Evidence for the role of singlet oxygen and superoxide in the break down of pigments and endogenous antioxidants[J].Plant physiology，1987，83（2）：278-282.

[4] KORNYEYEV D，LOGAN B A，PAYTON P，et al.Enhanced photochemical light utilization and decreased chilling-induced photoinhibition of photosystem II in cotton overexpressing genes encoding chloroplast-targeted antioxidant enzymes[J].Physiologia plantarum，2001，113（3）：323-331.