花后早期增温对小麦旗叶光合和抗氧化特性及籽粒发育的影响

胡燕美，苏 慧，朱玉磊，李金鹏，李金才，宋有洪

(安徽农业大学农学院，安徽合肥 230036)

IPCC报告显示，过去5年(2014-2018年)的全球平均温度与工业化前相比增加了 1.04 ℃，到2030年增温幅度将达到1.5 ℃[1-2]。近50年以来，我国年平均地表气温升高了1.1 ℃，预测未来的30～50年年平均气温将持续上升1.7～ 2.2 ℃，半干旱地区的升温幅度更大，为1.9～ 2.3 ℃[3]。小麦是我国第二大粮食作物，约占中国粮食总产量的27%[4]。小麦作为喜凉作物，开花期增温对产量和品质影响较大[5]。因此，研究小麦花后早期增温效应具有重要意义。

花后旗叶功能期长短和籽粒形态以及干物质转运能力是衡量小麦产量和品质形成的重要指标。研究表明，高温会使得小麦籽粒建成加速，导致叶片提前衰老，缩短灌浆时间，从而影响产量[6]。开花后遭遇31 ℃的高温小麦籽粒灌浆期缩短5～11 d，产量下降13%～16%，淀粉和蛋白质含量显著降低，影响小麦品质[7]。日平均气温高于25 ℃时，小麦叶片会因失水过快而影响叶绿体生物合成，致使叶片光合速率下降，影响了粒重和产量[8]。采用开放增温系统从小麦始花期到成熟期，无论全天增温、夜间增温，还是白天增温，均导致小麦减产[9]。在春小麦全生育期增温1、2和3 ℃后，产量均下降，籽粒淀粉含量随温度的增加而降低，籽粒蛋白质含量则呈上升趋势[10]。春小麦拔节期之前增温0.5 ℃可提高叶片光系统Ⅱ的潜在活性，增加叶片抗逆性，促进光合作用和光合产物累积量，增温梯度过大或时间过长则会使春小麦受高温胁迫，影响光系统Ⅱ原初光能捕获，降低电子传递等效率，破坏光合机构，致使叶片净光合速率、水分利用效率等性状值下降，减少光合产物累积量和产量[11]。小麦开花期增温或者短暂高温均会降低旗叶光合速率，加快叶片衰老，减少茎秆中水溶性碳水化合物积累量，直接影响生长后期茎秆中贮存物质向籽粒的转运，从而对粒重的增长产生影响，最终导致减产[12-13]。

目前，关于花后早期增温胁迫对小麦旗叶生理特性和籽粒发育影响的研究鲜有报道。本研究通过搭棚盖膜人工模拟自然增温，调查冬小麦花后早期小幅增温后旗叶光合参数、叶绿素含量、抗氧化酶活性、MDA含量和籽粒性状的变化，以期为未来气候变暖下小麦丰产稳产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试小麦品种选用近几年皖北地区主推品种安农0711(半冬性，抗早衰)和黄淮海地区主栽品种烟农19(冬性，不抗早衰)，均于2018年11月10日播种于安徽农业大学农萃园试验基地(北纬N31°52′0.99″，东经E117°16′57.72″)。

1.2 试验设计

本试验采取随机区组设计，3次重复。小区面积为4 m2(2 m×2 m)，行距20 cm。种植密度为225×104株·hm-2；施氮量为225 kg·hm-2，基追比为5∶5；磷(P2O5)、钾(K2O)肥全部基施，施用量均为112.5 kg·hm-2。麦穗上出现一朵小花记为开花，选择同一天开花且长势一致的麦穗挂牌标记。开花期搭棚(高约 3 m)，盖PO薄膜(0.08 cm，透光率≥95%)，底部预留30 cm透风，进行人工模拟自然增温(HT)，处理时间为每天9:00-17:00，其他时间掀膜，未增温处理为对照(CK)，增温10 d(花后 0～10 d)。温湿度仪(精创RC-4，江苏)实时记录棚内外小麦冠层温度，增温结果如图1。于花后10、15、20、25、30和35 d，上午10时各处理组剪取10株挂牌标记的麦穗和旗叶，用液氮冷冻30 min，置于-80 ℃冰箱保存，用于后续试验测定。

CK：为棚外温度；HT：为棚内温度。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 旗叶叶绿素含量测定

叶绿素含量测定方法采用浸提法，称取旗叶0.02 g，加入5 mL N,N二甲基甲酰胺，于4 ℃黑暗条件下浸提24 h，材料完全变白，过滤浸提液并用UV-1800紫外可见分光光度计(岛津，日本)测定647、664、470 nm处的OD值[14-15]。

1.3.2 旗叶光合特性测定

在花后20 d测定了标记小麦植株旗叶的光合特性。每个小区选取3片生长和受光方向一致旗叶，采用便携式光合速率测定仪LI-6400XT光合仪(LI-COR 公司，美国)测定其净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)。系统采用开放式气路，选择红蓝光源叶室，光合有效福射(PAR)设定为1 200 μmol·m-2·s-1，CO2浓度约为380 μmol·L-1[16-17]。

1.3.3 旗叶MDA含量测定

用硫代巴比妥酸法测定旗叶MDA含量[18-19]。

1.3.4 旗叶保护性酶活性测定

称取0.05 g旗叶，用液氮研磨，加5 mL 0.05 mol·L-1磷酸缓冲液(PBS，pH=7.8，0.1% PVPP)，4 ℃，12 000 r离心10 min，上清液即为酶液。过氧化物酶(POD)活性测定参考李合生愈创木酚法[20]。采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性[21]。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定[5]。

1.3.5 植株地上部干物质测定分配

选取长势一致的小麦植株，齐地面割下，迅速剥取茎秆、茎鞘、叶片和穗部。105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重，称量其干重[22-23]。器官同化物分配率=器官干重/植株总干重×100%。

1.3.6 优、弱势粒形态测定

籽粒形态包括籽粒长度、宽度和厚度，优势粒为优先开花、形成籽粒和灌浆的位于麦穗中部的籽粒，弱势粒为开花迟、灌浆速率慢的位于穗基部和上部或小穗顶部的籽粒[24]。剥取两类籽粒，分别随机选取10个籽粒，手尾连接排成一排，用直尺测量其长度，求平均值即为粒长；10个籽粒肩并肩连成一排，测量其长度，求平均值即为粒宽；在试验台上贴双面胶，将10个籽粒侧放在双面胶上，测量其长度，求平均值即为粒厚。

1.3.7 产量测定

收获期统计1 m双行穗数，测定穗粒数和穗粒重及千粒重，计算产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据整理和作图，用SPSS13.0统计分析软件对数据进行统计分析，用Duncan分析方法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 花后早期增温对小麦旗叶叶绿素含量的 影响

开花后小麦旗叶叶绿素含量先增后降(图2)。花后10、15、20、25和30 d，与CK相比，增温处理下安农0711叶绿素a含量分别降低 11.82%、11.88%、4.19%、42.85%、90.11%，叶绿素b含量分别降低6.28%、29.73%、36.83%、 37.31%、58.06%，除花后10 d外增温效应均显著；烟农19叶绿素a和b含量较CK分别降低了26.90%、16.68%、18.79%、28.51%、49.68%和16.01%、16.48%、26.69%、25.29%、38.51%，各时期增温效应均显著。这表明增温减少了小麦旗叶叶绿素含量，加快其衰老进程。

2.2 花后早期增温对小麦旗叶光合特性的影响

花后20 d测定结果(表1)表明，增温后安农0711和烟农19旗叶净光合速率显著低于CK,降幅分别为32.02%和15.49%；增温导致旗叶胞间CO2浓度较CK显著升高，增幅分别为38.57%和31.02%；增温后两个品种的旗叶蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率较CK分别降低了 0.89%、5.09%，15.41%、34.36%和35.00%、 3.23%，但对安农0711均影响不显著。由此可见，增温不利于小麦花后旗叶光合作用。

2.3 花后早期增温对旗叶丙二醛(MDA)含量的影响

增温后，在花后10～20 d，两个小麦品种旗叶MDA含量均高于CK(图3)。其中，花后20～ 30 d，安农0711和烟农19分别增加了43.60%、 5.09%、20.46%和37.73%、40.49%、19.51%，增温效应均显著。由此表明，增温增加了小麦旗叶膜脂过氧化程度，加速叶片衰老。

2.4 花后早期增温对旗叶保护性酶活性的影响

增温后两个品种旗叶POD和CAT活性较CK均不同程度降低。其中，增温后安农0711的两种酶活性在花后10和15 d变化均显著，降幅分别为17.98%、18.12%和43.37%、 22.92%；烟农19的两种酶活性在花后10～30 d均变化显著，降幅分别为17.54%、14.71%、 15.06%、 50.40%、70.22%和28.46%、24.64%、15.36%、 63.90%、91.75%。安农0711和烟农19旗叶SOD活性受增温影响相对较小，增温后安农0711只在花后10和20 d时分别较CK显著升高和降低，烟农19在各时期均差异不显著。总体上看，增温对三种酶活性有一定的抑制效应。

图柱上的小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

表1 花后早期增温对小麦花后20 d旗叶光合特性的影响

2.5 花后早增温对小麦地上部干物质分配的影响

花后小麦叶片、茎秆和茎鞘的干物质分配比例随着时间的变化呈降低趋势，穗部干物质分配比例逐渐增加(图5)。增温后叶片、穗部、茎鞘和茎秆干物质分配比例较CK不同程度下降，叶鞘和茎秆的分配比例有所提高。其中安农0711的叶片和叶鞘干物质分配比例变化较大，而烟农19的茎秆和穗部的分配比例变化较大。由此可见，增温导致小麦光合同化物在茎鞘中积累，减少其向穗部转运。

图3 花后早期增温对小麦旗叶MDA含量的影响

图4 花后早期增温对小麦旗叶POD、CAT和SOD活性的影响

图5 花后早期增温处理对小麦不同器官干物质分配比例的影响

2.6 花后早期增温对小麦籽粒形态的影响

从图6可见，增温后，安农0711优势粒长度在花后10～35 d较CK均显著降低，降幅分别为2.61%、2.45%、1.50%、1.57%、1.10%、1.59%；烟农19的优势粒长度也呈降低趋势，其中花后15～35 d增温处理与CK差异均显著，且降幅分别为2.49%、2.86%、2.49%、2.50%。增温处理也降低了两个品种的优势粒宽度，其中安农0711在花后25～35 d变化显著，降幅分别为2.94%、6.33%、1.27%；烟农19在花后20～35 d变化显著，降幅分别为6.57%、3.76%、8.07%、5.85%。增温导致两个品种的优势粒厚度变小，其中安农0711在花后10、20、25和35 d变化显著，而烟农19只在花后20、25 d变化显著。增温后，安农0711和烟农19的弱势粒长度、宽度、厚度较CK均不同程度降低，花后25和35 d时，弱势粒长度、宽度、厚度分别降低 5.07%、2.97%、2.88%和0.83%、2.20%、 1.99%，且均达到显著水平(图7)。总体来看，增温不利于小麦优势粒和弱势粒的生长发育。

图6 花后早期增温对小麦优势粒长度、宽度、厚度的影响

2.7 花后早期增温对小麦产量的影响

与CK相比，增温后，安农0711和烟农19的穗粒数分别降低0.85%和6.2%，穗粒重分别降低11.01%和13.88%，千粒重分别降低5.43%和7.34%，籽粒产量分别降低6.24%和7.64%，但只有千粒重对增温响应显著。

表2 花后早期增温对小麦产量及其构成的影响

图7 花后早期增温处理对小麦弱势粒长度、宽度、厚度的影响

3 讨 论

植株在经过逆境胁迫后，会调整其组织结构和渗透调节物质来适应外界逆境，保障植物体正常的生长和发育[25]。植物叶片是植物体进行光合、呼吸、养分转化以及蒸腾作用的主要场所，小麦旗叶光合对籽粒生长发育的贡献巨大，旗叶功能期的长短影响产量形成[26-27]。小麦叶片中的光合产物主要是以蔗糖的形式存在和运输，保持叶片较高的光合性能和充足的蔗糖供应以及较高的蒸腾作用强度，有利于产量的提高[28-30]。本研究中，小麦花后0～10 d增温处理后，千粒重显著降低，籽粒变小，可能是由于增温显著减弱了叶片净光合作用，致使光合产物合成变少，同时高温加大了光合产物消耗，导致输向籽粒的光合产物减少，影响籽粒生长发育。进一步分析发现，增温后两个品种籽粒形态变化程度不同，安农0711优势粒形态受影响较大，而烟农19弱势粒受影响较大。其原因可能是烟农19的蒸腾速率大于安农0711，植株根系通过蒸腾作用吸收营养供应籽粒生长，且蒸腾速率的增加可以将光合产物更多地运输到籽粒中，供籽粒灌浆。增温也可能对籽粒成熟过程起到阻碍作用，或者是缩短了物质的有效转运时间，致使光合产物积累量显著下降，粒重显著降低，在籽粒形态上表现为籽粒粒径低于 对照。

冬小麦地上部干物质的积累与分配影响籽粒产量，尤其是花后干物质积累是籽粒产量的主要物质来源[32]。本研究表明，花后早期增温不同程度地影响了地上部干物质的分配，增加了茎鞘和茎秆干物质分配比例，降低了穗部和叶片干物质分配比例。这说明光合产物在茎鞘中滞留，向籽粒的输送减少。

4 结 论

花后早期增温显著降低了小麦旗叶光合和抗氧化能力，导致籽粒变小和粒重下降，但对产量影响不明显。