低溫脅迫對拔節期小麥抗氧化系統及光合能力的影響

葛君 姜曉君 任德超 陳爍達

摘??? 要：為明確低溫脅迫對拔節期小麥生理特性的影響，本研究以‘濟麥22為試驗，采用盆栽的方式，以大田平均溫度10 ℃為對照，以0，-2，-4，-6 ℃，4個低溫作處理，研究不同低溫脅迫對拔節期小麥葉片膜透性、活性氧代謝及光合特性的影響。結果表明：低溫脅迫能夠顯著提高拔節期小麥葉片丙二醛含量及相對電導率，二者隨處理溫度的降低而升高。不同水平的低溫脅迫引起拔節期小麥葉片保護酶SOD、POD、CAT、APX不同程度的增加，但隨著脅迫溫度的降低，各處理下的拔節期小麥葉片SOD、CAT、APX活性呈現先升高再降低的變化規律，且以-4 ℃處理時活性最高，較對照增加107.14%，162.64%，98.97%，且差異顯著（P<0.05）;POD活性在-2 ℃處理時值最大，在-4 ℃處理時開始降低，在遭受低溫逆境時較SOD、CAT、APX活性變化敏感。拔節期小麥幼苗葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率隨脅迫溫度的降低而降低，而胞間CO2濃度在-2 ℃處理下值最小，較對照降低9.91%，-6 ℃處理下值最大，較對照增加15.57%，且差異均顯著（P<0.05）。

關鍵詞：低溫脅迫;拔節期;小麥;活性氧代謝;膜透性;光合特性

中圖分類號：S512.1????????? 文獻標識碼：A??????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.09.002

Effects of Low Temperature Stress on Antioxidant System and Photosynthetic Capacity of Wheat at Jointing Stage

GE Jun1，2， JIANG Xiaojun1，2， REN Dechao1，2， CHEN Shuoda1，2

（National Wheat experimental station， Shangqiu， Henan 476000， China; Shangqiu Academy of agriculture and Forestry Sciences， Shangqiu， Henan 476000， China）

Abstract： In order to clarify the effects of low temperature stress on the physiological characteristics of wheat at jointing stage， 'Jimai 22' was used as the experimental material， the field average temperature of 10 ℃ was used as the control， and the four low temperatures of 0 ℃， - 2 ℃， - 4 ℃ and - 6 ℃ were used as treatments，to study the effects of different low temperature stress on membrane permeability， active oxygen metabolism and photosynthetic characteristics of wheat leaves at jointing stage.The results showed that the MDA content and relative conductivity of wheat leaves at jointing stage increase significantly under low temperature stress， which increased with the decrease of treatment temperature. The activities of SOD， pod， cat and APX in wheat leaves at jointing stage increased in varying degrees with different stress temperature.However， with the decrease of stress temperature， the activities of SOD， CAT and APX in wheat leaves at jointing stage under each treatment increased first and then decreased， and the activity was the highest in -4 ℃ treatment， increased by 107.14%， 162.64% and 98.97% respectively compared with the control （P<0.05）.The activity of POD was the highest in -2 ℃ treatment and began to decrease in -4 ℃ treatment，and it was more sensitive than that of SOD， cat and APX under low temperature stress.At jointing stage， the net photosynthetic rate， stomatal conductance and transpiration rate of wheat seedlings decreased with the decrease of stress temperature， while the intercellular CO2 concentration was the lowest under -2 ℃ treatment， decreased by 9.91% compared with the control， and the highest under -6 ℃ treatment， increased by 15.57% compared with the control （P<0.05）.

Key words：? low temperature stress; jointing stage; wheat; active oxygen metabolism; membrane permeability; photosynthetic characteristics

低溫是制約小麥單產提高到的主要環境因子之一。晚秋初冬時期播種，如遇低溫會造成小麥發芽遲緩，發芽率降低，幼苗生長受到抑制[1]。低溫脅迫對拔節期-孕穗期小麥的器官建成和生長發育等生理過程產生不利影響[2]，能夠顯著降低小麥地上部總生物量和葉面積指數等[3]。研究表明，氣候變化背景下的極端溫度事件發生頻次增加[4]，且極端低溫事件的波動規律也變得難以預測[5]，這給小麥的安全生產帶來較大的風險隱患。因此，研究低溫脅迫在小麥上的影響，對小麥的安全生產有著的重要的支撐作用。低溫逆境脅迫會使植株機體產生大量的自由基（ROS），并對細胞膜造成傷害，影響膜的透性和各種生理代謝過程，最終影響作物產量，而機體同時會啟動抗氧化保護酶系統中的SOD、POD、CAT等保護酶清除多余的活性氧自由基。因此，研究低溫脅迫下植物機體內保護酶、膜透性及產量的影響，對探究植物對低溫的響應機理有重要意義，對作物預防低溫脅迫也有重要指導意義。

當前，有關低溫脅迫在小麥上已有研究報道，但多是將小麥放置于瞬間降低的恒定低溫環境下進行研究[6]，難以真實模擬外界漸進降溫的實際情況。為此，本試驗采取漸進式降溫恒溫升溫動態變溫模式研究低溫脅迫對拔節期小麥膜透性、活性氧代謝及光合能力的影響，以期為小麥的防災減災、安全生產、優質高產提供理論依據，為探究小麥對低溫脅迫的響應機制提供資料參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試品種為‘濟麥22。

1.2 試驗設計

將小麥品種播種于花盆中，花盆直徑30 cm、高35 cm，底部有排水孔，播種后將花盆埋于田間，高度與大田土壤平齊，按照大田管理方法進行管理?；ㄅ鑳妊b入20 cm耕層大田土，土質為沙壤土，堿解氮93 mg·kg-1、有效磷30.07 mg·kg-1、速效鉀87.36 mg·kg-1、有機質15.49 g·kg-1。共播種45盆，待麥苗長至3片葉時進行定苗，每盆留20株。每3盆作1個重復，每處理設3次重復，即每處理9盆。

試驗設計5個水平的溫度，以平均溫度為10 ℃左右的田間正常溫度為對照（CK），脅迫低溫0 ℃，-2 ℃，-4 ℃，-6 ℃作為4個處理，分別記作T1、T2、T3、T4。試驗在小麥拔節第7天將小麥放置于人工氣候室，按照試驗設計的溫度將4個處理分別進行低溫脅迫處理，黑暗條件下低溫脅迫時間為12 h。進行降溫處理時采取漸進式的方法進行降溫和升溫，以接近外界環境的降溫升溫規律，即用3 h的時間將溫度從對照溫度10 ℃分別降至每個處理溫度，并在該處理溫度下脅迫6 h，然后再用3 h升溫至10 ℃，總計12? h?？諝庀鄬穸?0%～65%。脅迫結束后放回大田，并于第2天中午9：00—10：00進行葉綠素含量、葉綠素熒光、光合參數的測定。

1.3 測定項目

采用電導儀測定葉片相對電導率（REC）[7];采用硫代巴比妥（TBA）比色法測定丙二醛（MDA）含量[8];采用氮藍四唑（NBT）比色法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈創木酚比色法測定過氧化物酶（POD）活性，采用過氧化氫法測定過氧化氫酶（CAT）活性[9];抗壞血酸過氧化物酶（APX）的活性檢測參照Nakano和Asada的方法[10]。采用美國公司生產的Li-6400XT型便攜式光合儀測定拔節期小麥植株倒3葉的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、胞間CO2濃度、氣孔導度（Gs）。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2007進行數據處理和作圖，采用SPSS軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 低溫脅迫對拔節期小麥丙二醛含量及相對電導率的影響

由圖1可以看出，低溫脅迫能夠顯著提高拔節期小麥葉片丙二醛含量及相對電導率。其中，T1、T2、T3、T4處理的丙二醛含量均顯著高于對照，且丙二醛含量隨處理溫度的降低而升高，在T4處理下值最大，較對照增加308.00%，且差異顯著（P<0.05），這說明隨著低溫脅迫程度的增大，拔節期小麥葉片細胞膜系統受損程度在增加。相對電導率的變化規律與丙二醛類似，亦隨處理溫度的降低而升高，且T1、T2、T3、T4處理的相對電導率與對照差異均顯著，這表明拔節期小麥葉片在遭受低溫逆境脅迫時，細胞質膜透性增大，細胞內的電解質外滲量增多。

2.2 低溫脅迫對拔節期小麥葉片保護酶活性的影響

由表1可知，低溫脅迫對拔節期小麥葉片保護酶活性的影響顯著，且不同水平的低溫脅迫引起保護酶SOD、POD、CAT、APX不同程度的增加，這表明小麥葉片在遭受低溫逆境脅迫時能夠誘導機體抗氧化保護酶活性的增強。在T1、T2、T3、T4處理下，隨著脅迫溫度的降低，拔節期小麥葉片SOD活性呈現先升高再降低的變化規律，且以T3處理時SOD活性最高，較對照增加107.14%，且差異顯著（P<0.05）;在T4處理時，SOD活性開始降低，但仍高于對照CK，這表明當低溫脅迫達到一定限值時小麥葉片抗氧化能力減弱。CAT、APX的變化規律與SOD一致，且最大值均出現在T3處理，較對照分別增加162.64%，98.97%，且差異顯著（P<0.05）。POD在T2處理時值最大，在T3處理時開始降低，這表明POD在遭受低溫逆境時較SOD、CAT、APX變化敏感。

2.3 低溫脅迫對拔節期小麥葉片光合特性的影響

由圖2可以得出，隨著脅迫溫度的降低，4個處理下的拔節期小麥葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均呈逐漸降低的趨勢，且處理與對照差異均顯著（P<0.05）;在T4處理下，凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均最低，較對照分別降低59.34%，63.52%，55.43%，說明拔節期遭遇的低溫脅迫能夠降低小麥葉片的光合能力，且低溫脅迫程度越重對小麥光合能力的抑制越強。胞間CO2濃度的變化規律與凈光合速率不一致，T1處理略低于對照，但與對照差異不顯著（P>0.05）;T2處理低于對照，且差異顯著（P<0.05），較對照降低9.91%;T3、T4均高于對照，且差異顯著（P<0.05）。

3 討論與結論

丙二醛（MDA）是植物遭受逆境脅迫時細胞膜發生膜脂過氧化的最終產物，其含量高低通常用于表征植物細胞膜的受損程度[11]。相對電導率是反應植物細胞膜透性的一項基本指標，其大小與逆境脅迫強度有關，同時也與植株自身抗性強弱有關。趙培培等[12]研究指出，小麥種子MDA含量和相對電導率在0 ℃低溫條件下較4 ℃時均有所升高。王玲麗等[13]研究得出，低溫脅迫能夠使百合細胞膜透性增加、相對電導率增大。本試驗結果表明，隨著低溫脅迫程度的加劇，拔節期小麥葉片MDA含量和相對電導率均逐漸升高，且顯著高于對照，試驗結果與前人一致，這可能是因為逆境脅迫使植株機體內產生的有害自由基超過了傷害的閾值，直接或間接啟動了膜脂過氧化反應，使MDA含量增加[14]，而MDA的大量積累反過來又抑制了SOD、POD等保護酶的活性，使膜系統進一步受損[15]。而拔節期小麥葉片相對電導率隨低溫脅迫程度的增加而升高，這應該是因為植株在遭受逆境脅迫時，細胞膜透性增加，細胞內的電解質外滲，植物細胞浸提液的相對電導率增大。

植物機體在遭受逆境脅迫時，會產生大量的自由基，這些自由基的產生和清除如果不能被維持在一個正常水平，則會對生物機體造成損傷。SOD在植物體內普遍存在，是清除超氧陰離子自由基的重要酶類之一，它通常與POD、CAT協同清除植物體內過量的自由基，以減輕質膜的過氧化，保護植株細胞正常的生理代謝活動。另外，SOD、CAT、POD和APX活性的高低還可用于檢驗植物所處環境是否存在活性氧誘因[16]。張靜和朱為民[17]研究得出，番茄植株在10 ℃低溫脅迫下SOD活性較高，且在低溫脅迫14 d左右時POD、SOD活性達到最大值。葛蓓蕾等[18]研究認為，‘羅賓娜百合在晝/夜溫度（8 ℃/2 ℃）低溫環境下脅迫3 d后，葉片SOD、POD、CAT活性均顯著高于對照。楊盛昌等[19]研究指出，弓葵幼苗在-8 ℃凍害條件下脅迫6 h后，SOD、POD、CAT活性顯著升高，繼續脅迫至24 h時上述指標均下降。本試驗結果表明，在T1（0 ℃）、T2（-2 ℃）、T3（-4 ℃）、T4（-6 ℃）4個低溫脅迫處理下，拔節期小麥葉片SOD、POD、CAT、APX活性均顯著升高，其中SOD、CAT、APX活性在在T4處理降低，POD在T3處理降低，試驗結果與前人基本一致，這應該是因為當溫度在植株忍受范圍內時，植株體內的SOD、POD、CAT、APX可以有效清除過剩的超氧陰離子自由基、羥基自由基和過氧化氫等，使這些超氧化物保持在一個動態平衡范圍內;但當外界低溫達到一定閾值，超出植株能夠忍受的范圍時，機體自由基代謝平衡被破壞，活性氧含量大量升高，抗氧化保護酶POD、SOD、CAT、APX的結構受到破壞[20]，活性開始降低，植株體內的多糖、蛋白質和DNA等生物大分子被破壞，植物受到低溫傷害。但試驗結果與劉偉等[21]的研究結論不一致，他們通過對葡萄進行低溫脅迫發現，葡萄SOD、POD、CAT在低溫脅迫的一段時間內呈現先降低后升高的變化規律，這可能與不同試驗設置的測定時間和脅迫溫度存在差異有關。

光合作用是植物生長發育的物質基礎和重要的能量來源，但植物光合能力的強弱受自身遺傳特性和外界溫度、光照、水分等多種因素的影響。本試驗結果表明，在T1、T2處理下，拔節期小麥葉片凈光合速率、胞間CO2濃度與氣孔導度三者的變化規律相似，均隨低溫脅迫程度的加劇而下降，這表明在此一階段小麥葉片凈光合速率的降低是氣孔因素限制所致[22-23]，即氣孔導度的降低影響光合底物的傳導能力，致使胞間CO2濃度的降低，而胞間CO2作為植物進行光合作用的底物其含量的減小致使葉片凈光合速率的降低;然而在T3、T4處理下，隨著脅迫溫度的繼續降低，胞間CO2濃度與凈光合速率、氣孔導度的變化規律不再一致，這說明在此一階段引起小麥凈光合速率降低的主要因素為非氣孔限制，這是因為脅迫溫度較低時小麥葉片組織會受到不同程度的損傷、破壞[24]，加之低溫條件下酶活的活性也會受到限制，從而降低了葉片的光合能力，試驗結果與崔波等[25]在白及上的研究結論一致。

參考文獻：

[1] ASHRAFSHRAF C M. ABU-SHAKRA S.Wheat? seed? germination under low temperature and moisture stress[J]. Agronomy Journal， 1978， 70（1）： 135-139.

[2] MARTINO D L， ABBATE P E. Frost damage on grain number in wheat at different spike developmental stages and its modeling[J]. European Journal of Agronomy， 2019， 103： 13-23.

[3] 肖瀏駿， 劉蕾蕾， 邱小雷， 等. 小麥生長模型對拔節期和孕穗期低溫脅迫響應能力的比較[J]. 中國農業科學， 2021， 54（3）： 504-521.

[4] IPCC. Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation[M].Cambridge， UK： Cambridge University press， 2012.

[5] 鄭冬曉， 楊曉光， 趙錦， 等. 氣候變化背景下黃淮冬麥區冬季長寒型凍害時空變化特征[J]. 生態學報， 2015， 35（13）： 4338-4346.

[6] 李衛民， 張佳寶， 朱安寧. 空氣溫濕度對小麥光合作用的影響[J]. 灌溉排水學報， 2008， 27（3）： 90-92.

[7] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術[M]. 北京： 高等教育出版社， 2000： 167-172.

[8] 西北農業大學植物生理生化教研組. 植物生理學實驗指導[M]. 西安： 陜西科學技術出版社， 1987： 211-216.

[9] 趙世杰. 植物生理學實驗指導[M]. 北京： 中國農業科學技術出版社， 1998： 108-133.

[10] NAKANO Y， ASADA K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorahate-specific peroxidase in spinach chloroplasts[J]. Plant and Cell Physiology， 1981， 22（5）： 867-880.

[11] 桑子陽， 馬履一， 陳發菊. 干旱脅迫對紅花玉蘭幼苗生長和生理特性的影響[J]. 西北植物學報， 2011， 31（1）： 109-115.

[12] 趙培培， 趙長江， 于立河， 等. 低溫下硅對春小麥種子萌發及抗氧化和滲透調節系統的影響[J]. 麥類作物學報， 2014， 34（6）： 823-831.

[13] 王玲麗， 賈文杰， 馬璐琳， 等. 低溫脅迫對不同百合主要生理指標的影響[J]. 植物生理學報， 2014， 50（9）： 1413-1422.

[14] 戰秀梅， 韓曉日， 楊勁峰， 等. 不同施肥處理對玉米生育后期葉片保護酶活性及膜脂過氧化作用的影響[J]. 玉米科學， 2007， 15（1）： 123-127.

[15] 陳展宇， 李大勇， 劉國寧， 等. 不同產量水平大豆葉片保護酶活性的比較[J]. 西北農林科技大學學報（自然科學版）， 2012， 40（3）： 99-103， 110.

[16] 虎瑞， 蘇雪， 宴民生， 等. 重金屬Pb（Ⅱ）對3種葵科植物種子萌發的影響[J]. 植物研究， 2009， 29（3）： 362-367.

[17] 張靜， 朱為民. 低溫脅迫下番茄細胞膜保護酶活性的變化[J]. 江蘇農業科學， 2012， 40（6）： 121-124.

[18] 葛蓓蕾， 張萍， 雅蓉， 等. 低溫脅迫后增溫對‘羅賓娜百合生理特性的影響[J]. 西南農業學報， 2020， 33（2）： 284-289.

[19] 楊盛昌， 謝潮添， 張平， 等. 低溫脅迫下弓葵幼苗膜脂過氧化及保護酶活性的變化[J]. 園藝學報， 2003， 30（1）： 104-106.

[20] 張鈺， 吳加林， 黃永芬， 等. 轉美洲擬鰈抗凍蛋白基因（afp）番茄過氧化物酶、過氧化氧酶、超氧化物歧化酶活性測定[J]. 哈爾濱師范大學自然科學學報， 1998（4）： 87-90.

[21] 劉偉， 曲凌慧， 劉洪慶， 等. 低溫脅迫對葡萄保護酶和氧自由基的影響[J]. 北方園藝， 2008（5）： 21-24.

[22] 王麗娟， 李天來， 李國強， 等. 夜間低溫對番茄幼苗光合作用的影響[J]. 園藝學報， 2006， 33（4）： 757-761.

[23] 眭曉蕾， 毛勝利， 王立浩， 等. 低溫對弱光影響甜椒光合作用的脅迫效應[J]. 核農學報， 2008， 22（6）： 880-886.

[24] SINGLE W V. Frost injury and the physiology of the wheat plant[J]. Journal-Australian Institute of Agricultural Science， 1985， 51（2）： 128-134.

[25] 崔波， 程邵麗， 袁秀云， 等. 低溫脅迫對白及光合作用及葉綠素熒光參數的影響[J]. 熱帶作物學報， 2019， 40（5）： 891-897.

收稿日期：2021-07-20

基金項目：國家現代農業產業技術體系專項資金（CARS-03）

作者簡介：葛君（1981—），女，河南商丘人，助理研究員，主要從事小麥生理栽培及育種方面研究。