盐逆境对不同耐盐性小麦花后生理特性及产量的影响*

陶荣荣,陆 钰,于 琪,马 泉,丁永刚,钱 进,丁锦峰,李春燕,朱新开,郭文善**,朱 敏**

(1.扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学小麦研究中心 扬州 225009;2.江苏金色农业股份有限公司 盐城 224000)

土壤盐渍化是世界范围内影响作物产量的主要非生物胁迫之一。在全球范围内,超过20%的耕地(相当于世界总面积的6%)受到盐碱化威胁,并且随着人类活动和气候变化的影响,土壤盐渍化问题呈恶化的趋势,未来严重威胁到人类赖以生存的农业生产[1-2]。此外随着人口不断增加,到2050年底粮食产量必须增加70%[3],不断缩小的可耕地面积与不断增加的粮食需求间的矛盾日益突出。开发利用盐渍化土壤,提高盐渍化耕地作物生产效率对农业的可持续发展起到决定性作用。小麦(Triticum aestivum)是世界上最主要的粮食作物之一,提供了世界人口约1/5 的粮食消费量,也是我国盐碱地地区的主要栽培作物。但小麦是中等耐盐作物,在盐渍条件下,其谷物产量损失超过60%[4]。为满足人们对粮食的需求,深入研究小麦在盐胁迫下的耐盐机理、选育耐盐小麦品种已成为发展现代农业,提高粮食安全的关键性问题。

小麦耐盐性是多基因控制的数量遗传性状,涉及诸多基因和多种耐盐机制的协调作用,不同品种间、同一品种不同生育时期间均存在耐盐性差异[5]。小麦耐盐性鉴定是耐盐品种选育以及耐盐机理研究的基础性研究,众多学者利用不同生理指标及评价方法对小麦耐盐性进行评价。宫文萍等[6]以根系盐害易感指数、相对盐害指数及相对苗长为依据,从417 份试验材料中筛选出4 份高耐盐品种; 郭超等[7]基于净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性等生理指标从7 份试验材料中筛选出‘西农509’等3 份高耐盐品种; 彭智等[8]以叶片渗透势、茎叶K+/Na+比、茎叶干重、株高等为筛选指标,从321 份材料中筛选出‘中作60115’‘冀麦一号’等苗期高耐盐品种18 份。然而,能够高效用于耐盐品种培育的小麦资源仍然十分缺乏。

目前对小麦耐盐品种的筛选及耐盐机理的研究大多集中在小麦生育前期,并且试验多是在人为可控的理想环境下进行,小麦田间全生育期耐盐性研究由于试验周期长、试验条件可控性差、分析复杂等原因进行的较少。基于此,本研究在试验前期以30 个小麦品种为材料,在初步研究了盐胁迫对小麦苗期光合特性及干物质积累影响的基础上[9],将品种区域适应性考虑在内,综合筛选出适合在江苏大丰地区种植的5 个耐盐性不同的春性小麦品种,其中‘宁麦21’ ‘扬麦20’ ‘扬辐麦4’为相对耐盐品种,‘安农1124’ ‘扬麦23’是相对盐敏感品种。试验在中度盐碱地中进行,研究了盐胁迫对不同耐盐性小麦品种花后生理特性及其产量形成的影响,旨在得到抗盐高产的品种,并试图阐明其耐盐高产的机理,为小麦在盐碱地的种植推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况与供试材料

试验于2020-2021年度在江苏省盐城市大丰区稻麦原种场进行。试验地块土壤类型为滨海盐渍土,对照田块(S0)为低盐土壤,播前0～20 cm 土壤含盐量为(0.770±0.062) g·kg-1,土壤基础地力为: pH 8.67,全氮含量0.76 g·kg-1,碱解氮含量70.56 mg·kg-1,速效磷含量29.03 mg·kg-1,速效钾含量209.95 mg·kg-1,有机质含量13.81 g·kg-1; 盐逆境田块(S1)为中度盐渍土,播前土壤耕层(0～20 cm)含盐量为(3.294±0.198) g·kg-1,土壤基础地力为: pH 9.46,全氮含量0.93 g·kg-1,碱解氮含量76.05 mg·kg-1,速效磷含量62.74 mg·kg-1,速效钾含量225.44 mg·kg-1,有机质含量16.22 g·kg-1。两块试验田前茬作物均为玉米(Zea mays),小麦不同生育时期土壤盐分变化动态如表1所示。试验材料是从在扬州大学小麦研究中心繁殖保存的几十份遗传背景不同的小麦品种中筛选得到的耐盐差异性显著且适合在大丰种植的5 个春性小麦品种[9],其中‘宁麦21’(NM21)、‘扬麦20’(YM20)、‘扬辐麦4’(YFM4)为相对耐盐品种,‘安农1124’(AN1124)、‘扬麦23’(YM23)是相对盐敏感品种。

表1 小麦不同生育期不同处理试验田土壤盐分变化动态Table 1 Soil salt contents of different treaments fields at different growth stages of wheat

1.2 试验设计

试验采用二因素裂区设计,主区为品种,副区为盐分,每个处理重复3 次。氮肥施用量为240 kg·hm-2,氮肥运筹比例为基肥∶分蘖肥∶拔节肥∶孕穗肥为5 ∶ 1 ∶ 2 ∶ 2; 磷(P2O5)、 钾肥 (K2O) 施用量为120 kg·hm-2,基肥和拔节肥比例各50%。10月30日播种,基本苗270 万·hm-2,小区面积9 m2,行距0.25 m,其他栽培措施同当地高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤盐分及其动态

于播前、越冬期、拔节期、开花期、成熟期对每小区采用三点取样法(对角线取样)取0～20 cm 土样风干进行测定,土壤浸提液水土比为5∶1。用烘干法测定各个时期土壤可溶性总盐含量[10]。

1.3.2 茎蘖动态、叶面积指数及干物质积累动态

于越冬期、拔节期、孕穗期、开花期、成熟期田间每小区取样20 株,调查茎蘖数; 使用叶面积仪(LI-3000C,美国)测量植株绿叶面积; 之后去除样本根部,地上部按器官分开,105 ℃杀青0.5 h 后80 ℃烘干至恒重,称取各器官干重。

1.3.3 叶绿素含量与叶绿素荧光的测定

于小麦开花期及乳熟期(花后21 d)每小区随机取5 张旗叶叶片,使用日本产SPAD-502 叶绿素仪测定叶片叶绿素含量(SPAD); 叶绿素荧光仪MINIPAM-II (Walz,德国)测定叶绿素荧光(Fv/Fm)。

1.3.4 丙二醛与脯氨酸的测定

于小麦开花期及乳熟期每处理随机取15 片旗叶,经液氮快速冷冻后,用MM400 冷冻球磨仪(Retch,德国)粉样后用于丙二醛(MDA)与脯氨酸(Pro)含量的测定,其中MDA 含量采用硫代巴比妥酸法[11],Pro 含量采用茚三酮比色法[12]。

1.3.5 产量及其构成因素的测定

于乳熟期,连续取50 个麦穗,调查穗粒数。于成熟期,每个小区划定1 m×1 m 区域调查穗数。人工收割、脱粒,自然晒干后,随机取1000 粒测千粒重,重复3 次。按13%含水率计算产量与千粒重。

1.4 统计分析

使用Excel 2016 和IBM SPSS Statistics 25 软件进行数据统计分析,结果以“平均值±标准差”表示。采用单因素(One-way ANOVA)和Duncan 法进行方差分析和多重比较(α=0.05),用Enter 法对产量及其构成因素的相对值(S1/S0)进行回归分析(n=5),用Pearson 法对开花期生理指标与产量及其构成因素的相对值(S1/S0)进行相关分析(n=5)。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对不同耐盐性小麦品种物质生产和产量的影响

2.1.1 对产量及其构成因素的影响

盐胁迫显著影响了小麦产量及其构成(表2)。盐逆境下,小麦产量显著下降,平均仅为对照的26.2%。产量构成因素方面,穗数、每穗粒数及千粒重均显著下降,其中穗数平均降幅达60.7%,为减产的主导因素。通径分析表明,盐胁迫下小麦穗数及千粒重与产量呈极显著正相关关系,其中穗数是产量形成的主要贡献者(表3)。就不同条件下各品种的表现而言,对照条件下‘扬麦23’ ‘安农1124’的籽粒产量显著高于‘扬麦20’与‘宁麦21’,而在盐逆境下‘安农1124’的籽粒产量显著低于除‘扬麦23’外其他品种。就减产率表征品种的耐盐性,5 个品种耐盐性的排序为‘扬麦20’＞‘宁麦21’＞‘扬辐麦4’＞‘扬麦23’＞‘安农1124’。

表2 盐胁迫对不同耐盐性小麦品种产量及其构成因素的影响Table 2 Effect of salt stress on yield and its components of wheat varieties with different salt tolerances

表3 盐胁迫下不同耐盐性小麦品种产量及构成通径分析Table 3 Path analysis of yield and its’ components of wheat under salt stress

2.1.2 对茎蘖动态的影响

由表4可得,小麦整个生育期茎蘖数在对照和盐逆境下均呈单峰曲线变化,在拔节期达到峰值。与对照比,盐逆境下各生育期所有品种的茎蘖数均显著降低,除‘扬麦20’外,其余品种在成熟期的茎蘖数均低于基本苗(270 万·hm-2),造成‘扬辐麦4’ ‘扬麦23’与‘安农1124’茎蘖成穗率的显著降低,其中‘安农1124’的降幅最大,为44.8%。

表4 盐胁迫对不同耐盐性小麦品种不同生育期茎蘖数的影响Table 4 Effect of salt stress on stem and tiller number at different growth stages of wheat varieties with different salt tolerances

2.1.3 对群体叶面积指数的影响

由表5可见,小麦全生育期群体叶面积指数动态在对照与盐逆境下均呈先增加后下降趋势,两处理均在孕穗期达最大值。与对照比,盐逆境处理的叶面积指数均显著降低。就不同处理下各品种而言,对照处理下只有开花期品种间的叶面积指数差异未达显著水平,而在盐逆境下各生育期的叶面积指数在品种间均无显著差异,其中,除返青期外,‘安农1124’在其余生育时期内的叶面积指数均低于其他品种。

表5 盐胁迫对不同耐盐性小麦品种不同生育期叶面积指数的影响Table 5 Effect of salt stress on leaf area index at different growth stages of wheat varieties with different salt tolerances

2.1.4 对干物质积累的影响

由表6可知,在对照处理下,所有品种的干物质积累量随生育进程均呈上升趋势。而在盐逆境下除‘扬辐麦4’的干物质积累量随着生育进程逐渐增加外,其余品种干物质积累量随着生育进程呈先上升后下降的趋势,在开花期后干物质积累量下降,降幅在品种间存在差异,排序为: ‘安农 1124’(42.4%)＞‘扬麦 23’(31.4%)＞‘宁麦 21’(8.0%) ＞‘扬麦 20’(5.8%)。与对照相比,盐逆境下品种的干物质积累量均显著降低。就不同品种不同处理下关键生育期的表现而言,‘安农1124’受到盐胁迫的程度最为严重,在开花期,干物质积累量仅为对照的37.4%,在乳熟期,干物质积累量仅为对照的16.0%。

表6 盐胁迫对不同耐盐性小麦品种不同生育期干物质积累的影响Table 6 Effect of salt stress on dry matter accumulation at different growth stages of wheat varieties with different salt tolerances

2.2 盐胁迫对不同耐盐性小麦花后生理特性的影响

盐逆境对小麦旗叶花后生理特性存在显著的影响(表7)。盐胁迫加速了叶片的衰老,盐逆境下,除‘安农1124’外,其余品种的SPAD 值均随生育进程呈下降趋势。如用SPAD 值降幅表示品种受盐胁迫程度,在开花期,与对照相比,盐逆境下各品种受胁迫程度排序为: ‘安农1124’＞‘扬辐麦4’＞‘宁麦21’＞‘扬麦23’＞‘扬麦20’(降幅分别为18.0%、10.9%、8.7%、5.7%、3.6%); 在乳熟期,与对照相比,盐逆境下各品种的SPAD 值均显著降低。盐逆境还导致各品种Fv/Fm的降低,降低程度在品种间存在差异,开花期‘安农1124’ ‘扬麦23’的Fv/Fm显著降低 (降幅分别为14.3%、10.8%),乳熟期 ‘宁麦21’ ‘扬麦23’的Fv/Fm显著降低; 其余品种的Fv/Fm在处理间差异均未达显著水平。MDA 含量是脂膜损伤程度的重要标志之一,随着生育进程,MDA 含量在对照与盐逆境下均呈上升趋势。与对照相比,盐逆境下各品种的MDA含量均显著增加,所有品种的平均增幅在乳熟期(61.8%)高于开花期(44.7%),其中在乳熟期‘安农1124’ 增幅为105.8%,明显高于其他品种,而‘扬辐麦4’增幅最小,为37.2%。植物盐胁迫下脯氨酸可作为渗透调节物质减轻渗透胁迫。从表7可知,对照与盐逆境下其含量随着生育进程均呈下降趋势。与对照比,盐逆境下各品种的脯氨酸含量均显著增加。其中,在开花期,‘宁麦21’ ‘扬麦20’在盐逆境下的脯氨酸含量分别为对照的11.4 倍、7.0 倍,明显高于其他品种; 在乳熟期,‘扬麦20’在盐逆境下的脯氨酸含量为对照的4.0 倍,高于其他品种。

表7 盐胁迫对不同耐盐性小麦品种花后生理特性的影响Table 7 Effect of salt stress on post-anthesis physiological characteristics of wheat varieties with different salt tolerances

2.3 盐胁迫下小麦产量及其构成因素与花后生理指标的相关性

在进一步分析中,对不同耐盐性小麦品种开花期生理性状与产量及其构成因素等指标进行了相关性分析(表8)。结果显示,穗数(P=0.001)、千粒重(P=0.006)与产量呈极显著正相关关系; 开花期叶绿素相对含量(SPAD)与干物质积累量存在着显著正相关关系(P=0.022),干物质积累量、叶绿素荧光(Fv/Fm)与产量(P=0.026;P=0.013)、穗数(P=0.011;P=0.036)及千粒重(P=0.029;P=0.035)间存在着显著的正相关关系。以上结果表明,在盐胁迫下叶绿素相对含量及叶绿素荧光参数是小麦进行光合的基本,是保证小麦花后干物质生产及最终产量形成的关键。

表8 盐胁迫下小麦产量及其构成因素与花后生理指标的相关性Table 8 Correlation of wheat yield and its constituent factors with post-flowering physiological indicators under salt stress

3 讨论

培育抗盐品种是利用盐碱地最经济有效的措施之一,而耐盐性鉴定是作物耐盐育种及选育耐盐材料的重要组成部分。目前国内外耐盐性鉴定方法有盆栽法、海水(咸水)灌溉法、水培法、田间鉴定及盐池鉴定等方法[13]。在盐碱地栽培中,田间环境复杂多变,盐碱化的分布不均匀再加上盐渍化土壤具有结构黏滞,通气性差; 土壤容重高,土温上升慢; 土壤中好气性微生物活动性差,养分释放慢; 土壤渗透系数低,毛细作用强等特点[14],因而使得田间鉴定进行作物耐盐性鉴定的较少,而其他常用方法不能全面正确地反映作物品种的真实耐盐性,如盆栽法土体较小,鉴定结果易失真; 海水灌溉法积盐量低,不能反映盐碱地盐分运动规律; 水培法与盐池鉴定法则无法反映自然状态下盐分分布及作物生长规律。本研究利用自然条件下的滨海盐碱田块对不同抗性的小麦品种进行鉴定,研究了在土壤盐逆境下不同小麦品种的花后生理特性及产量形成,更能反映真实情况,贴近生产实践。

盐胁迫不仅影响小麦种子萌发出苗、个体形态发育,更主要的是造成小麦干物质生产与积累能力的下降,导致产量的下降。本研究发现,盐胁迫下植株发育迟缓,分蘖数、干物质积累量、叶面积减少,这与前人研究结果一致[15-17],其减少量在品种间存在差异,较耐盐品种‘扬麦20’在盐逆境中仍保持较高的茎蘖数与干物质积累量,产量最高。盐碱地受季风气候的影响,春秋两季降雨少,而蒸腾、蒸发强烈,盐分大量积累在耕作层中。秋季返盐影响小麦的早期出苗,而春季正是小麦返青、起身和拔节的旺盛生长时期,这一时期返盐导致前期死苗,还会造成个体生长发育不良,影响小麦分蘖的发生和成穗,影响最终收获穗数[15,18-20]。在本研究中,土壤盐碱胁迫使小麦在苗期茎蘖数明显减少,其中盐敏感品种‘安农1124’成熟期的穗数明显低于基本苗,最终几近绝产。因此在盐碱地小麦栽培中可通过增加播种量来达到提高产量的目的。

小麦产量是产量构成因素共同作用的结果,单位面积穗数是影响盐碱地小麦产量的限制性因素[15]。在对每穗粒数和千粒重是否是产量减少主要因素的研究结论不一致。Maas 等[21-22]的研究认为,盐胁迫缩短了小麦顶端发育的时间,减少了小穗原基数,穗粒数的减少是导致减产的主导因素; 而申玉香等[19]的研究结果则表明与穗粒数相比,盐胁迫下粒重的减少是造成减产的重要因素; 王美娥等[20]的研究则表明盐胁迫对穗粒数和千粒重的影响因品种存在一定的差异,盐胁迫下叶片光合速率降低,CO2固定和光合产物减少,向籽粒中转化的有机物质减少,籽粒干瘪,千粒重减少。在本研究中,与非盐逆境相比,盐逆境下小麦产量显著下降,仅为非逆境的26.2%,穗数、每穗粒数与千粒重也显著减少,其中穗数不足是主要的减产因素,其次是粒重的减少。在盐碱地小麦栽培中,单位面积穗数是保证小麦产量的基础,提高小麦后期光合能力和干物质积累以提高小麦千粒重是提高盐碱地小麦产量的关键。

旗叶是小麦花后进行光合作用产生碳水化合物的主要场所,对最终产量的形成有至关重要的作用。已有的研究表明盐逆境会缩短小麦后期的生长发育,造成旗叶的早衰,影响小麦花后光合物质生产,造成最终产量的减少[23]。植物在盐胁迫下会发生膜脂过氧化,造成植物体内自由基代谢平衡失调,导致丙二醛积累,破坏细胞膜结构和功能,加速了旗叶的衰老,影响作物的生理代谢及光合作用[24-25]。此外,有研究表明,高浓度盐胁迫下,小麦叶片中的脯氨酸含量显著增加[26],这是由于在盐生境中脯氨酸可以通过细胞质内渗透调节来减缓胁迫环境对植物的伤害[27]。在本试验中,土壤盐胁迫下小麦旗叶的丙二醛及脯氨酸含量均显著增加,随生育进程旗叶丙二醛含量呈上升趋势,盐逆境下增幅大于非盐逆境,而脯氨酸含量随生育进程呈下降趋势,盐逆境下降幅大于非盐逆境,表明土壤盐碱胁迫加速了小麦叶片的衰老。叶绿素含量是植物进行干物质积累的源,是保障光合作用顺利进行的基础条件,叶绿素荧光Fv/Fm则可以表明PSⅡ利用光能的能力,其变化能够反映盐胁迫下PSⅡ反应中心是否失活和受到了损伤[28-30]。本研究结果表明土壤盐碱胁迫造成叶绿素含量与叶绿素荧光Fv/Fm的降低,叶绿素荧光与穗数、千粒重及产量间呈显著正相关关系,叶绿素含量与干物质积累量呈显著正相关,干物质积累量与穗数、千粒重及产量间呈显著正相关关系。表明盐胁迫通过降低叶绿素含量及Fv/Fm抑制了小麦的光合作用,减少了光合产物的生成,造成最终的减产。因此在田间耐盐鉴定中,开花期SPAD 和Fv/Fm可以作为选育耐盐小麦可靠的鉴定指标。本研究还发现在土壤盐碱胁迫下,耐盐性不同的小麦品种花后光合生产能力和旗叶的衰老特性间存在显著差异。相对较耐盐品种旗叶叶绿素含量和Fv/Fm下降幅度及丙二醛含量增加幅度均小于相对盐敏感品种,但耐盐品种脯氨酸含量增幅大于相对盐敏感品种,因此,盐碱地条件下耐盐性强的品种减产幅度小。

本试验研究了盐碱土壤对不同耐盐性小麦品种产量、产量构成因素及其花后生理性状的影响,旨在得到抗盐高产的品种,同时确定小麦在低产盐碱地中实现高产的生理生态特性。本研究只是对耐盐性不同小麦品种在盐碱地生长与生理的初步分析,侧重于盐碱胁迫对小麦生育后期的影响,在以后的研究中,可尝试增加其他生育时期及生理指标的测定及分析,以期获得全面的试验结果,阐明盐碱地小麦生理指标的响应机制。

4 结论

在大丰盐碱地中,小麦的群体茎蘖数、叶面积指数、干物质积累均受到抑制,开花期及花后旗叶叶绿素含量、叶绿素荧光降低,脯氨酸、丙二醛含量显著增加,表明盐逆境加速了旗叶的衰老,抑制了光合作用。与非盐逆境相比,盐逆境下小麦产量显著下降,仅为非逆境的26.2%,穗数、每穗粒数与千粒重显著减少,其中穗数不足是主要的减产因素,其次是粒重的减少。不同耐盐性小麦品种在盐胁迫下的农艺及生理指标均受不同程度的影响。相对较耐盐小麦品种的生理生化指标的变化幅度较为缓和,在关键生育期保持较好的表现,而相对不耐盐小麦变化幅度较大,严重影响植株的生长发育及产量形成。在本试验中,盐逆境下,‘扬麦20’保持较适宜的茎蘖数与干物质积累量,花后旗叶也保持良好的光合特性,与其他品种相比,有较高的渗透物质合成,可以在逆境条件下保持相对正常的生长发育,适合在大丰地区盐碱地中种植; 而相对不耐盐品种‘安农1124’和‘扬麦23’茎蘖数与干物质积累显著下降,花后光合也被显著抑制,其中‘安农1124’最终穗数低于基本苗,叶片氧化损伤程度最高,产量最低。此外,相关性分析结果表明,开花期旗叶SPAD 和叶绿素荧光Fv/Fm与穗数、千粒重及产量间存在显著正相关关系,因此在田间鉴定中,开花期SPAD 和Fv/Fm可以作为选育耐盐小麦可靠的鉴定指标。