外源6-BA和KH2PO4对花后受渍小麦根系抗氧化酶和无氧呼吸酶活性的影响

耿兵婕,叶苗苗,陈 研,王孟昌,马尚宇,2,*,黄正来,2,张文静,樊永惠

(1.安徽农业大学 农学院,农业农村部黄淮南部小麦生物学与遗传育种重点实验室,安徽 合肥 230036; 2.江苏省现代作物生产协同创新中心,江苏 南京 210095)

随着极端气候事件的频繁发生,渍害已成为全球作物生产的限制性因素[1]。有报道指出,每年有1 000万～1 500万hm2小麦受到渍害的影响[2],占小麦年播种面积的15%～35%[3]。我国长江中下游地区是冬小麦的主产区,该地区约60%的降雨发生在3月至5月(相当于冬小麦拔节期至成熟期)[4]。因此,花后渍水成为长江中下游地区小麦产量提高的主要限制因子[5-6]。

渍害导致小麦根系与大气之间气体交换受到限制,进而抑制根系正常生长[7],光合作用和地上部干物质积累受抑制,从而降低小麦粒重和产量,最终导致小麦产量降低[6,8-10]。渍害对植株的影响不仅存在于当时,对之后植株的生长发育也有持续不利影响[11]。小麦在生育后期和生殖生长阶段对周围环境的水分十分敏感,土壤水分过多,会影响小麦根系对水分和矿物质的吸收,加速小麦的衰老和死亡[12-13]。盆栽试验条件下,花后连续渍水22 d,用外源激素或其他生长调节物质可以增强小麦抗逆性并延缓根系衰老[14]。田间试验条件下,孕穗期渍水初期小麦单株根干重有所增加,渍水5 d后,单株根干重开始下降,10 d后下降幅度加大,根系质膜相对透性随渍水时间延长逐渐增大[15]。桶栽试验条件下,孕穗期渍水初期(0～5 d),单株根干重略有增加[16]。有研究表明,孕穗期渍水5 d后,喷施6-苄氨基嘌呤(6-BA)使根系干重增加[17]。渍害降低根系活力和根系超氧化物歧化酶(SOD)活性,使根系质膜相对透性和丙二醛(MDA)含量提高[18],严重影响根系矿质营养吸收、运输和分配,从而加速根系衰老甚至死亡[19]。

外源生长调节物质会引起作物生理和形态上的正效应[20-21],这种效应主要是外源物质影响了作物体内某些激素的含量和激素间的平衡关系[22]。有研究发现,小区试验条件下,在小麦花后叶面喷施0.3% KH2PO4溶液,对小麦旗叶的抗氧化酶活性有积极影响,并且能够显著提高SOD活性[23]。灌浆期喷施0.3% KH2PO4溶液可以显著提高小麦的千粒重[24]。盆栽试验条件下,渍水前叶面喷施0.01 mmol·L-16-BA溶液有助于小麦孕穗期渍水后旗叶净光合速率和干物质积累量的恢复,且可以显著降低旗叶和倒三叶的MDA含量,对穗粒数和产量也有很好的恢复效果[25]。渍水显著抑制了0～60 cm各土层根系活力和根系谷氨酸脱氢酶(GDH)、硝酸还原酶(NR)和谷氨酰胺合成酶(GS)活性,根系硝态氮和氨态氮转运蛋白基因表达量降低30%～60%,导致产量显著降低[26]。有研究发现,用外源激素或其他生长调节物质可以增强小麦抗逆性并延缓衰老,有效提高同化干物质输入籽粒量和其对籽粒产量的贡献率[27-28]。田间试验条件下,花后渍水7 d后喷施6-BA处理的小麦干物质总量较渍水处理高6.8%～8.3%,产量提高13.7%～33.3%[29]。

前人试验主要在盆栽或大田试验条件下研究不同生育时期渍水对小麦根系形态、抗氧化酶活性和旗叶光合特性的影响,关于花后不同修复处理对小麦根系不同土层根系抗氧化酶活性和无氧呼吸酶综合影响的研究较少。本研究使用长度为100 cm的聚氯乙烯(PVC)管作为栽培容器,在小麦开花后设置2种渍水时长,喷施对渍水处理调控效果较好的0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA,研究不同外源修复物质对小麦根系抗氧化酶、无氧呼吸酶活性和产量的影响,以期为长江中下游地区小麦抗渍栽培提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2020—2021年小麦生长季在安徽农业大学皖中综合试验站进行。试验基地2020年11月至2021年5月的月降水量和月平均气温如图1所示。

11月、12月为2020年;1、2、3、4、5月为2021年。November and December were in 2020; January, February, March, April and May were in 2021.图1 2020年11月至2021年5月试验基地月降水量和月平均气温Fig.1 Monthly precipitation and temperature at the experiment site from November 2020 to May 2021

1.2 试验设计

以扬麦18为试验材料,选用直径11 cm、高度100 cm的PVC管为栽培容器,PVC管底部用3层无纺布包裹,以保证土壤不泄漏,同时确保灌排顺利。试验用土过筛后装入PVC管中,用水沉实,重复多次,保证土层距离管子上沿5 cm。播种前将PVC管置于定制的铁架上,装土完成后每管施用纯氮0.9 g、磷肥(P2O5)0.49 g、钾肥(K2O)0.46 g;在拔节期追施氮肥,基追比为5∶5。每个处理种植50管,每管播种3粒,小麦三叶后定苗,每管留苗1株。其他管理措施按照大田高产要求进行。

于小麦开花期开始渍水,每个处理设置0 d和9 d两个渍水时长,其中0 d作正常灌溉处理,分别用W0和W9表示。渍水处理使用自来水持续灌溉,使土壤水层保持1～2 cm,渍水处理结束后保持正常灌溉。各水分处理分别于开花期当天(即W9处理渍水前)、开花后第5天(即W9处理第5天)和开花后第9天(即W9处理渍水后当天)进行叶面喷施不同的修复剂,共计喷施3次。各水分处理分别采取以下修复措施,所有喷施处理溶液均含有体积分数0.01%吐温-20:T0,喷施蒸馏水;T1,喷施质量分数0.3% KH2PO4;T2,喷施 0.01 mmol·L-16-BA;T3,喷施0.3% KH2PO4+ 0.01 mmol·L-16-BA复配剂。

在开花后7 d(4月18日)、14 d(4月25日)和成熟期调查取样,取样时将PVC管取出,用高压水枪冲洗PVC管中的土壤,然后迅速将根系与地上部分开,洗净后测定各项指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系相关指标

花后7 d和14 d每个根系处理取3管,将PVC管中的小麦根系用清水迅速冲洗干净,保留整根,放于液氮冷冻保存,之后放入-80 ℃超低温冰箱保存。根系分0～20、<20～40和<40～60 cm共3个土层,采用硫代巴比妥酸法测定MDA含量,氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性,紫外吸收法测定超氧化物酶(POD)活性[30-31],使用ELISA检测试剂盒测定小麦根系的乙醇脱氢酶(ADH)、乳酸脱氢酶(LDH)和丙酮酸脱羧酶(PDC)活性。

1.3.2 产量及其构成因素

成熟期各处理分别取5管,调查有效穗数和穗粒数,并收获计产。脱粒自然晾干,测定千粒重和含水率,折算为含水率13%的产量并计算产量修复率。

R=(Y1-Y0)/Y0。

(1)

式(1)中,R表示产量修复率;Y1表示渍水并喷施修复剂处理产量;Y0表示渍水并喷施蒸馏水处理产量。

1.4 数据统计

采用Excel 2019软件统计数据,用SPSS 10.0软件分别对2种水分处理条件下的试验数据进行单因素方差分析和显著性检验,采用Origin 8.5软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦根系SOD活性的影响

花后7 d(图2),不渍水条件下,T1和T3处理0～20 cm土层根系SOD活性显著高于T0处理,T3处理<20～40 cm土层根系SOD活性显著高于T0,T3处理<40～60 cm土层根系SOD活性显著高于其他处理;渍水条件下,T3处理0～20 cm土层根系SOD活性显著高于T0处理,T1、T2和T3处理<20～40 cm和<40～60 cm土层根系SOD活性均显著高于T0处理,其中,T3处理<40～60 cm土层根系SOD活性显著高于其他处理。

花后14 d(图2),渍水处理各土层根系SOD活性均显著低于不渍水处理。不渍水条件下,T3处理0～20 cm土层根系SOD活性显著高于其他处理,T3和T2处理<20～40 cm土层根系SOD活性无显著差异,但均显著高于其他处理,T1、T2和T3处理<40～60 cm土层根系SOD活性均显著高于T0处理;渍水条件下,T3处理0～20 cm和<20～40 cm土层根系SOD活性显著高于T0处理,T1、T2和T3处理<40～60 cm土层根系SOD活性无显著差异,但均显著高于T0处理。

以上结果表明,喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA能提高小麦各土层根系SOD活性,不渍水条件下,复配喷施显著改善了各土层根系SOD活性;渍水条件下,复配喷施显著改善了灌浆中期0～20 cm和<20～40 cm土层根系SOD活性。

2.2 不同处理对小麦根系MDA含量的影响

由图3可知,花后14 d,不渍水条件下,T1处理0～20 cm土层根系中MDA含量与T0处理无显著差异,T1、T2、T3处理<20～40、<40～60 cm土层根系中MDA含量显著低于T0处理;渍水条件下,T2、T3处理0～20 cm土层根系中MDA含量均显著低于T0、T1处理,T1、T2、T3处理<20～40 cm土层根系中MDA含量均显著低于T0处理,T2处理与T3处理无显著差异。<40～60 cm土层根系中,T1、T2、T3处理的MDA含量均显著低于T0处理,其中T3处理显著低于其他处理。

以上结果表明,喷施0.01 mmol·L-16-BA和0.3% KH2PO4+0.01 mmol·L-16-BA复配溶液能显著降低W0、W9条件下各土层根系中的MDA含量,其中喷施0.3% KH2PO4+0.01 mmol·L-16-BA复配溶液对降低渍水后小麦0～60 cm根系中MDA含量效果显著。

2.3 不同处理对小麦根系POD活性的影响

由图4可知,花后7 d,不渍水条件下,T0处理0～20 cm土层根系的POD活性显著高于其他处理,而T3处理显著低于其他处理;T0处理<20～40 cm土层根系的POD活性显著高于其他处理,T1、T2、T3处理间无显著性差异;T2、T3处理<40～60 cm土层根系的POD活性显著低于其他处理,二者间也无显著差异。渍水条件下,T1、T2、T3处理0～20 cm和<20～40 cm土层根系的POD活性均显著低于T0处理,T2、T3处理<40～60 cm土层根系的POD活性显著低于T0、T1处理,T0、T1处理间无显著差异,其中T3处理各土层根系中POD活性显著低于其他处理。

花后14 d,不渍水条件下,T0处理0～20 cm土层根系的POD活性显著高于其他处理,其中T3处理的POD活性显著低于其他处理;T3处理<20～40 cm土层根系的POD活性显著低于T0、T1、T2处理;T2和T3处理<40～60 cm土层根系的POD活性显著低于T0、T1处理,T2、T3处理间无显著差异。渍水处理条件下,T1、T2、T3处理0～20 cm土层根系的POD活性显著低于T0处理,T0处理<20～40 cm土层根系的POD活性显著高于T1和T3处理,T0处理<40～60 cm土层根系的POD活性显著高于T2和T3处理。

以上结果表明,不渍水条件下,喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以有效降低各土层根系的POD活性;渍水条件下,喷施复配溶液可以显著降低各土层根系的POD活性。

2.4 不同处理对小麦根系PDC活性的影响

由图5可知,花后7 d,不渍水条件下,T1、T3处理0～20 cm土层根系的PDC活性显著高于T0、T2处理,T3处理下<20～40、<40～60 cm土层根系的PDC活性均显著高于其他处理。渍水条件下,T3处理0～20、<40～60 cm土层根系的PDC活性均显著高于其他处理,各处理<20～40 cm土层根系的PDC活性无显著差异。

花后14 d,不渍水条件下,T3处理各土层根系的PDC活性均显著高于其他处理;渍水条件下,T3处理0～20、<20～40 cm土层根系的PDC活性显著高于其他处理;T0处理<40～60 cm土层根系的PDC活性显著低于其他处理,T1、T2、T3处理间无显著差异 。

以上结果表明,喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以改善各土层根系的PDC活性;不渍水条件下,喷施复配溶液可以显著提高<40～60 cm土层根系的PDC活性,渍水条件下,喷施复配溶液可以显著提高0～20 cm土层根系的PDC活性。

2.5 不同处理对小麦根系LDH活性的影响

由图6可知,花后7 d,不渍水条件下,T1、T3处理0～20 cm土层根系的LDH活性高于T0、T2处理,各处理之间<20～40 cm土层根系的LDH活性无显著差异,T3处理<40～60 cm土层根系的LDH活性显著高于其他处理。渍水条件下,T3处理0～20 cm土层根系的LDH活性显著高于其他处理,T0处理0～20、<20～40 cm土层根系的LDH活性均显著低于其他处理。

图6 不同处理条件下小麦根系LDH活性Fig.6 LDH activity of wheat roots under different treatments

花后14 d,不渍水条件下,T1、T3处理0～20 cm土层根系的LDH活性显著高于T0、T2处理,T1处理与T3处理无显著差异;T3处理<20～40 cm土层根系的LDH活性显著高于其他处理;T2、T3处理<40～60 cm土层根系的LDH活性显著高于其他处理,T2、T3处理无显著差异。渍水条件下,T2、T3处理0～20 cm土层根系的LDH活性显著高于T0、T1处理,T3处理<20～40 cm土层根系的LDH活性显著高于其他处理;T2、T3处理<40～60 cm土层根系的LDH活性显著高于其他处理,T2、T3处理间无显著差异。

以上结果表明,喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以改善各土层根系的LDH活性;在不渍水条件下,喷施复配溶液可以显著提高0～20、<40～60 cm土层根系的LDH活性,渍水条件下,喷施复配溶液可以显著提高各土层根系的LDH活性。

2.6 不同处理对小麦根系ADH活性的影响

由图7可知,花后7 d,不渍水条件下,T2和T3处理0～20 cm土层根系的ADH活性显著高于T0处理,T0处理与T1处理无显著差异;T3处理下<20～40、<40～60 cm土层根系的ADH活性显著高于其他处理。渍水条件下,T3处理0～20 cm土层根系的ADH活性显著高于其他处理,T0、T1、T2处理间无显著差异,T0处理<20～40、<40～60 cm土层根系的ADH活性显著低于其他处理。

图7 不同处理条件下小麦根系ADH活性Fig.7 ADH activity of wheat roots under different treatments

花后14 d,不渍水条件下,T3处理0～20 cm土层根系的ADH活性显著高于其他处理,T0、T1、T2处理间无显著差异;T3处理<20～40 cm土层根系的ADH活性显著高于其他处理;T0处理<40～60 cm土层根系的ADH活性显著低于其他处理,T1、T2、T3处理间无显著差异。渍水条件下,T3处理0～20 cm土层根系的ADH活性显著高于其他处理,T0处理<20～40、<40～60 cm土层根系的ADH活性显著低于T2、T3处理,且T2、T3处理间无显著差异。

以上结果表明,喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以改善各土层根系的ADH活性;在不渍水条件下,喷施复配溶液可以显著提高各土层根系的ADH活性,渍水条件下,喷施复配溶液可以显著提高0～20 cm土层根系的ADH活性。

2.7 不同处理对小麦籽粒产量及其构成因素的影响

由表1可知,各处理的穗数和穗粒数无显著差异,喷施外源修复剂显著提高了小麦千粒重,最终提高了小麦籽粒产量。不渍水条件下,T1、T2和T3处理的千粒重分别较T0处理高16.80%、19.75%和24.67%,籽粒产量分别高21.32%、19.47%和23.69%。渍水条件下,T1、T2和T3处理的千粒重分别较T0处理高19.22%、16.75%和23.34%,籽粒产量分别高26.21%、28.26%和37.43%。表明外源喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA能够显著提高花后受渍小麦的千粒重,进而减少因渍水造成的产量损失,二者复配后喷施可以增强其恢复效果。

表1 不同处理条件下小麦产量及其构成因素

3 讨论

3.1 不同修复处理对受渍小麦根系抗氧化酶活性的影响

3.2 不同修复处理对受渍小麦根系无氧呼吸酶活性的影响

无氧呼吸糖酵解产物丙酮酸的代谢途径主要有2种:一种是在丙酮酸脱羧酶(PDC)作用下生成乙醛,乙醛在ADH作用下生成乙醇;另一种是丙酮酸在LDH作用下直接生成乳酸。研究表明,缺氧环境下,小麦可提高根系中无氧呼吸酶活性,通过无氧呼吸维持细胞生长和代谢的能量供应[5,38]。6-BA可增强小麦耐渍能力,缓解渍水对小麦的伤害程度,减轻因渍害而引起的衰老[39]。前人在花生中的研究表明,渍水后喷施外源6-BA通过可以显著提高根系ADH活性,增强根系呼吸性能[40]。本试验结果表明,渍水条件下,花后7 d小麦根系中ADH活性明显提高,而花后14 d,小麦各土层根系中PDC、ADH、LDH活性与不渍水处理相比无明显提高,这可能与过度涝渍,超出小麦根系的自我修复能力有关;而喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA可以显著提高渍水后小麦根系中PDC、ADH、LDH活性,但对各时期、各层根系修复效果不尽相同。整体来看,复配喷施对渍水处理下花后14 d 0～20 cm土层根系的影响最大,其中T3处理中PDC、ADH和LDH的活性均高于其他处理。

3.3 不同修复处理对受渍小麦产量的影响

前人研究表明,开花期渍水影响小麦籽粒灌浆[41],导致小麦千粒重降低,进而减少产量[42-43]。有研究指出,挑旗期和开花期后喷施6-BA可显著提高小麦花后旗叶光合作用,增加穗粒数和千粒重,显著提高产量[44]。田间试验条件下,开花后叶面喷施KH2PO4,穗粒数增加0.5粒,千粒重增加0.1 g,产量增加283.5 kg·hm-2,增幅达到6.0%[45]。在本试验条件下,花后渍水对小麦的穗数和穗粒数无显著影响,喷施0.3% KH2PO4和0.01 mmol·L-16-BA后小麦千粒重、产量均得到不同程度修复,其中花后渍水9 d复配喷施的千粒重提高23.34%,产量修复率最高,达到37.43%,这表明复配喷施可以通过提高小麦千粒重来缓解渍水对产量的影响。