楊佳慶，郝 朵，冉莉萍，李 波，熊 飛，余徐潤(rùn)*

(1 江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物栽培生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，揚(yáng)州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院；江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，揚(yáng)州大學(xué)，江蘇揚(yáng)州 225009；2 揚(yáng)州大學(xué) 廣陵學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225128；3 江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇南通 226541)

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪匾募Z食作物之一，種植面積位居全球糧食作物之首。中國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要分布半冬性小麥和春小麥，而該產(chǎn)區(qū)生長(zhǎng)的小麥時(shí)常會(huì)遭遇冬季低溫凍害以及倒春寒冷害，使小麥產(chǎn)量下降、品質(zhì)變差[1]。有研究發(fā)現(xiàn)，低溫處理后小麥葉片的電導(dǎo)率、可溶性糖含量、丙二醛含量以及超氧化物歧化酶活性升高[2]，但過氧化物酶活性會(huì)降低[3]。前人研究還發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)期的低溫脅迫對(duì)小麥幼穗發(fā)育有不同的影響。例如，藥隔期的低溫脅迫會(huì)直接影響幼穗發(fā)育和穗部小花的形成，降低小麥的結(jié)實(shí)率和千粒重[4-5]；小麥穗分化的中后期遭遇低溫，會(huì)引起小花退化數(shù)目增多，造成產(chǎn)量降低[6]。李春燕等[7]通過人工氣候室對(duì)小麥藥隔期、孕穗期和開花期三個(gè)時(shí)期進(jìn)行低溫處理，發(fā)現(xiàn)低溫處理后小麥小穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重顯著下降。雌雄蕊分化期的低溫處理會(huì)導(dǎo)致小麥穗粒數(shù)下降，且下降幅度比其他時(shí)期低溫處理更為明顯，說明該時(shí)期是小麥幼穗對(duì)低溫響應(yīng)的最敏感時(shí)期[8]。余徐潤(rùn)等[9]指出雌雄蕊分化期的低溫處理會(huì)降低小麥穎果胚乳充實(shí)度。從以上研究中可以看出，小麥在不同發(fā)育時(shí)期遭受低溫脅迫對(duì)其生理生化功能、幼穗發(fā)育、籽粒充實(shí)及產(chǎn)量形成等多方面均會(huì)產(chǎn)生影響。

隨著全球氣候的不穩(wěn)定性增加，小麥花后冷害出現(xiàn)的頻率也在升高，如1991年河南商丘、2006年安徽亳州、2013年安徽淮北、2020年山東濟(jì)寧等地區(qū)均發(fā)生過花后低溫冷害[10-12]。長(zhǎng)江中下游地區(qū)小麥開花多在4月6日到15日左右，在此期間若溫度突然降低，雌雄蕊將遭遇冷害，造成小花退化或者小穗不育，嚴(yán)重影響產(chǎn)量。2020年淮北地區(qū)的溫度波動(dòng)較大，4月14日上午在新浦等地區(qū)出現(xiàn)雨夾雪、雪等天氣，使得小麥中上部小穗，特別是頂端小穗產(chǎn)生不育、缺粒等現(xiàn)象[13]。馬魁俠等[10]發(fā)現(xiàn)從1956年以來，在渦陽縣幾乎每5年遭遇一次低溫，低溫時(shí)5月平均溫度低于16 ℃，在1998年和2006年的最低溫度甚至低于10 ℃。2006年5月12日2:00～6:00最低溫度低于10 ℃，此時(shí)正值小麥灌漿中期，低溫造成小麥的灌漿速率減緩，甚至降為負(fù)值[10]。此外，低溫冷害的發(fā)生也和小麥的播期有關(guān)，早播小麥開花早，容易遭遇花后低溫冷害，而晚播小麥開花晚，該現(xiàn)象則不容易發(fā)生。小麥穗部小花開花后即完成雙受精過程，胚乳細(xì)胞進(jìn)入分化階段，然后小麥籽粒進(jìn)入灌漿階段[14]，該階段貯藏淀粉體和蛋白的積累對(duì)低溫十分敏感[15]。然而目前有關(guān)花后低溫條件下小麥穎果胚乳細(xì)胞和養(yǎng)分運(yùn)輸組織的微觀結(jié)構(gòu)報(bào)道較少。本試驗(yàn)以春小麥品種‘揚(yáng)麥15’和半冬性小麥品種‘煙農(nóng)19’為材料，在花后6～8 d進(jìn)行人工低溫處理，從細(xì)胞水平上觀察了低溫處理下小麥穎果果皮的消亡、胚乳儲(chǔ)藏物質(zhì)的積累和養(yǎng)分運(yùn)輸組織的顯微結(jié)構(gòu)特征。研究結(jié)果將有助于解析小麥穎果發(fā)育對(duì)低溫的響應(yīng)機(jī)制，可為抗寒小麥品種的選育提供形態(tài)學(xué)鑒定指標(biāo)，也為降低晚春冷害造成的小麥減產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與處理

本研究以春性小麥‘揚(yáng)麥15’(YM15)和半冬性小麥‘煙農(nóng)19’(YN19)為實(shí)驗(yàn)材料，種子由江蘇省里下河科學(xué)研究所提供。兩小麥品種在2019年11月至2020年5月盆栽于江蘇省作物遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)棚內(nèi)。盆缽尺寸38 cm×24 cm，所用土壤為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量24.5 g·kg-1，速效磷33.8 mg·kg-1, 堿解氮106 mg·kg-1，速效鉀66.4 mg·kg-1。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組各6盆小麥，每盆在三葉期間苗后保留6株。在小麥種植前施入過磷酸鈣和硫酸鉀，用量均為150 kg·hm-2。在小麥生長(zhǎng)期進(jìn)行常規(guī)水分管理，確保長(zhǎng)勢(shì)一致。在小麥開花期時(shí)，使用記號(hào)筆點(diǎn)穎和植株掛牌相結(jié)合的方式對(duì)小麥穗中部(6個(gè)小穗位置)、小穗基部1、2位當(dāng)日開花的小麥進(jìn)行標(biāo)花，連續(xù)標(biāo)花4 d，篩選標(biāo)記麥穗開花量最大時(shí)期作為開花日期，在花后6 d時(shí)，將標(biāo)花后的小麥盆栽置于人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行低溫處理。低溫處理組的溫度為白天(8:00～18:00)10 ℃，黑夜(18:00～8:00)4 ℃，常溫處理組模擬當(dāng)季室外平均溫度，約為白天(8:00～18:00)20 ℃，黑夜(18:00～08:00)10 ℃，相對(duì)濕度設(shè)定為75%，光照強(qiáng)度為4 000 lx。連續(xù)處理3 d之后小麥盆栽搬回實(shí)驗(yàn)棚里繼續(xù)生長(zhǎng)。

1.2 小麥穎果形態(tài)觀察及鮮干重測(cè)定

取花后8、16、24、32 和48 d的小麥穎果，在體視顯微鏡(LM，Leica，德國(guó))下拍攝穎果形態(tài)。同時(shí)每個(gè)處理取10粒穎果，稱量單粒穎果鮮重(48 d小麥穎果僅稱干重)，然后在42 ℃烘箱中烘至恒重，計(jì)算單粒穎果干重。

1.3 小麥穎果顯微結(jié)構(gòu)觀察

取花后8、16、24和32 d的小麥穎果，參考熊飛等[16]的方法取中部厚度為2 mm 組織進(jìn)行樹脂包埋。而后使用超薄切片機(jī)(Ultracut R，Leica，德國(guó))將樹脂樣品切為1 μm厚的樹脂切片。然后利用0.5%甲基紫溶液對(duì)樹脂切片進(jìn)行染色10 min，待晾干后放置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，并使用連有CCD相機(jī)的顯微鏡(DMLS，Leica，德國(guó))對(duì)中央胚乳進(jìn)行拍照。每組包含3個(gè)重復(fù)的穎果。

1.4 胚乳淀粉體和蛋白體面積統(tǒng)計(jì)

參考余徐潤(rùn)等[17]的方法，使用Photoshop CS6和Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件對(duì)拍攝的顯微圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先利用Photoshop軟件圖片進(jìn)行預(yù)處理，將淀粉體和蛋白體分別著色，去污點(diǎn)后利用Image-Pro Plus統(tǒng)計(jì)淀粉體和蛋白體的面積，以相同像素和分辨率的顯微結(jié)構(gòu)照片為背景，計(jì)算淀粉體和蛋白體的相對(duì)面積，兩者之和為胚乳充實(shí)度。在每組樣品中均隨機(jī)挑選3粒穎果作為數(shù)據(jù)重復(fù)，并且每粒穎果均拍攝3張顯微圖片，以便后續(xù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用Microsoft Excel對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。采用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，通過t檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 花后低溫下小麥穎果發(fā)育過程

花后低溫條件下小麥穎果發(fā)育過程及單粒穎果鮮、干重變化趨勢(shì)如圖1所示。對(duì)于春性品種‘揚(yáng)麥15’而言，在花后8～32 d，常溫處理組穎果發(fā)育較快，低溫處理組穎果發(fā)育較慢，其中花后8 d和16 d，常溫處理組穎果表面已能觀察到部分區(qū)域呈綠色，而低溫處理組穎果表面主要呈蠟白色，綠色較少；花后24 d和32 d，常溫處理組穎果顏色比低溫處理組深(圖1，A)。對(duì)于半冬性品種‘煙農(nóng)19’而言，花后8 d和16 d，穎果發(fā)育規(guī)律與‘揚(yáng)麥15’類似，低溫處理組穎果發(fā)育比常溫處理組緩慢；在花后32 d，低溫處理組穎果表面黃色深，果皮/種皮已出現(xiàn)皺縮，而常溫處理組穎果表面較為光滑(圖1，B)。在花后48 d，即成熟期，各處理穎果表面均呈黃色，同時(shí)體積收縮，但兩小麥品種低溫處理組穎果尺寸明顯小于常溫處理組。同時(shí)，從低溫處理前后兩小麥品種穎果鮮、干重變化趨勢(shì)來看，低溫處理顯著降低了小麥穎果的鮮重(圖1，C)與干重(圖1，D)；其中，在花后32 d，低溫處理組的‘揚(yáng)麥15’穎果鮮重顯著高于常溫處理組，而同期低溫處理組的‘煙農(nóng)19’穎果鮮重顯著低于常溫處理組。

2.2 花后低溫下小麥穎果果皮凋亡及淀粉粒降解顯微結(jié)構(gòu)特征

從圖2可見，花后低溫對(duì)兩個(gè)小麥品種果皮的顯微結(jié)構(gòu)有較為明顯的影響，主要表現(xiàn)在果皮細(xì)胞的凋亡以及中果皮細(xì)胞中淀粉粒的降解。其中，在花后8 d，兩小麥品種常溫處理組果皮細(xì)胞已出現(xiàn)明顯的程序性細(xì)胞死亡特征，中果皮細(xì)胞凋亡，內(nèi)部貯藏的淀粉粒開始降解，出現(xiàn)凋亡空腔(圖2，A、I)；對(duì)于‘揚(yáng)麥15’而言，低溫處理組穎果果皮細(xì)胞尚未出現(xiàn)程序性死亡現(xiàn)象，中果皮細(xì)胞中積累了較多的淀粉粒(圖2，E)；對(duì)于‘煙農(nóng)19’而言，穎果中果皮細(xì)胞表現(xiàn)出了凋亡現(xiàn)象，內(nèi)部淀粉粒開始降解，但殘留的淀粉粒較常溫處理組多(圖2，M)。在花后16 d，兩品種小麥穎果果皮細(xì)胞程序性死亡現(xiàn)象加劇，中果皮細(xì)胞凋亡得多，僅剩余2～3層細(xì)胞(圖2，B、J)；但低溫處理組中果皮細(xì)胞殘留得比常溫處理組多，剩余4～5層，果皮細(xì)胞厚，殘留的淀粉粒也比常溫處理組多(圖2，F(xiàn)、N)。在花后24 d和32 d，兩小麥品種中果皮細(xì)胞進(jìn)一步凋亡，僅有少量殘留折疊的細(xì)胞壁，果皮中淀粉粒已完全降解，可以清晰地觀察到外果皮、中果皮和內(nèi)果皮細(xì)胞，其中外果皮和中果皮細(xì)胞壁較厚(圖2，C、D、K、L)；此時(shí)常溫處理組與低溫處理組果皮細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)無明顯差異(圖2，G、H、O、P)。

A-H. 揚(yáng)麥15：A-D. 常溫處理組；E-H. 低溫處理組；I-P. 煙農(nóng)19：I-L. 常溫處理組；M-P. 低溫處理組；En. 內(nèi)果皮；Ex. 外果皮；Me. 中果皮；SG.淀粉粒；圖中藍(lán)色方框示凋亡中的中果皮圖2 花后低溫下小麥穎果果皮細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)A-H. YM15: A-D. Normal temperature treatment group; E-H. Low temperature treatment group; I-P. YN19: I-L. Normal temperature treatment group; M-P. Low temperature treatment group; En. Endocarp; Ex. Exocarp; Me. Mesocarp;SG. Starch granule; The blue box in the figure shows the mesocarp in apoptosisFig.2 Microstructure of pericarp cells under low temperature after anthesis

2.3 花后低溫下小麥胚乳淀粉體和蛋白體發(fā)育顯微結(jié)構(gòu)特征

圖3和圖4顯示，在花后8 d，‘揚(yáng)麥15’常溫處理組胚乳細(xì)胞中靠近細(xì)胞核的位置積累了少量小顆粒淀粉體(圖3，A)，而其低溫處理組胚乳細(xì)胞中未發(fā)現(xiàn)淀粉體(圖3，E)，‘煙農(nóng)19’常溫處理組胚乳細(xì)胞中已積累一定量的淀粉體和極少量小的蛋白體(圖3，I)，而低溫處理組也尚未發(fā)現(xiàn)淀粉體(圖3，M)；同時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，兩小麥品種常溫處理組胚乳細(xì)胞中淀粉體相對(duì)面積、胚乳充實(shí)度及蛋白體相對(duì)面積均顯著高于低溫處理組(圖4，A-C)。在花后16 d，兩個(gè)小麥品種常溫處理組胚乳細(xì)胞中淀粉體淀粉體相對(duì)面積均大于低溫處理組(圖3，B、F、J、N；圖4，A)；‘揚(yáng)麥15’常溫處理組胚乳細(xì)胞中蛋白體相對(duì)面積明顯大于低溫處理組(圖3，B，F(xiàn)；圖4，B)，而‘煙農(nóng)19’常溫處理組與低溫處理組蛋白體相對(duì)面積無明顯差異(圖3，J、N；圖4，B)；在胚乳充實(shí)度方面，兩小麥品種常溫處理組均顯著高于低溫處理組(圖4，C)。在花后24 d，兩個(gè)小麥品種常溫處理組胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體相對(duì)面積均顯著大于低溫處理組(圖3，C、G、K、O；圖4，A、B)，且‘揚(yáng)麥15’常溫處理組胚乳充實(shí)度也顯著高于低溫處理組(圖4，C)。在花后32 d，兩小麥品種胚乳細(xì)胞已被淀粉體和蛋白體充實(shí)(圖3，D、L)，蛋白體被淀粉體擠壓變形，充實(shí)在淀粉體的間隙中，導(dǎo)致蛋白體無法正確統(tǒng)計(jì)，而兩小麥品種常溫處理組與低溫處理組胚乳細(xì)胞中淀粉體的相對(duì)面積無顯著差異(圖3，A)；但從顯微結(jié)構(gòu)圖可以看出，‘揚(yáng)麥15’低溫處理組胚乳充實(shí)度較常溫處理組高(圖3，D、H)，而‘煙農(nóng)19’常溫處理組與低溫處理組胚乳充實(shí)狀況類似，胚乳均被淀粉體和蛋白體充實(shí)(圖3，L、P)。

A-H. 揚(yáng)麥15：A-D. 常溫處理組；E-H. 低溫處理組；I-P. 煙農(nóng)19：I-L. 常溫處理組；M-P. 低溫處理組；En. 內(nèi)果皮；Ex. 外果皮；Me. 中果皮；圖中藍(lán)色方框示凋亡中的中果皮；Am. 淀粉體；Nu. 細(xì)胞核；PB. 蛋白體圖3 花后低溫下小麥胚乳顯微結(jié)構(gòu)A-H. YM15: A-D. Normal temperature treatment group; E-H. Low temperature treatment group; I-P. YN19: I-L. Normal temperature treatment group; M-P. Low temperature treatment group; En. Endocarp; Ex. Exocarp; Me. Mesocarp;The blue box in the figure shows the mesocarp in apoptosis; Am. Amyloplast; Nu. Nucleus; PB. Protein bodyFig.3 Microstructure of wheat endosperm cells under low temperature after anthesis

2.4 花后低溫條件下小麥穎果韌皮部顯微結(jié)構(gòu)特征

在花后8 d，‘揚(yáng)麥15’小麥穎果韌皮部發(fā)育進(jìn)程明顯晚于‘煙農(nóng)19’，這可以從韌皮部薄壁細(xì)胞形態(tài)看出：‘揚(yáng)麥15’常溫處理組可以觀察到韌皮部薄壁細(xì)胞細(xì)胞核，而其低溫處理組韌皮部薄壁細(xì)胞細(xì)胞核明顯，這也說明了低溫條件下韌皮部發(fā)育更緩慢(圖5，A、E)；而‘煙農(nóng)19’常溫處理組和低溫處理組韌皮部薄壁細(xì)胞形態(tài)無明顯差別(圖5，I、M)。在花后16 d，‘揚(yáng)麥15’常溫處理組韌皮部薄壁細(xì)胞細(xì)胞核大部分解體，僅有少數(shù)細(xì)胞能觀察到細(xì)胞核，而其低溫處理組韌皮部有較多薄壁細(xì)胞有細(xì)胞核，這說明低溫處理組韌皮部發(fā)育緩慢，細(xì)胞核解體進(jìn)程延遲(圖5，B、F)；‘煙農(nóng)19’常溫處理組與低溫處理組韌皮部薄壁細(xì)胞形態(tài)無明顯差別，但從圖中可以看出低溫處理組篩管數(shù)量和范圍要明顯小于常溫處理組(圖5，J、O)。在花后24 d和32 d，兩個(gè)小麥品種的穎果韌皮部篩管和薄壁細(xì)胞在低溫處理前后無顯著差異；但從韌皮部分布區(qū)域來看，低溫處理組篩管分子數(shù)量和面積要小于常溫處理組(圖5，C、D、G、H、K、L、N、P)。

柱形圖上方星號(hào)(*)表示常溫處理組和低溫處理組間數(shù)據(jù)存在顯著性差異(P<0.05)圖4 花后低溫下小麥胚乳貯藏物質(zhì)相對(duì)面積統(tǒng)計(jì)Asterisks (*) above the bar chart indicate the significant difference between the normal temperature treatment group and the low temperature treatment group (P<0.05)Fig.4 Statistics of relative area of wheat endosperm storage material under low temperature after anthesis

A-H. 揚(yáng)麥15：A-D. 常溫處理組；E-H. 低溫處理組；I-P. 煙農(nóng)19：I-L. 常溫處理組；M-P. 低溫處理組；PPC. 韌皮部薄壁細(xì)胞；ST. 篩管圖5 花后低溫下小麥穎果韌皮部顯微結(jié)構(gòu)A-H. YM15: A-D. Normal temperature treatment group; E-H. Low temperature treatment group; I-P. YN19: I-L. Normal temperature treatment group; M-P. Low temperature treatment group; PPC. Phloem parenchyma cells; ST. Sieve tubesFig.5 The microstructure of the phloem of wheat caryopsis under low temperature after anthesis

2.5 花后低溫下小麥傳遞細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)特征

小麥傳遞細(xì)胞由糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞構(gòu)成，糊粉層傳遞細(xì)胞位于胚乳的外側(cè)，與質(zhì)外體腔相連，胚乳傳遞細(xì)胞位于糊粉層傳遞細(xì)胞的內(nèi)層(圖6)。在花后8 d，兩小麥品種胚乳表層細(xì)胞開始分化為傳遞細(xì)胞，其中‘煙農(nóng)19’的發(fā)育進(jìn)程較快，已出現(xiàn)了細(xì)胞壁加厚現(xiàn)象，意味著壁內(nèi)突形成(圖6，A、I)；與常溫處理組相比，兩小麥品種低溫處理組傳遞細(xì)胞發(fā)育較緩慢，其中‘揚(yáng)麥15’低溫處理組仍處于細(xì)胞化狀態(tài)(圖6，A、E)，‘煙農(nóng)19’低溫處理組傳遞細(xì)胞壁內(nèi)突比常溫處理組少(圖6，I、M)。在花后16 d，兩小麥品種傳遞細(xì)胞分化為糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞，前者不積累或很少積累淀粉體，后者積累較多淀粉體(圖6，B、J)，而‘煙農(nóng)19’傳遞細(xì)胞分化仍然快于‘揚(yáng)麥15’，因?yàn)椤疅熮r(nóng)19’胚乳傳遞細(xì)胞內(nèi)淀粉體體積較大；‘揚(yáng)麥15’常溫處理組糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞細(xì)胞壁壁內(nèi)突較為明顯，出現(xiàn)了典型的加厚現(xiàn)象，染色較深(圖6，B)，其低溫處理組僅糊粉層傳遞細(xì)胞出現(xiàn)了加厚的壁內(nèi)突，胚乳傳遞細(xì)胞未能觀察到壁內(nèi)突(圖6，F(xiàn))；‘煙農(nóng)19’常溫處理組和低溫處理組糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞均有明顯的壁內(nèi)突，其中常溫處理組分化更為明顯(圖6，J、N)。在花后24 d，兩小麥品種常溫處理組和低溫處理組傳遞細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)特征(圖6，C、G、K、O)與花后16 d(圖6，B、F、J、N)規(guī)律類似。在花后32 d，兩小麥品種傳遞細(xì)胞開始出現(xiàn)皺縮變形現(xiàn)象(圖6，D、L)；與常溫處理組相比，低溫處理組糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞壁內(nèi)突數(shù)量少，細(xì)胞壁薄(圖6，D、H、L、P)。

A-H. 揚(yáng)麥15：A-D. 常溫處理組；E-H. 低溫處理組；I-P. 煙農(nóng)19：I-L. 常溫處理組；M-P. 低溫處理組；ATC. 糊粉層傳遞細(xì)胞；ECE. 胚乳表層細(xì)胞；ETC. 胚乳傳遞細(xì)胞；WI. 壁內(nèi)突圖6 花后低溫下小麥穎果胚乳傳遞細(xì)胞顯微結(jié)構(gòu)A-H. YM15: A-D. Normal temperature treatment group; E-H. Low temperature treatment group; I-P. YN19: I-L. Normal temperature treatment group; M-P. Low temperature treatment group; ATC. Aleurone transfer cells; ECE. Epidermalcells of endosperm; ETC. Endosperm transfer cells; WI. Wall ingrowthsFig.6 Microstructure of wheat caryopsis endosperm transfer cells under low temperature after anthesis

3 討 論

3.1 花后低溫下小麥穎果果皮發(fā)育特征

研究表明，小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)不僅受到遺傳因素的影響，也會(huì)受到環(huán)境以及栽培方式的影響[18]，其中水分、溫度對(duì)小麥籽粒營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累影響較大[19]。果皮是由子房壁發(fā)育而來的，可以分為內(nèi)果皮、中果皮、外果皮3層。在小麥穎果生長(zhǎng)發(fā)育初期，果皮細(xì)胞出現(xiàn)核聚縮、線粒體降解、膜破裂等現(xiàn)象，即經(jīng)歷細(xì)胞程序性死亡的過程[20]。這一進(jìn)程較為緩慢，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，其在胚乳發(fā)育過程中起著一定的調(diào)節(jié)作用。果皮為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累和運(yùn)輸提供一定的場(chǎng)所，并對(duì)胚和胚乳的發(fā)育起到保護(hù)作用[21]。顧蘊(yùn)潔等[22]研究表明，環(huán)境因素在水稻果皮生長(zhǎng)發(fā)育過程中扮演著重要的角色。陳昕鈺等[23]發(fā)現(xiàn)干旱處理使得小麥果皮早期發(fā)育速度加快，且抑制了中果皮細(xì)胞的降解和果皮中淀粉體的降解。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小麥花后8～16 d，低溫處理組果皮細(xì)胞厚度與細(xì)胞層數(shù)均大于常溫處理組，證明花后低溫減緩了小麥穎果發(fā)育早期果皮的凋亡速率，并且降低了果皮中淀粉體的降解速率。陳思思等[24]發(fā)現(xiàn)低溫處理使小麥葉片的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率以及葉綠素含量均顯著降低，從而抑制了小麥果皮的降解速率。Ran等[25]發(fā)現(xiàn)，高水平表達(dá)的AMY基因可以提高α-淀粉酶活性，從而促進(jìn)果皮中淀粉體的降解速率。根據(jù)以上研究結(jié)果，我們推測(cè)花后低溫處理可能降低了相關(guān)基因的表達(dá)量，從而減緩了果皮中淀粉體的降解速率。

3.2 花后低溫下小麥胚乳的發(fā)育特征

胚乳是小麥儲(chǔ)藏養(yǎng)分的最主要器官，其發(fā)育的好壞以及充實(shí)度的高低對(duì)籽粒的產(chǎn)量以及品質(zhì)具有決定性作用[26]。陳昕鈺等[23]發(fā)現(xiàn)干旱脅迫加速了小麥胚乳組織早期的發(fā)育，但是抑制了胚乳組織后期的發(fā)育。郭文善等[27]研究發(fā)現(xiàn)花后14 d之前進(jìn)行高溫處理，小麥胚乳細(xì)胞數(shù)目增加，而在花后14 d后高溫處理，則會(huì)減緩胚乳細(xì)胞的分裂。馬麗娟[28]也發(fā)現(xiàn)在小麥胚乳灌漿期時(shí)，溫度高于26 ℃或者低于20 ℃，小麥胚乳的灌漿速率均降低，從而降低了小麥產(chǎn)量。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，花后低溫處理降低了小麥胚乳發(fā)育早期淀粉體積累量，但對(duì)小麥胚乳發(fā)育后期淀粉體積累無顯著性影響；花后低溫處理也使得小麥穎果發(fā)育早期和中期淀粉體和蛋白體相對(duì)面積較常溫組處理小，最終使得胚乳充實(shí)度降低。據(jù)報(bào)道，低溫處理雖然影響了植物蔗糖合成和光合速率，但是植物會(huì)通過翻譯后激活或者酶表達(dá)增強(qiáng)來抵消低溫帶來的影響[29]；冷處理期WCS120脫水蛋白mRNA含量迅速升高，增加了小麥耐寒的能力[30]；低溫降低了小麥葉片的光化學(xué)猝滅系數(shù)和實(shí)際光化學(xué)效率、葉綠素含量、蒸騰速率、葉片氣孔導(dǎo)度；春季低溫會(huì)降低了小麥的光合效率，導(dǎo)致光合同化物積累量降低[31-32]。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)花后低溫使得小麥穎果韌皮部篩管范圍縮小、胚乳傳遞細(xì)胞壁內(nèi)突數(shù)目減少，從而導(dǎo)致了小麥胚乳充實(shí)度的降低。

3.3 花后低溫下小麥養(yǎng)分運(yùn)輸組織發(fā)育特征

小麥穎果營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸組織由母體運(yùn)輸組織合點(diǎn)、果皮維管束、珠心突起傳遞細(xì)胞和子代運(yùn)輸組織胚乳疏導(dǎo)細(xì)胞、傳遞細(xì)胞、糊粉層兩部分組成[33]。研究表明養(yǎng)分要進(jìn)入胚乳，則必須經(jīng)過腹部維管束中的韌皮部、木質(zhì)部、合點(diǎn)以及珠心突起等組織[34]。李國(guó)輝等[35]發(fā)現(xiàn)，通過韌皮部轉(zhuǎn)載營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是水稻葉片向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)的首要關(guān)鍵步驟，其中韌皮部面積增大提高了葉片營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向穎果的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。王兵等[26]通過3個(gè)小麥品種的比較發(fā)現(xiàn)，小麥運(yùn)輸組織發(fā)育好的品種，其穎果的灌漿效果比較好，穎果細(xì)胞內(nèi)積累的淀粉體和蛋白質(zhì)體較多。本研究發(fā)現(xiàn)，花后低溫使得小麥穎果韌皮部范圍縮小，減緩了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸速率，從而進(jìn)一步延緩了小麥穎果細(xì)胞內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累。胚乳傳遞細(xì)胞是由內(nèi)層胚乳傳遞細(xì)胞和外層糊粉層傳遞細(xì)胞組成。胚乳傳遞細(xì)胞是胚乳發(fā)育過程中分化最早的細(xì)胞，它們緊挨著胚乳腔的內(nèi)層[36]。在穎果發(fā)育的后期，胚乳傳遞細(xì)胞的細(xì)胞壁向內(nèi)皺縮，細(xì)胞凋亡[37]。其胚乳傳遞細(xì)胞的主要作用是負(fù)責(zé)將灌漿物質(zhì)從胚乳腔中轉(zhuǎn)移到內(nèi)胚乳組織[36]，故胚乳傳遞細(xì)胞在小麥胚乳灌漿過程中起到極其重要的作用。余徐潤(rùn)等[9]發(fā)現(xiàn)春季低溫使得小麥穎果珠心突起傳遞細(xì)胞面積增大。劉大同等[39]報(bào)道，推遲播種‘揚(yáng)麥16’使得小麥的傳遞細(xì)胞壁內(nèi)突數(shù)目增加，從而影響到小麥胚乳的灌漿。本研究發(fā)現(xiàn)，花后低溫減緩了早期胚乳傳遞細(xì)胞的發(fā)育進(jìn)程，導(dǎo)致胚乳傳遞細(xì)胞壁內(nèi)突數(shù)目減少，從而使養(yǎng)分運(yùn)輸效率降低。吳青霞[40]等在8個(gè)小麥品種的藥隔期進(jìn)行低溫處理，發(fā)現(xiàn)低溫對(duì)不同小麥品種產(chǎn)量的降低程度，以及使小麥產(chǎn)生的生理生化機(jī)制都存在顯著差異。

3.4 花后低溫下不同小麥品種穎果的發(fā)育差異

本試驗(yàn)中雖然花后低溫使得‘揚(yáng)麥15’的灌漿延遲、‘煙農(nóng)19’的灌漿提前，但最終均降低了兩小麥品種的粒重，這意味著小麥穎果中干物質(zhì)的積累量在花后低溫影響下均會(huì)顯著下降，該現(xiàn)象與杜世州等所報(bào)道的低溫影響小麥的灌漿速率并降低產(chǎn)量等研究結(jié)果一致[41]。在本研究中，低溫處理組的‘揚(yáng)麥15’穎果鮮重在花后24～32 d上升趨勢(shì)較大，而常溫處理組的上升趨勢(shì)較為平緩，因此低溫使‘揚(yáng)麥15’的灌漿時(shí)間延長(zhǎng)。對(duì)于‘煙農(nóng)19’而言，常溫處理組的穎果鮮重在花后24～32 d持續(xù)增加，但低溫處理組的增加趨勢(shì)較為平緩，所以低溫處理縮短了‘煙農(nóng)19’的灌漿時(shí)間。‘揚(yáng)麥15’為春性小麥，春化時(shí)間較短，前人研究[14]表明‘揚(yáng)麥15’灌漿速率較慢，在這樣灌漿期長(zhǎng)的背景下花后6～8 d小麥胚乳內(nèi)淀粉粒和蛋白體的積累量很少，相關(guān)合成酶基因的表達(dá)水平也低于灌漿快的‘煙農(nóng)19’，因此低溫處理后胚乳內(nèi)基因表達(dá)水平發(fā)生的改變將與‘煙農(nóng)19’不同。此外，低溫處理后果皮的凋亡速率減慢、壁內(nèi)突出現(xiàn)較遲也是造成‘揚(yáng)麥15’灌漿時(shí)間延遲的重要原因之一。而‘煙農(nóng)19’為半冬性小麥，灌漿時(shí)間較短，花后6～8 d時(shí)胚乳內(nèi)已積累了部分淀粉，在低溫處理的背景下相關(guān)基因的表達(dá)將會(huì)發(fā)生改變，從而引發(fā)淀粉和蛋白積累量的變化，灌漿時(shí)間提前也可能與胡剛元發(fā)現(xiàn)的氣溫對(duì)小麥灌漿時(shí)間的影響呈拋物線型等結(jié)論相關(guān)[20]。另外，兩種小麥品種灌漿過程中對(duì)低溫響應(yīng)的差異也可能與春化效應(yīng)[42]、品種的特性[39]以及灌漿過程中對(duì)溫度響應(yīng)的差異[20]有關(guān)

4 結(jié) 論

花后低溫對(duì)小麥穎果果皮的發(fā)育、淀粉體和蛋白體的積累、胚乳充實(shí)度、維管束面積以及傳遞細(xì)胞均有較大影響?；ê蟮蜏販p緩了小麥穎果發(fā)育早期果皮細(xì)胞的凋亡以及淀粉體的降解，使得小麥胚乳發(fā)育早期和中期淀粉體和蛋白體的積累量以及充實(shí)度降低，對(duì)小麥胚乳發(fā)育后期淀粉體積累量無顯著性影響，其中春性品種‘揚(yáng)麥15’對(duì)低溫的響應(yīng)更加敏感。此外，花后低溫使小麥穎果韌皮部篩管范圍縮小，不利于小麥胚乳傳遞細(xì)胞的發(fā)育，導(dǎo)致壁內(nèi)突減少，從而降低了養(yǎng)分的運(yùn)輸速率，造成灌漿過程物質(zhì)積累量減少，降低了成熟期穎果干重。