馬 泉,張玉雪,2,陶 源,蘇盛楠,3, 李春燕,丁錦峰, 朱 敏,朱新開,郭文善

(1.揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現(xiàn)代產業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚州 225009;2.太倉市農業(yè)機械技術推廣站，江蘇太倉 215499; 3.太倉市城廂鎮(zhèn)農業(yè)技術服務站，江蘇太倉 215499)

近年來，黃淮海麥區(qū)小麥春季低溫凍害問題幾乎每年都有不同程度的發(fā)生，發(fā)生頻率在30%以上, 最高年份可達70%，且極端低溫發(fā)生的頻率、強度和持續(xù)時間均在不斷加強，加劇了小麥生產系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，嚴重影響并制約小麥的生長發(fā)育及產量形成。據(jù)統(tǒng)計，1961年至2015年江蘇地區(qū)平均每年倒春寒發(fā)生3.8次，每次持續(xù)時間平均為3.2 d，中級以上倒春寒發(fā)生率高達22%。春季隨著氣溫的逐步回升，小麥從返青進入拔節(jié)期以后，進入快速生長發(fā)育階段，植株對低溫的抗性和耐性迅速下降，此時的倒春寒天氣，尤其溫度大幅度驟降后，易造成作物外部形態(tài)及內部結構損傷或者死亡，導致減產，一般年份可導致黃淮麥區(qū)小麥減產10%～20%，特殊年份減產可達30%～40%，甚至40%以上。隨著極端天氣的日益頻發(fā)，長江中下游地區(qū)小麥在春季遭遇低溫脅迫已經(jīng)成為生產中不可避免的問題。

春季低溫因發(fā)生的強度和時期不同，對小麥營養(yǎng)生長和生殖生長的影響存在顯著差異。小麥雌雄蕊末期到藥隔初期是春季低溫危害發(fā)生的敏感時期，此時小麥幼穗的抗寒性迅速下降，低溫易造成幼穗受凍，甚至引起部分莖、蘗死亡，影響成穗數(shù)；孕穗期低溫主要影響花粉育性，增加退化小穗數(shù)和小花數(shù)，導致穗粒數(shù)降低；孕穗至開花期低溫主要影響籽粒發(fā)育，導致粒重下降。小麥生長發(fā)育過程中遭遇春季低溫脅迫時，植株形態(tài)結構、內含物質和光合作用等一系列復雜的生理生化特征都會受到相應的影響，主要表現(xiàn)為細胞膜系統(tǒng)受損、葉綠素合成受阻、酶系統(tǒng)失活、光合效率降低等，使葉片向莖稈傳輸?shù)耐锖拷档?，導致單株干物質積累減少和營養(yǎng)物質的運輸速率下降，進而影響籽粒灌漿過程，最終導致籽粒灌漿充實不良。低溫導致粒重下降的原因一方面可能在于植株碳水化合物的代謝過程受到影響，低溫脅迫降低了植株對能量利用的能力，限制光合作用進程，干擾光合同化物的合成及轉運；另一方面，低溫影響了籽粒形態(tài)、果皮和胚乳的發(fā)育，限制籽粒庫容大小。

小麥抗寒機制是一個復雜的生理過程。前人關于春季低溫影響小麥產量性狀的研究較多，但主要側重于低溫對小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)的影響及其生理機制，有關春季不同生育時期低溫脅迫影響小麥粒重形成機理的研究較少。本研究以春性品種揚麥16和半冬性品種徐麥30為材料，在小麥倒二葉出生期、孕穗期和開花期三個關鍵生育時期分別單獨進行低溫處理，分析春季不同時期低溫對小麥光合生理特性和粒重形成的影響，以期為小麥抗逆減災和高產穩(wěn)產提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況與供試材料

于2016-2017年小麥生長季，在揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室盆栽試驗場進行盆栽試驗。試驗用土取自大田耕層(0～30 cm)，土質為輕壤土，有機質含量14.61 g·kg，堿解氮含量53.35 mg·kg，速效磷含量37.35 mg·kg，速效鉀含量96.51 mg·kg。試驗采用高26 cm、上口直徑26 cm、底部直徑18 cm、底部帶排水孔的塑料盆種植小麥，每盆裝土12 kg，基施尿素(46.3% N)0.4 g和復合肥(N∶PO∶KO=15%∶15%∶15%)3.33 g，施壯蘗肥(4～5葉期) 0.35 g(尿素)，拔節(jié)期(葉齡余數(shù)2.5)施尿素0.4 g和復合肥3.33 g。供試小麥分別為春性品種揚麥16和半冬性品種徐麥30，每盆播種12粒，4葉期定苗8株，置于室外自然環(huán)境中正常生長，管理同當?shù)馗弋a大田栽培。低溫處理在人工智能氣候室中進行，控制溫度誤差±0.5 ℃，設置大氣相對濕度70%，光量子通量密度800 μmol·m·s。

1.2 試驗設計

于倒二葉出生期(倒二葉露尖1～2 cm)、孕穗期(旗葉全展，葉枕距3～4 cm)和開花期(中部小穗開出1～2朵小花)，選取長勢基本一致的盆栽小麥搬入人工氣候室分別進行低溫處理，倒二葉出生期、孕穗期和開花期低溫處理的晝夜溫度分別為5 ℃/-3 ℃(3月21日-3月23日)、 8 ℃/-1 ℃(3月29日-3月31日)和12 ℃/ 4 ℃(4月13日-4月15日)。低溫處理期間外界環(huán)境溫度和人工氣候室控制低溫動態(tài)見圖1，每個時期低溫處理持續(xù)時間均為48 h。以外界自然生長的小麥為對照(CK)。低溫處理結束后，將小麥搬出人工氣候室恢復自然生長環(huán)境。

圖1 不同時期外界自然溫度與人工氣候室控制溫度動態(tài)Fig.1 Dynamics of the temperature in ambient and environment-controlled phytotron at different stages

1.3 測定項目與方法

1.3.1 葉片SPAD值和光合指標測定

于低溫處理結束當天、處理后3 d、6 d和9 d，采用便攜式SPAD-502型葉綠素儀(Konica Minolta，Japan)測定小麥主莖最上部全展葉SPAD值，重復10次。

于低溫處理結束當天，采用LI-6400XT型光合作用測定儀(LI-COR，USA)測定主莖最上部全展葉凈光合速率()、氣孔導度()、胞間CO濃度()和蒸騰速率()，重復5次。

1.3.2 PSII潛在最大光化學量子效率測定

于小麥開花期低溫處理結束當天及開花后每7 d，采用脈沖調制式熒光儀(Heinz Walz，德國)，暗處理30 min后，測定主莖旗葉暗適應下的初始熒光值()和最大熒光值()，重復5次。PSII潛在最大光化學量子效率(/)計算公式：

/=(-)/

1.3.3 干物質積累與轉運測定

分別于開花期(4月15日)和成熟期(5月21日)，每個處理取3盆植株樣，分莖、葉、穗(成熟期分為籽粒、穎殼和穗軸)，在烘箱內105 ℃殺青 1 h，80 ℃烘干至恒重，測定各器官的干物質量。干物質積累與轉運相關公式：

花前干物質轉運量=開花期營養(yǎng)器官干物質積累量-成熟期營養(yǎng)器官干物質積累量

花后干物質積累量=成熟期籽粒干物質積累量-花前干物質轉運量

花前干物質轉運對籽粒產量的貢獻率=花前干物質轉運量/ 成熟期籽粒干物質積累量×100%

花后干物質積累對籽粒產量的貢獻率=花后干物質積累量/成熟期籽粒干物質積累量×100%

1.3.4 強、弱勢粒重測定

于成熟期每個處理選取花期和長勢一致的麥穗5盆，分別測定強、弱勢粒千粒重，并測定所有籽粒的平均千粒重。其中，3粒及3粒以上小穗第2位小花籽粒為強勢粒，3粒小穗第3位、4粒小穗第4位小花籽粒為弱勢粒。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理、Sigmaplot 10.0進行繪圖，采用DPS 7.05進行統(tǒng)計分析，檢驗處理間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 春季不同時期低溫下小麥葉片SPAD值的差異

與CK相比，揚麥16和徐麥30在倒二葉出生期、孕穗期和開花期低溫處理后最上部全展葉的SPAD值均不同程度下降(圖2)。其中，揚麥16葉片SPAD值的降幅在三個時期低溫處理結束當天分別為2.03%、6.68%和 1.87%，低溫處理結束后3 d分別為6.37%、 10.72%和6.06%；徐麥30葉片SPAD值的降幅在三個時期低溫處理結束當天分別為4.24%、5.59%和3.45%，低溫處理結束后3 d分別為7.14%、8.36%和5.35%。兩個品種葉片SPAD值從三個時期低溫處理開始至處理結束后3 d均呈下降趨勢，處理結束后6～9 d逐漸回升，至處理結束后9 d，除揚麥16孕穗期和徐麥30開花期，其余時期低溫處理與CK無顯著差異。

CK: 自然對照; LT-P: 倒二葉出生期低溫處理; LT-B: 孕穗期低溫處理; LT-A: 開花期低溫處理。*: P<0.05顯著; **: P<0.01顯著; ns: 不顯著。下同。CK: The control in natural environment; LT-P: Low temperature at the appearance of penultimate leaf stage; LT-B: Low temperature at booting stage; LT-A: Low temperature at anthesis stage. *: P<0.05;**: P<0.01; ns: not significant. The same in figure 3.圖2 春季不同時期低溫對小麥最上部全展葉SPAD值的影響Fig.2 Effects of low temperature at different stages in spring on SPAD value of the first full-extended wheat leaf

2.2 春季不同時期低溫下小麥葉片光合性能的差異

春季不同時期低溫對兩個小麥品種的葉片光合參數(shù)均有顯著的影響，其中凈光合速率()、氣孔導度()和蒸騰速率()均呈顯著下降趨勢(表1)。倒二葉出生期低溫處理后，揚麥16最上部展開葉、和相比于CK分別下降16.26%、17.83%和6.92%，徐麥30分別下降14.08%、22.66%和5.46%；孕穗期低溫處理后，揚麥16旗葉、和分別下降9.83%、 22.17%和12.74%，徐麥30分別下降 13.12%、13.91%和12.68%；開花期低溫處理后，揚麥16旗葉、和分別下降13.89%、 9.32%和9.31%，徐麥30分別下降14.54%、6.92%和 5.37%。不同時期低溫處理均提高葉片胞間CO濃度()，揚麥16和徐麥30增幅分別為 2.90%～3.48%和2.79%～3.90%。從處理時期來看，倒二葉出生期低溫處理后兩品種的凈光合速率降幅較大，孕穗期低溫處理后降幅最小。

表1 春季不同時期低溫對小麥最上部全展葉光合參數(shù)的影響Table 1 Effects of low temperature at different stages in spring on photosynthetic parameters of the first full-extended wheat leaf

不同時期低溫處理均降低了開花當天旗葉/(圖3)，其中倒二葉出生期低溫處理的旗葉/最低，揚麥16和徐麥30降幅分別為4.10%和4.59%；孕穗期低溫處理下兩品種較CK分別下降2.43%和2.17%；開花期低溫處理對旗葉/的影響最小。隨著花后生育進程，孕穗期和開花期低溫處理表現(xiàn)出了較大的/降幅。與開花當天相比，孕穗期低溫處理下?lián)P麥16和徐麥30的旗葉/在乳熟期(花后21 d)降幅分別為5.70%和5.89%；開花期低溫處理下兩品種旗葉/降幅均最大，分別為7.42%和8.52%。倒二葉出生期低溫處理旗葉/在花后下降最緩慢，分別僅下降 3.11%和1.91%，表明倒二葉出生期低溫對旗葉的傷害輕于孕穗期和開花期。

圖3 春季不同時期低溫對小麥花后旗葉PSII最大光化學效率(Fv/Fm)的影響Fig.3 Effects of low temperature at different stages in spring on maximum photochemical efficiency (Fv/Fm) of PS II in flag leaves after anthesis

2.3 春季不同時期低溫下小麥物質積累和轉運的差異

春季不同時期低溫處理對小麥花前干物質轉運和花后干物質積累及其對籽粒產量的貢獻均有顯著的影響(表2)。不同時期低溫處理后花前干物質轉運量表現(xiàn)為倒二葉出生期<孕穗期<開花期，且倒二葉出生期低溫處理的兩個品種花前干物質轉運量與CK差異均顯著。與CK相比，揚麥16三個時期低溫處理的花前干物質轉運量降幅分別為48.67%、12.40%和10.28%；徐麥30降幅分別為41.92%、18.44%和2.84%。不同時期低溫處理對花后干物質積累量的影響程度與花前干物質轉運量相反，揚麥16三個時期低溫處理的花后干物質積累量與CK相比分別下降 21.04%、37.74%和35.45%；徐麥30分別下降25.06%、32.55%和33.45%。這表明倒二葉出生期低溫對小麥花前干物質轉運量的影響要大于花后干物質積累量，并影響其對籽粒產量的貢獻率。與CK相比，倒二葉出生期低溫處理提高了揚麥16和徐麥30的花后干物質積累對籽粒產量的貢獻率；孕穗期和開花期低溫處理均提高了花前干物質轉運的貢獻率，但降低花后干物質積累的貢獻率。

表2 春季不同時期低溫對小麥干物質積累和轉運的影響Table 2 Effects of low temperature at different stages in spring on dry matter accumulation and translocation of wheat

2.4 春季不同時期低溫下小麥強、弱勢粒粒重的 差異

不同時期低溫處理均對兩個品種強、弱勢粒粒重產生不利影響(表3)。三個時期低溫處理揚麥16強勢粒的千粒重較CK分別下降2.92%、 8.90%和5.23%，弱勢粒分別下降5.76%、 28.50%和21.30%；徐麥30強勢粒的千粒重分別下降 3.41%、7.44%和5.32%，弱勢粒分別下降 7.51%、22.18%和13.67%。這說明低溫處理對弱勢粒粒重的影響大于強勢粒，且在孕穗期低溫處理后表現(xiàn)最明顯。不同時期低溫處理的兩個品種平均千粒重均表現(xiàn)為CK >倒二葉出生期>開花期>孕穗期。揚麥16三個時期低溫處理的平均千粒重降幅分別為4.49%、17.60%和13.29%，徐麥30降幅分別為4.20%、15.31%和9.92%。

表3 春季不同時期低溫對小麥千粒重的影響Table 3 Effects of low temperature at different stages in spring on 1 000-grain weight of wheat g

3 討 論

3.1 春季不同時期低溫下小麥粒重形成的光合生理和物質積累基礎

關于春季不同時期低溫導致小麥減產的原因，前人研究主要集中在低溫對穗數(shù)和穗粒數(shù)的影響上，而忽略了粒重的減產效應。王樹剛等指出,千粒重下降也是春季低溫導致小麥減產的重要原因之一，低溫脅迫使功能葉片受到傷害, 影響光合同化物的合成及供應,導致千粒重顯著下降。Kratsch等研究認為, 植物遭遇低溫脅迫時葉綠體首先受到影響,低溫脅迫嚴重時類囊體膨大變形，淀粉顆粒消失, 葉綠體網(wǎng)狀結構消失, 最終葉綠體瓦解。也有研究認為，低溫脅迫下植株體內代謝減弱，養(yǎng)分吸收轉運速度下降，從而抑制葉綠素合成，并且低溫脅迫導致超氧自由基積累，加速了葉綠素的分解。本研究中，在倒二葉出生期、孕穗期和開花期對小麥進行低溫處理結束當天，揚麥16和徐麥30的SPAD值均明顯下降，且在低溫處理結束3 d內，葉片SPAD值仍持續(xù)下降，認為低溫脅迫對小麥葉片的葉綠素含量有持續(xù)的負效應。在三個時期中，孕穗期低溫脅迫對葉片SPAD值的影響表現(xiàn)出明顯大于倒二葉出生期和開花期低溫脅迫的趨勢，且在兩個品種間表現(xiàn)一致。處理結束后9 d，葉片SPAD值均回升，表明植株在遭遇一定程度的短期低溫后能緩慢恢復生長。

逆境脅迫會促使作物葉片凈光合速率下降，其除與葉綠素含量下降有關外，還與氣孔和非氣孔因素的影響相關。在低溫脅迫下，光合速率和氣孔導度下降的同時，胞間CO濃度卻顯著上升，產生這一結果的原因可能是長時間低溫破壞了葉肉細胞的葉綠體結構，造成葉片光合器官的損傷，導致葉片細胞光合活性降低，表明光合速率的下降可能是由葉肉細胞的光合活性下降所引起，而不是由于氣孔導度的變化導致，這可能與低溫下參與光合反應的酶活性降低或光合系統(tǒng)的損傷有關。劉蕾蕾等通過人工氣候室低溫試驗發(fā)現(xiàn)，低溫發(fā)生時間、強度和持續(xù)時間均顯著影響小麥的凈同化速率和光合作用持續(xù)時間。本研究結果表明，三個時期低溫處理均顯著降低了小麥葉片的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率，但增加了胞間CO濃度，其中揚麥16三個時期低溫處理的凈光合速率降幅為9.83%～ 16.26%，徐麥30三個時期低溫處理的凈光合速率降幅為13.12%～14.54%，表明兩個品種的葉片光合能力均顯著受到不同時期低溫的影響。

植物在進行光合作用的原初反應能量轉換時, 葉綠體色素在光能的吸收、傳遞和轉換過程中起著關鍵作用。/在正常條件下波動極小, 但在溫度、水分等脅迫條件下顯著下降，導致光化學效率下降，產生過剩電子對葉綠素分子造成破壞，促使葉綠素含量和光合速率降低。本研究發(fā)現(xiàn)，前期低溫處理對小麥花后旗葉/有顯著影響，三個時期低溫處理均降低了花后旗葉/，其中開花期低溫處理后旗葉/在開花期至乳熟期降幅最大，這與前人研究結果基本一致。三個時期低溫處理相比，倒二葉出生期低溫處理的旗葉/在開花當天最低，但在開花至乳熟期降幅最小，最后到乳熟期高于孕穗期和開花期低溫處理，這可能是由于倒二葉出生期低溫處理時小麥旗葉尚未抽出，受葉鞘保護，很大程度上避免了低溫對旗葉的傷害，保障了旗葉在花后的功能持續(xù)，有利于灌漿后期光能的吸收、傳遞和轉換。

本研究結果表明，春季不同時期低溫處理顯著影響小麥花前和花后的干物質積累及其對籽粒產量的貢獻。倒二葉出生期低溫處理的小麥花前干物質轉運量顯著低于孕穗期和開花期低溫處理，但花后干物質積累量較CK降幅最小，顯著增加了花后干物質積累量對籽粒產量的貢獻率，揚麥16和徐麥30的貢獻率分別為87.57%和 84.41%，這說明倒二葉出生期低溫處理后雖然小麥葉片葉綠素含量和光合速率降幅較大，不利于花前干物質的積累，但對花后光合生產的影響程度最小，有利于粒重的形成；孕穗期和開花期低溫處理由于對旗葉造成不可逆的損傷，影響了花后光合功能的持續(xù)，降低了光合產物的積累及其向籽粒的運輸。

3.2 春季不同時期低溫下影響小麥粒重形成的機制

小麥光合同化物的積累和轉運是粒重形成的物質基礎，但小麥籽粒的位置決定了籽粒灌漿進程與干物質積累的空間分布特征。強勢粒和弱勢粒的小花結實率、粒重、蛋白質含量等均有差異，且在養(yǎng)分供應不足的情況下競爭更為激烈。碳水化合物供應不足或庫容的限制主要制約弱勢粒的灌漿。在本研究中，揚麥16和徐麥30不同時期低溫處理后弱勢粒粒重的降幅均高于強勢粒，與前人研究結果基本一致。本研究還發(fā)現(xiàn)倒二葉出生期低溫處理的強、弱勢粒粒重的降幅均表現(xiàn)出低于孕穗期與開花期低溫處理的趨勢，且在弱勢粒粒重上表現(xiàn)更為顯著。其原因一方面是花后物質積累降幅最低，容易滿足籽粒灌漿需求；另一方面可能是由于該時期低溫使籽粒輸送養(yǎng)分的維管束組織細胞壁厚度、細胞層數(shù)及面積增大，促進光合產物更高效運輸。在三個時期中，孕穗期低溫處理強、弱勢粒粒重降幅均大于倒二葉出生期和開花期低溫處理。這可能是由于該時期低溫下旗葉受傷害程度重所致。此外，孕穗期低溫脅迫可能導致小麥穎果內物質代謝異常，影響果皮和胚乳的發(fā)育過程。相關性分析表明，小麥平均千粒重與弱勢粒粒重及花后干物質積累量均顯著相關(<0.05)，相關系數(shù)分別為0.691和0.734，表明春季低溫脅迫下小麥穩(wěn)定粒重的關鍵在于促進花后光合產物積累，以盡可能滿足弱勢粒的灌漿充實，減少弱勢粒粒重的降低。

前人研究指出，拔節(jié)期低溫對小麥產量形成的影響最大，減產的原因主要是影響分蘗成穗和幼穗分化，降低了單株穗數(shù)和穗粒數(shù)。穗數(shù)和穗粒數(shù)的降低限制了小麥庫容的大小和強度，光合產物被迫只能向有限的籽粒供應，避免了粒重的顯著下降。本研究中，倒二葉出生期低溫處理下小麥粒重的降幅最小，推測也與穗數(shù)和穗粒數(shù)的顯著下降有關。粒重降幅小雖然在一定程度上能彌補穗數(shù)和穗粒數(shù)的顯著下降，但難以抵消兩者降低帶來的顯著減產效應。因此，探究春季低溫對小麥產量的影響，要綜合評估穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重對低溫的響應并繼續(xù)深入研究其調控機制及互作效應。

4 結 論

小麥春季不同時期遭遇低溫后，最上部全展葉SPAD值、凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均不同程度下降，花后旗葉/下降，光能轉化效率降低。倒二葉出生期低溫處理顯著降低花前干物質轉運量，但花后干物質積累量的降幅小于孕穗期和開花期低溫處理，在三個低溫處理時期中對籽粒產量的貢獻率最高。兩個品種倒二葉出生期、孕穗期和開花期低溫處理粒重的平均降幅分別為4.35%、16.45%和11.60%。不同時期低溫處理下小麥弱勢粒粒重的降幅均高于強勢粒，且孕穗期和開花期低溫處理弱勢粒粒重降幅遠高于倒二葉出生期低溫處理。由此可見，春季低溫影響小麥花后干物質積累及其對籽粒產量的貢獻，限制弱勢粒的灌漿充實，是粒重減輕的主要原因。