全 文 ：冬小麦拔节期不同茎蘖对低温胁迫
的反应及抗冻性评价*
徐海成摇 尹燕枰摇 蔡摇 铁摇 倪英丽摇 杨卫兵摇 彭佃亮摇 杨东清摇 王振林**
(山东农业大学农学院 /作物生物学国家重点实验室, 山东泰安 271018)
摘摇 要摇 以小麦济南 17 和山农 8355 为材料,在低温胁迫条件下,测定了不同茎蘖功能叶和
叶鞘超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性及丙二醛(MDA)和
可溶性蛋白含量,并利用主成分分析、聚类分析对其抗冻性进行综合评价.结果表明: 低温胁
迫条件下,小麦拔节期不同茎蘖功能叶和叶鞘中 SOD、POD 和 CAT 活性均不同程度地上升,
MDA和可溶性蛋白含量则不同程度地上升或下降. 利用主成分分析和聚类分析,将济南 17
不同茎蘖分为 3 类:主茎和一级分蘖玉、域属强抗冻蘖组,一级分蘖芋、郁和二级分蘖玉p属中
度抗冻蘖组,二级分蘖域p 属弱抗冻蘖组;将山农 8355 不同茎蘖分为 3 类:主茎和一级分蘖
玉、域、芋属强抗冻蘖组,一级分蘖郁和二级分蘖玉p属中度抗冻蘖组,二级分蘖域p 属弱抗冻
蘖组.表明冬小麦拔节期不同茎蘖存在抗冻性差异,且低位蘖较高位蘖抗冻.
关键词摇 低温胁迫摇 主茎摇 分蘖摇 抗冻性摇 综合评价摇 冬小麦
文章编号摇 1001-9332(2013)08-2197-08摇 中图分类号摇 S275. 5, S512. 1摇 文献标识码摇 A
Responses of winter wheat tillers at different positions to low temperature stress at stem elon鄄
gation stage and their freezing resistance evaluation. XU Hai鄄cheng, YIN Yan鄄ping, CAI Tie,
NI Ying鄄li, YANG Wei鄄bing, PENG Dian鄄liang, YANG Dong鄄qing, WANG Zhen鄄lin (State Key
Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai 爷 an
271018, Shandong, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,2013,24(8): 2197-2204.
Abstract: Taking two winter wheat cultivars Ji爷nan 17 and Shannong 8355 as test materials, this
paper measured the superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT) activi鄄
ties and the malondialdehyde (MDA) and soluble protein contents in the functional leaves and
sheaths of the tillers at different positions at stem elongation stage under low temperature stress, and
then, the freezing resistance of the tillers was comprehensively evaluated by the methods of principal
component analysis and cluster analysis. The results showed that under low temperature stress, the
SOD, POD, and CAT activities in the functional leaves and sheaths of each tiller at stem elongation
stage increased, but the MDA and soluble protein contents increased or decreased to some extent.
By using principal component analysis and cluster analysis, the tillers of each cultivar were grouped
into three kinds of freezing resistance type. For Ji爷nan 17, the main stem, tiller 玉, and tiller 域
belonged to high freezing resistance type, the tiller 芋, tiller 郁, and tiller 玉p belonged to medium
freezing resistance type, and the tiller 域 p belonged to low freezing resistance type. For Shannong
8355, the main stem, tiller 玉, tiller 域, and tiller 芋 belonged to high freezing resistance type,
the tiller 郁 and tiller 玉p belonged to medium freezing resistance type, and the tiller 域p belonged
to low freezing resistance type. It was concluded that the freezing resistance of the winter wheat till鄄
ers at different positions at stem elongation stage differed, with the lower position tillers being more
resistant than the higher position tillers.
Key words: low temperature stress; main stem; tiller; freezing resistance; comprehensive evalua鄄
tion; winter wheat.
*国家自然科学基金项目(31271661)、国家重点基础研究发展计划项目(2009CB118602)和国家公益性行业(农业)科研专项(201203100)
资助.
**通讯作者. E鄄mail: zlwang@ sdau. edu. cn
2012鄄12鄄19 收稿,2013鄄06鄄02 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 8 月摇 第 24 卷摇 第 8 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Aug. 2013,24(8): 2197-2204
摇 摇 合理的群体结构是小麦高产的基础[1] . 茎蘖构
成是群体结构的重要指标[2] . 许多因素包括品种、
栽培措施和环境条件等均可影响小麦群体的茎蘖构
成,其中低温危害尤为严重.早春冻害在黄淮冬麦区
频繁发生,严重影响小麦茎蘖发育,进而导致小麦群
体茎蘖构成发生变化,群体成穗构成质量降低,从而
导致减产[3] .研究低温胁迫下小麦不同蘖位茎蘖的
抗冻性反应,对构建合理的群体茎蘖构成结构及提
高小麦群体的成穗质量,均具有重要的理论价值和
实践意义.
低温胁迫后,植株活性氧产生与清除的平衡被
打破,活性氧代谢失调,过剩的自由基导致膜脂过氧
化,造成膜系统的氧化损伤[4-5] .植物体内存在活性
氧清除系统,其中包括 SOD、POD、CAT 等抗氧化酶
系,能及时清除过剩自由基,在一定程度上减轻低温
胁迫伤害[6-8] .小麦抗寒性越强,保护酶对细胞的保
护能力越强.研究表明,小麦经过抗寒锻炼后会引起
一系列的生理生化变化,其中一些指标如 SOD活性
和 MDA含量等可以作为小麦抗寒性评价的指标,
POD活性也可作为鉴定小麦抗寒性的参考指标[9] .
鉴于评价作物抗逆性的指标很多,许多学者先利用
主成分分析法从多个彼此相关的单独指标中选出几
个新的且彼此独立的综合指标,然后再求出各综合
指标值及相应的隶属函数值后进行加权,最后得到
作物抗逆性的综合评价值,从而对作物抗逆性进行
科学评价[10-12] .目前,小麦不同茎蘖间差异性如干
物质积累差异[13]、碳氮代谢差异[14]、品质差异[15]、
幼穗激素差异[16]等已有深入研究,但对小麦不同茎
蘖间抗冻性差异研究较少. 为此,本试验以济南 17
和山农 8355 为材料,于拔节期对其进行低温处理,
测定植株体内抗氧化酶等生理指标的变化,并运用
主成分分析对冬小麦不同茎蘖抗冻能力进行综合评
价,旨在探讨小麦茎蘖间抗性差异的生理基础,以期
为高产小麦群体结构的构建提供理论依据.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 试验材料及培养
试验于 2011—2012 年在山东农业大学泰安试
验农场进行,以济南 17 和山农 8355 为材料,种子精
选后于 10 月上旬播于装肥沃表土的盆中,表土取自
试验田耕层(0 ~ 20 cm)的过筛土,耕层土壤含有机
质 13. 5 g·kg-1、全氮 0. 89 g·kg-1、碱解氮 77. 8
mg·kg-1、速效磷 26. 6 mg · kg-1、速效钾 75. 2
mg·kg-1,每盆土质量约 7. 5 kg. 盆直径 20 cm、高
25 cm,每盆施尿素 0. 819 g、过磷酸钙 1. 649 g、氯化
钾 0郾 523 g,全部底施.出苗后每盆留 6 株,4 叶期定
苗,每盆留 3 株,每品种 12 盆,埋于山东农业大学试
验田中,其他管理参照大田生产. 在小麦开始分蘖
时,连续挂牌标记以区分主茎及不同蘖位. 用 O 代
表主茎,由主茎上长出的一级分蘖按先后顺序用玉,
域,芋,…,表示,由玉蘖上长出的二级分蘖用玉p,
玉1,…,表示,其余类推.
1郾 2摇 低温胁迫处理
于冬小麦拔节期(2012 年 3 月 27 日)将盆栽小
麦置于室内,连续 3 d 于 20:00 移入低温人工气候
箱中,第 2 天 8:00 取出,置于室外,以大田盆栽小麦
为对照,处理 3 d的气候箱温度分别为 0、-2、-4 益,
处理 3 d后按蘖位分样,观察记录小麦不同茎蘖的
形态特征,并取其茎蘖功能叶(最上部 3 片叶)和叶
鞘,液氮速冻, -40 益保存,用于测定 SOD、POD、
CAT活性及 MDA和可溶性蛋白含量.
1郾 3摇 测定项目及方法
参照蔡瑞国等[17]的方法,称取 0. 5 g 叶片,在 5
mL预冷的磷酸缓冲液(pH 7. 8)中冰浴研磨,于 4
益下 12000伊g离心 15 min,上清液即为酶提取液.参
照 Giannopolitis 和 Ries[18]的方法测定 SOD 活性;
参照 Klapheck等[19] 的方法测定 POD 活性;参照
Aebi[20]的方法测定 CAT 活性;采用赵世杰等[21]的
方法测定丙二醛(MDA)含量;采用考马斯亮蓝法测
定可溶性蛋白含量[22],3 次重复,取平均值.
1郾 4摇 统计分析
抗冻系数计算公式:
抗冻系数=处理测定值 /对照测定值伊100%
(1)
小麦茎蘖各综合指标的隶属函数值[12,23]:
u(Xj)= (Xj-Xmin) / (Xmax-Xmin)摇 (j=1,2,…,n)
(2)
式中:X j表示第 j个综合指标;Xmin表示第 j个综合指
标的最小值;Xmax表示第 j个综合指标的最大值.
各综合指标的权重计算公式为[23]:
w j = p j /移
n
j = 1
p j 摇 ( j = 1,2,…,n) (3)
式中:w j表示第 j 个综合指标在所有综合指标中的
重要程度即权重;p j为各小麦品种主茎和分蘖第 j个
综合指标的贡献率.
小麦不同茎蘖的综合抗冻能力计算公式[12,23]:
D =移
n
j = 1
[u(X j) 伊 w j]摇 ( j = 1,2,…,n) (4)
8912 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
式中:D为小麦不同茎蘖在低温胁迫条件下用综合
指标评价所得的抗冻性综合评价值.
利用 Excel 2003 软件进行数据处理,利用 Sigma
Plot 10. 0 软件作图,并利用 PASW Statistics 18 软件
对数据进行方差分析、主成分分析和聚类分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 低温胁迫对冬小麦形态特征的影响
低温胁迫 3 d 后,两品种小麦表现出不同程度
的冻害特征.其中,山农 8355 冻害程度较轻,茎蘖叶
片颜色加深,呈墨绿色,仅下部叶片出现轻微萎蔫,
且一级分蘖郁、二级分蘖域p(高位蘖)发生程度较
主茎及其余分蘖重;济南 17 冻害程度较重,植株大
部分叶片叶尖失绿,主茎和一级分蘖域、芋(低位
蘖)的叶片下垂,一级分蘖郁和二级分蘖玉p、域p
(高位蘖)叶片出现萎蔫.说明两品种小麦在低温胁
迫下均受到一定的冻害,并且不同茎蘖对低温的抵
抗能力不同.
2郾 2摇 低温胁迫对冬小麦拔节期不同茎蘖生理指标
的影响
2郾 2郾 1 抗氧化酶活性摇 低温胁迫 3 d后,小麦不同茎
蘖功能叶和叶鞘中 SOD 活性均高于对照. 济南 17
一级分蘖玉功能叶 SOD 活性升幅最大,为 17. 5% ,
二级分蘖域p升幅最小,为 5. 8% ;其叶鞘中 SOD 活
性升幅最大的也是一级分蘖玉,为 15. 6% ,升幅最
小的为二级分蘖玉p,为 6. 2% ;其余茎蘖升幅均介
于二者之间.山农 8355 一级分蘖芋功能叶 SOD 活
性升幅最大,为 19. 4% ,二级分蘖域p 升幅最小,为
4. 6% ;其叶鞘中 SOD 活性升幅最大的是一级分蘖
域,为 50. 1% ,一级分蘖郁升幅最小,为 6. 2% ;其余
茎蘖升幅均介于二者之间(图 1).
低温胁迫 3 d 后,小麦不同茎蘖功能叶和叶鞘
中 POD活性均高于对照,且茎蘖间升幅存在差异.
济南17主茎功能叶和叶鞘中POD活性升幅均最
图 1摇 低温胁迫对冬小麦拔节期不同茎蘖 SOD、POD和 CAT活性的影响
Fig. 1摇 Effects of low temperature stress on SOD, POD and CAT activities in leaf and sheath of winter wheat tillers at stem elongation
stage.
CK:对照 Contral; T:处理 Treatment. a)功能叶 Functional leaf; b)叶鞘 Sheath. A:济南 17 Ji爷nan 17; B:山农 8355 Shannong 8355.下同 The same
below.
99128 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 徐海成等: 冬小麦拔节期不同茎蘖对低温胁迫的反应及抗冻性评价摇 摇 摇 摇 摇
大,分别为 72. 7%和 83. 7% ,一级分蘖郁功能叶和
叶鞘中 POD 活性升幅均最小,分别为 16. 7% 和
0郾 8% ;其余茎蘖升幅均介于二者之间.山农 8355 一
级分蘖玉功能叶 POD 活性增加了 34. 1% ,升幅最
大,二级分蘖域p升幅最小,为 6. 3% ;其叶鞘中 POD
活性升幅最大的是一级分蘖域,为 50. 6% ,一级分
蘖郁升幅最小,为 0. 6% ;其余茎蘖升幅均介于二者
之间(图 1).
低温胁迫 3 d 后,小麦不同茎蘖功能叶和叶鞘
中 CAT 活性均不同程度升高. 济南 17 一级分蘖玉
功能叶 CAT活性升高了 82. 9% ,升幅最大,二级分
蘖域p升幅最小,为 5. 3% ;其叶鞘中 CAT活性升幅
最大的是主茎,为 23. 1% ,升幅最小的是二级分蘖
域p,为 4. 7% ;其余茎蘖升幅均介于二者之间.山农
8355 主茎功能叶中 CAT 活性升幅最大,为 46. 6% ,
二级分蘖域p升幅最小,为 5. 7% ;其叶鞘中 CAT 活
性升幅最大的是一级分蘖域,为 33. 0% ,升幅最小
的是一级分蘖郁,为 2. 6% ;其余茎蘖升幅均介于二
者之间(图 1).
2郾 2郾 2 丙二醛含量摇 由图 2 可以看出,低温胁迫 3 d
后,小麦不同茎蘖功能叶和叶鞘中 MDA 含量不同
程度上升或下降.济南 17 功能叶中 MDA 含量只有
主茎下降,降幅为 6. 8% ,其余各分蘖功能叶中 MDA
含量不同程度升高,二级分蘖域p 升高幅度最大,为
53. 1% ,一级分蘖域升高幅度最小,为 15. 7% ;其主
茎和一级分蘖玉、域、芋叶鞘中 MDA 含量均有不同
程度下降,下降幅度最大的是一级分蘖玉,为
27郾 1% ,下降幅度最小的是一级分蘖芋,为 5. 5% ,
其余分蘖叶鞘中 MDA 含量均不同程度上升,二级
分蘖域p升高幅度最大,为 86. 5% ,二级分蘖玉p 升
高幅度最小,为 8. 2% . 山农 8355 不同茎蘖功能叶
中 MDA含量均不同程度上升,二级分蘖域p 升高幅
度最大,为 28. 8% ,主茎升高幅度最小,为 0. 8% ;其
叶鞘中 MDA 含量只有主茎和一级分蘖玉下降,降
幅分别为 16. 6%和 20. 5% ,其余分蘖均不同程度上
升,二级分蘖域p 升高幅度最大,为 78. 0% ,一级分
蘖域升高幅度最小,为 20. 8% .
2郾 2郾 3 可溶性蛋白含量 摇 由图 2 可以看出,低温胁
迫 3 d后,小麦不同茎蘖功能叶和叶鞘中可溶性蛋
白含量不同程度上升或下降. 济南 17 二级分蘖域p
功能叶和叶鞘中可溶性蛋白含量均下降,降幅分别
为 11. 7%和 5. 7% ;其余茎蘖中可溶性蛋白含量均
不同程度上升,功能叶和叶鞘中可溶性蛋白含量升
幅最大的均为主茎,分别为 20. 6%和 12. 0% ,升幅
最小的均为一级分蘖郁,分别为 9. 4%和 5. 0% . 山
农 8355 功能叶中可溶性蛋白含量只有二级分蘖域p
下降,降幅为 7. 9% ,其余茎蘖功能叶中可溶性蛋白
含量均不同程度上升,主茎升幅最大,为 12. 1% ,一
级分蘖郁升幅最小,为 2. 2% ;各茎蘖叶鞘中可溶性
蛋白含量均不同程度上升,主茎升幅最大,为
25郾 7% ,二级分蘖域p升幅最小,为 4. 1% ,其余茎蘖
升幅均介于二者之间.
图 2摇 低温胁迫对冬小麦拔节期不同茎蘖丙二醛和可溶性蛋白含量的影响
Fig. 2摇 Effects of low temperature stress on MDA and soluble protein contents in leaf and sheath of winter wheat tillers at stem elonga鄄
tion stage.
0022 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
2郾 3摇 冬小麦不同茎蘖功能叶各单项指标的抗冻系
数及其相关分析
根据不同茎蘖功能叶各生理指标的测定值,用
公式(1)求出各单项指标的抗冻系数(表 1).由 2. 2
各项指标分析结果可以看出,低温胁迫条件下,不同
茎蘖功能叶和叶鞘中 SOD、POD和 CAT活性均不同
程度上升,MDA和可溶性蛋白含量则不同程度上升
或下降.但不同茎蘖各单项指标的变化幅度不同,因
此用不同单项指标的抗冻系数来评价其抗冻性,其
结果均不相同.此外,从相关系数矩阵(表 2)来看,
各单项指标之间都存在不同程度的相关性,从而使
得它们所提供的信息发生重叠.同时,各单项指标在
小麦抗冻性中所起的作用也不尽相同. 因此直接利
用这些指标很难准确地对小麦不同茎蘖抗冻性进行
评价.为弥补单项指标抗冻性评价的不足,进一步采
用主成分分析法对其进行综合评价.
2郾 4摇 冬小麦不同茎蘖功能叶各单项指标主成分
分析
利用PASWStatistics18软件,分别对两品种小
表 1摇 功能叶各单项指标的抗冻系数
Table 1摇 Freezing resistant coefficient of each single index
of functional leaf (%)
品种
Variety
茎蘖
Stem and
tiller
SOD POD CAT MDA 可溶性蛋白
Soluble
protein
济南 17 O 115. 9 172. 7 124. 3 93. 1 120. 6
Ji爷nan 17 玉 117. 5 151. 9 182. 9 121. 0 120. 0
域 109. 3 166. 2 134. 7 115. 7 119. 7
芋 107. 2 127. 1 112. 5 119. 4 110. 7
郁 106. 2 116. 7 105. 7 134. 4 109. 4
玉p 106. 6 136. 7 110. 2 135. 9 110. 4
域p 105. 7 119. 2 105. 3 153. 1 88. 2
山农 8355 O 113. 5 131. 4 146. 6 100. 7 112. 1
Shannong 8355 玉 114. 5 134. 0 122. 2 107. 6 111. 1
域 117. 7 126. 0 135. 4 114. 4 111. 5
芋 119. 4 115. 9 120. 2 118. 9 110. 8
郁 111. 4 110. 5 105. 8 112. 7 102. 2
玉p 113. 8 115. 6 108. 0 112. 9 104. 8
域p 104. 6 106. 3 105. 7 128. 8 92. 1
麦不同茎蘖功能叶 SOD、POD、CAT 活性及 MDA 和
可溶性蛋白含量 5 个单项指标的抗冻系数进行主成
分分析(表 3),将 5 个单项指标转化成 5 个新的相
互独立的综合指标 CI1 ~ CI5,济南 17 前 3 个综合指
标的贡献率分别为 75郾 1% 、15郾 4%和 5郾 3% ,累计贡
献率达 95. 8% ,CI4、CI5可忽略不计;山农 8355 前 3
个综合指标的贡献率分别为 75郾 5% 、 14郾 6% 和
7郾 0% ,累计贡献率达 97. 0% ,CI4、CI5可忽略不计,
根据贡献率的大小可知各综合指标的相对重要性.
2郾 5摇 冬小麦抗冻性综合评价
2郾 5郾 1 隶属函数分析摇 根据式(2)求出小麦不同茎
蘖所有综合指标的隶属函数值(表 4). 对于同一综
合指标如济南 17 CI1而言,在低温胁迫下,主茎(O)
的 u1值最大,为 1,表明济南 17 主茎在 CI1这一综合
指标上表现为抗冻性最强;二级分蘖域p 的 u1值最
小,为 0,说明济南 17 二级分蘖域p在这一综合指标
上表现为抗冻性最差.
2郾 5郾 2 权重的确定摇 根据小麦不同茎蘖各综合指标
贡献率的大小(济南 17 分别为 75. 1% 、15. 4%和
5郾 3% ;山农8355分别为75. 5% 、14. 6%和7. 0% ),
表 2摇 功能叶各单项指标的相关系数矩阵
Table 2摇 Correlation coefficient matrix of each single index
of functional leaf
品种
Variety
指标
Index
SOD POD CAT MDA 可溶性
蛋白
Soluble
protein
济南 17 SOD 1 0. 744 0. 819 -0. 705 0. 676
Ji爷nan 17 POD 0. 744 1 0. 535 -0. 821 0. 761
CAT 0. 819 0. 535 1 -0. 359 0. 581
MDA -0. 705 -0. 821 -0. 359 1 -0. 841
可溶性蛋白
Soluble protein 0. 676 0. 761 0. 581 -0. 841 1
山农 8355 SOD 1 0. 512 0. 489 -0. 415 0. 890
Shannong POD 0. 512 1 0. 804 -0. 795 0. 825
8355 CAT 0. 489 0. 804 1 -0. 648 0. 751
MDA -0. 415 -0. 795 -0. 648 1 -0. 740
可溶性蛋白
Soluble protein
0. 890 0. 825 0. 751 -0. 740 1摇 摇
表 3摇 功能叶各综合指标贡献率
Table 3摇 Contribution rate of each comprehensive index of functional leaf (%)
品种
Variety
指标
Index
SOD POD CAT MDA 可溶性蛋白
Soluble protein
贡献率
Contribution
济南 17 CI1 46. 1 45. 7 40. 5 -44. 7 46. 3 75. 1
Ji爷nan 17 CI2 33. 5 -27. 6 71. 2 52. 2 -18. 0 15. 4
CI3 -47. 4 -44. 2 22. 4 1. 5 72. 6 5. 3
山农 8355 CI1 38. 9 47. 1 44. 1 -42. 9 49. 9 75. 5
Shannong 8355 CI2 76. 6 -30. 7 -26. 4 41. 5 28. 1 14. 6
CI3 -5. 4 5. 1 73. 8 66. 5 -8. 5 7. 0
10228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 徐海成等: 冬小麦拔节期不同茎蘖对低温胁迫的反应及抗冻性评价摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 各茎蘖的综合指标值、权重、U,(Xj)、D值及综合评价
Table 4摇 Value of each wheat tiller爷s comprehensive index, weight, U(Xj), D value and comprehensive evaluation
品种
Variety
茎蘖
Stem
and tiller
CI1 CI2 CI3 摇 摇 U(X1) 摇 摇 U(X2) U(X3) D 综合评价摇
Comprehensive摇
evaluation摇
济南 17 O 2. 355 -0. 948 -0. 634 1 0 0. 123 0. 790 强抗冻 High
Ji爷nan 17 玉 2. 201 1. 671 0. 184 0. 970 1 0. 716 0. 961 强抗冻 High
域 1. 152 -0. 434 0. 101 0. 764 0. 196 0. 656 0. 666 强抗冻 High
芋 -0. 616 -0. 483 0. 364 0. 417 0. 178 0. 847 0. 402 中度抗冻 Medium
郁 -1. 432 -0. 203 0. 576 0. 257 0. 285 1 0. 303 中度抗冻 Medium
玉p -0. 918 -0. 247 0. 212 0. 358 0. 268 0. 737 0. 364 中度抗冻 Medium
域p -2. 742 0. 644 -0. 803 0 0. 608 0 0. 098 弱抗冻 Low
权重 Weight 0. 783 0. 161 0. 056
山农 8355 O 2. 251 -1. 171 0. 223 1 0 0. 684 0. 827 强抗冻 High
Shannong 8355 玉 1. 367 -0. 391 -0. 386 0. 845 0. 295 0. 251 0. 719 强抗冻 High
域 1. 337 0. 477 0. 667 0. 840 0. 623 1 0. 819 强抗冻 High
芋 0. 331 1. 472 0. 238 0. 663 1 0. 695 0. 716 强抗冻 High
郁 -1. 242 -0. 033 -0. 738 0. 388 0. 431 0 0. 366 中度抗冻 Medium
玉p -0. 591 0. 269 -0. 653 0. 502 0. 545 0. 060 0. 476 中度抗冻 Medium
域p -3. 453 -0. 623 0. 649 0 0. 207 0. 987 0. 102 弱抗冻 Low
权重 Weight 0. 778 0. 150 0. 072
用式(3)求出其权重. 经计算,济南 17 不同茎蘖 3
个综合指标的权重分别为 0. 783、0. 161 和 0. 056;
山农 8355 不同茎蘖 3 个综合指标的权重分别为
0郾 778、0郾 150 和 0郾 072(表 4).
2郾 5郾 3 抗冻性评价摇 用式(4)计算小麦不同茎蘖的
综合抗冻能力的大小,根据各品种茎蘖的 D 值(表
4)对其抗冻性进行强弱排序.其中,济南 17 一级分
蘖玉的 D值最大,表明其抗冻性最强;其次为主茎
和二级分蘖域p的D值最小,表明其抗冻性最差 .
图 3摇 冬小麦不同茎蘖 D值聚类分析图
Fig. 3摇 Clustering chart on D value of different stems and tillers
of winter wheats.
山农 8355 主茎的 D 值最大,表明其抗冻性最强;其
次为一级分蘖域和二级分蘖域p 的 D 值最小,表明
其抗冻性最差.采用最大距离法对 D 值进行聚类分
析(图 3),可将济南 17 不同茎蘖分为 3 类:主茎和
一级分蘖玉、域为一类,属强抗冻类型;一级分蘖芋、
郁和二级分蘖玉p为一类,属中度抗冻类型;二级分
蘖域p属弱抗冻类型.可将山农 8355 不同茎蘖分为
3 类:主茎和一级分蘖玉、域、芋为一类,属强抗冻类
型;一级分蘖郁、二级分蘖玉p 为一类,属中度抗冻
类型;二级分蘖域p属弱抗冻类型.
3摇 讨摇 摇 论
3郾 1摇 低温胁迫下小麦不同茎蘖生理生化差异
低温胁迫后,植株活性氧产生与清除的平衡被
打破,植株自身保护机制启动,主要表现为活性氧清
除酶活性增强. 李春燕等[24]指出,小麦苗期低温胁
迫开始时,抗氧化酶活性增强,当胁迫达一定程度
后,SOD较 POD、CAT先表现出功能下降,随后 POD
和 CAT 活性增加变缓或下降. 本研究表明,低温处
理后,两品种小麦不同茎蘖功能叶和叶鞘中 SOD、
POD和 CAT活性均升高,且低位蘖抗氧化酶活性的
升幅较高位蘖大,表明小麦不同茎蘖对低温胁迫的
抗性存在明显差异.
MDA产生的多少能够代表膜脂过氧化的程度,
也能间接反映植物组织的抗氧化能力[25] . 刘艳阳
等[9]研究表明,低温逆境下,小麦抗寒性越强,叶片
MDA含量积累越少,膜脂过氧化程度越小,表明机
2022 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
体保护能力越强. 陈贵等[26]研究表明,SOD 能清除
低温胁迫产生的活性氧自由基,抑制膜内不饱和脂
肪酸的过氧化作用,减少 MDA 的积累,但当活性氧
产生速率超出 SOD清除能力时,多余的活性氧自由
基就易引起膜脂不饱和脂肪酸发生过氧化,产生大
量 MDA.本研究中,低温处理后,济南 17 主茎功能
叶与叶鞘、一级分蘖玉、域、芋叶鞘以及山农 8355 主
茎和一级分蘖玉叶鞘中 MDA 含量均下降,这可能
是由于抗氧化系统及时清除了低温胁迫产生的活性
氧自由基,防止不饱和脂肪酸的过氧化作用,从而减
少了 MDA的积累;济南 17、山农 8355 其余茎蘖功
能叶和叶鞘中 MDA 含量均上升,且高位蘖上升幅
度较低位蘖大,表明高位蘖膜脂过氧化程度较低位
蘖高.
研究表明,可溶性蛋白的含量与植物的抗冷性
之间存在密切关系[27-28] .低温锻炼能诱导植物形成
新的蛋白质[27] .其中一些可能直接参与了提高植物
耐寒性的变化,如抵御低温下发生的渗透胁迫,稳定
酶结构功能;另一些是酶类,在低温胁迫下协调细胞
各生理代谢平衡或提高细胞防御能力. 也有研究表
明,低温胁迫抑制蛋白组分或加速它们的分解,导致
蛋白质匮乏,表现为植物体内可溶性蛋白含量的负
效应[28] .本研究中,低温处理后,济南 17、山农 8355
均只有二级分蘖域p 茎叶中可溶性蛋白含量下降,
而其余茎蘖中蛋白含量均上升,表明二级分蘖域p
茎叶中可溶性蛋白的负效应已经超过了正效应,导
致茎叶中蛋白质匮乏.
3郾 2摇 低温胁迫下小麦不同茎蘖的抗冻性比较
评价作物抗逆性的指标较多,直接利用单项指
标评价其抗逆性,难以全面准确地反映作物抗逆性,
应以多种指标来综合评价作物对逆境的适应能力.
但多种指标间有着一定的相关性,仅用隶属函数法
对作物抗逆性进行综合评价存在一定的局限性[10] .
而主成分分析法可以在不损失或很少损失原有信息
的前提下,将原来个数较多而且彼此相关的指标转
换成新的个数较少且彼此独立的综合指标. 本研究
利用主成分分析方法,分别将小麦 5 个相互关联的
单项指标综合成 3 个独立的综合指标,根据 3 个综
合指标值的贡献率求出其相应的隶属函数值,并根
据各综合指标的相对重要性进行加权,得到不同茎
蘖抗冻性的综合评价值(D值).由于 D值是一个无
量纲的纯数,从而使各茎蘖之间的抗冻性差异具有
可比性.
赵广才[29]根据小麦不同蘖位的植株性状以及
产量形成功能的差异比较,划分主茎和低位蘖作为
小麦的优势蘖组,并提出小麦优势蘖组的合理利用
模式.本研究根据低温胁迫下小麦茎蘖抗冻性的 D
值,利用聚类分析对其进行分类,分析比较茎蘖间抗
冻差异,以尝试探讨冬小麦优势抗性蘖组的利用范
围,为构建小麦高质量群体结构提供理论参考依据.
而小麦茎蘖在不同生育时期对低温的敏感性不同,
越冬期小蘖比大蘖、主茎更易受冻,拔节期主茎、大
分蘖则更易受低温影响,而且此时包在茎顶端的幼
穗对低温反应也十分敏感[3] . 冯玉香等[30]研究表
明,小麦幼穗受冻程度与其发育进程密切相关.本研
究中,小麦低位蘖较高位蘖抗冻,说明小麦不同茎蘖
的抗冻性可能与其生长发育进程有关,而低温胁迫
下茎蘖间的不同生理变化可能是茎蘖抗冻性差异的
生理基础,其机理还有待进一步研究.
参考文献
[1]摇 Wang S鄄H (王士红), Jing Q (荆摇 奇), Dai T鄄B (戴
廷波), et al. Evolution characteristics of flag leaf pho鄄
tosynthesis and grain yield of wheat cultivars bred in dif鄄
ferent years. Chinese Journal of Applied Ecology (应用
生态学报), 2008, 19(6): 1255-1260 (in Chinese)
[2]摇 Li Z鄄J (李志坚), Zhou D鄄W (周道玮), Hu Y鄄G (胡
跃高). Effects of accumulated temperature and planting
density on tillering dynamics of forage rye. Chinese Jour鄄
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2004, 15
(3): 413-419 (in Chinese)
[3]摇 Wang Y鄄H (王永华), Li J鄄C (李金才), Wei F鄄Z (魏
凤珍), et al. Types of freeze injury and diagnostic
characteristics of winter wheat and prevention measure
and salvage measure. Chinese Agricultural Science Bulle鄄
tin (中国农学通报), 2006, 22 (4): 345 - 348 ( in
Chinese)
[4]摇 Prasad TK. Mechanisms of chilling鄄induced oxidative
stress injury and tolerance in developing maize seed鄄
lings: Changes in antioxidant system, oxidation of pro鄄
teins and lipids, and protease activities. The Plant Jour鄄
nal, 1996, 10: 1017-1026
[5]摇 Dat J, Vandenabeele S, Vranova E, et al. Dual action
of the active oxygen species during plant stress respon鄄
ses. Cellular and Molecular Life Sciences, 2000, 57:
779-795
[6]摇 Yordanova RY, Christov KN, Popova LP. Antioxidative
enzymes in barely plants subjected to soil flooding. En鄄
vironmental and Experimental Botany, 2004, 51: 93 -
101
[7]摇 Jiang D (姜 摇 东), Tao Q鄄N (陶勤南), Zhang G鄄P
(张国平). Effect of waterlogging on senescence of flag
leaf and root of wheat Yangmai. Chinese Journal of
Applied Ecology (应用生态学报), 2002, 13 (11):
1519-1521 (in Chinese)
[8]摇 Kuk YI, Shin JS, Burgos NR, et al. Antioxidative en鄄
zymes offer protection from chilling damage in rice
plants. Crop Science, 2003, 43: 2109-2117
30228 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 徐海成等: 冬小麦拔节期不同茎蘖对低温胁迫的反应及抗冻性评价摇 摇 摇 摇 摇
[9]摇 Liu Y鄄Y (刘艳阳), Li J鄄Z (李俊周), Chen L (陈
磊), et al. Effect of low temperature stress on peroxida鄄
tion product of membrane lipids and activity of related
enzymes in wheat seedling leaves. Journal of Triticeae
Crops (麦类作物学报), 2006, 26 (4): 70 - 73 ( in
Chinese)
[10]摇 Zhou G鄄S (周广生), Mei F鄄Z (梅方竹), Zhou Z鄄Q
(周竹青), et al. Comprehensive evaluation and fore鄄
cast on physiological indices of waterlogging resistance of
different wheat varieties. Scientia Agricultura Sinica (中
国农业科学), 2003, 36(11): 1378 -1382 ( in Chi鄄
nese)
[11]摇 Wang J (王摇 军), Zhou M鄄X (周美学), Xu R鄄G (许
如根), et al. Studies on selecting indices and evalua鄄
tion methods for barley爷s (Hordeum vulgare L. ) water鄄
logging tolerance. Scientia Agricultura Sinica (中国农
业科学), 2007, 40(10): 2145-2152 (in Chinese)
[12]摇 Wang S鄄G (王树刚), Wang Z鄄L (王振林), Wang P
(王摇 平), et al. Evaluation of wheat freezing resist鄄
ance based on the responses of the physiological indices
to low temperature stress. Acta Ecologica Sinica (生态
学报), 2011, 31(4): 1064-1072 (in Chinese)
[13]摇 Guo T鄄C (郭天财), Sheng K (盛摇 坤), Feng W (冯
伟), et al. Effects of plant density on physiological
characteristics of different stems during tillering stage in
two spike鄄types winter wheat cultivars. Acta Botanica
Boreali鄄Occidentalia Sinica (西北植物学报), 2009,
29(2): 350-355 (in Chinese)
[14]摇 Wang X鄄Y (王晓宇), Feng W (冯 摇 伟), Guo T鄄C
(郭天财), et al. Difference of carbon and nitrogen me鄄
tabolism in leaves between main caulis and tillers during
tiller senescence of two spike鄄type winter wheat. Acta
Agriculturae Boreali鄄Occidentalis Sinica (西北农业学
报), 2010, 19(11): 38-42 (in Chinese)
[15]摇 Zhang J (张 摇 晶), Wang J鄄A (王娇爱), Dang J鄄Y
(党建友), et al. Difference of grain yield and quality
between the main stems and tillers of wheat. Journal of
Triticeae Crops (麦类作物学报), 2010, 30(3): 526-
528 (in Chinese)
[16]摇 Xu L鄄N (徐丽娜), Feng W (冯摇 伟), Sheng K (盛
坤), et al. Difference of endogenous hormones in young
spike between main stem and tillers and its effects under
different densities in Lankao Aizao 8. Scientia
Agricultura Sinica (中国农业科学), 2011, 44 (6):
1283-1291 (in Chinese)
[17]摇 Cai R鄄G (蔡瑞国), Zhang M (张摇 敏), Yin Y鄄P (尹
燕枰), et al. Photosynthetic characteristics and antioxi鄄
dative metabolism of flag leaves in responses to nitrogen
application in wheat during grain filling. Scientia Agri鄄
cultura Sinica (中国农业科学), 2008, 41(1): 53-62
(in Chinese)
[18]摇 Giannopolitis C, Ries S. Superoxide dismutases. 玉.
Occurrence in higher plants. Plant Physiology, 1977,
59: 309-314
[19]摇 Klapheck S, Zimmer I, Cosse H. Scavenging of hydro鄄
gen peroxide in the endosperm of ricinus communis by
ascorbate peroxidase. Plant and Cell Physiology, 1990,
31: 1005-1013
[20]摇 Aebi H. Catalase in vitro. Methods in Enzymology,
1984, 105: 121-126
[21] 摇 Zhao S鄄J (赵世杰), Shi A鄄G (史安国), Dong X鄄C
(董新纯). Laboratory Guide for Plant Physiology. Bei鄄
jing: China Agricultural Science and Technology Press,
2002: 55-143 (in Chinese)
[22]摇 Zou Q (邹 摇 琦). The Instruction of Experiment on
Plant Physiology. Beijing: China Agriculture Press,
2000 (in Chinese)
[23]摇 Xie Z鄄J (谢志坚). Method of Fuzzy Mathematics in
Agricultural Science. Wuhan: Huazhong University of
Science and Technology Press, 1983: 99-193 ( in Chi鄄
nese)
[24]摇 Li C鄄Y (李春燕), Chen S鄄S (陈思思), Xu W (徐
雯), et al. Effect of low temperature at seedling stage
on antioxidation enzymes and cytoplasmic osmoticum of
leaves in wheat cultivar Yangmai 16. Acta Agronomica
Sinica (作物学报), 2011, 37(12): 2293-2298 ( in
Chinese)
[25]摇 Liu M鄄X (刘明学), Li B鄄F (李邦发), Wang X鄄D
(王晓东). Effects of drought stress on the antioxidant
enzyme activity of wheat varieties with different senes鄄
cence types. Journal of Anhui Agricultural Sciences (安
徽农业科学), 2008, 36(23): 9851 -9853 ( in Chi鄄
nese)
[26]摇 Chen G (陈 摇 贵), Kang Z鄄L (康宗利), Zhang L鄄J
(张立军). Effects of low temperature stress on physio鄄
logical and biochemical characteristics of wheat. Journal
of Triticeae Crops (麦类作物学报), 1998, 18 (3):
42-43 (in Chinese)
[27]摇 Liu Z鄄Q (刘祖棋), Wang H鄄C (王洪春). Cold Toler鄄
ance and Cold鄄proof Techniques in Plants. Shanghai:
Academic Publications Press, 1989: 93 -115 ( in Chi鄄
nese)
[28]摇 Zuo F (左摇 芳), Fan B鄄L (范宝莉). Research on the
physiological鄄biochemical and protein component chan鄄
ges of wheat under low temperature stress. Journal of
Anhui Agricultural Sciences (安徽农业科学), 2009,
37(4): 1430-1431 (in Chinese)
[29]摇 Zhao G鄄C (赵广才). Studies on super鄄high yield culti鄄
vation technique using superior tiller in wheat. Review of
China Agricultural Science and Technology (中国农业
科技导报), 2007, 9(2): 44-48 (in Chinese)
[30] 摇 Feng Y鄄X (冯玉香), He W鄄X (何维勋), Rao M鄄J
(饶敏杰), et al. Relationship between frost damage
and leaf temperature with winter wheat after jointing
stage. Acta Agronomica Sinica (作物学报), 2000, 26
(6): 707-712 (in Chinese)
作者简介摇 徐海成,男,1989 年生,硕士研究生.主要从事作
物高产优质生理生态研究. E鄄mail: xuhaich@ 126. com
责任编辑摇 张凤丽
4022 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷