油菜素内酯对寒地冬小麦越冬期生理代谢的影响

丁美云，刘丽杰，于梦迪，王璐瑶，孙玉婷，金忠民，李珊珊，张东向

(齐齐哈尔大学生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

小麦是中国重要的粮食作物之一，小麦产业的发展与国家的粮食安全和社会稳定息息相关。冬小麦具有产量高、品质好的优点，因此长期以来一直得到人们的认可。但由于温度的影响，我国高寒地区冬小麦的种植受到限制，东农冬麦1号是我国首例能在黑龙江省高寒地区越冬的冬小麦品种，返青率可达85%。但如遇冬天雪少，或者田间存雪困难，部分麦苗裸漏在田间时，冬小麦次年的返青也会有所下降。因此，如何有效地提高冬小麦的耐寒能力，是进一步在高寒地区广泛推广种植冬小麦的关键环节，对解决实际生产问题有重要的应用价值。

油菜素内酯(brassinosteroids，BR)又称芸苔素，是一类存在于油菜花粉中的新型植物激素，油菜素内酯既能调控植物的生长发育，又能提高植物的抗逆性。低温胁迫时，油菜素内酯能够降低低温对辣椒、华山松和水稻幼苗的膜质损伤程度，促进植株的生长，提高蔬菜甘薯、华山松和水稻幼苗的抗氧化酶(CAT、POD和SOD)活性和渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸)含量，增加香椿幼苗和华山松叶绿素含量和光化学活性，从而增强植物抵抗低温的能力。4 ℃低温胁迫下，适当浓度的表油菜素内酯处理48 h和处理7 d均能降低小麦幼苗的电导率和MDA含量，促进脯氨酸的积累，提高 SOD和CAT的活性，表油菜素内酯处理7 d还可增加小麦的可溶性糖和可溶性蛋白含量，提高POD的活性。目前关于油菜素内酯对小麦低温胁迫的影响均是在零上温度进行，对油菜素内酯在冬小麦越冬期持续低温下的影响尚不清楚。本研究以冬小麦强抗寒性品种东农冬麦1号和弱抗寒品种济麦22(在黑龙江省不能越冬)为试验材料，在三叶期时喷洒不同浓度的油菜素内酯溶液(0.01 mg·L、0.1 mg·L和1 mg·L)，在越冬期不同温度时取样，探究在越冬期不同低温下，油菜素内酯对冬小麦生理代谢的影响，以期为油菜素内酯在冬小麦抗寒栽培中的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为冬小麦品种冬小麦东农冬麦 1 号和济麦22，种子由齐齐哈尔大学生命学院植物代谢生理研究室提供。

1.2 试验设计

挑选出粒大饱满的东农冬麦1号和济麦22种子，于2020年9月8日播种在试验田中，完全区组排列，3次重复，10行区，行长2.0 m，行距 0.5 m，每行播种200粒，播深5 cm，基施二铵23 g·m和硫酸钾7.5 g·m，常规田间管理。在冬小麦三叶期时喷施不同浓度的BR(0.01 mg·L、0.1 mg·L和1 mg·L)，对照组喷洒蒸馏水。在越冬期温度(连续10 d最低温度的平均值)达到5 ℃、0 ℃、-10 ℃和-25 ℃时进行分蘖节取样，将冬小麦分蘖节剪成1 cm长小段混匀，用液氮进行速冻，标记清楚，放入-80 ℃冰箱进行保存。

1.3 测定指标与方法

丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量利用TBA比色法测定，可溶性蛋白含量利用考马斯亮蓝法测定，游离脯氨酸含量利用磺基水杨酸法测定，过氧化物酶(POD)活性利用比色法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性利用NBT显色法测定，过氧化氢酶(CAT)活性利用高锰酸钾滴定法测定。

1.4 数据分析

每个处理包括3个生物学重复。数据用 SPSS 20.0 软件按单因素进行方差分析，在=0.05显著性水平上对不同处理间差异显著性进行分析。

2 结果与分析

2.1 越冬期不同低温下油菜素内酯对冬小麦分蘖节膜质损伤的影响

在对照组和BR处理组，随着温度的降低，东农冬麦1号和济麦22分蘖节的 MDA含量均逐渐上升；随着BR浓度的提高，MDA含量整体呈现先降后升的趋势，并且处理组始终低于对照组。当 BR浓度为0.1 mg·L时，东农冬麦1号和济麦22膜质损伤程度达到最低，东农冬麦1号与对照组相比，不同温度(5、0、-10和25 ℃)下MDA含量分别降低了19.2%、38.8%、20.2%、 37.3%，在0 ℃、 -10 ℃和-25 ℃时与对照组差异均达到显著水平(<0.05)；济麦22与对照组相比，不同温度下MDA含量分别降低了 18.2%、8.2%、 1.9%、37.0%，在-25 ℃时与对照组差异达到显著水平；东农冬麦1号比济麦22的膜质损伤程度低(图1)。

CK：对照； D：东农冬麦1号； J：济麦22； 1～3分别代表0.01、0.1和1 mg·L-1三种BR浓度；图柱上不同字母表示同一品种不同处理间差异显著(P<0.05)。下图同。

2.2 越冬期不同低温下油菜素内酯对冬小麦分蘖节抗氧化酶活性的影响

在对照组和BR处理组，随着温度的降低东农冬麦1号和济麦22的SOD活性均呈现上升的趋势，CAT活性呈现先降后升的趋势；随着BR浓度的提高，SOD活性整体呈现先降后升的趋势，CAT活性整体呈现先升后降的趋势，并且处理组始终高于对照组。当BR浓度为0.1 mg·L时东农冬麦1号和济麦22的SOD和CAT活性均达到最高，其中东农冬麦1号SOD活性在5、0、-10和-25 ℃下较对照组分别上升了 61.4%、44.1%、48.4%、41.3%，CAT活性分别上升了36.6%、70.1%、73.6%、31.6%，差异均达到显著水平；济麦22的SOD活性在5、0、 -10和-25 ℃较对照组分别上升了 62.6%、 54.0%、45.4%、45.8%，CAT活性分别上升了 37.0%、55.2%、66.6%、52.7%，差异均达到显著水平。东农冬麦1号分蘖节中CAT活性显著高于济麦22(图2、图3)。

图2 油菜素内酯对小麦分蘖节SOD活性的影响

图3 油菜素内酯对冬小麦分蘖节CAT活性的影响

随着温度的降低，东农冬麦1号和济麦22 的POD活性均呈现先降后升的趋势；BR处理后，随着BR浓度的升高，POD活性整体呈现先升后降的趋势，并且处理组始终高于对照组。当BR浓度为0.1 mg·L时，POD活性达到最高值，其中东农冬麦1号的POD活性较对照组分别升高了30.9%、32.2%、 39.0%、14.1%；济麦22的POD活性分别降低了9.4%、50.4%、27.8%、23.4%，除济麦22在5和-10 ℃下外，两个品种的BR处理与对照组在各温度下差异均显著(图4)。

图4 油菜素内酯对小麦分蘖节POD活性的影响

2.3 越冬期不同低温下油菜素内酯对冬小麦分蘖节渗透调节能力的影响

在对照组和BR处理组中，随着温度的降低，东农冬麦1号和济麦22可溶性糖含量均呈现先升后降的趋势，但不同温度间差异不显著。不同浓度的BR处理后，可溶性糖含量与对照组相比差异也均不显著(图5)。

图5 油菜素内酯对冬小麦分蘖节可溶性糖含量的影响

在对照组和BR处理组中，随着温度的降低，东农冬麦1号和济麦22可溶性蛋白含量均呈现先上升后降的趋势，当BR浓度为0.1 mg·L时可溶性蛋白含量最高，并且处理组始终高于对照组。其中，东农冬麦1号的可溶性蛋白含量在5、0、-10和-25 ℃下与对照组相比分别增加了17.8%、23.7%、20.5%、45.9%，济麦22的可溶性蛋白含量分别增加了 27.9%、31.9%、27.6%、35.0%，除济麦22的5 ℃外，各温度下两个品种的BR处理组与对照组差异均显著(图6)。

图6 油菜素内酯对小麦分蘖节可溶性蛋白含量的影响

在对照组和BR处理组中，随着温度的降低，东农冬麦1号和济麦22脯氨酸含量均呈现上升的趋势。当BR浓度为0.1 mg·L时脯氨酸含量达到峰值，并且处理组始终高于对照组。其中，东农冬麦1号的脯氨酸含量在5、0、-10和 -25 ℃下较对照组分别增加了66.2%、 50.0%、 59.17%、38.05%；济麦22的脯氨酸含量分别增加25.9%、50.3%、15.9%、36.3%，除济麦22的5 ℃，两个品种BR处理组在各温度下与对照组差异均达到显著水平(图7)。

图7 油菜素内酯对冬小麦分蘖节脯氨酸含量的影响

2.4 越冬期不同低温下油菜素内酯对冬小麦分蘖节光合色素含量的影响

在对照组和BR处理组中，随着温度的降低，东农冬麦1号和济麦22的叶绿素含量均呈现先升后降的趋势。当BR浓度为0.1 mg·L时叶绿素含量达到最高值，并且处理组始终高于对照组。其中，东农冬麦1号的叶绿素含量在5、0、 -10和-25 ℃下较对照组分别提高27.4%、 31.0%、 54.0%、37.2%，济麦22的叶绿素含量分别提高 40.1%、40.9%、40.5%、49.1%，除东农冬麦1号的-25 ℃处，各温度下两个品种的BR处理组与对照组差异均显著(图8)。

图8 油菜素内酯对冬小麦分蘖节叶绿素含量的影响

2.5 越冬期不同浓度下油菜素内酯对冬小麦越冬率的影响

济麦22在黑龙江省种植时不能返青。BR处理后，东农冬麦1号的返青率高于对照组，当BR浓度为0.1 mg·L返青率达到最高，并且与对照组差异显著，其余浓度的BR处理与对照组差异不显著。对照组和BR处理组中东农冬麦1号的返青率均在86%以上(表1)。

表1 油菜素内酯对东农冬麦1号返青率的影响

3 讨 论

在自然环境条件下，温度是非生物因素中变化最为频繁的因素。温度影响植物的生长发育、器官形成等过程，同时也是最敏感的环境限制因素。低温下细胞膜从液晶相转变成凝胶相，细胞膜出现裂缝和透性增大，可溶性物质从细胞内渗透出来，使细胞内的离子失衡。MDA含量可以反映逆境胁迫对植物的损害程度。本研究表明，随着温度的降低，冬小麦的MDA含量升高，说明温度使膜质受到伤害；喷洒BR能够降低小麦分蘖节膜质损伤程度，两个冬小麦品种的MDA含量在BR浓度为0.1 mg·L时最小(图1)，并且对强抗寒品种东农冬麦1号的影响大于济麦22，说明此浓度的BR能有效缓解低温对东农冬麦1号小麦细胞膜的损害，这与张煜星和刘丽杰等在4 ℃低温胁迫下对油菜素内酯效应的研究结果一致。

低温胁迫会使植物体内的活性氧产生和清除失衡，从而使活性氧大量积累，破坏生物大分子，植物可以利用抗氧化防御系统来保护自己免受氧化应激损伤。本研究结果表明，在越冬期不同低温下，BR处理后，两个冬小麦品种的SOD、POD和CAT活性较对照组都有所提高，并在BR浓度为0.1 mg·L时抗氧化酶活性达到最强(图2-4)，且BR使东农冬麦1号的抗氧化酶活性增加更多，此结果与前人的研究结果相似。这说明在越冬期低温下，BR能通过提高抗氧化酶的活性而降低氧自由基含量，清除过多的活性氧，从而减轻膜脂过氧化程度，进而增强小麦幼苗的抗寒性。

植物受到低温胁迫时会使细胞的渗透压改变，植物体通过产生有机或无机小分子物质作为渗透调节物质来缓解由于低温引起的渗透压的变化。脯氨酸、可溶性蛋白及可溶性糖是植物体内主要的渗透调节物质。本研究表明，不同浓度的BR喷洒后，小麦分蘖节的脯氨酸和可溶性蛋白增加，并在BR浓度为0.1 mg·L时脯氨酸和可溶性蛋白含量最高，此时小麦的渗透调节能力最强，这与Kang等对苦瓜渗透调节能力的研究结果相似；BR处理后可溶性糖的含量与对照组差异不显著，与刘丽杰等关于4 ℃低温胁迫下得出表油菜素内酯能提高冬小麦幼苗可溶性糖含量的结果并不一致，可见不同低温以及低温处理的持续时间会影响冬小麦渗透调节物质的积累，在越冬期BR主要通过脯氨酸和蛋白质的积累来调节冬小麦细胞的渗透调节能力，从而提高其抗寒性。

光合作用是植物的主要生命活动，低温会抑制叶绿素的合成，使叶绿素降解加快，因低温会使光系统Ⅰ和光系统Ⅱ的结构和功能破坏，阻碍电子传递链(ETC)的传递功能，从而使植物发生光氧化现象。植物可通过将过度吸收的光转换成热能来降低电子传输的速率，多余的激发能作为热量被耗散，它可以激活散热通道降低光系统Ⅱ中叶绿素激发态的浓度，进而使植物适应低温环境。本研究结果表明，在低温胁迫下，BR可使两个品种冬小麦分蘖节中的叶绿素含量显著提高，减少低温对叶绿素的破坏，从而维持光合作用的进行，在BR浓度为0.1 mg·L时叶绿素的含量达到峰值，这与前人在黄瓜和玉米上的研究结果相似。

总之，油菜素内酯能够有效缓解低温对冬小麦的胁迫，提高抗氧化酶活性和渗透调节物质含量，降低低温对细胞膜的伤害，提高返青率，最适油菜素内酯浓度为0.1 mg·L，对强抗寒品种东农冬麦1号的效果好于弱抗寒品种济麦22。