不同小麦品种对灌浆期高温的响应差异

姜丽娜，杨娜娜，方保停，李向东，李春喜

(1.河南师范大学生命科学学院，河南新乡 453007； 2.河南省农业科学院小麦研究所，河南郑州 450002)

小麦是重要的粮食作物之一，其贸易量占全球粮食作物贸易总量的20%，在人类生活中占重要地位[1]。温度是影响小麦生长发育的主要生态因子，灌浆期是决定小麦最终产量和品质的关键时期，适宜的灌浆温度有利于干物质积累，促进种子成熟[2-3]。而温度过高则使植株呼吸消耗过大，光合速率下降，叶片黄化早衰，籽粒灌浆受到阻碍，导致籽粒不饱满[4]。在中国北方地区，小麦生育后期温度回升较快，常出现高温天气，尤其是干燥条件下，高温低湿伴随大风形成的干热风常导致小麦高温逼熟，减产幅度达10%～30%，是当前小麦生产中面临的主要问题之一[5-6]。在抗逆性评价研究方面，国内外学者筛选出多个与小麦耐热性相关生理指标，如可溶性蛋白质含量[7-9]、可溶性糖含量、超氧化物岐化酶(SOD)活性[10]和丙二醛(MDA)含量[11]等。研究表明，由单一指标评价植物的抗逆性存在不确定性，目前多采用模糊数学法对多个指标进行综合分析[12-14]。本研究以黄淮海地区16个小麦品种为材料，在灌浆期遮棚模拟高温环境，分析高温处理后小麦旗叶生理性状及籽粒产量的变化，并通过隶属函数法、主成分分析等方法对各指标性状的相对值进行分析，进而评价小麦品种的耐热性，以期为该区域灌浆期高温耐热性小麦品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料与设计

试验于2015—2016年在河南省农业科学院现代农业研究开发基地试验田进行。土壤为壤土，前茬玉米秸秆还田。耕层土壤有机质11.58 g·kg-1，全氮1.18 g·kg-1，速效氮78.4 mg·kg-1，速效磷9.0 mg·kg-1，速效钾98.8 mg·kg-1。采用裂区设计，主区为温度控制，副区为小麦品种，温度控制设高温处理和田间自然生长2个水平，小麦品种设矮抗58等16个，具体见表1。副区内各因素随机排列，小区面积3 m2(2 m×1.5 m)，每小区种植6行。播种、开花和收获时间分别为2015年10月11日、2016年4月27日和6月4日。

以田间自然生长为对照；采用人工升降塑料棚(覆0.1 mm无色透明聚乙烯薄膜，棚体长×宽×高=30 m×6 m×2 m)模拟高温环境。自2016年5月13日起每天11:00—16:00进行遮棚处理，5月30日结束。同时记录田间自然生长麦田(对照组)和塑料棚(高温组)内的温度和相对湿度(图1)。研究时间段内，小麦花后白天对照组和高温组的日均温分别为29.84±3.26 ℃和34.87±4.24 ℃，2组小麦生长环境温差为3.1～7.1 ℃。

图1 高温处理期间(5月13-30日)高温组和对照组的日平均温度和相对湿度Fig.1 Average daily temperature and relative humidity under high temperature group and control group during high temperature treatment(May 13-30,2016)

1.2 样品采集与测定

分别于高温处理7 d(5月20日)和15 d(5月28日)时取各处理小麦旗叶，-80 ℃保存备用，以测定可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量、MDA含量及SOD活性。其中，可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250比色法[15]，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[16]，SOD活性测定采用氮蓝四唑比色法[16]，MDA含量测定采用硫代巴比妥酸法[17]。

成熟期取1 m2麦株，脱粒晾干，测定千粒重并计算其产量。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 性状相对值的计算

以性状指标的相对值(Xj)作为评价品种(系)抗热性的指标[18]。计算公式：

Xj=某性状指标高温处理测定值/该指标对照测定值×100%

1.3.2 耐热性分析

运用测定指标的性状相对值计算隶属函数值[20]，运用综合指标的权重[21]计算各品种的综合抗热能力的大小。

1.3.3 统计分析

采用SPSS 22和Microsoft Excel 2016软件统计分析数据，采用LSD法进行多重比较，差异显著水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 高温对小麦旗叶中可溶性蛋白质含量的影响

由表1可知，高温处理7 d时，高温组，郑麦366旗叶中的可溶性蛋白质含量最高，达5.78 μg·g-1，矮抗58最低，为5.46 μg·g-1；对照组，山农20旗叶中的可溶性蛋白质含量最高，达5.88 μg·g-1，郑麦366最低，为3.45 μg·g-1。高温处理7 d时，除山农20旗叶中的可溶性蛋白质含量表现为高温组低于对照组外，其他15个品种均表现为高温组高于对照组，其中安农0711、淮麦33、济麦22、良星99、平安8号、石麦19、石麦22、西农979、豫麦49-198、郑麦366、郑麦7698、周麦18和周麦22(共13个品种)与对照间的差异达到显著水平，且郑麦366增幅最大，达67.30%。

表1 高温对小麦旗叶中可溶性蛋白质含量的影响Table 1 Effects of high temperature on soluble protein content of flag leaf in wheat

高温处理15 d时，高温组，济麦22旗叶中的可溶性蛋白质含量最高，达6.10 μg·g-1，西农979最低，为4.46 μg·g-1；对照组，矮抗58旗叶中的可溶性蛋白质含量最高，达6.37 μg·g-1，石麦19最低，为3.60 μg·g-1。高温处理15 d，除矮抗58和淮麦33旗叶中的可溶性蛋白质含量低于对照外，其他14个品种均高于对照，其中安农0711、济麦22、良星99、平安8号、山农20、石麦19、石麦22、豫麦49-198、郑麦366、郑麦7698和周麦22(共11个品种)与对照间的差异达到显著水平，且石麦19增幅最大，达68.52%。

与高温处理7 d相比，高温处理15 d时，济麦22、石麦19和石麦22旗叶中的可溶性蛋白质含量显著增加，而郑麦366则显著降低。

2.2 高温对小麦旗叶中可溶性糖含量的影响

由表2可知，高温处理7 d时，高温组，石麦22旗叶中的可溶性糖含量最高，达11.84 mg·g-1，良星99最低，为5.52 mg·g-1；对照组，矮抗58旗叶中的可溶性糖含量最高，达11.01 mg·g-1，豫麦49-198最低，为3.60 mg·g-1。高温处理7 d时，平安8号和山农20旗叶中的可溶性糖含量表现为高温组显著低于对照组，而石麦19、石麦22和兰考198旗叶中的可溶性糖含量则表现为高温组显著高于对照组。

高温处理15 d时，高温组，石麦19旗叶中的可溶性糖含量最高，达7.41 mg·g-1，矮抗58最低，为1.86 mg·g-1；对照组，石麦22旗叶中的可溶性蛋白质含量最高，达10.17 mg·g-1，豫麦49-198最低，为5.44 mg·g-1。高温处理15 d时，矮抗58、良星99、平安8号、山农20、石麦22、兰考198、西农979、郑麦366、郑麦7698和周麦22(共11个品种)旗叶中的可溶性糖含量表现为高温组显著低于对照组。

与高温处理7 d相比，高温处理15 d时，矮抗58、济麦22、石麦19、石麦22、兰考198、豫麦49-198、郑麦366、郑麦7698、周麦18和周麦22旗叶中的可溶性糖含量显著下降。

表2 高温对小麦旗叶中可溶性糖含量的影响Table 2 Effects of high temperature on soluble sugar content of flag leaf in wheat

2.3 高温对小麦旗叶中超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

由表3可知，高温处理7 d时，高温组，山农20旗叶中的SOD活性最高，达212.90 U·g-1，淮麦33最低，为181.94 U·g-1；对照组，安农0711旗叶中的SOD活性最高，达221.54 U·g-1，淮麦33最低，为160.42 U·g-1。高温处理7 d时，济麦22、良星99、山农20、石麦22、豫麦49-198旗叶中的SOD活性表现为高温组显著高于对照组。

高温处理15 d时，高温组，良星99旗叶中的SOD活性最高，达223.23 U·g-1，平安8号最低，为128.39 U·g-1；对照组，平安8号旗叶中的SOD活性最高，达186.53 U·g-1，淮麦33最低，为135.60 U·g-1。高温处理15 d时，矮抗58、良星99、石麦19、石麦22、兰考198和郑麦7698旗叶中的SOD活性表现为高温组显著高于对照组。

与高温处理7 d相比，高温处理15 d时，淮麦33、平安8号、济麦22、郑麦366、豫麦49-198和周麦18旗叶中的SOD活性显著降低，而石麦22则显著增加。

表3 高温对小麦旗叶中超氧化物歧化酶活力的影响Table 3 Effects of high temperature stress on SOD activity of flag leaf in wheat

2.4 高温对小麦旗叶中丙二醛(MDA)含量的影响

由表4可以看出，高温处理7 d时，高温组，安农0711旗叶中的MDA含量最高，达2.21 μmol·g-1，兰考198最低，为0.54 μmol·g-1；对照组，石麦19旗叶MDA含量最高，达3.47 μmol·g-1，良星99最低，为1.28 μmol·g-1。除安农0711、良星99和周麦22旗叶MDA含量高温处理前后差异不显著外，其他13个品种的小麦旗叶MDA含量均为高温组显著低于对照组，并以济麦22和兰考198降幅最大，相比对照含量分别下降63.53%和80.33%。

高温处理15 d时，高温组，西农979、周麦18旗叶MDA含量最高，达1.96 μmol·g-1，山农20最低，为0.23 μmol·g-1；对照组，石麦22旗叶丙二醛含量最高，达1.25 μmol·g-1，济麦22、山农20和石麦19均较低，为0.02 μmol·g-1；济麦22、良星99、平安8号、豫麦49-198和周麦22旗叶MDA含量均为高温组显著高于对照组。

与高温处理7 d相比，高温处理15 d时，安农0711、石麦19、石麦22和周麦22旗叶MDA含量显著下降。

表4 高温对小麦旗叶丙二醛含量的影响Table 4 Effect of high temperature on malondialdehyde content in flag leaf of wheat

2.5 高温对不同小麦品种千粒重、产量及抗热指数的影响

高温处理后小麦千粒重和产量均有所降低(表5)，但千粒重与对照组的差异均未达到显著水平，只有豫麦49-198和郑麦366的产量显著降低。分析千粒重热感指数发现，安农0711、济麦22、石麦19、兰考198、郑麦366和周麦22的千粒重热感指数S>1，为千粒重热敏感品种；其他品种千粒重热感指数S<1，为千粒重耐热品种。分析产量热感指数发现，矮抗58、安农0711、平安8号、石麦22、兰考198、西农979、郑麦7698和周麦18的产量热感指数S<1，为产量耐热品种；其他品种的产量热感指数S>1，为产量热敏感品种。

2.6 综合评价

计算高温处理7 d和高温处理15 d小麦旗叶生理指标及籽粒产量和千粒重的相对值，并进行相关分析。结果显示，高温处理7 d时，小麦旗叶中的相对可溶性蛋白质含量、相对可溶性糖含量与籽粒相对千粒重呈极显著负相关，相关系数分别为-0.677和-0.511，小麦旗叶中的相对SOD活性与籽粒相对产量呈显著负相关，相关系数为-0.554；高温处理15 d，小麦旗叶中的相对可溶性蛋白质含量与相对可溶性糖含量呈显著正相关，相关系数为0.509。表明各指标间均存在不同程度的相关性。

为进一步探究各指标间的关系，通过主成分分析法对各品种的性状相对值进行分析。结果显示，前6个主成分的贡献率分别为0.288、0.211、0.155、0.107、0.086和0.067，累积贡献率达91.639%。其中，第1主成分中系数较大的项是高温处理7 d时旗叶中的可溶性蛋白质含量、千粒重和产量，分别为0.425、0.402和0.490；第2主成分中系数较大的项是高温处理15 d时旗叶中的可溶性蛋白质含量和高温处理7 d时旗叶丙二醛含量，分别为0.460和0.507；第3主成分中系数最大的项是高温处理15 d时旗叶中的可溶性蛋白质和可溶性糖含量，分别为0.453和0.562；第4主成分中系数最大的项是高温处理15 d时旗叶中的超氧化物歧化酶活性，为0.739；第5主成分系数最大的项是高温处理7 d时旗叶中的可溶性糖含量，为0.526；第6主成分中系数最大的项是高温处理15 d时旗叶中的可溶性糖含量，为0.489。

表5 高温对不同小麦品种千粒重、产量及抗热指数的影响Table 5 Effect of high temperature on grain weight,grain yield and heat resistance index of different wheat varieties(lines)

表6 不同小麦品种的综合指标值、隶属函数值、权重、D值及综合评价Table 6 Comprehensive index,U(j),index weight,D value and comprehensive valuation of wheat varieties(lines)

将通过主成分分析得到的6个主成分作为新的6个综合指标，权重分别为0.314、0.231、0.170、0.118、0.094和0.073(表6)。综合上述6个主成分的各项系数发现，小麦旗叶可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量和千粒重系数均较大，表明在主成分分析中这3个指标的权重较高，可作为评价小麦耐热性的主要指标。综合转化后6个新指标的特征向量CI1、CI2、CI3、CI4、CI5、CI6以及6个新指标的隶属函数值U(x1)、U(x2)、U(x3)、U(x4)、U(x5)、U(x6)计算反映小麦品种综合抗热能力的D值，并采用最大距离法对D值进行聚类分析(图略)，结果显示，参试的16个小麦品种可聚为3类：济麦22和石麦19为第Ⅰ类，耐热性较强；周麦18、郑麦7698、良星99、淮麦33、郑麦366、石麦22、安农0711、周麦22和豫麦49-198为第Ⅱ类，耐热性中等；山农20、兰考198、平安8号、西农979和矮抗58为第Ⅲ类，耐热性较弱。

3 讨 论

作物的抗逆性是较复杂的数量遗传性状。单项指标不能全面、准确评价作物的耐热性，运用多个指标根据模糊数学的方法进行综合评价，可以使评价分析结果更接近生产实际。李召锋等[22]研究春小麦耐热性发现，高温会严重降低籽粒千粒重、穗粒重和产量，认为千粒重是判断品种耐热性的重要指标，这与本研究结果一致。陈冬梅等[23]研究黄淮海麦区热胁迫对小麦千粒重和产量的影响，提出良星99为千粒重耐热品种，济麦22、石麦19和石麦22为千粒重热感品种，而本研究认为，石麦22耐热性适中，与陈冬梅等[23]的研究结果存在一定差异，这可能与种植环境不同有关，因为耐热程度与环境和品种密切相关，耐热性是针对同一环境下相对多个品种提出的。陈 芳等[24]对小麦耐热性鉴定与热胁迫机理进行总结，发现高温能使超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性下降，而丙二醛含量则表现为先上升后下降。本研究中，高温处理后小麦旗叶的超氧化物歧化酶活性略高于田间自然生长小麦，说明高温可以激发植株的抗氧化作用，减缓高温造成的伤害。小麦旗叶丙二醛含量在高温处理7 d后下降而15 d后又呈上升趋势，可能是因为高温处理15 d时的积温才达到足以导致膜脂过氧化的程度。

本研究综合各品种旗叶可溶性蛋白质含量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶活性和丙二醛含量，并结合主成分分析，认为可溶性蛋白质、可溶性糖和千粒重3项指标更能反映小麦灌浆期的耐高温能力；最后，运用隶属函数法和聚类分析法对不同品种小麦的耐热性进行综合评价，认为在本研究条件下济麦22和石麦19在灌浆期耐热性较高，山农20、兰考198、平安8号、西农979和矮抗58耐热性较低。主成分分析是针对小麦受高温后其生理热敏感指标进行的综合分析，这些生理指标的复杂反应是小麦抗热机理过程的一部分，最终影响籽粒千粒重和产量。而根据小麦千粒重、产量热感指数进行耐热性分析，亦能较为形象直观的反映高温处理后小麦经济产品情况。在品种选育时，要将品种的遗传基因、分子机理和生理指标相结合进行综合性分析，为抗逆品种选育以及品种减灾等提供理论支撑。