不同品种冬小麦苗期叶绿素荧光参数与抗旱性关系研究

吴姗姗,徐学欣,张 霞,盖红梅,赵长星,王维华,石 岩,战 园

(1.山东省旱作农业技术重点实验室,青岛农业大学 农学院,山东 青岛 266109;2.青岛市农业科学研究院,山东 青岛 266100)

小麦(TriticumaestivumL.)是我国主要的粮食作物,约有50%以上的中国人口依赖小麦食品[1]。华北平原是我国冬小麦的主产区,耕地面积占全国的25%,为全国提供了约71%的小麦产量,但该地区的水资源占有量仅为全国的6%,且农用水资源逐年减少,季节性干旱频发,严重制约了农业安全可持续发展[2-4],未来干旱缺水仍是制约华北地区冬小麦生产的主要因素[5-6]。抗旱稳产品种的筛选与推广是冬小麦抗旱节水生产中的重要途径,因此,研究冬小麦抗旱稳产高产的生理特性,为培育和筛选抗旱性冬小麦品种提供理论依据,对保证粮食安全及可持续生产具有重要意义。

传统上,小麦抗旱性品种选育筛选等工作繁琐费时、效率较低,为加速抗逆作物的筛选与鉴定,亟须快速高效的筛选技术来鉴定逆境下作物的生长[7-8],评估品种对环境的适应性,从而降低有潜质品种的淘汰率[9]。Reynolds等[10]研究表明,探索高效的抗旱品种筛选新方法,在短时间内筛选出大量符合要求的品种,为挑选优良亲本提供理论依据,可以提高小麦抗旱品种选育和筛选的效率。较多学者分别从小麦农艺性状[11-13](穗数、穗粒数和植株形态等)、生理指标[14-16](光合、酶活性、丙二醛含量等物质和能量代谢)和遗传机制[17-18]等方面对小麦抗旱性品种筛选与鉴定做了大量研究。前人研究表明,归一化植被指数(NDVI)可作为评价抗旱性的重要指标,预测干旱胁迫中的小麦产量[6,19]。Aparicio等[20]和Royo等[21]利用光谱反射率(SR)的方法评估了干旱胁迫下硬粒小麦的抗旱性;Crain等[22]的研究表明,使用高通量法(HTP)可以通过植物表型特征快速辨别优劣品种,减少资源浪费;刘秉焱等[23]通过转录因子基因的表达量来评估小麦的抗旱性。近几年,叶绿素荧光分析技术在植物光合特性的研究中兴起,得益于它对植物的无损伤性,被广泛应用于植物光合性能的评估。叶绿素荧光参数能够在生物胁迫和非生物胁迫中有效地反应植物体的受损程度及光合性能。Yadav等[24]的研究表明,通过叶绿素荧光参数可以在早期监测植物受到环境胁迫的情况;Pereira等[25]利用叶绿素荧光参数筛选出了豇豆的抗旱品系。但在小麦苗期利用叶绿素荧光参数来评估小麦品种抗旱性的研究鲜见,且叶绿素荧光参数与传统抗旱指标(如抗旱系数、酶活性等)之间的关系尚不明朗。为此本研究采用6个冬小麦品种为供试材料,设置3种水分处理,正常水分处理(土壤相对含水量75%)、轻微干旱处理(土壤相对含水量55%)和中度干旱处理(土壤相对含水量40%),通过对叶绿素荧光参数、生物量、根冠比、SPAD、抗氧化酶活性和丙二醛含量及其之间相关关系的研究,探讨了叶绿素荧光参数与冬小麦品种抗旱性间的关系,以及利用叶绿素荧光参数从苗期鉴定冬小麦品种抗旱性的可行性,为快速筛选抗旱性冬小麦品种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料与设计

本试验采用6个适宜黄淮地区种植冬小麦品种,烟农999(国审麦2016012)半冬性,多抗、超高产、优质品种,泰麦1918(鲁审麦20160056)冬性,高产优质、抗病耐旱品种,济麦22号(国审麦2006018)半冬性,超高产、中抗、优质品种,济麦23号半冬性,高产优质品种,泰山27(鲁农审2012050)偏冬性,高产、优质、抗病品种,师栾02-1(国审麦2007016)半冬性,优质小麦品种,高肥水地较高产。试验设置3种水分处理[26],正常水分处理(土壤相对含水量75%)、轻微干旱处理(土壤相对含水量55%)和中度干旱处理(土壤相对含水量40%),共计18个处理,每处理6次重复。播种前,用30%(V/V)H2O2浸泡供试材料种子10 min,再用蒸馏水冲洗5～6遍,随后催芽萌发至露白,并选取萌发程度一致的种子转移至培养盆中,每盆8粒种子,盆内径14.4 cm,高11 cm,底部有小孔,每盆盛有1 000 g过筛干土(绝对含水量8.6%)。将试验盆放置在光照培养箱中,光/暗循环为14 h/10 h,温度为25 ℃/20 ℃(光/暗),湿度为75%,光合通量密度(PPFD)为20 000 lx。培养至三叶一心期,用称质量法[27]控水。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 冬小麦苗期干物质质量测定 将处理结束后小麦幼苗分成地上部器官和根系,放入烘箱,105 ℃杀青30 min后75 ℃烘干至恒质量,分别称质量,并计算根冠比(RSR),RSR=Br/Bs,式中Br根系干物质质量;Bs为地上部干物质质量。抗旱系数参照胡标林等[28]的方法进行计算(Drought tolerance coefficient,DTC),DTC=Bd/Bp,式中Bd为干旱胁迫下的地上部干物质质量;Bp为充分灌水下的地上部干物质质量。

1.2.2 冬小麦苗期SPAD测定 干旱处理7 d后,用日本美能达SPAD-502叶绿素快速分析仪测定各处理冬小麦最新展开叶的SPAD值。

1.2.3 冬小麦苗期叶绿素荧光特性测定 干旱处理7 d后,使用德国WALZ IMAG-K7叶绿素荧光成像仪测定各处理冬小麦最新的展开叶的Fv/Fm、φPSⅡ、NPQ和ETR。

1.2.4 冬小麦苗期生理指标测定 干旱处理7 d后测定苗期生理指标,各处理分别称取0.5 g新鲜冬小麦叶片,进行冰浴研磨,加入pH 值7.8的磷酸盐缓冲液提取酶液,测定超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量,重复3次。分别参照Beauchamp等[29]和Quan等[30]的方法,用美国GE Ultrospec 7000分光光度计测定SOD活性和MDA含量。

1.3 数据分析

数据的处理与图表的绘制分别采用Excel 2007和Origin 2016进行,采用SPSS 18.0进行数据差异显著性检验(Turkey,P<0.05)和Pearson相关分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同品种冬小麦干物质质量的影响及其抗旱系数

2.1.1 干旱胁迫对不同冬小麦品种地上部干物质质量的影响 如图1所示,各品种的地上部干物质质量均随着干旱程度的增加呈下降趋势,轻微干旱胁迫下,泰麦1918的干物质质量与正常水分处理的差异不显著,其余各品种的干物质质量均显著低于正常水分处理,泰麦1918的干物质质量降低程度最小,降低了31.1%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27的干物质质量分别降低32.7%,35.3%,39.9%,40.9%,师栾02-1的干物质质量降低程度最大,降低了41.2%;中度干旱胁迫下,各品种的干物质质量显著低于正常水分处理,泰麦1918的干物质质量降低程度最小,降低了54.6%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了58.5%,62.6%,64.6%,67.1%,师栾02-1干物质质量降低程度最大,降低了68.4%。

2.1.2 干旱胁迫对不同冬小麦品种地下部干物质质量的影响 图2表明,各品种的地下部干物质质量(根质量)均随着干旱程度的增加均呈下降趋势,轻微干旱胁迫下泰麦1918的根质量降低程度最小,降低了35.4%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27的根质量分别降低38.0%,42.3%,56.1%,59.3%,师栾02-1的根质量降低程度最大,降低了67.3%;中度干旱胁迫下,各品种的根质量均显著低于正常水分处理,泰麦1918根质量降低程度最小,降低了63.3%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低68.0%,74.6%,78.0%,81.3%,师栾02-1的根质量降低程度最大,降低了85.4%。

图2 干旱胁迫对不同冬小麦品种地下部干物质质量的影响

2.1.3 干旱胁迫对不同冬小麦品种根冠比的影响 如图3所示,各品种的根冠比均随着干旱程度的增加呈下降趋势,轻微干旱胁迫下,烟农999和泰麦1918的根冠比与正常水分处理相比差异不显著,济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1的根冠比均显著低于正常水分处理,烟农999、泰麦1918、济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1的根冠比分别降低了7.8%,6.3%,10.8%,26.9%,31.2%,44.3%,泰麦1918的根冠比降低程度最小;中度干旱胁迫下,各品种的根冠比均显著低于正常水分处理,烟农999、泰麦1918、济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1的根冠比分别降低了22.9%,19.2%,32.2%,38.0%,43.2%,53.8%,泰麦1918的根冠比降低程度最小。

图3 干旱胁迫对不同冬小麦品种根冠比的影响

2.1.4 不同冬小麦品种在不同干旱程度下抗旱系数的比较 表1表明,泰麦1918的轻微抗旱系数和中度抗旱系数均高于其他5个品种,抗旱性最好。轻微干旱胁迫下,烟农999和济麦22号的抗旱系数均低于泰麦1918,但无显著差异,济麦23号、泰山27号和师栾02-1的抗旱系数则显著低于泰麦1918,其中师栾02-1的轻微抗旱系数最低;中度干旱下,泰麦1918的抗旱系数显著高于其他5个品种,烟农999次之,济麦22号和济麦23号的中度抗旱系数无显著差异,泰山27和师栾02-1的显著低于济麦22号,师栾02-1的中度抗旱系数最低。综合抗旱结果表明,6个冬小麦品种的抗旱性强弱依次为泰麦1918>烟农999>济麦22号>济麦23号>泰山27>师栾02-1。

表1 不同冬小麦品在不同干旱程度下的抗旱系数

2.2 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片SPAD的影响

如图4所示,各冬小麦品种叶片的SPAD值均随着干旱程度的增加呈现下降趋势。轻微干旱胁迫下,烟农999、泰麦1918、济麦22号和泰山27的SPAD值与正常水分处理差异不显著,济麦23号和师栾02-1的SPAD值显著低于正常水分处理。其中,泰麦1918的SPAD值降低程度最小,降低了3.5%,烟农999、济麦22号、济麦23号、泰山27分别降低了7.6%,8.6%,11.6%,12.3%,师栾02-1的SPAD值降低程度最大,降低了16.7%;中度干旱胁迫下,各冬小麦品种的SPAD值均显著低于正常水分处理,其中泰麦1918的SPAD值降低程度最小,降低了9.5%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了16.5%,17.9%,19.3%,20.9%,师栾02-1的降低程度最大,降低了35.9%。

图4 干旱胁迫对不同冬小麦品种SPAD的影响

2.3 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片叶绿素荧光参数的影响

2.3.1 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片Fv/Fm的影响 图5表明,各冬小麦品种叶片的Fv/Fm均随干旱胁迫程度的增加呈现下降趋势。轻微干旱胁迫下,各品种的Fv/Fm均显著低于对照,烟农999、泰麦1918、济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1的Fv/Fm分别降低了9.7%,9.2%,11.4%,12.6%,12.9%,13.6%,泰麦1918的降低程度最小。中度干旱胁迫下,各品种的Fv/Fm均显著低于轻微干旱下的Fv/Fm,其中泰麦1918的降低程度最小,相比于正常水分处理降低了22.2%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了23.2%,25.5%,27.7%,31.9%,师栾02-1的下降程度最大,降低了35.6%。

图5 干旱胁迫对不同冬小麦品种Fv/Fm的影响

2.3.2 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片φPSⅡ的影响 如图6所示,各品种叶片的φPSⅡ均随着干旱程度的增加呈现下降的趋势。轻微干旱胁迫下,烟农999和泰麦1918的φPSⅡ与正常水分处理相比差异不显著,济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1的φPSⅡ则显著低于正常水分处理,烟农999、泰麦1918、济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1的φPS Ⅱ分别降低了15.5%,10.6%,21.4%,31.8%,35.7%,47.6%,泰麦1918的降低程度最小降低了10.6%。中度干旱胁迫下,各品种的φPSⅡ均显著低于对照,其中泰麦1918的φPSⅡ降低程度最小,降低了34.1%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了47.3%,52.8%,57.1%,62.9%,师栾02-1的降低程度最大,降低了66.0%。

2.3.3 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片NPQ的影响 图7表明,各冬小麦品种叶片的NPQ均随着干旱胁迫程度的增加呈现上升的趋势。轻微干旱胁迫下,各品种的NPQ均显著高于正常水分处理的,其中,泰麦1918的升高程度最大,升高了32.0%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别升高了26.5%,26.2%,20.2%,19.3%,师栾02-1的NPQ升高程度最小,升高了12.4%;中度干旱胁迫下,各品种的NPQ均显著高于轻微干旱胁迫处理,与正常水分处理相比,烟农999、泰麦1918、济麦22号、济麦23号、泰山27和师栾02-1分别升高了49.4%,54.5%,48.9%,39.6%,38.9%,29.3%,泰麦1918的上升程度最大。

2.3.4 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片ETR的影响 如图8所示,各品种叶片的ETR均随着干旱胁迫程度的增加呈现下降的趋势。轻微干旱胁迫下,各品种的ETR均显著低于正常水分处理,其中,泰麦1918的ETR降低程度最小,降低了10.0%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了12.3%,12.7%,17.9%,21.5%,师栾02-1的降低程度最大,降低了28.2%;中度干旱胁迫下,各品种的ETR均显著低于轻微干旱胁迫下的ETR,其中,泰麦1918的ETR下降程度最小,降低了19.65%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了25.2%,27.3%,32.0%,36.7%,师栾02-1的降低程度最大,降低了43.9%。

2.4 干旱胁迫对不同冬小麦品种生理特性的影响

2.4.1 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片SOD活性(以鲜质量计)的影响 如图9所示,各品种叶片的SOD活性均随干旱胁迫程度的增加呈现下降的趋势。轻微干旱胁迫下,各品种的SOD活性均显著低于正常水分处理的,烟农999、泰麦1918、济麦22号和济麦23号间的SOD活性差异不显著,泰山27和师栾02-1的SOD活性则显著低于泰麦1918,泰麦1918的降低程度最小,降低了14.4%;中度干旱胁迫下,各冬小麦品种的SOD活性均显著低于轻微干旱胁迫处理,其中,泰麦1918的SOD活性降低程度最小,降低了30.6%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别降低了32.4%,33.0%,33.7%,34.7%,师栾02-1的降低程度最大,降低了37.8%。

图9 干旱胁迫对不同冬小麦品种SOD活性的影响

2.4.2 干旱胁迫对不同冬小麦品种叶片MDA含量(以鲜质量计)的影响 如图10所示,各冬小麦品种叶片的MDA含量均随干旱程度的增加呈现出了上升的趋势。轻微干旱胁迫下,烟农999、泰麦1918、济麦22号和济麦23号的MDA含量与正常水分处理相比差异不显著,泰山27和师栾02-1的MDA含量则显著高于正常水分处理,泰麦1918的升高程度最小,升高了46.7%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别升高了49.8%,59.4%,86.3%,94.2%,师栾02-1的升高程度最大,升高了102.6%;中度干旱胁迫下,各品种的MDA含量均显著高于正常水分处理,其中,泰麦1918的MDA含量升高程度最小,升高了120.8%,烟农999、济麦22号、济麦23号和泰山27分别升高了143.0%,192.3%,206.3%,222.5%,师栾02-1的升高程度最大,升高了224.5%。

图10 干旱胁迫对不同冬小麦品种MDA含量的影响

2.5 相关性分析

如表2所示,抗旱系数与Fv/Fm、φPSⅡ、ETR和SOD呈极显著正相关,与NPQ和MDA呈极显著的负相关;Fv/Fm、φPSⅡ和ETR分别与SOD呈极显著正相关,与MDA呈极显著负相关;NPQ与SOD呈极显著负相关,与MDA呈极显著正相关。

表2 冬小麦品种抗旱系数与叶绿素荧光参数和生理指标的相关关系(Pearson)

3 讨论与结论

抗旱系数作为一种典型、简便的评价品种抗旱性的方法,被广泛应用于植物品种抗旱性的评价[11,28,31]。本研究通过比较不同干旱胁迫程度下各冬小麦品种的抗旱系数表明,泰麦1918的抗旱性最高。前人研究表明,干旱胁迫下,小麦幼苗地上部和根的干物质质量均低于正常水分处理,小麦可通过提高根冠比或者减少根冠比降低来应对干旱胁迫,前人大量研究利用聚乙二醇在水培条件下模拟干旱研究不同干旱条件对小麦苗期根冠比的影响,其研究结果表明,根冠比随干旱胁迫程度的增加升高,且抗旱性品种在干旱胁迫下的根冠比较大[32-33],但亦有研究表明干旱胁迫下小麦苗期的根冠比降低[34]。本研究试验条件为土培盆栽,各冬小麦品种的根冠比虽随干旱程度的增加而降低,但抗旱性较高的品种根冠比的降低程度较小,这与前人在大田条件下对水稻和玉米等苗期抗旱性鉴定试验以及在室内土培试验条件下对豌豆品种抗旱性鉴定研究结果一致[35-38]。本试验综合各品种的干物质质量、根质量和根冠比研究表明,泰麦1918的抗旱性最好,烟农999次之,济麦22号、济麦23号和山农27再次,师栾02-1的抗旱性最差,响应干旱最敏感。

干旱胁迫下植物体内产生过量的活性氧使细胞膜脂过氧化,产生大量的MDA,破坏细胞膜,毒害植物细胞,为保证植物正常的代谢平衡,植物细胞内的SOD会通过酶促反应来清除过量活性氧,从而保证代谢平衡来抵御逆境,因此,植物品种对活性氧的清除能力与抗旱性的强弱有着紧密的联系;植物细胞受到逆境损伤后因蛋白质合成途径受阻导致SOD活性随之降低,而在逆境下能保持SOD活性具有较高水平的品种则耐受性更强[39-41]。本研究结果表明,各品种的MDA含量均随干旱胁迫的增加而升高,SOD活性均随干旱程度的增加而降低,说明各品种均受到了干旱带来的不同程度的损伤,其中泰麦1918与正常水分处理相比MDA含量的升高程度最小,SOD活性降低程度最小,说明泰麦1918在干旱胁迫下清除活性氧的能力较强,对干旱的忍耐性较高。

前人研究结果表明,逆境胁迫使植物体产生的活性氧破坏细胞膜,阻碍叶绿素合成,加速降解,从而降低叶绿素含量,导致光系统Ⅱ受损,抑制光合同化物积累,降低干物质积累量[36]。前人研究表明,干旱胁迫下小麦旗叶的SPAD值呈下降趋势,且胁迫下SPAD值较高的小麦品种具有较高的干物质质量,抗旱性较好[42]。本研究结果表明,干旱胁迫下,各品种的SPAD值均随干旱程度的增加而下降,同一干旱程度下,相比其他品种,泰麦1918的SPAD值最高,且干物质质量的降低程度最小,因此,泰麦1918对干旱最不敏感。叶绿素荧光参数可以直接反映干旱胁迫下植物的叶绿体功能和光合性能。植物在干旱胁迫下,光系统Ⅱ被破坏后,进行光化学反应的质体醌(PQ)数量减少,降低了相对电子传递速率(ETR)和植物叶片细胞产生电子的能力,导致最大光化学效率(Fv/Fm)和实际光化学效率(φPSⅡ)降低,进而限制了叶片的CO2同化作用,降低光能利用率,产生过剩光能,为避免过量的光能带来的伤害,植物体通过增加NPQ以热的形式来淬灭多余的能量,从而起到保护的作用,增强光系统Ⅱ对环境的适应性[25,43-48]。本研究结果表明,干旱胁迫下,泰麦1918的Fv/Fm、φPSⅡ和ETR的降低程度最小,NPQ的上升程度最大,说明泰麦1918的光系统Ⅱ对干旱环境具有较高的耐受性,适应干旱环境能力较好,能够通过快速增加NPQ来启动光保护机制,减轻过量光能对光系统的伤害,并减缓SOD活性的降低,减少MDA的产生,维持较高光合性能及干物质积累,因此具有较高的抗旱性。前人在棉花、银杏、燕麦和大豆中的研究中发现,Fv/Fm与φPSⅡ呈显著正相关,与MDA呈极显著负相关,SOD与MDA呈显著负相关[49-53],这与本研究在冬小麦中的研究结果一致,其中NPQ和ETR与SOD和MDA之间极显著相关,叶绿素荧光参数与抗旱系数亦呈极显著相关。因此,叶绿素荧光参数可作为评估冬小麦品种抗旱性的有效指标。

综上,干旱胁迫下,与其他品种相比较,泰麦1918的抗旱系数最高,抗旱性最好;其干旱胁迫下的干物质质量、根质量、根冠比、SPAD值、Fv/Fm、φPSⅡ和ETR的降低程度最小,SOD活性的降低程度最小,NPQ的升高程度最大,MDA含量的升高程度最小;通过进行相关性分析得到,叶绿素荧光参数与抗旱系数、酶活性和丙二醛含量间的相关性均达极显著水平。因此,叶绿素荧光参数可作为苗期快速鉴定冬小麦品种抗旱性的指标,为抗旱冬小麦品种筛选提供理论依据。