董玉新 張華英 候林慧 姜 超 甄林峰

(1.呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

呼倫貝爾市大興安嶺丘陵旱作區(qū)是內(nèi)蒙古優(yōu)質(zhì)春小麥產(chǎn)區(qū)，也是內(nèi)蒙古重要的商品糧基地。[1]但該地區(qū)春季氣溫回升較快，蒸發(fā)旺盛，而降雨稀少，[2]常常發(fā)生季節(jié)性干旱，嚴(yán)重影響正常的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。[3]加之當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，防災(zāi)能力不強(qiáng)，特別是抗旱品種缺乏，抗旱手段薄弱，致使小麥單產(chǎn)不高，總產(chǎn)不穩(wěn)。由此可見，干旱已成為制約該地區(qū)小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。針對內(nèi)蒙古呼倫貝爾地區(qū)小麥生產(chǎn)現(xiàn)狀，在穩(wěn)定現(xiàn)有種植面積的基礎(chǔ)上，如何通過抗旱技術(shù)革新進(jìn)一步穩(wěn)定春小麥產(chǎn)量，保障自治區(qū)乃至國家糧食安全，已成為我國春小麥生產(chǎn)亟待突破的重大課題之一。化控栽培作為一種提高作物抗旱性的新方法，使用植物生長調(diào)節(jié)劑調(diào)控作物的生長發(fā)育和生理生化過程，提高作物在干旱條件下的抵抗能力，改善植株生長發(fā)育狀況，從而提高籽粒產(chǎn)量，在抗旱增產(chǎn)栽培中應(yīng)用較為廣泛且效果較好。[4]

乙烯利作為一種優(yōu)質(zhì)高效的外源植物生長調(diào)節(jié)劑，不僅自身能釋放出乙烯，而且還能誘導(dǎo)植株產(chǎn)生乙烯，具有調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育、增強(qiáng)抗逆性和提高產(chǎn)量等作用。[5-7]在抗逆栽培領(lǐng)域，乙烯利不僅能夠促進(jìn)作物種子在遭遇干旱脅迫時提早萌發(fā)出苗，而且還具有低成本，無污染的特點。[8]它可以降低由有害離子和毒素導(dǎo)致的細(xì)胞損傷，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性和內(nèi)外環(huán)境的穩(wěn)定性，從而維持植株的正常生理功能，減少逆境給種子或幼苗帶來的傷害。[9]研究發(fā)現(xiàn)，采用乙烯利浸種能夠促進(jìn)美女櫻、玉米種子的萌發(fā)，[10][11]提高甘蔗“健康種子”的抗旱性，[12]改善水分脅迫下甘蔗苗期的光合性能。乙烯利浸種處理可促進(jìn)甘蔗生長并提高抗旱性，其作用機(jī)制可能是提高了葉片中蛋白質(zhì)含量和總核酸含量。[13]

目前，國內(nèi)外關(guān)于乙烯利在作物化控栽培方面的研究已有較多報道，[14-16]而對我國北方高寒旱作區(qū)應(yīng)用乙烯利浸種提高小麥抗旱性的研究尚不多見。本研究以增強(qiáng)小麥抗旱性為目標(biāo)，比較研究乙烯利浸種對不同干旱脅迫水平下小麥種子萌發(fā)出苗、苗期形態(tài)特征及抗性生理指標(biāo)的差異，旨在明確不同土壤水分條件下，乙烯利浸種對小麥苗期抗旱性的影響，為內(nèi)蒙古呼倫貝爾大興安嶺丘陵旱作區(qū)合理利用乙烯利提高小麥植株抗旱性提供理論依據(jù)與實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種：克春4號

試驗藥品：40%乙烯利(水劑)

1.2 試驗地

本試驗于呼倫貝爾學(xué)院牙克石校區(qū)遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。牙克石市位于呼倫貝爾市中部、大興安嶺中脊中段西坡。該區(qū)屬于中溫帶季風(fēng)性森林草原氣候和寒溫帶季風(fēng)性針葉林氣候，土壤為黑鈣土。

1.3 試驗設(shè)計

挑選大小均勻、籽粒飽滿、無污染的小麥種子，用20%的H2O2消毒10 min，再用蒸餾水沖洗干凈，分別用0、100、200、300 mg/kg的乙烯利浸種12 h后播種。試驗設(shè)土壤相對含水量為40%～45%的重度干旱、土壤相對含水量為60%～65%的輕度干旱2個干旱水平，并以土壤相對含水量為75%～80%的適宜含水量為對照(表1)，3次重復(fù)。將浸種后的小麥種子播種于直徑25 cm的聚乙烯塑料盆中，每盆30株，播深在3 cm左右。

表1 試驗設(shè)計方案

1.4 測試項目與方法

1.4.1出苗率調(diào)查

出苗后數(shù)計每盆缽內(nèi)出苗數(shù)，根據(jù)播種種子數(shù)，計算出苗率。

出苗率=出苗數(shù)/播種種子數(shù)×100%。

1.4.2植株形態(tài)指標(biāo)測定

于小麥三葉期在各處理中分別取出5株，測量主莖高度，取植株上所有綠色葉片，并測算其面積。

1.4.3葉片生理指標(biāo)測定

于小麥三葉期在各處理選取代表性植株10株，摘取所有綠葉，切碎后混合，用氮藍(lán)四唑(NBT)顯色法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性；用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(MDA)含量；用茚三酮法測定葉片游離脯氨酸的含量；用考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量；用蒽酮法測定可溶性糖含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗全部數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2007、SAS 9.0和SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1不同處理對春小麥出苗率的影響

不同處理春小麥田間出苗率存在顯著差異(表2)。不同土壤水分條件下，干旱脅迫顯著降低了春小麥的田間出苗率，重度干旱下出苗率最低，適宜水分條件下出苗率最高，說明干旱是制約春小麥出苗的重要因素之一。不同乙烯利浸種濃度間比較，適宜水分條件下，不同乙烯利濃度對出苗率的影響差異不顯著；輕度干旱條件下，出苗率隨乙烯利濃度的增加而升高，A2B3、A2B4處理間差異不顯著，但顯著高于其他處理；重度干旱條件下，出苗率隨乙烯利濃度的增加而呈升高趨勢，其中，A3B4處理出苗率最高，為76.6%，顯著高于其他處理，較A3B1處理提高了9.1%。

表2 不同處理下春小麥的田間出苗率

2.2 不同處理對春小麥苗期株高的影響

由表3可見，不同處理下春小麥苗期株高存在顯著差異。不同土壤水分條件間比較，各處理小麥株高表現(xiàn)為A3處理

表3 不同處理下春小麥的株高差異

2.3 不同處理對春小麥苗期單株葉面積的影響

不同處理春小麥苗期單株葉面積存在顯著差異(表4)。不同土壤水分條件下，春小麥單株葉面積隨土壤含水量的降低而減少，重度干旱條件下，各處理葉面積最小，顯著低于其他水分處理，說明干旱脅迫可以顯著減少春小麥的綠葉面積，降低群體的光合生產(chǎn)能力。不同乙烯利濃度間比較，春小麥單株葉面積在適宜水分條件和輕度干旱條件下呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，即隨著乙烯利濃度的增加而增加，但B3、B4處理間差異均不顯著；重度干旱條件下，春小麥單株葉面積隨乙烯利濃度的增加而增加，在300 mg/kg處達(dá)到最大值，為4.69 cm2，顯著高于其他處理，較B1處理增加了37.5%。

表4 不同處理下春小麥單株葉面積差異

2.4 乙烯利浸種對春小麥苗期葉片生理指標(biāo)的影響

2.4.1不同處理下葉片丙二醛(MDA)含量差異

由圖1可見，不同處理下春小麥葉片丙二醛含量存在顯著差異。不同土壤水分條件間比較，干旱脅迫可以顯著提高春小麥苗期葉片丙二醛的含量，重度干旱和輕度干旱處理葉片MDA含量分別較對照升高了44.07%和82.31%。不同乙烯利濃度處理間比較，各水分條件下春小麥葉片MDA含量的變化趨勢類似，即隨乙烯利濃度的增加而降低。輕度干旱條件下，B3、B4處理間差異不顯著，但顯著低于B1、B2處理，B3處理較清水處理(B1)降低了15.63%；重度干旱條件下，葉片MDA含量隨乙烯利濃度的增加而降低，B4處理MDA含量最低，為4.33 μmol/g，較清水處理降低了22.40%，且處理間差異達(dá)到顯著水平。

圖1 不同干旱脅迫處理對小麥苗期葉片丙二醛含量的影響

2.4.2不同處理下葉片游離脯氨酸含量差異

由圖2所示，干旱脅迫下春小麥苗期葉片游離脯氨酸含量較適宜水分條件有顯著增加，且隨干旱程度的加重呈現(xiàn)升高趨勢，以重度干旱處理(A3)游離脯氨酸含量最高，較適宜水分處理(A1)增加了179.94%。不同浸種液濃度間比較，春小麥葉片游離脯氨酸含量隨濃度的增加而呈現(xiàn)升高趨勢。輕度干旱條件下，以300 mg/kg處理(B4)游離脯氨酸含量最高，但與B3處理差異不顯著；重度干旱條件下，B4處理的游離脯氨酸含量最高，達(dá)142.02 ug/g，顯著高于其他處理，較清水處理增加60.86%。說明，采用適當(dāng)濃度的乙烯利浸種處理可以增強(qiáng)春小麥植株的滲透調(diào)節(jié)能力。

圖2 不同干旱脅迫處理對小麥苗期葉片游離脯氨酸含量的影響

2.4.3不同處理下葉片可溶性糖含量差異

如圖3所示，干旱脅迫下小麥苗期葉片可溶性糖含量存在顯著差異。春小麥葉片可溶性糖含量隨干旱程度的增加而顯著升高，其中，重度干旱處理下可溶性糖含量較適宜水分處理增加了109.37%。不同乙烯利濃度處理間比較，春小麥葉片可溶性糖含量隨浸種液濃度的增加而降低，整體表現(xiàn)為浸種處理低于清水處理。輕度干旱條件下，可溶性糖含量以乙烯利濃度為200 mg/kg的處理(B3)最低，為36.13 mg/g，與B4處理差異不顯著，但顯著低于其他處理；重度干旱條件下，可溶性糖含量以300 mg/kg的處理(B4)最低，顯著低于其他處理，較清水處理下降了20.59%。

圖3 不同干旱脅迫處理對小麥苗期葉片可溶性糖含量的影響

2.4.4不同處理下葉片可溶性蛋白含量差異

由圖4可知，不同處理下春小麥苗期葉片可溶性蛋白含量存在顯著差異。不同土壤水分條件下，葉片可溶性蛋白含量隨干旱程度的加深而增加，以A3處理的可溶性蛋白含量最高，較適宜水分條件升高了115.75%，說明，干旱脅迫提高了春小麥葉片的可溶性蛋白含量。不同浸種濃度處理間比較，適宜水分條件下，葉片可溶性蛋白含量隨濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在200 mg/kg處達(dá)到最大值；輕度干旱條件下，不同處理間葉片可溶性蛋白含量從高到低依次為B4處理>B3處理>B2處理>B1處理，B3處理與B4處理差異不顯著，但顯著高于其他處理；重度干旱條件下，葉片可溶性蛋白含量隨濃度的增加而增加，以乙烯利濃度為300 mg/kg的處理(B4)表現(xiàn)最好，較清水處理提高了41.50%。

圖4 不同干旱脅迫處理對小麥苗期葉片可溶性蛋白含量的影響

2.4.5不同處理下葉片SOD活性差異

過氧化物歧化酶(SOD)參與活性氧的清除反應(yīng)，在抗氧化系統(tǒng)中處于核心地位。SOD活性直接影響了作物活性氧基清除能力的強(qiáng)弱，與作物抗逆性息息相關(guān)。不同處理下小麥苗期葉片SOD活性差異如圖5所示，干旱脅迫處理小麥葉片SOD活性均較適宜水分處理有顯著提高，且重度干旱處理>輕度干旱處理，A3處理葉片的SOD活性較A1處理增加了59.06%。不同乙烯利濃度處理間比較，春小麥葉片SOD活性均隨濃度的增加而增加，輕度干旱條件下，表現(xiàn)為B3處理>B4處理>B2處理>B1處理，其中B3處理與B4處理差異不顯著；重度干旱條件下，以乙烯利濃度為300 mg/kg的處理(B4)表現(xiàn)最優(yōu)，高于清水處理(B1)44.93%。

圖5 不同干旱脅迫處理對小麥苗期葉片SOD活性的影響

3 討論

近年來，全球溫室效應(yīng)加劇導(dǎo)致極端干旱天氣頻繁發(fā)生，其干旱強(qiáng)度有逐漸增加的趨勢，嚴(yán)重阻礙了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。[17]干旱對我國的農(nóng)業(yè)影響尤為嚴(yán)重，我國農(nóng)作物平均每年受旱面積2.2萬公頃，占全部農(nóng)業(yè)災(zāi)害面積的62%以上。目前，可以通過抗旱高產(chǎn)新品種的選育以及抗旱栽培新技術(shù)的推廣應(yīng)用實現(xiàn)作物的抗旱增產(chǎn)。在栽培領(lǐng)域，作物化控技術(shù)與傳統(tǒng)栽培技術(shù)融合而產(chǎn)生的化控栽培技術(shù)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究中熱門領(lǐng)域之一。[18]作物化控栽培是以應(yīng)用植物生長調(diào)節(jié)劑(PGRs)為手段，通過改變植物內(nèi)源激素系統(tǒng)，調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育過程，使其朝著人們預(yù)期的方向和程度發(fā)生變化。[19]在抗旱栽培方面，主要是利用植物生長調(diào)節(jié)劑調(diào)控作物的生長發(fā)育以及植株內(nèi)部生理生化過程，提高作物對干旱的適宜能力，增強(qiáng)植株的抗旱性，從而提高作物產(chǎn)量。干旱脅迫對植物的影響可以表現(xiàn)在植物生長發(fā)育的各個階段，其中，苗期是小麥分蘗發(fā)生和幼穗分化的關(guān)鍵時期，對產(chǎn)量構(gòu)成因素中的穗數(shù)和穗粒數(shù)有直接影響，小麥若在苗期遭受干旱脅迫將嚴(yán)重影響分蘗發(fā)生和穗粒數(shù)的形成，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)量降低。[20]干旱脅迫會導(dǎo)致小麥根系和地上部分的生長受阻，顯著降低小麥籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，[21]同時，小麥的株高、綠葉面積和比葉面積等形態(tài)指標(biāo)都會明顯降低。[22]本研究發(fā)現(xiàn)，在遭遇干旱脅迫時，春小麥田間出苗率、苗期株高以及葉面積都呈現(xiàn)一定程度的下降，且干旱程度越重，下降越明顯。

研究表明，干旱脅迫對植物造成的損傷多數(shù)與活性氧有關(guān)，正常情況下，活性氧的清除與產(chǎn)生處于動態(tài)平衡，但當(dāng)植物遭遇脅迫時，活性氧物質(zhì)加速積累，細(xì)胞滲透性增加，離子大量泄漏，膜脂發(fā)生過氧化，造成膜系統(tǒng)損傷，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致植物細(xì)胞死亡。[23]為降低膜系統(tǒng)損傷，SOD、POD和CAT的活性也會相應(yīng)地發(fā)生變化并產(chǎn)生更多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，而這些酶活性的高低以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的多少與植物抗旱性息息相關(guān)。[24-27]脯氨酸是植物中最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，在干旱脅迫下脯氨酸的過量積累是植物對抗干旱脅迫的重要措施，[28]在正常情況下，植物中游離的脯氨酸含量較低，而在干旱脅迫下，脯氨酸大量累積。[29]植物在面臨干旱脅迫過程會產(chǎn)生一些特殊的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在植物應(yīng)對干旱脅迫的過程中起到分子伴侶、信號傳導(dǎo)、離子運(yùn)輸以及維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)等作用。[30]本研究表明，在輕度與重度干旱水平下，小麥苗期葉片脯氨酸含量分別較對照增加了97.6%和169.3%，這與前人的研究結(jié)果相一致。采用適宜濃度乙烯利浸種后，小麥苗期葉片脯氨酸含量分別較對照增加了212.2%和333.2%；同時，可溶性蛋白含量也顯著提高，這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加，在一定程度上提高了小麥植株的抗旱性。與此同時，在干旱脅迫下，采用乙烯利處理的小麥苗期葉片中SOD活性較對照顯著增加，增強(qiáng)了小麥植株清除活性氧自由基的能力。由此可見，乙烯利浸種可以顯著提高旱作小麥苗期的抗旱性能，增加其在干旱脅迫下的出苗率，改善植株形態(tài)特征，進(jìn)而促進(jìn)生長，提高籽粒產(chǎn)量。

4 結(jié)論

與對照相比，干旱脅迫可以顯著降低春小麥的田間出苗率以及苗期株高和單株葉面積，而葉片中MDA含量、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量以及SOD酶活性則顯著增加。乙烯利浸種處理可以顯著提高旱作小麥的田間出苗率，改善苗期葉面積和株高性狀，增強(qiáng)植株抗旱能力。本試驗結(jié)果表明，與清水處理相比，采用乙烯利浸種的小麥種子萌發(fā)后，其葉片中MDA含量顯著下降，雖然可溶性糖含量有所降低，但游離脯氨酸、可溶性蛋白含量及SOD活性則顯著升高，膜質(zhì)過氧化程度相對較輕。在輕度干旱和重度干旱條件下，乙烯利浸種的適宜濃度分別為200 mg/kg和300 mg/kg。