根系氧环境对干旱胁迫下小麦幼苗生长及叶绿素荧光特性的影响

林之栋师君慧张文山师长海李玲燕万雪洁刘义国

(1. 青岛农业大学/青岛生物节水工程研究中心/山东省旱作农业技术重点实验室，山东青岛 266109；2. 益海嘉里(青岛)风味油脂有限公司，山东青岛 266000；3. 日照市农业科学研究院，山东日照 276800)

小麦(Triticum aestivumL.)生产对于保障我国粮食安全具有重要的战略意义。 干旱是影响我国小麦生产的主要因素之一[1-3]。 而小麦生产中的灌溉、化学除草代替人工锄草、少耕免耕、机械化操作等会引起短暂的水淹、农田土壤通气不良、土壤紧实度增强、土壤孔隙度变小等恶化根际氧环境的问题[4-5]。 因此，研究根际氧环境对干旱胁迫下小麦生长发育的影响对小麦安全生产具有重要意义。

低氧环境下，植物根系有氧呼吸受到抑制引起无氧呼吸，从而造成乙醇聚集、ATP 水平下降等，这会降低植物根系对水分和养分的吸收，进而降低作物新陈代谢速率，最终导致植物生长受阻[6-8]。 根际充足的氧气能够促进植株生长[9]，根际注气可显著提高植株的干物质积累[10]，微纳米气泡加氧能促进根系生长[11]、提高叶片光合效率[12]、促进生物量积累及提高产量和改善品质[13-15]。 然而，也有研究表明，采用化学加氧灌溉可能会改变土壤特性，对春小麦根系生长和产量产生负面影响[16-17]。

适宜的根际氧环境有利于作物发育，但并非所有的加氧处理都对作物有益。 目前，根际氧环境对作物响应干旱胁迫的影响鲜有报道。 本研究通过不同通气方式和不同程度干旱模拟，分析干旱条件下通气方式对小麦生长发育及生理特性的影响，以期为小麦安全生产提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦品种为青岛农业大学培育的青麦11 号。 气泵加气设备采用森森集团股份有限公司生产的ACO-007 电磁式空气泵，以细沙气泡石注气；微纳米气泡发生器采用朗派科技有限公司生产的LP-MNB 型微纳米气泡发生器；溶解氧测量仪采用雷磁JPSJ-606L 型溶解氧测量仪，每10 min测定一次。 小麦培养条件:温度(23.0±1) ℃，湿度50%，光照度1 800 lx。

1.2 试验设计

试验于2020 年11 月—2021 年2 月在青岛农业大学小麦中心进行。 取饱满且大小一致的青麦11 号种子，4 ℃处理48 h，用1.0% NaClO 消毒10 min 后用蒸馏水冲洗5 次，放入培养皿中发芽。3 d后选取生长一致的幼苗移植到1/2Hoagland 营养液中培养。 营养液设置不加气(NA)、气泵加气(IA)、微纳米气泡加气(MNB)3 种加气方式。 其中，NA 处理的营养液静置24 h 以上，IA 处理每天24 h 持续通气，MNB 处理每天用微纳米气泡发生器处理30 min，每4 d 换一次营养液。 于三叶一心时用1/2Hoagland 营养液配成的0、10%、20% PEG-6000 溶液作为营养液进行干旱胁迫处理(记作0 PEG、10% PEG、20% PEG)。 使用溶解氧测量仪测定加气水的溶解氧质量浓度，处理10 d 后开始取样。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 根系形态指标测定 取小麦植株根系用蒸馏水冲洗干净，用根系扫描仪(Regent Instruments INC，LA2400)扫描根系图片，再用Epson Scan 2 根系图像分析软件测定根系平均直径、总长、表面积和体积。

1.3.2 叶面积测定 取小麦展开叶，用台式叶面积仪(LI-3000C)测定叶面积。

1.3.3 株高和生物量的测定 选长势一致的小麦幼苗自鞘基部至最长叶尖测量株高。 取5 株小麦幼苗的根、茎、叶，分别于105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重称量。

1.3.4 叶绿素荧光参数测定 遮光处理30 min后取健康的小麦功能叶，采用IMAGING-PAM 叶绿素荧光成像系统测定PS Ⅱ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光合电子传递效率(ETR)、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(NPQ)及调节性能量耗散电子产量[Y(NPQ)]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016 进行数据处理和作图，用SPSS 19.0 软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同加气方式下营养液中溶解氧含量变化

两种加气处理后其培养液中的溶氧量均迅速增加，之后逐渐降低并趋于稳定(图1)。 24 h 内，NA 处理溶解氧含量在4.12～4.97 mg/L 范围内波动；微纳米发生器加气后，MNB 处理溶解氧含量增加，最高至7.64 mg/L，停止加气后下降，3 h 后在5.36 ～6.29 mg/L 范围内波动，24 h 平均值为5.98 mg/L；通气后IA 处理溶解氧含量迅速上升，最高达8.50 mg/L，后逐渐降低，3 h 后在6.82 ～7.48 mg/L 范围内波动，24 h 平均值为7.09 mg/L。稳定阶段，IA 处理溶解氧含量平均值较MNB 高1.11 mg/L，二者较NA 处理的平均值分别高2.56 mg/L 和1.45 mg/L。

图1 不同加气方式下营养液中溶解氧含量变化

2.2 干旱胁迫下不同根际氧环境对小麦根系形态的影响

随着PEG 浓度的增加，各处理小麦幼苗的根系总长、根表面积和根系体积总体呈降低趋势，而根系平均直径呈增大趋势(表1)。 0、20% PEG胁迫下IA 处理的根系总长、根表面积及根系体积均显著高于NA 和MNB 处理；而10% PEG 胁迫下MNB 处理的根系总长较NA 和IA 处理分别显著增加63.7%、29.1%，根表面积分别显著增加57.2%、27.8%，根系体积分别显著增加64.0%、28.1%。 0 PEG 胁迫下MNB 处理的根系平均直径较NA 和IA 处理均增加21.2%，且差异显著；10%PEG 胁迫下NA 和IA 处理的根系平均直径差异显著；20% PEG 胁迫下三种根际氧环境处理的根系平均直径间无显著差异。

表1 干旱胁迫下不同根际氧环境处理的小麦根系形态

2.3 干旱胁迫下不同根际氧环境对小麦叶面积与株高的影响

10%、20% PEG 胁迫导致小麦叶面积和株高持续降低，且浓度越高下降趋势越明显(图2)。0、20% PEG 胁迫下IA 处理的叶面积显著高于NA 和MNB 处理；10% PEG 胁迫下MNB 处理的叶面积较NA、IA 处理分别增加24.3%、15.3%，且差异显著。 0、10% PEG 胁迫下各处理间小麦株高无显著差异；20% PEG 胁迫下MNB 和IA 处理的株高分别较NA 显著增长123.3%、116.2%。

图2 干旱胁迫下不同根际氧环境处理的小麦叶面积和株高

2.4 干旱胁迫下不同根际氧环境对小麦叶干重和根干重的影响

小麦的叶干重和根干重(20% PEG 胁迫下NA 和IA 处理高于10% PEG)随着PEG 浓度的增加而降低(图3)。 0 PEG 胁迫时IA 处理的叶干重分别较MNB 和NA 处理增加24.0%、37.7%，且差异显著；10% PEG 胁迫时MNB 处理的叶干重较IA 和NA 处理分别显著增加11.5%、25.9%；20% PEG 胁迫时各处理间无显著差异。 0 PEG胁迫时IA 处理的根干重显著高于NA 和MNB，分别增加33.0%、60.3%；10% PEG 胁迫下MNB 处理的根干重分别较NA 和IA 处理增加21.4%、30.8%，且差异显著；20% PEG 胁迫时各处理间根干重无显著差异。

图3 干旱胁迫下不同根际氧环境处理的小麦叶干重和根干重

2.5 干旱胁迫下不同根际氧环境对小麦幼苗叶绿素荧光参数的影响

2.5.1 PSⅡ系统光化学效率和电子传递变化

叶片PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光合电子传递效率(ETR)和光化学猝灭系数(qP)均随PEG 浓度的增加而降低(图4)。 0、10% PEG 胁迫下MNB 处理叶片Fv/Fm 和(ΦPSⅡ)均显著高于IA 和NA 处理，而NA 和IA 间无显著差异；20% PEG 胁迫下IA 和MNB 处理叶片Fv/Fm 分别较NA 显著增加22.5%、15.0%。 0、10%、20% PEG 胁迫下MNB 处理的(ΦPSⅡ)分别较NA 处理增加24.6%、28.8%、30.1%，且差异显著。 0、10% PEG 胁迫下叶片ETR 表现为MNB＞IA＞NA，且差异显著；20% PEG胁迫下MNB 处理叶片ETR 较NA 和IA 分别显著提高265.9%、184.6%，NA 和IA 处理间无显著差异。 0、10%、20% PEG 胁迫下MNB 处理叶片qP均显著高于NA，分别提高10.3%、14.7%、70.8%。

图4 干旱胁迫下不同根际氧环境处理的小麦叶片PSⅡ系统光化学效率和电子传递变化

2.5.2 PSⅡ系统能量耗散变化 随着干旱胁迫程度的增加，小麦叶片调节性能量耗散电子产量[Y(NPQ)]、非光化学淬灭系数(NPQ)呈现逐渐增加的趋势(图5)。 0、10% PEG 胁迫下NA、IA和MNB 处理叶片Y(NPQ)无显著差异；20% PEG胁迫下NA 处理叶片Y(NPQ)显著高于IA 和MNB 处理，分别高7.9%、14.5%。 10%、20% PEG胁迫下NA 处理叶片NPQ 显著高于MNB 处理，分别高16.7%、25.1%，无干旱胁迫处理时各处理间叶片NPQ 无显著差异。

图5 干旱胁迫下不同根际氧环境处理的小麦叶片PSⅡ系统能量耗散变化

3 讨论

小麦苗期根系形态对后期的生长发育至关重要，而在受到胁迫时根系的变化最为直观[18]。 苗青霞等[19]的研究表明干旱胁迫下小麦根系表面积会减少，根长则在轻度干旱下增加而在重度干旱下减少。 马富举[20]、谢燕[21]等的研究表明干旱胁迫会显著降低小麦根系的总根长、总表面积、总体积。 本研究中，随干旱胁迫程度增加，不加气处理根系总长、根表面积和根系体积呈减少趋势，这与上述研究结果一致。 相同干旱胁迫条件下，气泵加气和微纳米气泡加气处理的根系总长、根表面积、根系体积均大于不加气处理；10% PEG胁迫下微纳米气泡加气处理的根系总长、根表面积和根系体积显著大于气泵加气和不加气处理；20% PEG 胁迫下气泵加气处理的根系总长、根表面积及根系体积均显著高于其他处理。 这说明干旱胁迫会抑制小麦根系生长，但适宜的根系氧环境会一定程度上缓解干旱胁迫引起的抑制，对轻度干旱胁迫下的小麦来说微纳米气泡加气的氧环境能发挥较好的作用，而重度干旱胁迫下气泵加气氧环境更有利于提高小麦根系的抗干旱能力。

干旱胁迫会抑制小麦干物质积累和生长发育进程[22]。 朱艳等[23]的研究表明加气灌溉对番茄冠部的生长有显著的促进作用。 雷宏军等[24]研究了不同土壤类型下甜椒对不同增氧灌溉方式的响应，结果表明对三种不同土壤进行曝气灌溉处理可提高甜椒株高，且循环曝气灌溉对甜椒株高的增幅高于纯氧扩散器曝气灌溉。 本研究中，0、20% PEG 胁迫下气泵加气处理小麦叶面积显著高于不加气和微纳米气泡加气处理；10% PEG 胁迫下微纳米气泡加气处理小麦叶面积、叶干重和根干重显著高于其他处理。 这与上述研究结果一致。 这说明微纳米气泡加气处理可缓解轻度干旱胁迫对小麦干物质积累和叶面积形成的抑制，而重度干旱胁迫下气泵加气处理更有利于小麦叶面积形成和干物质积累。 这可能是因为加气处理对10% PEG 胁迫下的小麦幼苗来说已经超过其适宜的氧浓度，而微纳米气泡加气处理是10% PEG胁迫下最适宜的根际氧环境营造方式。 适宜的根际氧环境会促进根系有氧呼吸，增强营养物质向地上部的运输，从而促进小麦茎叶生长。

叶绿素荧光动力学参数Fv/Fm、ΦPS Ⅱ、ETR、qP 可以体现光合作用过程中光能的转化利用效率，参数值越大，说明光合效率越高[25]。 本研究中，模拟干旱胁迫使小麦幼苗叶片Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR 和qP 明显下降。 这与董杰[26]、马超[27]等的研究结果一致，即干旱胁迫导致小麦叶片的ETR、Fv/Fm 和ΦPS Ⅱ均显著降低，张瀚等[28]在对五唇兰的研究上也得出类似结果。 加气滴灌条件下，蓝莓叶片qP 明显升高[29]。 本研究中同等干旱胁迫程度下微纳米气泡加气处理叶片qP 显著高于IA 和NA 处理，且气泵加气和微纳米气泡加气使PEG 胁迫下小麦叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR 较不加气均有不同程度的增加。 这表明干旱胁迫会伤害小麦叶片PSⅡ光反应系统，而气泵加气和微纳米气泡加气营造的根际氧环境可缓解干旱胁迫对叶片PSⅡ反应中心电子传递带来的阻碍，且以微纳米气泡加气处理的保护效果更为明显，进而可以在干旱胁迫条件下保护光合系统，增强小麦幼苗的光能转化效率和电子传递效率。

Y(NPQ)和NPQ 反映了不能用于光化学电子传递而以热耗散形式散发的能量，其值越大表明用于热耗散的光能越多[30-31]。 有研究表明干旱胁迫使小麦的NPQ 呈上升趋势[26-27]。 本研究中PEG 胁迫使Y(NPQ)和NPQ 明显增加，且高浓度PEG 胁迫胁迫下小麦叶片中更多的能量以热耗散的形式释放，这与上述研究成果一致。 但气泵加气和微纳米气泡加气能够抑制PEG 模拟干旱条件下叶片Y(NPQ)和NPQ 的增加，这表明根系氧环境的改善可以缓解干旱胁迫对小麦幼苗叶片PSⅡ中心的破坏，降低PSⅡ的系统能量耗散，且微纳米气泡加气对维持PEG 胁迫下小麦幼苗叶片光合能力的效果更好。

4 结论

本研究中气泵加气处理在无干旱胁迫时小麦叶面积、叶干重和根干重显著高于不加气和微纳米气泡加气处理。 在轻度干旱胁迫(10% PEG)下，气泵加气和微纳米气泡加气处理小麦根系总长、根表面积、根系体积、叶干重和叶片ETR 均显著高于不加气处理。 在重度干旱胁迫(20%PEG)下，气泵加气处理和微纳米气泡加气处理小麦叶面积、株高和叶片qP 显著高于不加气处理，其中株高显著增长116.2%和123.3%，而叶片Y(NPQ)和NPQ 显著低于不加气处理，光合作用过程中的光能耗散更小。

综上所述，本试验条件下，两种根际氧环境营造方式对模拟干旱胁迫下小麦苗期生长发育及叶绿素荧光特性均具有一定的促进作用，且以微纳米气泡加气处理(MNB)对干旱胁迫下小麦光合作用的促进效果更佳。