外源14-羟基芸苔素甾醇对冬小麦小花成粒及生理特性的影响*

刘北城,段剑钊,戎亚思,张艳艳,贺 利,王永华,郭天财,冯 伟

(河南农业大学农学院/国家小麦工程技术研究中心 郑州 450046)

小麦()是我国主要粮食作物之一,在保障我国粮食安全战略中具有极其重要的地位。穗数、穗粒数和千粒重是小麦产量构成三要素,目前大田生产上穗数已达饱和,千粒重受遗传因素影响较大,二者调控余地较小,但穗粒数因具有较高可塑性而成为小麦增产的重要突破口。争取多穗粒数的前提是减少穗花成粒阶段可育小花的退化和败育,提高结实率,增加穗粒数。研究表明,穗花分化和发育受营养物质供应影响较大,可孕花数及小花存活率与穗碳营养和氮营养关系密切。小麦穗花发育关键期充足的水氮供应可以有效促进植株的营养物质积累和分配,利于小麦小花分化和生长发育,进而起到减少小花的退化和败育,以达到增加穗粒数的目的。此外,外源调节类物质也可以调控植株营养物质的合成与代谢,芸苔素甾醇类化合物(BRs)、6-苄基腺嘌呤(6-BA)、脱落酸(ABA)等已被广泛应用于不同作物的生产实践,这些也可以调控植株的营养代谢。其中,BRs作为一种高效的植物生长调节剂,可以参与植物种子萌发、营养运输、生殖器官发育等生理过程,对于调控植物生长发育具有重要作用。研究表明,BRs能通过改变参与卡尔文循环的多种酶的磷酸化来调节光合活性,并能与多种激素相互作用共同调控植物的生长,还能促进同化物向库的转运和积累从而调节源库关系。在作物产量形成方面,外源喷施BRs能增加小麦叶面积、叶绿素含量、可溶性蛋白含量,提高光合作用,增加千粒重和穗粒数,进而提高小麦产量。前人有关BRs的应用已有较多研究,但不同类型的BRs因生物活性存在明显差异,导致其生理功能及作用效果不同。其中人工合成的芸苔素活性单一,长期施用效果低于天然芸苔素甾醇,而天然提取的14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR),因其母液中含有多种芸苔素甾醇结构类似物,活性更佳,但关于14-HBR调控小麦生长发育尤其是调控穗花发育结实的研究报道较少。本研究以大田条件下多穗型品种‘豫麦49-198’和大穗型品种‘周麦16’为材料,小麦小花退化前外源喷施14-HBR,探究其调控不同类型小麦品种穗花发育和结实的生理机制,为小麦绿色生产和产量持续增加提供关键技术手段和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2018-2020年在河南省新乡市原阳县河南农业大学科教园区(35°6N,113°56E)进行,前茬作物为玉米()。供试材料为多穗型小麦品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型小麦品种‘周麦16’(V2),播量为180 kg·hm,两年度分别于10月12日和18日播种,5月31日和6月5日收获。土壤为潮土,0～20 cm土层pH为8.2、有机质17.3 g·kg、全氮0.83 g·kg、速效磷12.7 mg·kg和速效钾132.7 mg·kg。每公顷施纯氮180 kg,其中50%基施,50%拔节期追施; 每公顷施纯磷120 kg和纯钾90 kg,磷肥和钾肥均播前基施; 氮、磷和钾肥分别采用尿素(46%)、过磷酸钙(46%)和氯化钾(60%)。于小麦拔节后20 d (小花退花前调控关键期)在晴天或多云的傍晚,外源喷施0.05 μmol·L(预试验验证比较后确定的该浓度)的14-HBR,并设喷施清水处理作为对照(CK)。喷施时,以叶面表层形成一层水雾但不下滴为准。小区面积为12 m(4 m×3 m),各处理重复3次。其他栽培管理同一般高产田。

1.2 测定内容与方法

1.2.1 小麦幼穗发育观测

自喷施处理当天开始至开花期,每6 d在各处理中取长势一致的小麦植株3株,在EMZ解剖镜下观测幼穗发育进程,记录单茎小穗数、可孕小花数等指标。穗发育状态划分参考崔金梅等方法。可孕小花结实率为成熟期穗粒数与可孕小花数之比。小穗结实率为结实小穗数与总小穗数之比。

1.2.2 穗与非穗器官干物质的测定

在观察不同时期小花发育同时,每6 d取各处理长势均匀一致的20株,分为叶、茎(茎+鞘)、穗3部分,在105 ℃下杀青30 min,80 ℃下烘干至恒重,测定各部位干物质重。

1.2.3 可溶性糖含量的测定

称取0.05 g样品(烘干粉碎后的叶、茎、穗器官)放入10 mL离心管,加入4 mL 80%酒精,在80 ℃浴中加热40 min,离心,收集上清液,对其残渣加2 mL酒精重复提取两次,合并上清液。上清液中加入10 mg活性炭,80 ℃脱色30 min,定容至10 mL,离心后取上清液0.1 mL并加入0.9 mL 80%酒精,再加入7 mL蒽酮试剂混合液,在沸水浴中煮10 min,使用酶标仪在625 nm处测OD值。

1.2.4 植株氮含量的测定

采用凯氏定氮法测定植株不同组织器官(烘干粉碎后的叶、茎、穗器官)全氮含量,各器官生物量与其氮含量(%)的乘积即为各器官的氮积累量。碳氮比(C/N)为可溶性糖含量与氮含量之比。

1.2.5 旗叶相关酶活性的测定

采用XRF法[15]检测样品（NaCl、城市固体废弃物模拟组分和厨余沼渣）中的Cl含量；取约3 g样品，分别将硼酸和样品用压片机（10 MPa下恒压30 s）压制成片放入 XRF仪器中，测定其中的 Cl含量。

自喷施处理当天开始至开花期,每6 d取小麦旗叶若干,用液氮速冻带回,置于-80 ℃冰箱保存。核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)、谷氨酰胺合成酶(GS)和硝酸还原酶(NR)的活性测定参考文献[19]。

1.2.6 产量及其构成因子的调查

成熟期测定单位面积穗数,每处理取30株小麦测定穗粒数,每小区收获4 m小麦测产并测定千粒重,穗数、穗粒数、千粒重和产量均测定3次重复。

1.3 数据分析

采用Excel 2019进行数据处理,使用SPSS 23.0软件进行方差分析,Duncan法进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 外源喷施14-HBR对小麦产量及其构成因素的影响

由表1可知,外源喷施14-HBR对小麦穗数的影响不显著,这与喷施之前群体两极分化基本完成,大分蘖成穗基本确定有关。‘豫麦49-198’(V1)为多穗型品种,而‘周麦16’(V2)为大穗型品种,V1的穗数显著高于V2品种(17.9%)。喷施14-HBR在一定程度上提高了千粒重,但处理间差异未达显著水平; 两品种间千粒重的差异显著(＜0.05),V1品种较V2品种千粒重降低12.5%。喷施14-HBR对穗粒数的增加效应最明显,处理间达显著水平。从两年度均值看,喷施14-HBR较CK每穗增加3.45粒(V1)和4.42粒(V2),提高幅度为9.85% (V1)和11.4% (V2)。两品种间穗粒数也表现显著差异,V1品种较V2品种穗粒数降低10.96%。品种与处理间的互作效应对穗数、穗粒数和千粒重的影响均未达显著水平。产量为3因子的综合表现,品种、处理及其互作效应均对产量影响达显著水平,其中两品种喷施14-HBR处理的产量较CK处理分别增加690.13 kg·hm(V1)和993.53 kg·hm(V2),提高幅度分别为9.31% (V1)和12.03% (V2)。综上,外源喷施14-HBR主要是通过增加穗粒数来提高产量,且对大穗型品种V2促粒增产的效果优于多穗型品种V1。

表1 外源喷施14- 羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对不同小麦品种产量及其构成因素的影响Table 1 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on yield and yield components of different wheat cultivars

2.2 外源喷施14-HBR对冬小麦可孕小花数量变化的影响

由图1可知,随生育进程各处理的每穗小花数动态趋势一致,可分为快速退化(0～6 d)和缓慢败育阶段(6～24 d),年际间及两品种表现趋势一致。各时期小花分化数量均为大穗型品种V2 (‘周麦16’)高于多穗型品种V1 (‘豫麦49-198’),处理间具体表现为V2BR＞V2CK＞V1BR＞V1CK。喷 施14-HBR处 理 较CK处理的效应在年度间及品种上存在一定差异,以喷施后24 d为例,2019-2020年度,V1和V2品种的可孕小花数分别增加2.63个和4.14个,增幅为6.04%和8.41%; 2018-2019年度,V1和V2品种的可孕小花数分别增加3.7个和4.94个,增幅为8.39%和9.65%。相比于CK,外源喷施14-HBR显著提高了两品种的可孕小花结实率和小穗结实率。V1品种的可孕小花结实率在2018-2019年度和2019-2020年度分别提高2.17%和1.73%,而V2品种分别提高2.74%和2.03%; V1品种的小穗结实率在以上两个年度分别提高3.12%和5.52%,而V2品种分别提高5.82%和4.97%。综上,外源喷施14-HBR减少了小花退化和败育数量,增加了可育小花数量,提高了可孕小花结实率和小穗结实率,对大穗型品种促进效果更明显。

图1 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)穗花发育及结实的影响Fig.1 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on spike and floret development and setting of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.3 外源喷施14-HBR对冬小麦干物质积累分配的影响

将植株地上部器官划分为穗器官和非穗器官(叶、茎+鞘)进行分析,由图2可知,随幼穗发育进程,两个年度及两品种的穗和非穗器官干物质积累量以及穗/非穗比例均呈逐渐增加的趋势。大穗型品种V2较多穗型品种V1有较高的穗和非穗器官干物质积累量以及穗/非穗比例,其中,穗和非穗干物质在品种间和年度间均表现出差异性。外源喷施14-HBR处理后,两品种的穗和非穗器官干物质量以及穗/非穗比均高于CK处理; 在处理后24 d,2018-2019和2019-2020两年度间,V1品种的穗干物质量较CK分别提高12.75%和14.17%,非穗器官分别提高7.64%和6.08%,穗/非穗比分别提高4.75%和7.51%; V2品种的穗干物质量较CK分别提高15.95%和13.42%,非穗器官干物质量分别提高9.40%和6.99%,穗/非穗比分别提高5.99%和5.93%。可见,外源喷施14-HBR可以促进冬小麦穗和非穗器官干物质积累量增加以及干物质向穗部的分配能力增强,进而提高穗/非穗干物质比例; 其中对大穗型品种V2的促进效应较高。

图2 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)穗和非穗器官干物质积累的影响Fig.2 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on dry matter accumulation in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.4 外源喷施14-HBR对冬小麦氮素积累分配的影响

图3 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)穗与非穗器官氮含量和氮积累量的影响Fig.3 Effects of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on nitrogen content and nitrogen accumulation in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.5 外源喷施14-HBR对冬小麦各器官可溶性糖含量的影响

由图4可知,两个年度小麦非穗器官可溶性糖含量在0～24 d呈先上升后下降趋势,而穗可溶性糖含量在6～24 d呈先下降再上升特征。喷施14-HBR处理提高了两品种各器官可溶性糖含量,较CK提高的幅度因器官、品种及年度而异,喷后24 d (开花期),非穗器官可溶性糖含量平均增幅为9.48% (V1)和10.06%(V2); 穗的增幅为19.90% (V1)和14.73% (V2)。这说明,外源喷施14-HBR可以提高穗和非穗器官的可溶性糖含量,进而为小麦营养器官和生殖器官的生长发育提供更多的碳同化物。相比而言,多穗型品种V1可溶性糖的增幅稍高于大穗型品种V2,但大穗型品种V2可溶性糖绝对含量高于多穗型品种V1。

图4 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)穗和非穗器官可溶性糖含量的影响Fig.4 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on soluble sugar content in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.6 外源喷施14-HBR对冬小麦各器官碳氮比的影响

由图5可知,两年度小麦植株不同器官C/N比随生育时期的推进表现出差异,非穗器官C/N先升后降,穗C/N比先升后降再升,这与可溶性糖含量的变化趋势整体一致。喷施14-HBR处理的穗器官C/N高于CK处理,而非穗器官C/N略低于CK,两年度一致。与CK相比,喷施后24 d,喷施14-HBR处理穗器官的C/N比CK处理平均提高0.338 (V1)和0.291(V2),非穗器官的C/N平均降低3.998和2.149。这说明外源喷施14-HBR提高了小麦穗器官C/N比,而降低了非穗器官C/N,促进了穗器官碳代谢增强和非穗器官氮代谢提高。相比而言,对多穗型品种V1 C/N的促进效应高于大穗型品种V2。

图5 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)穗和非穗器官C/N比的影响Fig.5 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on C / N ratio in spike and non-spike organs of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.7 外源喷施14-HBR对冬小麦旗叶碳代谢酶活性的影响

由图6可知,小麦旗叶各个碳代谢酶活性的动态变化并不完全一致,Rubisco酶整体呈下降趋势,SPS酶变化不明显,而SS酶为前期下降后期升高的变化特征,两年度趋势整体一致。外源喷施14-HBR对以上3种酶活性均表现明显的正效应,较CK提高的幅度因酶种类而不同。从两年度的开花期平均值来看,喷施14-HBR处理的SPS酶提高幅度为4.80%(V1)和4.15% (V2),Rubisco酶提高幅度为6.22%(V1)和9.77% (V2),而SS酶提高幅度为7.77% (V1)和9.14% (V2)。这表明,外源喷施14-HBR提高了小麦叶片光合产物的同化能力,为小麦幼穗发育生长提供更多的底物供应; 相比而言,整体上对大穗型品种V2的促进效应更好。

图6 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)旗叶Rubisco、蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影响Fig.6 Effects of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on activities of Rubisco,sucrose phosphate synthase (SPS)and sucrose synthase (SS)enzymes in flag leaf of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

2.8 外源喷施14-HBR对冬小麦旗叶氮代谢酶活性的影响

由图7可知,两品种GS和NR酶活性整体趋势表现一致,均随幼穗发育进程呈先升后降的变化特征,于喷施后第18 d达峰值,两年际表现相同,且在数值上差异较小。喷施14-HBR后GS、NR酶活性均高于CK处理,喷施后24 d,BR处理V1和V2两品种较各自CK处理GS酶活性分别平均提高6.04%和10.14%,NR酶活性分别平均提高6.47%和5.98%。喷施14-HBR对多穗型品种V1的GS酶活性调控效应高于大穗型品种V2，对于大穗型品种V2的NR酶活性调控效应高于多穗型品种V1。这说明,外源喷施14-HBR提高了小麦旗叶GS和NR酶活性,增强了植株对氮素吸收和同化的能力,但对不同穗型品种酶活性的调控因酶种类不同而强度不同。

图7 外源喷施14-羟基芸苔素甾醇(14-HBR)对小麦多穗型品种‘豫麦49-198’(V1)和大穗型品种‘周麦16’(V2)旗叶谷氨酰胺合成酶(GS)和硝酸还原酶(NR)活性的影响Fig.7 Effect of exogenous spraying 14-hydroxybrassinolide (14-HBR)on activities of glutamine synthetase (GS)and nitrate reductase (NR)enzymes in flag leaf of multi-spike wheat cultivar ‘Yumai 49-198’ (V1)and large-spike wheat cultivar ‘Zhoumai 16’ (V2)

3 讨论

小麦小花能否成粒与其是否可以顺利发育成为可孕小花有关,小花发育总数很大,但只有20%～30%的小花可以发育为可孕小花,而可孕小花也只有70%左右能发育结实,小花退化和败育决定了可孕小花数量,也基本确定了最终的穗粒数。因此,减少小花退化和败育可以有效提高穗粒数。研究认为,喷施外源生长调节剂如6-BA可以有效减少小花退化和败育,提高结实粒数。本研究发现,外源喷施14-HBR能够增加可育小花数量,减少小花退化和败育数量,提高可孕小花结实率和小穗结实率,最终增加穗粒数,而穗粒数的增加则可以有效地提高产量。相比于多穗型品种,外源喷施14-HBR对大穗型品种促粒增产效果更好,大穗型品种由于群体数相对小而种内竞争小,更利于光合作用产生更多同化物,外源喷施14-HBR进一步促进了这一效应,更加利于促进穗花发育成粒增产; 另外,大穗型品种穗大花多,外源喷施14-HBR可以有效减少小花退化和败育,保留较多的可孕小花数以形成较多粒数,从而促进增产。研究表明,小花退化的主要原因是开花前茎和穗部的快速生长所引起的二者之间对有限营养资源的激烈竞争,穗部生长营养供应不足导致小花退化和败育。促进同化物向穗的积累和转运,有利于穗花发育结实。外源喷施6-BA和BRs等生长调节物质可以调控植株中营养物质向穗器官分配和转运。本研究发现,充足的穗部营养是小麦可孕小花发育成粒的基础,外源喷施14-HBR能有效提高光合同化能力,提高穗干物质和穗氮积累量,并能促进更多的营养物质向穗部器官分配,为小花两极分化阶段提供良好的物质基础和营养保障,促进更多的可孕小花成粒,进而通过增加穗粒数达到增产的目的。

碳氮代谢影响着穗花生长发育,前人研究表明,BRs可以通过调控Rubisco、SPS、SS和GS、NR酶活性来调节植物的碳氮代谢。高的Rubisco、SPS、SS酶活性可以提高植物光合能力和同化能力。本研究结果显示,外源14-HBR可以提高小麦旗叶Rubisco酶活性以促进CO同化能力增加和同化物的合成,可以增强旗叶碳代谢酶SPS和SS的活性,增加叶、茎、穗的可溶性糖含量,从而为小花发育提供充足的碳营养供应。此外,外源BRs能提高植物氮代谢酶的活性,促进特异性蛋白的表达和可溶性蛋白含量增加,进而提高对氮素的吸收同化。在本试验中,外源喷施14-HBR可以提高旗叶GS和NR的活性,以增强氮素同化能力,从而促进穗器官和非穗器官的氮积累绝对量增加,为小麦穗花发育奠定充足的氮素基础; 另外,相比于多穗型品种V1,大穗型品种V2前期具有较高的穗氮含量,这有利于该类型品种小花发育为更多可孕小花。此外,分析碳氮平衡与穗花发育成粒的关系发现,充足的穗和非穗器官碳氮营养是穗花良好发育成粒的基础,较多的碳营养向穗器官分配有利于保证穗花分化和发育,较多的氮营养向非穗器官分配有利于提高光合作用进而增加营养物质源供应,穗器官和非穗器官营养物质供应充分才能有效促进穗花发育成粒。此外,穗器官碳氮比(C/N)也对穗花发育成粒影响较大,孕穗至灌浆期较高的穗器官C/N值利于穗花成粒。本研究结果显示,小花退化前外源喷施14-HBR可以提高小麦穗器官C/N值,同时增加非穗器官氮含量,进而促进营养器官光合产物合成并向穗部分配,高的穗部碳营养积累有利于小麦开花与结实。可见,外源喷施14-HBR可以有效地通过调控光合酶、碳代谢酶和氮代谢酶来调节小麦植株碳氮代谢,提高穗部营养积累和C/N值以利于穗花发育成粒,进而实现增产。

4 结论

在小麦小花退化高峰前外源喷施14-HBR可以有效增加多穗型品种‘豫麦49-198’和大穗型品种‘周麦16’的可孕小花数量,提高可孕小花和小穗结实率,增加穗粒数; 可以提高小麦旗叶光合作用关键酶Rubisco、碳代谢酶SPS和SS以及氮代谢酶GS和NR活性,增强小麦光合同化及氮素吸收能力,促进碳氮营养物质向穗部转运,尤其是促进可溶性糖向穗部多分配,提高穗器官C/N比,为小花两极分化提供充足的物质基础,进而促进穗花发育结实成粒,通过增加穗粒数实现增产。就多穗型‘豫麦49-198’和大穗型‘周麦16’两品种而言,喷施14-HBR对大穗型品种的促粒增产效果更好。