低温胁迫对拔节期小麦抗氧化系统及光合能力的影响

2021-10-09葛君姜晓君任德超陈烁达

天津农业科学 2021年9期

葛君姜晓君任德超陈烁达

摘要：為明确低温胁迫对拔节期小麦生理特性的影响，本研究以‘济麦22为试验，采用盆栽的方式，以大田平均温度10 ℃为对照，以0，-2，-4，-6 ℃，4个低温作处理，研究不同低温胁迫对拔节期小麦叶片膜透性、活性氧代谢及光合特性的影响。结果表明：低温胁迫能够显著提高拔节期小麦叶片丙二醛含量及相对电导率，二者随处理温度的降低而升高。不同水平的低温胁迫引起拔节期小麦叶片保护酶SOD、POD、CAT、APX不同程度的增加，但随着胁迫温度的降低，各处理下的拔节期小麦叶片SOD、CAT、APX活性呈现先升高再降低的变化规律，且以-4 ℃处理时活性最高，较对照增加107.14%，162.64%，98.97%，且差异显著（P<0.05）;POD活性在-2 ℃处理时值最大，在-4 ℃处理时开始降低，在遭受低温逆境时较SOD、CAT、APX活性变化敏感。拔节期小麦幼苗叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率随胁迫温度的降低而降低，而胞间CO2浓度在-2 ℃处理下值最小，较对照降低9.91%，-6 ℃处理下值最大，较对照增加15.57%，且差异均显著（P<0.05）。

关键词：低温胁迫;拔节期;小麦;活性氧代谢;膜透性;光合特性

中图分类号：S512.1 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.09.002

Effects of Low Temperature Stress on Antioxidant System and Photosynthetic Capacity of Wheat at Jointing Stage

GE Jun1，2， JIANG Xiaojun1，2， REN Dechao1，2， CHEN Shuoda1，2

（National Wheat experimental station， Shangqiu， Henan 476000， China; Shangqiu Academy of agriculture and Forestry Sciences， Shangqiu， Henan 476000， China）

Abstract： In order to clarify the effects of low temperature stress on the physiological characteristics of wheat at jointing stage， 'Jimai 22' was used as the experimental material， the field average temperature of 10 ℃ was used as the control， and the four low temperatures of 0 ℃， - 2 ℃， - 4 ℃ and - 6 ℃ were used as treatments，to study the effects of different low temperature stress on membrane permeability， active oxygen metabolism and photosynthetic characteristics of wheat leaves at jointing stage.The results showed that the MDA content and relative conductivity of wheat leaves at jointing stage increase significantly under low temperature stress， which increased with the decrease of treatment temperature. The activities of SOD， pod， cat and APX in wheat leaves at jointing stage increased in varying degrees with different stress temperature.However， with the decrease of stress temperature， the activities of SOD， CAT and APX in wheat leaves at jointing stage under each treatment increased first and then decreased， and the activity was the highest in -4 ℃ treatment， increased by 107.14%， 162.64% and 98.97% respectively compared with the control （P<0.05）.The activity of POD was the highest in -2 ℃ treatment and began to decrease in -4 ℃ treatment，and it was more sensitive than that of SOD， cat and APX under low temperature stress.At jointing stage， the net photosynthetic rate， stomatal conductance and transpiration rate of wheat seedlings decreased with the decrease of stress temperature， while the intercellular CO2 concentration was the lowest under -2 ℃ treatment， decreased by 9.91% compared with the control， and the highest under -6 ℃ treatment， increased by 15.57% compared with the control （P<0.05）.

Key words： low temperature stress; jointing stage; wheat; active oxygen metabolism; membrane permeability; photosynthetic characteristics

低温是制约小麦单产提高到的主要环境因子之一。晚秋初冬时期播种，如遇低温会造成小麦发芽迟缓，发芽率降低，幼苗生长受到抑制[1]。低温胁迫对拔节期-孕穗期小麦的器官建成和生长发育等生理过程产生不利影响[2]，能够显著降低小麦地上部总生物量和叶面积指数等[3]。研究表明，气候变化背景下的极端温度事件发生频次增加[4]，且极端低温事件的波动规律也变得难以预测[5]，这给小麦的安全生产带来较大的风险隐患。因此，研究低温胁迫在小麦上的影响，对小麦的安全生产有着的重要的支撑作用。低温逆境胁迫会使植株机体产生大量的自由基（ROS），并对细胞膜造成伤害，影响膜的透性和各种生理代谢过程，最终影响作物产量，而机体同时会启动抗氧化保护酶系统中的SOD、POD、CAT等保护酶清除多余的活性氧自由基。因此，研究低温胁迫下植物机体内保护酶、膜透性及产量的影响，对探究植物对低温的响应机理有重要意义，对作物预防低温胁迫也有重要指导意义。

当前，有关低温胁迫在小麦上已有研究报道，但多是将小麦放置于瞬间降低的恒定低温环境下进行研究[6]，难以真实模拟外界渐进降温的实际情况。为此，本试验采取渐进式降温恒温升温动态变温模式研究低温胁迫对拔节期小麦膜透性、活性氧代谢及光合能力的影响，以期为小麦的防灾减灾、安全生产、优质高产提供理论依据，为探究小麦对低温胁迫的响应机制提供资料参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试品种为‘济麦22。

1.2 试验设计

将小麦品种播种于花盆中，花盆直径30 cm、高35 cm，底部有排水孔，播种后将花盆埋于田間，高度与大田土壤平齐，按照大田管理方法进行管理。花盆内装入20 cm耕层大田土，土质为沙壤土，碱解氮93 mg·kg-1、有效磷30.07 mg·kg-1、速效钾87.36 mg·kg-1、有机质15.49 g·kg-1。共播种45盆，待麦苗长至3片叶时进行定苗，每盆留20株。每3盆作1个重复，每处理设3次重复，即每处理9盆。

试验设计5个水平的温度，以平均温度为10 ℃左右的田间正常温度为对照（CK），胁迫低温0 ℃，-2 ℃，-4 ℃，-6 ℃作为4个处理，分别记作T1、T2、T3、T4。试验在小麦拔节第7天将小麦放置于人工气候室，按照试验设计的温度将4个处理分别进行低温胁迫处理，黑暗条件下低温胁迫时间为12 h。进行降温处理时采取渐进式的方法进行降温和升温，以接近外界环境的降温升温规律，即用3 h的时间将温度从对照温度10 ℃分别降至每个处理温度，并在该处理温度下胁迫6 h，然后再用3 h升温至10 ℃，总计12 h。空气相对湿度60%～65%。胁迫结束后放回大田，并于第2天中午9：00—10：00进行叶绿素含量、叶绿素荧光、光合参数的测定。

1.3 测定项目

采用电导仪测定叶片相对电导率（REC）[7];采用硫代巴比妥（TBA）比色法测定丙二醛（MDA）含量[8];采用氮蓝四唑（NBT）比色法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶（POD）活性，采用过氧化氢法测定过氧化氢酶（CAT）活性[9];抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性检测参照Nakano和Asada的方法[10]。采用美国公司生产的Li-6400XT型便携式光合仪测定拔节期小麦植株倒3叶的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（E）、胞间CO2浓度、气孔导度（Gs）。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2007进行数据处理和作图，采用SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对拔节期小麦丙二醛含量及相对电导率的影响

由图1可以看出，低温胁迫能够显著提高拔节期小麦叶片丙二醛含量及相对电导率。其中，T1、T2、T3、T4处理的丙二醛含量均显著高于对照，且丙二醛含量随处理温度的降低而升高，在T4处理下值最大，较对照增加308.00%，且差异显著（P<0.05），这说明随着低温胁迫程度的增大，拔节期小麦叶片细胞膜系统受损程度在增加。相对电导率的变化规律与丙二醛类似，亦随处理温度的降低而升高，且T1、T2、T3、T4处理的相对电导率与对照差异均显著，这表明拔节期小麦叶片在遭受低温逆境胁迫时，细胞质膜透性增大，细胞内的电解质外渗量增多。

2.2 低温胁迫对拔节期小麦叶片保护酶活性的影响

由表1可知，低温胁迫对拔节期小麦叶片保护酶活性的影响显著，且不同水平的低温胁迫引起保护酶SOD、POD、CAT、APX不同程度的增加，这表明小麦叶片在遭受低温逆境胁迫时能够诱导机体抗氧化保护酶活性的增强。在T1、T2、T3、T4处理下，随着胁迫温度的降低，拔节期小麦叶片SOD活性呈现先升高再降低的变化规律，且以T3处理时SOD活性最高，较对照增加107.14%，且差异显著（P<0.05）;在T4处理时，SOD活性开始降低，但仍高于对照CK，这表明当低温胁迫达到一定限值时小麦叶片抗氧化能力减弱。CAT、APX的变化规律与SOD一致，且最大值均出现在T3处理，较对照分别增加162.64%，98.97%，且差异显著（P<0.05）。POD在T2处理时值最大，在T3处理时开始降低，这表明POD在遭受低温逆境时较SOD、CAT、APX变化敏感。

2.3 低温胁迫对拔节期小麦叶片光合特性的影响

由图2可以得出，随着胁迫温度的降低，4个处理下的拔节期小麦叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均呈逐渐降低的趋势，且处理与对照差异均显著（P<0.05）;在T4处理下，净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均最低，较对照分别降低59.34%，63.52%，55.43%，说明拔节期遭遇的低温胁迫能够降低小麦叶片的光合能力，且低温胁迫程度越重对小麦光合能力的抑制越强。胞间CO2浓度的变化规律与净光合速率不一致，T1处理略低于对照，但与对照差异不显著（P>0.05）;T2处理低于对照，且差异显著（P<0.05），较对照降低9.91%;T3、T4均高于对照，且差异显著（P<0.05）。

3 讨论与结论

丙二醛（MDA）是植物遭受逆境胁迫时细胞膜发生膜脂过氧化的最终产物，其含量高低通常用于表征植物细胞膜的受损程度[11]。相对电导率是反应植物细胞膜透性的一项基本指标，其大小与逆境胁迫强度有关，同时也与植株自身抗性强弱有关。赵培培等[12]研究指出，小麦种子MDA含量和相对电导率在0 ℃低温条件下较4 ℃时均有所升高。王玲丽等[13]研究得出，低温胁迫能够使百合细胞膜透性增加、相对电导率增大。本试验结果表明，随着低温胁迫程度的加剧，拔节期小麦叶片MDA含量和相对电导率均逐渐升高，且显著高于对照，试验结果与前人一致，这可能是因为逆境胁迫使植株机体内产生的有害自由基超过了伤害的阈值，直接或间接启动了膜脂过氧化反应，使MDA含量增加[14]，而MDA的大量积累反过来又抑制了SOD、POD等保护酶的活性，使膜系统进一步受损[15]。而拔节期小麦叶片相对电导率随低温胁迫程度的增加而升高，这应该是因为植株在遭受逆境胁迫时，细胞膜透性增加，细胞内的电解质外渗，植物细胞浸提液的相对电导率增大。

植物机体在遭受逆境胁迫时，会产生大量的自由基，这些自由基的产生和清除如果不能被维持在一个正常水平，则会对生物机体造成损伤。SOD在植物体内普遍存在，是清除超氧阴离子自由基的重要酶类之一，它通常与POD、CAT协同清除植物体内过量的自由基，以减轻质膜的过氧化，保护植株细胞正常的生理代谢活动。另外，SOD、CAT、POD和APX活性的高低还可用于检验植物所处环境是否存在活性氧诱因[16]。张静和朱为民[17]研究得出，番茄植株在10 ℃低温胁迫下SOD活性较高，且在低温胁迫14 d左右时POD、SOD活性达到最大值。葛蓓蕾等[18]研究认为，‘罗宾娜百合在昼/夜温度（8 ℃/2 ℃）低温环境下胁迫3 d后，叶片SOD、POD、CAT活性均显著高于对照。杨盛昌等[19]研究指出，弓葵幼苗在-8 ℃冻害条件下胁迫6 h后，SOD、POD、CAT活性显著升高，继续胁迫至24 h时上述指标均下降。本试验结果表明，在T1（0 ℃）、T2（-2 ℃）、T3（-4 ℃）、T4（-6 ℃）4个低温胁迫处理下，拔节期小麦叶片SOD、POD、CAT、APX活性均显著升高，其中SOD、CAT、APX活性在在T4处理降低，POD在T3处理降低，试验结果与前人基本一致，这应该是因为当温度在植株忍受范围内时，植株体内的SOD、POD、CAT、APX可以有效清除过剩的超氧阴离子自由基、羟基自由基和过氧化氢等，使这些超氧化物保持在一个动态平衡范围内;但当外界低温达到一定阈值，超出植株能够忍受的范围时，机体自由基代谢平衡被破坏，活性氧含量大量升高，抗氧化保护酶POD、SOD、CAT、APX的结构受到破坏[20]，活性开始降低，植株体内的多糖、蛋白质和DNA等生物大分子被破坏，植物受到低温伤害。但试验结果与刘伟等[21]的研究结论不一致，他们通过对葡萄进行低温胁迫发现，葡萄SOD、POD、CAT在低温胁迫的一段时间内呈现先降低后升高的变化规律，这可能与不同试验设置的测定时间和胁迫温度存在差异有关。

光合作用是植物生长发育的物质基础和重要的能量来源，但植物光合能力的强弱受自身遗传特性和外界温度、光照、水分等多种因素的影响。本试验结果表明，在T1、T2处理下，拔节期小麦叶片净光合速率、胞间CO2浓度与气孔导度三者的变化规律相似，均随低温胁迫程度的加剧而下降，这表明在此一阶段小麦叶片净光合速率的降低是气孔因素限制所致[22-23]，即气孔导度的降低影响光合底物的传导能力，致使胞间CO2浓度的降低，而胞间CO2作为植物进行光合作用的底物其含量的减小致使叶片净光合速率的降低;然而在T3、T4处理下，随着胁迫温度的继续降低，胞间CO2浓度与净光合速率、气孔导度的变化规律不再一致，这说明在此一阶段引起小麦净光合速率降低的主要因素为非气孔限制，这是因为胁迫温度较低时小麦叶片组织会受到不同程度的损伤、破坏[24]，加之低温条件下酶活的活性也会受到限制，从而降低了叶片的光合能力，试验结果与崔波等[25]在白及上的研究结论一致。

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