馬尚宇,韓笑,王艷艷,黃正來*,張文靜,樊永惠,馬元山

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮南部小麥生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室,安徽 合肥 230036;2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210095;3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)園管理中心,安徽 合肥 230036)

稻麥輪作是我國長江中下游主要種植方式,該區(qū)域小麥產(chǎn)量占全國小麥總產(chǎn)量的22%左右[1],然而,由于水稻栽培需要長期浸水,因此稻田土壤具有板結(jié)、黏重和通透性差等特點,同時,長江中下游地區(qū)雨量充沛,強降水較頻繁,小麥生長季平均降水量達500～800 mm,尤其是開花期至成熟期降水量大,因此,小麥花后漬水成為制約該地區(qū)小麥產(chǎn)量的重要限制因素[2]。漬水降低小麥株高、葉面積指數(shù)和葉片相對含水量,使其黃化和老化[3],光合作用減弱[4],抑制其干物質(zhì)積累和轉(zhuǎn)運,降低籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)[5-6],一般減產(chǎn)約20%[7]。根系是小麥?zhǔn)軡n水影響最直接的器官,當(dāng)土壤中氧氣濃度低于臨界值0.12 mol·m-3時,小麥根系便處于缺氧狀態(tài),生長速度開始減慢,3 d后停止生長,甚至部分根系出現(xiàn)壞死[8]。漬水顯著降低小麥根系活力,降低根系對土壤中N、P、K等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和運輸能力[9-10]。有研究發(fā)現(xiàn),漬水對小麥生育后期根系質(zhì)量和次生根數(shù)量的抑制作用較苗期顯著,在小麥不同生育期分別漬水處理20 d,與未漬水處理相比,漬水促進幼苗期小麥單株根重的增加,卻顯著降低拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期單株根重,對灌漿期抑制作用最強,抑制率為28.31%;同時,漬水顯著提高幼苗期、拔節(jié)期和孕穗期的次生根數(shù)量,分別增加 56.09%、32.95%和12.52%,而對灌漿期的次生根數(shù)量無顯著影響[11];也有研究發(fā)現(xiàn),與未漬水處理相比,在小麥生育前期(返青期—拔節(jié)期、拔節(jié)期—孕穗期)進行漬水處理20 d能夠促進次生根生長,次生根數(shù)量分別增加75.86%和59.2%,而在孕穗期以后(孕穗期—揚花期、灌漿期)漬水降低了次生根數(shù)量,分別降低19.78%和26.50%[12]。前人在研究漬水對小麥根系的影響時,多集中在對根系干物重和次生根數(shù)量的比較[13-14],而對根系其他形態(tài)指標(biāo)鮮有報道。本研究通過在小麥開花期設(shè)置不同時間的漬水處理,探索漬水對小麥根系形態(tài)、根系抗氧化酶活性、成熟期干物質(zhì)分配及其產(chǎn)量的影響,同時探究漬水條件下小麥根系生長狀況與產(chǎn)量之間的關(guān)系,旨在為生產(chǎn)中提高小麥抗?jié)n能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016—2017年在安徽省合肥市廬江縣郭河鎮(zhèn)安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地(東經(jīng)117°01′,北緯 30°57′)進行。供試小麥品種選用‘寧麥13’和‘皖麥52’。采用盆栽試驗方法,圓柱形塑料桶直徑30 cm,高30 cm,桶底部帶有5個排水孔。供試土壤取自試驗基地田間耕作層表土,土質(zhì)為黃褐土,含有機質(zhì)14.28 g·kg-1,堿解氮 66.80 mg·kg-1,速效磷 23.2 mg·kg-1,速效鉀 52 mg·kg-1,pH值5.16。

1.2 試驗設(shè)計

將供試土壤過篩后,每盆稱取土壤10 kg,將其與肥料混勻后裝入直徑30 cm,高30 cm的塑料盆中。每盆施純N 2.4 g、P2O51.2 g、K2O 1.2 g,在小麥拔節(jié)期每盆追施純N 1.6 g。播種時間為2016年11月11日,每盆播種25粒,于3葉期定苗,每盆留苗10株。

采用隨機區(qū)組設(shè)計,以不漬水處理為對照組(W0),漬水處理于小麥開花期開始,將盆栽小麥搬入深40 cm的土槽中,并用水管向土槽中注水,保持小麥地上部1 cm水層,分別設(shè)置漬水3、6和9 d(分別用W3、W6和W9表示)。漬水處理結(jié)束時,將盆栽小麥從漬水土槽中搬出,在正常條件下繼續(xù)培養(yǎng);其中對照組(W0)土壤水分含量在70%～80%。每個處理3次重復(fù),每個重復(fù)種15盆。各處理組分別在開花期和花后7 、14和21 d時取樣,用自來水沖洗根部,測定根系形態(tài)、抗氧化酶活性和干物質(zhì)量等指標(biāo)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系中內(nèi)源保護酶活性和丙二醛含量的測定在小麥花后7、14和21 d時,分別取不同處理條件下長勢一致的小麥3盆,用自來水沖洗根系并取根尖1 cm處,用錫箔紙包裝作好記號并立即放液氮中速凍,在-70 ℃冰箱中貯存?zhèn)溆?。采用硫代巴比妥酸反?yīng)法(TBA)測定丙二醛(MDA)含量,采用氮藍四唑(NBT)還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性,采用紫外線吸收法測定過氧化物酶(POD)活性[15]。

1.3.2 根系形態(tài)掃描在小麥開花期及花后7、14和21 d時,分別取不同處理條件下長勢一致的小麥 3盆,用自來水沖洗根系,并用吸水紙擦干。采用德國產(chǎn)WinRHIZO Pro 2008根系掃描儀進行掃描,以 *.TIF 格式保存在電腦中進行分析,測量根系體積、表面積、根系總長和根系平均直徑等根系形態(tài)指標(biāo)。

1.3.3 小麥干物質(zhì)積累與分配在小麥開花期及花后7、14和21 d時,分別取不同處理條件下長勢一致的小麥3盆,用自來水沖洗根系,用吸水紙擦干后,于105 ℃殺青1 h,80 ℃烘干至恒重,測定根系干物重。同時,于成熟期,分別取不同處理條件下長勢一致的小麥3盆,按莖鞘、葉片、穎殼+穗軸、籽粒分開,于 105 ℃殺青1 h,80 ℃烘干至恒重,測定干重并計算其在地上部干重中所占比例。

1.3.4 籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素調(diào)查在成熟期,取不同處理條件下長勢一致的小麥各5盆,調(diào)查有效穗數(shù)和穗粒數(shù),脫粒自然晾干后,測定千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用DPS 7.05進行單因素方差分析,各漬水處理的平均值用LSD法(P<0.05)進行差異顯著性檢驗,采用Microsoft Excel 2007軟件整理試驗數(shù)據(jù)、制表和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 漬水對小麥根系生長的影響

2.1.1 漬水對小麥根系總長和平均直徑的影響從表1可見:漬水處理降低了‘寧麥13’和‘皖麥52’的根系總長和根系平均直徑,2個品種W3處理的根系總長和根系直徑與W0處理差異不顯著,而W6和W9處理根系總長和根系平均直徑均顯著低于W0。2個品種的根系總長在開花后不再增長,花后7～21 d,2個品種根系總長不斷降低。與花后7 d相比,花后21 d時‘寧麥13’的W0、W3、W6和W9處理根系總長分別降低22.47%、20.69%、18.15%和31.33%;花后21 d‘皖麥52’的W0、W3、W6和W9處理組根系總長分別降低14.47%、14.60%、22.44%和23.69%。隨生育進程2個品種的根系平均直徑變化存在差異?；ê?～21 d,‘寧麥13’根系直徑不斷變大,與花后7 d相比,花后21 d時W0、W3、W6和W9處理根系平均直徑分別增加12.24%、14.89%、13.04%和8.89%,其中W9處理對‘寧麥13’根系損傷較大;花后21 d‘皖麥52’W0、W3、W6和W9處理根系平均直徑分別減少3.03%、6.15%、9.52%和14.29%。

表1 不同時間漬水處理對小麥根系總長和平均直徑的影響Table 1 The effect of different waterlogging stress time on the total root length and average root diameter in wheat

2.1.2 漬水對小麥根系干重、體積和表面積的影響從圖1可見:漬水降低了2個品種的根系干重、根系體積和根系表面積。2個品種的W3處理根系干重、體積和表面積與W0無顯著差異,而W6和W9處理組顯著低于W0。漬水處理對‘寧麥13’根系干重、體積和表面積的抑制作用隨漬水時間的延長而增加,花后14～21 d,W9處理根系體積和表面積顯著低于W6處理,而根系干重在花后21 d時顯著低于W6處理?！铥?2’在花后14 d時,W9的根系干重、體積和表面積顯著低于W6,但在花后21 d時,2個處理間差異不顯著。

圖1 不同漬水時間對小麥根系生物量、根系體積和表面積的影響Fig.1 The effect of different waterlogging time on the root dry weight,root volume and root surface in wheat

2.1.3 漬水對小麥根系MDA含量和抗氧化酶活性的影響從圖2可見:花后7～21 d 2個品種W3處理根系中MDA含量與W0無顯著差異;花后7～21 d‘寧麥13’的W6和W9處理間根系中MDA含量差異不顯著,但均顯著高于W0。花后7 和14 d,‘皖麥52’的W6和W9處理根系中MDA含量顯著高于W0,但在花后21 d,W6處理與W0差異不顯著,W9處理根系中MDA含量顯著高于W0。

圖2 不同漬水時間對小麥根系中MDA含量以及SOD和POD活性的影響Fig.2 The effect of different waterlogging stress time on the content of MDA and the activities of SOD and POD of root in wheat

花后7和14 d,各漬水處理2個品種根系中SOD活性增加,但與W0無顯著差異;花后21 d,2個品種W3處理根系中SOD活性均顯著高于W0,‘寧麥13’的W9處理和‘皖麥52’的W6和W9處理根系中SOD活性顯著低于W0。表明花后漬水3 d 2個品種根系中SOD酶活性顯著增加,而花后漬水6和9 d 2個品種根系中SOD活性降低(圖2)。

漬水顯著增加2個品種根系中POD活性,并隨漬水時間的延長而增加?；ê?、14和21 d,2個品種各漬水處理根系中POD活性均顯著高于W0,但在花后21 d,2個品種W3處理根系中POD活性與W0差異不顯著,而2個品種 W6和W9處理均顯著高于W0,其中‘寧麥13’較W0增加77.41%和90.37%,‘皖麥52’增加36.78%和47.66%(圖2)。

2.2 漬水對小麥成熟期干物質(zhì)分配的影響

從表2可見:與對照組W0相比,W3處理對2個品種地上部干重?zé)o顯著影響,而W6和W9處理的 2個品種地上部干重顯著降低;W3處理對2個品種地上部各部分干重及其所占比例均無顯著影響,而W6和W9處理顯著降低2個品種的籽粒干重及其所占比例,顯著提高穗軸+穎殼中干重所占比例;W6處理對‘寧麥13’的莖稈+葉鞘+葉片的干重?zé)o顯著影響,W9處理中‘寧麥13’莖稈+葉鞘+葉片的干重顯著降低,較對照組W0顯著降低25.00%;W6和W9處理中‘皖麥52’的莖稈+葉鞘+葉片干重顯著降低,較對照組W0分別降低20.34%和 26.62%。

表2 不同時間漬水處理對成熟期小麥地上部每盆干物質(zhì)分配的影響Table 2 The effect of different waterlogging stress time on dry matter distribution of shoots per pot in wheat at mature period

2.3 漬水對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表3可見:不同時間的花后漬水對2個品種的穗數(shù)均無顯著影響,但對其穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量的影響存在差異。開花后漬水對‘寧麥13’的穗粒數(shù)無顯著影響,而W6和W9處理‘寧麥13’的千粒重和產(chǎn)量顯著低于W0,產(chǎn)量降幅分別為17.31%和35.50%;W6和W9處理‘皖麥52’的穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量顯著低于W0,產(chǎn)量降幅分別為34.32%和39.88%。

表3 不同時間漬水處理對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 3 The effect of different waterlogging stress time on yield and its component factors in wheat

2.4 漬水條件下小麥根系生長發(fā)育與產(chǎn)量的關(guān)系

從圖3可見:2個品種不同漬水處理(W0、W3、W6和W9)的成熟期產(chǎn)量與其在花后21 d時根系干重、根系體積和表面積呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(R2分別為0.982 1、0.882 6和0.973 4),產(chǎn)量隨根系干重、體積和表面積的增加而升高。在本試驗條件下,小麥根系干重、體積和表面積的增加對提高產(chǎn)量具有重要作用。

圖3 花后21 d不同漬水處理小麥根系生長發(fā)育與成熟期產(chǎn)量的關(guān)系Fig.3 The relationship between yield and the root growth in wheat of 21 days after anthesis under different waterlogging treatments

3 討論

3.1 漬水對小麥根系形態(tài)生長的影響

漬水導(dǎo)致植株根系處于無氧條件,抑制根系生長發(fā)育,同時加速其衰老。Shao等[16]在小麥分蘗期和 拔節(jié)期分別進行漬水處理3 d,保持地表水深0.5～1.0 cm,2個處理組小麥根長和根鮮重均顯著降低。在小麥生長21 d時,漬水處理14 d顯著降低了根長、根系相對生長率、單株次生根數(shù)量和總次生根長[17]。本研究發(fā)現(xiàn),W6和W9處理2個小麥品種的根系總長和平均直徑顯著降低,同時與未漬水對照組相比,漬水處理加快了2個品種根系總長的降低,抑制‘寧麥13’根系平均直徑的增粗,促進‘皖麥52’根系平均直徑的萎縮;W6和W9處理2個品種的根系干物質(zhì)、根系體積和表面積顯著降低;小麥根系干重、根系體積和表面積與產(chǎn)量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系,可見小麥灌漿中后期根系形態(tài)顯著影響籽粒產(chǎn)量。

3.2 漬水對小麥根系抗氧化酶活性的影響

在漬水條件下,植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量活性氧自由基,破壞細胞內(nèi)大分子物質(zhì)及細胞膜透性,其中丙二醛含量能夠反映植物遭受逆境傷害的程度。超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)能夠緩解逆境對植物造成的傷害。研究發(fā)現(xiàn),漬水顯著增加根系中MDA含量,但對根系中SOD活性變化的影響存在差異,在小麥孕穗期漬水處理20 d,小麥根系中SOD活性隨著漬水時間的增加而逐漸降低[18];在小麥拔節(jié)期至開花后20 d進行漬水處理,在漬水前15 d時,根系中SOD活性顯著高于未漬水對照組,但隨著漬水時間的延長根系中SOD活性不斷下降,在花后5 d時,根系中SOD活性顯著低于未漬水對照組[19]。本研究發(fā)現(xiàn),W6和W9處理根系中MDA含量顯著高于W0,灌漿中后期的SOD活性顯著低于W0,與前人研究結(jié)果相似。而W3處理根系中MDA含量與W0差異不顯著,灌漿中后期SOD活性顯著高于W0,這可能是由于W3漬水時間較短,對小麥損害較小,促進小麥抗逆性提高。在小麥生育前期(苗期、拔節(jié)期和孕穗期)進行漬水處理能夠顯著提高根系中POD活性,而灌漿期漬水則顯著降低POD活性[11]。在本研究中,W3、W6和W9均顯著提高小麥根系的POD活性,與前人研究結(jié)果存在差異,這可能由于本試驗漬水時間較短,能夠引起小麥的抗性,而較長時間漬水處理對小麥造成較大傷害,降低其耐漬能力。

3.3 漬水對小麥干物質(zhì)分配及產(chǎn)量的影響

漬水能夠誘導(dǎo)植株葉片氣孔關(guān)閉,影響其光合作用,使干物質(zhì)合成減少。在小麥拔節(jié)期和開花期漬水處理地上部干物質(zhì)積累量顯著低于未漬水對照[20]。在小麥孕穗期和灌漿期漬水處理降低小麥根系、葉片、莖鞘和穗部的干物質(zhì)積累,增加莖鞘和葉片的干物質(zhì)分配比例,在灌漿期漬水還減少穗部的干物質(zhì)分配比例[21]。本研究中,花后漬水降低成熟期小麥籽粒和莖葉中干物質(zhì)的積累,漬水顯著降低籽粒中干物質(zhì)的分配比例,顯著提高穗軸和穎殼中干物質(zhì)分配比例,而對莖稈+葉鞘+葉片中干物質(zhì)分配比例無顯著影響。這與胡繼超等[21]研究灌漿期漬水增加了莖鞘和葉片中干物質(zhì)分配比例的結(jié)論存在差異,這可能與試驗中設(shè)置漬水時間的長短或者供試小麥品種存在差異有關(guān)。

漬水對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響存在差異?；ê鬂n水對小麥穗數(shù)無顯著影響,但卻顯著降低穗粒數(shù)、千粒重和籽粒產(chǎn)量[22-24]。有研究指出,穗粒數(shù)取決于孕穗前期的穗分化過程,因此,小麥生長后期(灌漿期)發(fā)生漬害脅迫對穗粒數(shù)的影響較小,未達到顯著水平[25]。本研究結(jié)果表明,W3處理對2個小麥品種產(chǎn)量及其構(gòu)成要素沒有顯著影響;而W6和W9處理對2個品種的穗數(shù)無顯著影響,但千粒重和產(chǎn)量顯著降低;對穗粒數(shù)的影響因品種不同而存在差異。

本研究中,花后漬水6 和9 d顯著降低2個品種的根系總長、平均直徑、根系干重、表面積、體積以及根系中SOD活性,顯著增加小麥根系中MDA含量和POD活性,而花后漬水3 d顯著增加2個品種根系中SOD性;花后漬水6和9 d顯著提高穗軸+穎殼中干重所占比例,顯著降低成熟期籽粒干重及其在地上部干重中所占比例,顯著降低千粒重和產(chǎn)量。