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花后喷施KH2PO4对灌浆期高温胁迫下小麦根系生理特性及产量的影响

花匠小妙招
2024-12-15 11:44

小麦作为喜凉性的C3作物,籽粒灌浆期是决定其产量和品质形成的关键生育时期。适宜小麦籽粒生长的温度范围为20~25℃,小麦在灌浆期内遭受高温热害将会对其产量及籽粒品质造成非常不利的影响[1⇓-3]。黄淮海平原作为我国最大的小麦生产基地,该地区小麦灌浆期常出现30℃以上的自然高温天气,并常伴有阵风的发生,极易形成干热风,对小麦实现稳产丰产造成很大的威胁[4]。研究表明,高温使得植株的蒸腾作用增强,致使作物体内水分供需失衡,抑制或破坏叶片的正常生理活动,降低叶片光合性能,缩短小麦籽粒灌浆持续期,从而降低粒重,高温热害发生严重时可使小麦产量降低10%~30%[5-6]。近年来,小麦灌浆中后期的高温热害问题日益严重,热胁迫已成为限制黄淮海平原地区小麦产量最主要的非生物胁迫因子之一[7-8]。随着全球气候逐渐变暖,小麦灌浆期遭受高温危害可能会进一步加剧。因此,采用有效的栽培调控措施应对小麦灌浆期高温热害问题对保障小麦实现稳产丰产具有重要的意义。

高温作为一种重要的非生物胁迫因素,主要通过促使作物体内的活性氧物质(reactive oxygen species,ROS)产生和过量积累,增强细胞膜过氧化程度,加速细胞的衰老进程,从而导致作物的生理代谢受到影响,而作物体内也已形成了相应的抵御机制以尽可能地减轻逆境对其造成的伤害程度。超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(peroxidase,POD)、过氧化氢酶(catalase,CAT)作为作物体内重要的抗氧化酶,可解除或降低ROS对植物的毒害作用,对防止ROS在植物体内过多积累进而减轻高温胁迫造成的膜损伤发挥着重要作用[9-10]。高温胁迫不仅对植物地上部分造成不利影响,对根系也有一定的影响[11]。目前关于高温胁迫对小麦影响的相关研究主要集中于地上部分,而对地下根系研究较少。前人研究表明,小麦灌浆期高温胁迫主要导致旗叶光合速率下降,加速叶片衰老,使灌浆期缩短,从而降低了小麦干物质积累量、产量和籽粒品质[1,5-6,12-13]。

利用叶面喷施磷酸二氢钾(KH2PO4)、尿素、硫酸锌、壳寡糖等是缓解高温热害的重要手段,叶面喷施化学调控剂主要显著降低高温对小麦叶片的危害程度,延缓叶片衰老,延长籽粒的灌浆时间,进而增加粒重促使产量提升[4,14]。其中,KH2PO4作为常见的磷钾复合肥,成本低廉,适宜大面积推广,在抵御作物逆境胁迫方面发挥着很大的作用。根系作为调控作物与土壤水分关系最主要的器官,其活力和生理特性直接影响地上部分的生长,最终影响产量的形成[15]。然而,喷施KH2PO4能否降低高温胁迫对小麦灌浆中后期根系活性的影响从而缓解高温危害尚不明确。因此,本研究通过花后喷施0.3% KH2PO4,探讨其对小麦灌浆中后期高温胁迫下根系生理特性、旗叶净光合速率(net photosynthetic rate,Pn)、成熟期干物质积累与分配及籽粒产量的影响,以期为KH2PO4在小麦生产过程中防控灌浆期高温胁迫的应用提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019—2020年在安徽省安徽农业大学农萃园(31°52'0.99″N,117°16'57.72″E)开展。试验地土壤类型为黄褐土,小麦播种前0~20 cm土壤耕层基础土壤养分含量为有机质14.3 g·kg-1、速效氮101.5 mg·kg-1、速效磷43.9 mg·kg-1、速效钾314.0 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验选用半冬性小麦品种安农0711为供试材料,共设喷等量清水+不高温(NT)、喷等量清水+高温(NHT)、喷0.3% KH2PO4+不高温(PT)、喷0.3% KH2PO4+高温(PHT)4个处理,采用裂区试验设计,小区面积为9 m2(3 m × 3 m),每个处理3次重复。其中,高温处理前NHT的处理方式与NT相同,PHT与PT相同。4个处理的喷施时间为花后3 d和11 d,喷施时间选择下午16时后无风时进行,喷液量为450 kg·hm-2。高温处理时间为花后18~22 d,即NHT和PHT采用塑料薄膜大棚增温的方式进行高温处理,每日高温时间段为11:00—16:00,利用自动温度记录仪记录棚内每小时温度动态变化情况,高温胁迫期间大棚内温度如图1所示。高温处理期间无明显降雨发生,且本试验中小麦开花至成熟期间总降雨量为61 mm,平均气温为19℃。全生育期不同处理小麦总施肥量均为纯氮195 kg·hm-2、P2O5 112.5 kg·hm-2、K2O 112.5 kg·hm-2,其中磷钾肥作为基肥于播种前一次性进行施用,氮肥基追比为6∶4(基肥∶拔节肥)。其他田间管理参照常规大田栽培技术措施实施。2020年10月30日播种小麦,播种行距为20 cm,播种密度为180×104株·hm-2。小麦开花期为2021年4月11日,5月25日收获。

图1 高温处理阶段棚内外温度情况

Fig.1 Temperature variation inside and outside the shed in this present study

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1.3 测定项目与方法

1.3.1 根系活力

高温处理前(花后17 d)及高温处理结束后(花后23 d)于每试验小区挖取0~20 cm土层小麦根系,每个处理3次重复,将取回的根土放在尼龙网内,用清水洗干净后在实验室内采用氯化三苯基四氮唑(triphenyl tetrazolium chloride,TTC)还原法进行根系活力的测定[16]。

1.3.2 根系抗氧化酶及丙二醛含量

根系样品采集时间及方法同上,于实验室内将取回的根土进行冲洗,将洗净后的根系立即放入液氮中,在超低温箱(-80℃) 内进行保存,用于抗氧化酶活性及丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量的测定。其中,采用氮蓝四唑(nitro-blue tetrazolium,NBT)光还原法测定根系内SOD活性,采用紫外吸收法测定过POD和CAT活性,采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid,TBA)显色法测定MDA含量[17]。

1.3.3 旗叶净光合速率

随机选取开花期标记的长势相近的5片旗叶,高温处理前及高温处理结束后采用LI-6400便携式光合测定仪(美国LICOR公司)于上午9:00—11:00测定旗叶的净光合速率(Pn)。

1.3.4 成熟期干物质积累与分配

成熟期各试验小区取0.2 m2样段(相邻的两行,每行长度50 cm),按照分蘖比例法挑取10株具有代表性的植株,再以不同部位(茎+鞘、叶片、穗余、籽粒)进行分样,于105℃烘箱内杀青20 min后75℃烘干至恒重,称量,计算每部分的干物质重量,用以计算成熟期植株的干物质积累与分配。

1.3.5 籽粒产量与产量构成

小麦成熟期时,每试验小区收获1 m2面积麦穗,人工脱粒,用以折算籽粒每公顷产量;每试验小区调查1 m2穗数,用以换算每公顷穗数;每试验小区随机选取30穗,用以调查穗粒数;于每试验小区测产的籽粒样品中随机选取1 000粒烘干后进行称重,用以计算千粒重,3次重复。本研究中的籽粒产量和千粒重含水量均换算为13%。

1.4 数据处理

本研究数据均采用SPSS 22.0软件和Microsoft Excel 2010软件进行统计分析,采用最小显著差异法(least significant difference,LSD)对试验数据进行单因素方差分析和显著性检验(P<0.05),并使用OriginPro 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对根系活力的影响

由图2可知,高温前小麦根系活力整体上高于高温处理后,说明随着籽粒灌浆的推进,小麦根系活性呈现下降的趋势。高温前喷施清水处理(NT、NHT)根系活力显著低于喷施0.3% KH2PO4处理(PT、PHT)。高温后小麦根系活力表现为喷施0.3% KH2PO4处理(PT)显著高于喷施0.3% KH2PO4+高温(PHT)和喷施清水处理(NT),PHT和NT之间无显著差异,二者显著高于喷施清水+高温处理(NHT)。高温结束后,与NT相比,NHT根系活力下降了18.60%,PT根系活力提高了6.99%,而PHT相对于PT下降了3.76%。综上,通过花后叶面喷施0.3%的KH2PO4可显著提高灌浆中后期根系活力,降低高温胁迫对根系活力的不利影响。

图2 不同处理对小麦根系活力的影响注:同一时期柱子上的不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Fig.2 Effect of different treatments on root vigor of wheat

Note: Different lowercase letters on the columns of the same period indicate significant difference among different treatments at 0.05 level. The same as following.

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2.2 不同处理对根系保护酶活性的影响

由图3可知,根系SOD、POD和CAT活性随生育进程的推进总体呈现下降的趋势,处理间存在差异。高温前根系SOD和POD活性表现为喷施KH2PO4处理显著提高,而CAT活性在各处理间无显著差异。高温处理后,SOD活性表现为喷施0.3% KH2PO4处理(PT)显著高于喷施0.3% KH2PO4+高温(PHT)和喷施清水(NT)处理,NT和PHT间无显著差异,二者显著高于喷施清水+高温处理(NHT);POD活性表现为PT显著高于PHT,PHT显著高于NT,NHT活性显著最低;CAT活性变化规律和SOD一致。综上,通过花后叶面喷施0.3%的KH2PO4可显著提高小麦灌浆中后期根系抗氧化酶活性,高温后根系能维持较高水平的保护酶活性。

图3 不同处理对小麦根系抗氧化酶活性的影响

Fig.3 Effect of different treatments on the activity of antioxidase in wheat root

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2.3 不同处理对根系丙二醛(MDA)含量的影响

由图4可知,高温前小麦根系MDA含量低于高温后,说明随着根系的衰老,根系内细胞膜过氧化程度呈现加剧的趋势。高温前喷施清水处理(NT、NHT)分别显著高于喷施0.3% KH2PO4处理(PT、PHT)。高温后MDA含量表现为喷施0.3% KH2PO4+不高温处理(PT)显著低于喷施0.3% KH2PO4+高温处理(PHT),PHT显著低于喷施清水+未高温处理(NT),而喷施清水+高温处理(NHT)的MDA含量显著最高。高温结束后,NHT、PHT处理的MDA含量较NT、PT分别显著增加了14.12%、9.95%。综上,通过花后叶面喷施0.3% KH2PO4可显著降低灌浆中后期根系MDA含量。

图4 不同处理对小麦根系MDA含量的影响

Fig.4 Effect of different treatments on MDA content of wheat root

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2.4 不同处理对旗叶净光合速率的影响

由图5可知,高温前喷施清水处理(NT、NHT)显著低于喷施0.3% KH2PO4处理(PT、PHT)。高温后,喷施0.3% KH2PO4+不高温处理(PT)旗叶净光合速率显著高于喷施0.3% KH2PO4+高温处理(PHT),PHT旗叶净光合速率显著高于喷施清水+未高温处理(NT),而喷施清水+高温处理(NHT)旗叶净光合速率显著最低。综上,通过花后叶面喷施0.3%的KH2PO4可显著提高灌浆中后期叶片光合能力,降低高温危害对叶片的不利影响。

图5 不同处理对小麦旗叶净光合速率的影响

Fig.5 Effect of different treatments on the net photosynthetic rate of wheat flag leaf

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2.5 不同处理对小麦干物质积累与分配的影响

由表1可知,成熟期小麦植株不同器官干物质的积累与分配表现为籽粒>茎+鞘>叶片>穗余。从不同器官干重来看,茎+鞘、叶片、籽粒与总干重表现为喷施0.3% KH2PO4+不高温处理(PT)均显著高于喷施0.3% KH2PO4+高温(PHT)和喷施清水未高温(NT)处理,PHT与NT无显著差异,二者显著高于喷施清水+高温处理(NHT);穗余表现为NT、PT和PHT三者之间无显著差异,均显著高于NHT。从各器官分配比例来看,茎+鞘表现为NHT显著高于NT和PT,二者显著高于PHT;籽粒表现为PT显著高于PHT和NT,二者显著高于NHT;不同处理间干物质在叶片和穗余的分配比例无显著差异。综上,通过花后叶面喷施0.3% KH2PO4可显著提高成熟期植株干物质积累量,降低高温胁迫对植株干物质积累的不利影响,提高籽粒部分的干物质分配比例。

表1 不同处理对成熟期小麦植株不同器官干物质积累与分配的影响

Table 1 Effect of different treatments on the dry matter accumulation and distribution of different organs in wheat plant at maturity

处理
Treatment 茎+鞘
Stem and sheath 叶片
Leaf 籽粒
Grain 穗余
Chaff 总干重
Total dry weight
/(g/株) 干重
Dry weight
/(g/株) 比例
Ratio/% 干重
Dry weight
/(g/株) 比例
Ratio/% 干重
Dry weight
/(g/株) 比例
Ratio/% 干重
Dry weight
/(g/株) 比例
Ratio/% NT 1.14b 31.8b 0.37b 10.3a 1.72b 48.3b 0.34a 9.55a 3.57b NHT 1.06c 33.2a 0.32c 10.2a 1.50c 47.2c 0.30b 9.37a 3.18c PT 1.21a 31.9b 0.40a 10.3a 1.91a 49.5a 0.34a 8.92a 3.85a PHT 1.15b 31.3c 0.38b 10.4a 1.74b 48.1b 0.35a 9.61a 3.61b注:同列数字后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters represent significant difference after the same column among treatments at 0.05 level. The same as following.

2.6 不同处理对小麦籽粒产量的影响

由表2可知,与喷施清水未高温处理(NT)相比,喷施清水+高温处理(NHT)产量显著下降,减幅为12.49%,而喷施0.3% KH2PO4处理(PT)较NT产量显著提升,增产幅度为10.89%,喷施0.3% KH2PO4+高温处理(PHT)成熟期产量与NT之间无显著差异,PHT较PT产量下降6.18%。不同处理对穗数、穗粒数无显著影响;千粒重表现为PT显著高于PHT,PHT显著高于NT,NHT显著最低。由此可见,花后叶面喷施0.3%的KH2PO4显著提高了小麦籽粒产量,而灌浆中后期高温胁迫显著降低产量,高温导致减产主要是由于千粒重的降低,喷施KH2PO4后千粒重的提升使小麦灌浆期遭受高温胁迫后产量的减幅显著下降。

表2 不同处理对小麦籽粒产量及产量构成的影响

Table 2 Effect of different treatments on wheat grain yield and yield components

处理
Treatment 产量
Yield/(kg·hm-2) 穗数
Spike number
/(×104·hm-2) 穗粒数
Kernel number per spike 千粒重
Thousand-kernel
weight/g NT 9 766.3b 633.3a 41.7a 43.1c NHT 8 546.9c 636.1a 41.6a 39.1d PT 10 830.3a 635.0a 41.8a 45.2a PHT 10 160.6b 628.9a 41.5a 44.0b

3 讨论

根系是作物从土壤中吸收水分和养分的重要器官,较高的根系活力和抗逆能力有利于促进地上植株的生长发育和产量的形成[18-19]。逆境会致使作物体内产生大量ROS,造成质膜损伤,同时作物会迅速产生保护酶类以及时清除植物体内的ROS积累,降低其对植物造成的伤害程度[20]。在本研究中,高温胁迫显著降低了小麦根系活力,而花后喷施KH2PO4维持了小麦灌浆期较高的根系活力(图2)。研究表明,根系在逆境发生时可能通过提升SOD、POD等保护酶活性,降低高温等胁迫对膜系统的不良影响,维持根系的活力[21-22]。高温胁迫的发生导致植物体内的MDA含量显著增加,质膜相对透性增大,加剧了细胞衰老,而根系有关酶活性的提高则显著降低MDA含量,延缓根系衰老[21]。本研究发现,与未喷施KH2PO4处理相比,喷施处理下灌浆期高温前根系内抗氧化酶活性整体得到显著提升,并且高温胁迫处理后喷施KH2PO4处理根系内SOD、POD和CAT活性整体显著增强(图3),表明其抵御高温胁迫的能力得到提升,进而降低高温胁迫对根系活力的影响,延缓根系衰老。

研究表明,花后高温胁迫可导致光合同化物质在小麦茎鞘中积累,减少向穗部转运量,从而降低产量[22]。而增强小麦灌浆期叶片光合性能是促进植株物质生产和实现小麦高产的基础[23],提高根系活力则有利于叶片更好地进行同化物的生产,进而有利于小麦获得高产[5]。本研究中,高温胁迫在降低小麦灌浆期根系活力的同时叶片净光合速率也显著下降(图2、5),导致小麦成熟期干物质的积累量显著下降(表1),而花后喷施KH2PO4则在高温后仍保持较高的根系活力和叶片光合速率,成熟期时各个器官的干物质积累量显著增加,并提高了干物质在籽粒中的分配比例。最终,花后喷施KH2PO4显著增加千粒重,降低高温胁迫对粒重形成的负面影响,增加籽粒产量(表2),与前人研究结果一致[4]。小麦根系活力可反映根系新陈代谢的能力,较强的根系活力有助于延缓地上部分衰老,促进光合产物的积累与转运,提高籽粒产量[24⇓-26]。此外,KH2PO4作为磷钾复合肥,叶面喷施吸收后磷元素主要有利于增强叶片的光合作用能力,提升植株抗逆能力,而钾离子则有利于促进光合物质向籽粒的运输,尤其是高温胁迫下可能为物质的转运提供更为有利的条件,从而提高粒重和产量,降低高温危害对产量的负面影响[27]。然而,地上部分的衰老进程也影响根系的衰老,叶片光合能力的下降削弱地上部分物质对根系的供应,从而影响根系衰老进程。本试验仅初步研究了花后喷施KH2PO4对灌浆期高温胁迫下小麦根系活力及生理特性的影响,而喷施KH2PO4缓解根系衰老的生理机制及根系与地上部分的作用机理仍需深入研究和探讨。

4 结论

本研究中小麦在灌浆前期通过叶面喷施KH2PO4提升了小麦的抗高温能力,降低了高温热害对小麦产量的危害程度,花后喷施KH2PO4主要通过增强高温胁迫下根系抗氧化酶活性、降低MDA含量的积累维持根系活力和叶片较高的光合能力,从而提高成熟期植株干物质积累,进而提高粒重,增加小麦产量。

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