孕穗期不同渍害时长对小麦生理特性及产量的影响

丁富功，卢奕霏，贾宝森，朱旭东，熊泽浩，王 超，侯泽豪，刘易科，朱展望，张迎新，王书平，方正武,3 *

（1. 长江大学农学院/主要粮食作物产业化湖北省协同创新中心，湖北 荆州 434025；2. 湖北省农业科学院粮食作物研究所，湖北 武汉 430064；3. 湖北荃银高科种业有限公司，湖北 荆州 434025）

0 引言

【研究意义】长江中下游麦区是我国的主产麦区之一，播种面积约占全国麦区的15%左右[1]，也是冬小麦渍害频发的区域。在小麦生殖生长期，该区降水丰富，田间积水将直接引起根际缺氧，使小麦呼吸作用受到抑制，影响地上部光合等生理特性，削弱了光合产物的积累，最终使小麦产量降低[2−3]。如何减轻渍害，提高小麦产量和效益，是该地区小麦生产的重要课题[4]。【前人研究进展】农业生产中，小麦的正常生长发育和生理代谢过程常遭受逆境胁迫的影响[5]。冠层功能叶的光合产物是小麦产量的主要来源[6]，籽粒产量的70%左右均来自花后光合产物的积累量[7]；逆境胁迫引起叶片光合色素降解，使植物光合作用受到影响，导致光合产物积累量减少[8−9]。林琪等[10]研究发现干旱胁迫过程中，小麦旗叶内活性氧（ROS，Reactive oxygen species）和丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量持续增加，而超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性逐渐下降；刘莉等[11]研究认为，O2·−、H2O2代谢失调和MDA过量积累以及抗氧化酶活性的下降或功能转变均可能是导致雄性不育的重要因素。大量研究表明，逆境胁迫可降低细胞内抗氧化物酶的活性，引起植物体内ROS的过量积累，造成生物大分子损伤和膜脂过氧化，使细胞正常生理功能受损。目前这些酶活性的变化已广泛用于植物对逆境反应机理的研究[12]。黄钦友[4]通过人工模拟小麦渍害胁迫得出抽穗扬花期渍水SPAD值显著下降，不同叶位叶片的SPAD值下降程度差异显著。刘聪等[13]研究认为适当浓度的ROS是植物所必需的，而在逆境胁迫下ROS会大量积累，从而抑制植物的生长发育甚至杀死植物。程琳等[14]研究表明开花坐果期渍害胁迫对不同种植方式的西瓜生长都有抑制作用，叶片中的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量都不同程度下降。小麦的每个生育期发生渍害均可导致减产，在孕穗期前后小麦根系对氧的需求量剧增，若此时受渍则对小麦危害最大[15]。刘杨等[16]研究发现，在孕穗期和灌浆期渍害胁迫5～15 d，小麦减产分别可达6%～77%和7%～56%；李金才等[17]等研究表明孕穗期渍害胁迫对小麦产量的影响最大，其次是灌浆期和拔节期，而苗期渍害胁迫对产量的影响最小；孕穗期发生渍害胁迫对千粒重的影响大于拔节期，对株穗数和穗粒数的影响大于灌浆期，因为此时小麦正处于营养生长到生殖生长的过渡阶段。【本研究切入点】目前国内外学者在小麦应对渍害胁迫下生理特性和产量的变化已进行了大量的研究，但渍害胁迫对小麦的影响十分复杂，仅通过某一个材料（品种）、从某一个方面对其研究远远不够[18]。并且小麦不同材料（品种）间对渍害胁迫的耐受性存在差异。【拟解决的关键问题】本研究通过盆栽控水试验，研究孕穗期不同时长的渍害胁迫对小麦生理特性和产量的影响，分析小麦品种间的耐渍性差异及小麦生理特性和产量性状之间的联系，从而为进一步解析小麦耐渍性遗传机理研究和渍害鉴定提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2018年11月至2019年6月在湖北省荆州市荆州区长江大学农学院试验基地（30°N，112°E）进行。供试材料是由江苏里下河农科所培育的春性中熟新品种扬麦16和中国农业科学院作科所和棉花所共同选育的国审高产品种中麦895。

1.2 试验设计

本试验采用裂区设计，主处理为渍害胁迫处理，副处理为供试品种。渍害胁迫处理设置9个持续时间，分别为0、1、3、5、7、9、11、13和15 d。以不渍害处理为对照（CK），每处理5盆，3次重复。在透明防雨棚内进行盆栽控水试验，采用盆口直径34 cm，底直径30 cm，高度27 cm的塑料盆，并配套相同规格的无孔套盆。土壤过筛与基肥混匀后装盆浇水（基肥用量为每kg干土施用N 0.15 g，P2O50.10 g和K2O 0.15 g），待土自然沉实后播种，播种期为11月10日。每盆选种播撒15粒，三叶一心期定植大致相同的植株10株。

试验从小麦孕穗期（4月6日）开始，期间灌水保持在土壤表层以上2～3 cm作为渍害胁迫标准。渍害胁迫期间随机选取各处理15株主茎绿叶测量其SPAD值和形态指标，并取鲜样低温保存。渍害盆栽在胁迫结束后移除套盆让多余水分流出，自然落干，此后正常浇水并保留至小麦完熟（收获期均为5 月27日），管理同当地田间栽培管理措施一致。

1.3 测定指标

1.3.1 叶绿素测定 采用日产的SPAD-502叶绿素测量仪测定小麦旗叶、倒二叶的叶绿素含量，选取叶片上部1/3处、中部、下部1/3处，每叶测 5 点取平均 值，以SPAD值表示。

1.3.2 活性氧测定 参照卢奕霏[19]的方法测定O2·−产生速率和H2O2含量，采用紫外分光光度计测定530 nm处的光密度，即O2·−产生速率的吸光值，以nmol·mg−1·min−1表示。将1 mL酶液与0.1 mL 5%硫酸钛及0.2 mL浓氨水混合，待沉淀形成后3 000 r·min−1离心10 min，弃上清后的沉淀用丙酮反复冲洗，直到去除植物色素，静置沉淀后用5 mL浓度为2 mol·L−1的硫酸溶解，在410 nm处测其H2O2含量吸光值，含量 (FW) 以nmol·g−1表示。

1.3.3 抗氧化酶活性测定 参照Ba等[20]的方法测定CAT活性，以每分钟内D240 nm减少0.01为1个酶活性单位(U)；参照王爱国等[21]的方法测定SOD活性，在560 nm下测其吸光值，以抑制NBT光化还原作用50%的酶量为1个酶活性单位；参照Wang等[22]的方法测定POD活性；参照Wang等[23]的方法测定M DA含量。

1.3.4 农艺性状和产量因素测定 小麦完熟后收获，测定小麦产量及其构成因素，包括株高、穗长、有效 穗、穗粒数以及单株产量，并称取千粒重。

1.4 数据分析

用Microsoft Excel 2016进行数据整理，采用SPSS 19.0对数据进行方差分析，最终结果以“平均值 ±标准差”表示，用 Origin 2017 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 渍害胁迫小麦叶片SPAD值的变化

由图1可知，孕穗期发生渍害胁迫，小麦叶片的叶绿素含量随渍害胁迫时间的持续呈下降趋势，且小麦品种间和不同叶位的叶片应对渍害胁迫的反应均存在差异。旗叶（图1-A）与倒二叶（图1-B）在渍害胁迫1～3 d期间，小麦的SPAD值有小幅度下降趋势。渍害胁迫7～15 d小麦的SPAD值显著下降；在渍害胁迫第15 d后，扬麦16和中麦895渍害胁迫组的旗叶SPAD值分别较CK组下降了19.42%和26.02%（图1-A），倒二叶的SPAD值分别较CK组下降了19.39%和21.75%（图1-B）。表明在渍害胁迫时下叶位叶片先受害，而后向上叶位的叶片扩展；且叶片受害越重SPAD值下降幅度越大。整个渍害胁迫前后，扬麦16的旗叶和倒二叶的SPAD值下降0.13%～36.01%和4.11%～40.28%，中麦895的旗叶和倒二叶的SPAD值下降0.13%～42.97%和5.80%～44.92%，这表明随着渍害胁迫时间的持续和叶位降低，SPAD值的降低幅度增大，扬麦16的S PAD值始终高于同时期的中麦895。

图1 孕穗期渍害胁迫小麦叶片SPAD值的变化Fig. 1 Changes on leaf SPAD of wheat plants at booting stage under waterlogging

2.2 渍害胁迫对超氧阴离子自由基（O2·−）产生速率和过氧化氢（H2O2）含量的影响

如图2-A所示，随着渍害胁迫程度的加剧，O2·−的产生速率呈先降低后升高的趋势。在渍害胁迫1～7 d，超氧阴离子自由基（O2·−）的产生速率呈逐渐降低趋势，且在渍害胁迫3～9 d低于CK组；渍害胁迫7～15 d，O2·−的产生速率高于CK组，在渍害胁迫第15 d，扬麦16和中麦895的超氧阴离子自由基（O2·−）产生速率分别是CK的1.2倍和1.19倍，这说明长期的渍害胁迫使小麦膜脂过氧化作用加剧，加速了植物组织的损伤和衰老。

如图2-B所示，随着渍害胁迫时间的持续H2O2含量呈现升高的趋势。渍害胁迫1～5 d，H2O2的含量缓慢增多；在渍害胁迫第7 d，渍害胁迫的H2O2含量呈急速升高趋势，且小麦扬麦16的H2O2含量显著高于中麦895，在渍害胁迫第15 d，扬麦16和中麦895的H2O2含量是CK含量的109.51%和116.67%，表明长期的渍害胁迫导致内源清除H2O2能力的降低，大量H2O2的积累，加速了膜脂过氧化作用和衰老 进程。

2.3 渍害胁迫对抗氧化酶活性的影响

如图3-A所示，在渍害胁迫中小麦CAT的酶活性呈现“升高—降低”的趋势，且渍害胁迫两品种的酶活性变化趋势一致。渍害胁迫1～7 d时，CAT活性呈升高趋势，渍害胁迫第7 d，扬麦16和中麦895的CAT酶活性达到峰值，分别是CK组的1.88倍和2.07倍，这表明小麦在受到渍害胁迫后，刺激了CAT酶活性的急剧升高；渍害胁迫7～15 d，CAT的酶活性急速降低，自渍害胁迫13 d开始，CAT酶活性开始低于CK组；渍害胁迫第15 d，扬麦16和中麦895的CAT活性分别较CK组下降了26.18%和36.41%。说明随着渍害胁迫时间的延长，细胞受到的不可逆性损伤越大，从而导致小麦叶片CAT酶活性的降低。

如图3-B所示，渍害胁迫期间小麦SOD的活性呈现“升高—降低”的趋势。渍害胁迫1～11 d，SOD的酶活性均高于CK组且呈增加趋势，其中，扬麦16在渍害胁迫第9 d时SOD酶活达到峰值为224.74 U·g−1，中麦895在渍害胁迫第7 d时SOD酶活达到峰值为247.39 U·g−1，表明短期渍害胁迫下的小麦通过增加SOD活性来清除活性氧自由基，从而提高抗氧化能力。渍害胁迫11 d后，SOD酶活性逐渐低于CK组，渍害胁迫第15 d，扬麦16和中麦895的酶活性较CK组分别降低了63.02%、77.65%。由此表明在长期渍害胁迫下，作为O2·−清除剂的SOD活性降低，使大量的O2·−进一步衍生为H2O2（图2-B）。

图2 孕穗期渍害胁迫小麦超氧阴离子自由基（O2·−）产生速率和过氧化氢（H2O2）含量的变化Fig. 2 Changes on superoxide anion radical (O2·−) generation rate (A) and hydrogen peroxide (H2O2) content (B) in wheat at booting stage under waterlogging

如图3-C所示，渍害胁迫期间小麦POD的活性呈“升高—降低”的趋势。渍害胁迫1～9 d，POD的酶活性均高于CK且呈升高趋势，其中，扬麦16在渍害胁迫第9 d时POD酶活达到峰值为239.28 U·g−1，中麦895在渍害胁迫第7 d时POD酶活达到峰值为251.11 U·g−1，表明POD活性对渍害低氧胁迫感受灵敏，从而调节其含量以适应外界变化。在渍害胁迫9～15 d，POD活性逐渐降低，并在渍害胁迫15 d时，扬麦16和中麦895的POD活性分别较CK降低了12.72%和11.66%。表明在渍害胁迫初期的POD活性增强，清除了植株体内过量积累的部分O2·−和H2O2，但随着后期O2·−和H2O2的不断积累，进而 抑制了POD的活性。

图3 孕穗期渍害胁迫对小麦旗叶抗氧化酶活性的变化Fig. 3 Changes on antioxidant enzyme activity in flag leaves of wheat at booting stage under waterlogging

2.4 渍害胁迫对MDA含量的影响

MDA含量变化能体现植株受到逆境伤害时生物膜的损伤程度[11]。如图4所示，在CK组中MDA含量均表现稳定，但在渍害胁迫中，MDA的含量呈现“减少—增加”的趋势，渍害胁迫1～9 d，MDA含量均低于CK组；其中，在渍害胁迫第5 d，扬麦16和中麦895的MDA含量较CK组分别降低了23.89%和26.78%，表明渍害胁迫使细胞膜脂过氧化作用提升，导致MDA含量降低；渍害胁迫11 d后，MDA的含量急剧且高于CK组，并在渍害胁迫第15 d，扬麦16和中麦895的MDA含量达到了CK组含量的1.27倍和1.33倍，由此表明随着渍害胁迫时间的持续，小麦叶片的膜脂过氧化程度进一步加剧。

图4 孕穗期渍害胁迫对小麦旗叶MDA含量的变化Fig. 4 Changes on MDA content in flag leaves of wheat at booting stage under waterlogging

2.5 孕穗期渍害胁迫对小麦产量因子的影响

表1所示为供试两品种在孕穗期不同渍害时长处理下小麦各农艺性状和产量性状的表现。孕穗期渍害胁迫15 d，2个小麦品种的株高、穗长、有效穗、穗粒数和千粒重等均显著降低（中麦895的株高除外）。且渍害胁迫15 d后，中麦895和扬麦16的穗长分别较CK组减少了0.43 cm和0.42 cm，中麦895的株高无显著性变化，而扬麦16的穗长较CK降低了1.2 cm，这可能是由有小麦品种间的差异性或对不同品种对渍害胁迫的敏感程度不同所致；从产量要素来看，在渍害胁迫15 d后中麦895和扬麦16的有效穗数分别较CK减少了27.27%和23.40%，穗粒数较CK下降了3.8粒、4.1粒，千粒重分别较CK下降了11.1 g和6.6 g，从单株产量来看，中麦895产量降幅最大，达到了51.47%，由此表明在孕穗期发生渍害胁迫使得田间缺氧，从而抑制植株对营养物质的吸收与积累，使得小麦生物量大幅降低，从而导致穗粒数减少和籽粒灌浆不饱满，产生的空粒、瘪粒显著降低了小麦的穗粒数和千粒重。

表1 孕穗期渍害胁迫对小麦产量构成因子的影响Table 1 Effects of waterlogging on yield traits of wheat plants

此外，短期内渍害各产量要素有小幅度升高现象，具体表现为在渍害胁迫1～3 d时，中麦895和扬麦16的单株产量分别较对照增加了0.40%～2.81%和2.13%～3.46%，这可能是由于小麦的应激反应造成的。

3 讨论与结论

孕穗期是小麦需水的临界期，也是防治渍害胁迫的关键时期[24]。光合作用是物质和能量来源的基础。涝渍胁迫下乙烯含量升高，可促进叶绿素降解，导致小麦叶片萎黄、脱落，从而降低叶片的光合能力，导致冠层叶片光合产物的积累量减少，直接导致籽粒灌浆不足，有效穗数显著降低，无效穗数显著上升[25]。因此，叶绿素含量的变化可以作为衡量小麦渍害胁迫程度的主要指标之一。向永玲等[26]研究发现，小麦不同叶位对渍害胁迫的表现存在差异性，涝害首先危害下叶位叶片，而后向上叶位叶片扩展。在本研究中，扬麦16和中麦895的倒二叶的SPAD值始终低于同期的旗叶，这表现在小麦的受害程度与叶绿素的含量呈正相关，且受害越重的叶片SPAD值下降幅度越大。

氧气是作物生存的重要因素，细胞在呼吸利用O2的过程中可形成超氧自由基（O2·−）、过氧化氢（H2O2）、羟自由基（OH）等活性氧基团（ROS），低浓度的活性氧可充当信号分子，使植物产生防御反应[13]。当植物遭受渍害胁迫时，诱导植株产生过量的ROS可氧化膜脂，破坏细胞膜结构和功能，引起酶类失活，降解叶绿素和降低光合效率等[27]。李玲等[28]通过盆栽试验研究不同渍水时长对冬油菜苗期的影响发现，根系丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性等生长及生理指标均表现为先升高后降低的趋势。在本研究中，小麦的CAT、SOD和POD等抗氧化物酶的酶活性在整个渍害中呈现“∧”型变化趋势，而渍害胁迫前期的O2·−生成速率、MDA含量和H2O2的含量处于降低或缓慢增加的趋势，表明在渍害胁迫初期，小麦的细胞膜受到损伤后，刺激抗氧化酶活性急剧上升，植物利用抗氧化酶暂时清除了多余的膜脂过氧化产物，使植物体内活性氧的产生与清除处于平衡状态，避免植物细胞受到伤害[29]。但随着渍害胁迫时长的持续，细胞受到活性氧的损伤程度加剧，进而抑制了抗氧化酶活性，导致胁迫后期的O2·−生成速率、MDA含量和H2O2的含量均显著高于CK组。同时，长期的渍害胁迫环境所引起的ROS的过量积累可诱导产生离子渗漏、细胞死亡，从而抑制植株对营养物质的吸收与积累，使得生物量大幅降低[30]。本研究主要体现在小麦籽粒灌浆不饱满、千粒重和穗粒数的显著降低，最终导致减产。

形态学指标和生理指标是衡量植物对逆境抗性常用的指标，形态学指标中的产量指标是最直观、最重要的指标[31]。前人研究发现渍害胁迫反而促使部分材料增产[18]，在本研究中短期渍害胁迫，有效穗数、穗粒数和千粒重等指标均有小幅度升高现象，由于小麦孕穗期正处于营养与生殖生长并进期，此时小麦生长代谢加快，短期渍害满足了作物所需的大量水分，使得小麦在短期内渍害出现小幅度增产现象，这与前人的研究结果一致[32]。此外，向永玲等[33]研究表明，灌浆期渍害胁迫可导致小麦的有效穗数、穗粒数和千粒重均呈现降低趋势且导致减产。同样，在本研究中，随着渍害胁迫时间的持续，小麦的穗长、有效穗数、穗粒数、千粒重也均呈现显著降低趋势，而扬麦16的各项指标均高于中麦895，且单株产量亦显著高于中麦895，因此，本研究认为供试的2个小麦品种的耐渍性强弱表现为：扬麦16＞中麦895。

综上所述，孕穗期遭受渍害胁迫对小麦产量有显著影响，长期渍害使得小麦田间缺氧，严重影响小麦叶片活性氧代谢系统的平衡，叶片生长停滞，导致叶绿素分解和叶片光合能力降低，从而抑制植物对营养物质的吸收和积累，使小麦生物量大幅降低，导致籽粒灌浆不足，空粒、瘪粒和无效穗数增多，最终引起小麦减产。决定小麦产量的三因素，即有效穗数、穗粒数和千粒重，三者之间有一定的制约性和协调性，因此只有当三者的乘积达到最佳组合时，才能使小麦获得最高产量。