马 泉,张玉雪,2,陶 源,苏盛楠,3, 李春燕,丁锦峰, 朱 敏,朱新开,郭文善

(1.扬州大学江苏省作物遗传生理国家重点实验室培育点/粮食作物现代产业技术协同创新中心，江苏扬州 225009;2.太仓市农业机械技术推广站，江苏太仓 215499; 3.太仓市城厢镇农业技术服务站，江苏太仓 215499)

近年来，黄淮海麦区小麦春季低温冻害问题几乎每年都有不同程度的发生，发生频率在30%以上, 最高年份可达70%，且极端低温发生的频率、强度和持续时间均在不断加强，加剧了小麦生产系统的不稳定性，严重影响并制约小麦的生长发育及产量形成。据统计，1961年至2015年江苏地区平均每年倒春寒发生3.8次，每次持续时间平均为3.2 d，中级以上倒春寒发生率高达22%。春季随着气温的逐步回升，小麦从返青进入拔节期以后，进入快速生长发育阶段，植株对低温的抗性和耐性迅速下降，此时的倒春寒天气，尤其温度大幅度骤降后，易造成作物外部形态及内部结构损伤或者死亡，导致减产，一般年份可导致黄淮麦区小麦减产10%～20%，特殊年份减产可达30%～40%，甚至40%以上。随着极端天气的日益频发，长江中下游地区小麦在春季遭遇低温胁迫已经成为生产中不可避免的问题。

春季低温因发生的强度和时期不同，对小麦营养生长和生殖生长的影响存在显著差异。小麦雌雄蕊末期到药隔初期是春季低温危害发生的敏感时期，此时小麦幼穗的抗寒性迅速下降，低温易造成幼穗受冻，甚至引起部分茎、蘖死亡，影响成穗数；孕穗期低温主要影响花粉育性，增加退化小穗数和小花数，导致穗粒数降低；孕穗至开花期低温主要影响籽粒发育，导致粒重下降。小麦生长发育过程中遭遇春季低温胁迫时，植株形态结构、内含物质和光合作用等一系列复杂的生理生化特征都会受到相应的影响，主要表现为细胞膜系统受损、叶绿素合成受阻、酶系统失活、光合效率降低等，使叶片向茎秆传输的同化物含量降低，导致单株干物质积累减少和营养物质的运输速率下降，进而影响籽粒灌浆过程，最终导致籽粒灌浆充实不良。低温导致粒重下降的原因一方面可能在于植株碳水化合物的代谢过程受到影响，低温胁迫降低了植株对能量利用的能力，限制光合作用进程，干扰光合同化物的合成及转运；另一方面，低温影响了籽粒形态、果皮和胚乳的发育，限制籽粒库容大小。

小麦抗寒机制是一个复杂的生理过程。前人关于春季低温影响小麦产量性状的研究较多，但主要侧重于低温对小麦穗数和穗粒数的影响及其生理机制，有关春季不同生育时期低温胁迫影响小麦粒重形成机理的研究较少。本研究以春性品种扬麦16和半冬性品种徐麦30为材料，在小麦倒二叶出生期、孕穗期和开花期三个关键生育时期分别单独进行低温处理，分析春季不同时期低温对小麦光合生理特性和粒重形成的影响，以期为小麦抗逆减灾和高产稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况与供试材料

于2016-2017年小麦生长季，在扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室盆栽试验场进行盆栽试验。试验用土取自大田耕层(0～30 cm)，土质为轻壤土，有机质含量14.61 g·kg，碱解氮含量53.35 mg·kg，速效磷含量37.35 mg·kg，速效钾含量96.51 mg·kg。试验采用高26 cm、上口直径26 cm、底部直径18 cm、底部带排水孔的塑料盆种植小麦，每盆装土12 kg，基施尿素(46.3% N)0.4 g和复合肥(N∶PO∶KO=15%∶15%∶15%)3.33 g，施壮蘖肥(4～5叶期) 0.35 g(尿素)，拔节期(叶龄余数2.5)施尿素0.4 g和复合肥3.33 g。供试小麦分别为春性品种扬麦16和半冬性品种徐麦30，每盆播种12粒，4叶期定苗8株，置于室外自然环境中正常生长，管理同当地高产大田栽培。低温处理在人工智能气候室中进行，控制温度误差±0.5 ℃，设置大气相对湿度70%，光量子通量密度800 μmol·m·s。

1.2 试验设计

于倒二叶出生期(倒二叶露尖1～2 cm)、孕穗期(旗叶全展，叶枕距3～4 cm)和开花期(中部小穗开出1～2朵小花)，选取长势基本一致的盆栽小麦搬入人工气候室分别进行低温处理，倒二叶出生期、孕穗期和开花期低温处理的昼夜温度分别为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)。低温处理期间外界环境温度和人工气候室控制低温动态见图1，每个时期低温处理持续时间均为48 h。以外界自然生长的小麦为对照(CK)。低温处理结束后，将小麦搬出人工气候室恢复自然生长环境。

图1 不同时期外界自然温度与人工气候室控制温度动态Fig.1 Dynamics of the temperature in ambient and environment-controlled phytotron at different stages

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶片SPAD值和光合指标测定

于低温处理结束当天、处理后3 d、6 d和9 d，采用便携式SPAD-502型叶绿素仪(Konica Minolta，Japan)测定小麦主茎最上部全展叶SPAD值，重复10次。

于低温处理结束当天，采用LI-6400XT型光合作用测定仪(LI-COR，USA)测定主茎最上部全展叶净光合速率()、气孔导度()、胞间CO浓度()和蒸腾速率()，重复5次。

1.3.2 PSII潜在最大光化学量子效率测定

于小麦开花期低温处理结束当天及开花后每7 d，采用脉冲调制式荧光仪(Heinz Walz，德国)，暗处理30 min后，测定主茎旗叶暗适应下的初始荧光值()和最大荧光值()，重复5次。PSII潜在最大光化学量子效率(/)计算公式：

/=(-)/

1.3.3 干物质积累与转运测定

分别于开花期(4月15日)和成熟期(5月21日)，每个处理取3盆植株样，分茎、叶、穗(成熟期分为籽粒、颖壳和穗轴)，在烘箱内105 ℃杀青 1 h，80 ℃烘干至恒重，测定各器官的干物质量。干物质积累与转运相关公式：

花前干物质转运量=开花期营养器官干物质积累量-成熟期营养器官干物质积累量

花后干物质积累量=成熟期籽粒干物质积累量-花前干物质转运量

花前干物质转运对籽粒产量的贡献率=花前干物质转运量/ 成熟期籽粒干物质积累量×100%

花后干物质积累对籽粒产量的贡献率=花后干物质积累量/成熟期籽粒干物质积累量×100%

1.3.4 强、弱势粒重测定

于成熟期每个处理选取花期和长势一致的麦穗5盆，分别测定强、弱势粒千粒重，并测定所有籽粒的平均千粒重。其中，3粒及3粒以上小穗第2位小花籽粒为强势粒，3粒小穗第3位、4粒小穗第4位小花籽粒为弱势粒。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据整理、Sigmaplot 10.0进行绘图，采用DPS 7.05进行统计分析，检验处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 春季不同时期低温下小麦叶片SPAD值的差异

与CK相比，扬麦16和徐麦30在倒二叶出生期、孕穗期和开花期低温处理后最上部全展叶的SPAD值均不同程度下降(图2)。其中，扬麦16叶片SPAD值的降幅在三个时期低温处理结束当天分别为2.03%、6.68%和 1.87%，低温处理结束后3 d分别为6.37%、 10.72%和6.06%；徐麦30叶片SPAD值的降幅在三个时期低温处理结束当天分别为4.24%、5.59%和3.45%，低温处理结束后3 d分别为7.14%、8.36%和5.35%。两个品种叶片SPAD值从三个时期低温处理开始至处理结束后3 d均呈下降趋势，处理结束后6～9 d逐渐回升，至处理结束后9 d，除扬麦16孕穗期和徐麦30开花期，其余时期低温处理与CK无显著差异。

CK: 自然对照; LT-P: 倒二叶出生期低温处理; LT-B: 孕穗期低温处理; LT-A: 开花期低温处理。*: P<0.05显著; **: P<0.01显著; ns: 不显著。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.图2 春季不同时期低温对小麦最上部全展叶SPAD值的影响Fig.2 Effects of low temperature at different stages in spring on SPAD value of the first full-extended wheat leaf

2.2 春季不同时期低温下小麦叶片光合性能的差异

春季不同时期低温对两个小麦品种的叶片光合参数均有显著的影响，其中净光合速率()、气孔导度()和蒸腾速率()均呈显著下降趋势(表1)。倒二叶出生期低温处理后，扬麦16最上部展开叶、和相比于CK分别下降16.26%、17.83%和6.92%，徐麦30分别下降14.08%、22.66%和5.46%；孕穗期低温处理后，扬麦16旗叶、和分别下降9.83%、 22.17%和12.74%，徐麦30分别下降 13.12%、13.91%和12.68%；开花期低温处理后，扬麦16旗叶、和分别下降13.89%、 9.32%和9.31%，徐麦30分别下降14.54%、6.92%和 5.37%。不同时期低温处理均提高叶片胞间CO浓度()，扬麦16和徐麦30增幅分别为 2.90%～3.48%和2.79%～3.90%。从处理时期来看，倒二叶出生期低温处理后两品种的净光合速率降幅较大，孕穗期低温处理后降幅最小。

表1 春季不同时期低温对小麦最上部全展叶光合参数的影响Table 1 Effects of low temperature at different stages in spring on photosynthetic parameters of the first full-extended wheat leaf

不同时期低温处理均降低了开花当天旗叶/(图3)，其中倒二叶出生期低温处理的旗叶/最低，扬麦16和徐麦30降幅分别为4.10%和4.59%；孕穗期低温处理下两品种较CK分别下降2.43%和2.17%；开花期低温处理对旗叶/的影响最小。随着花后生育进程，孕穗期和开花期低温处理表现出了较大的/降幅。与开花当天相比，孕穗期低温处理下扬麦16和徐麦30的旗叶/在乳熟期(花后21 d)降幅分别为5.70%和5.89%；开花期低温处理下两品种旗叶/降幅均最大，分别为7.42%和8.52%。倒二叶出生期低温处理旗叶/在花后下降最缓慢，分别仅下降 3.11%和1.91%，表明倒二叶出生期低温对旗叶的伤害轻于孕穗期和开花期。

图3 春季不同时期低温对小麦花后旗叶PSII最大光化学效率(Fv/Fm)的影响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 春季不同时期低温下小麦物质积累和转运的差异

春季不同时期低温处理对小麦花前干物质转运和花后干物质积累及其对籽粒产量的贡献均有显著的影响(表2)。不同时期低温处理后花前干物质转运量表现为倒二叶出生期<孕穗期<开花期，且倒二叶出生期低温处理的两个品种花前干物质转运量与CK差异均显著。与CK相比，扬麦16三个时期低温处理的花前干物质转运量降幅分别为48.67%、12.40%和10.28%；徐麦30降幅分别为41.92%、18.44%和2.84%。不同时期低温处理对花后干物质积累量的影响程度与花前干物质转运量相反，扬麦16三个时期低温处理的花后干物质积累量与CK相比分别下降 21.04%、37.74%和35.45%；徐麦30分别下降25.06%、32.55%和33.45%。这表明倒二叶出生期低温对小麦花前干物质转运量的影响要大于花后干物质积累量，并影响其对籽粒产量的贡献率。与CK相比，倒二叶出生期低温处理提高了扬麦16和徐麦30的花后干物质积累对籽粒产量的贡献率；孕穗期和开花期低温处理均提高了花前干物质转运的贡献率，但降低花后干物质积累的贡献率。

表2 春季不同时期低温对小麦干物质积累和转运的影响Table 2 Effects of low temperature at different stages in spring on dry matter accumulation and translocation of wheat

2.4 春季不同时期低温下小麦强、弱势粒粒重的 差异

不同时期低温处理均对两个品种强、弱势粒粒重产生不利影响(表3)。三个时期低温处理扬麦16强势粒的千粒重较CK分别下降2.92%、 8.90%和5.23%，弱势粒分别下降5.76%、 28.50%和21.30%；徐麦30强势粒的千粒重分别下降 3.41%、7.44%和5.32%，弱势粒分别下降 7.51%、22.18%和13.67%。这说明低温处理对弱势粒粒重的影响大于强势粒，且在孕穗期低温处理后表现最明显。不同时期低温处理的两个品种平均千粒重均表现为CK >倒二叶出生期>开花期>孕穗期。扬麦16三个时期低温处理的平均千粒重降幅分别为4.49%、17.60%和13.29%，徐麦30降幅分别为4.20%、15.31%和9.92%。

表3 春季不同时期低温对小麦千粒重的影响Table 3 Effects of low temperature at different stages in spring on 1 000-grain weight of wheat g

3 讨 论

3.1 春季不同时期低温下小麦粒重形成的光合生理和物质积累基础

关于春季不同时期低温导致小麦减产的原因，前人研究主要集中在低温对穗数和穗粒数的影响上，而忽略了粒重的减产效应。王树刚等指出,千粒重下降也是春季低温导致小麦减产的重要原因之一，低温胁迫使功能叶片受到伤害, 影响光合同化物的合成及供应,导致千粒重显著下降。Kratsch等研究认为, 植物遭遇低温胁迫时叶绿体首先受到影响,低温胁迫严重时类囊体膨大变形，淀粉颗粒消失, 叶绿体网状结构消失, 最终叶绿体瓦解。也有研究认为，低温胁迫下植株体内代谢减弱，养分吸收转运速度下降，从而抑制叶绿素合成，并且低温胁迫导致超氧自由基积累，加速了叶绿素的分解。本研究中，在倒二叶出生期、孕穗期和开花期对小麦进行低温处理结束当天，扬麦16和徐麦30的SPAD值均明显下降，且在低温处理结束3 d内，叶片SPAD值仍持续下降，认为低温胁迫对小麦叶片的叶绿素含量有持续的负效应。在三个时期中，孕穗期低温胁迫对叶片SPAD值的影响表现出明显大于倒二叶出生期和开花期低温胁迫的趋势，且在两个品种间表现一致。处理结束后9 d，叶片SPAD值均回升，表明植株在遭遇一定程度的短期低温后能缓慢恢复生长。

逆境胁迫会促使作物叶片净光合速率下降，其除与叶绿素含量下降有关外，还与气孔和非气孔因素的影响相关。在低温胁迫下，光合速率和气孔导度下降的同时，胞间CO浓度却显著上升，产生这一结果的原因可能是长时间低温破坏了叶肉细胞的叶绿体结构，造成叶片光合器官的损伤，导致叶片细胞光合活性降低，表明光合速率的下降可能是由叶肉细胞的光合活性下降所引起，而不是由于气孔导度的变化导致，这可能与低温下参与光合反应的酶活性降低或光合系统的损伤有关。刘蕾蕾等通过人工气候室低温试验发现，低温发生时间、强度和持续时间均显著影响小麦的净同化速率和光合作用持续时间。本研究结果表明，三个时期低温处理均显著降低了小麦叶片的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率，但增加了胞间CO浓度，其中扬麦16三个时期低温处理的净光合速率降幅为9.83%～ 16.26%，徐麦30三个时期低温处理的净光合速率降幅为13.12%～14.54%，表明两个品种的叶片光合能力均显著受到不同时期低温的影响。

植物在进行光合作用的原初反应能量转换时, 叶绿体色素在光能的吸收、传递和转换过程中起着关键作用。/在正常条件下波动极小, 但在温度、水分等胁迫条件下显著下降，导致光化学效率下降，产生过剩电子对叶绿素分子造成破坏，促使叶绿素含量和光合速率降低。本研究发现，前期低温处理对小麦花后旗叶/有显著影响，三个时期低温处理均降低了花后旗叶/，其中开花期低温处理后旗叶/在开花期至乳熟期降幅最大，这与前人研究结果基本一致。三个时期低温处理相比，倒二叶出生期低温处理的旗叶/在开花当天最低，但在开花至乳熟期降幅最小，最后到乳熟期高于孕穗期和开花期低温处理，这可能是由于倒二叶出生期低温处理时小麦旗叶尚未抽出，受叶鞘保护，很大程度上避免了低温对旗叶的伤害，保障了旗叶在花后的功能持续，有利于灌浆后期光能的吸收、传递和转换。

本研究结果表明，春季不同时期低温处理显著影响小麦花前和花后的干物质积累及其对籽粒产量的贡献。倒二叶出生期低温处理的小麦花前干物质转运量显著低于孕穗期和开花期低温处理，但花后干物质积累量较CK降幅最小，显著增加了花后干物质积累量对籽粒产量的贡献率，扬麦16和徐麦30的贡献率分别为87.57%和 84.41%，这说明倒二叶出生期低温处理后虽然小麦叶片叶绿素含量和光合速率降幅较大，不利于花前干物质的积累，但对花后光合生产的影响程度最小，有利于粒重的形成；孕穗期和开花期低温处理由于对旗叶造成不可逆的损伤，影响了花后光合功能的持续，降低了光合产物的积累及其向籽粒的运输。

3.2 春季不同时期低温下影响小麦粒重形成的机制

小麦光合同化物的积累和转运是粒重形成的物质基础，但小麦籽粒的位置决定了籽粒灌浆进程与干物质积累的空间分布特征。强势粒和弱势粒的小花结实率、粒重、蛋白质含量等均有差异，且在养分供应不足的情况下竞争更为激烈。碳水化合物供应不足或库容的限制主要制约弱势粒的灌浆。在本研究中，扬麦16和徐麦30不同时期低温处理后弱势粒粒重的降幅均高于强势粒，与前人研究结果基本一致。本研究还发现倒二叶出生期低温处理的强、弱势粒粒重的降幅均表现出低于孕穗期与开花期低温处理的趋势，且在弱势粒粒重上表现更为显著。其原因一方面是花后物质积累降幅最低，容易满足籽粒灌浆需求；另一方面可能是由于该时期低温使籽粒输送养分的维管束组织细胞壁厚度、细胞层数及面积增大，促进光合产物更高效运输。在三个时期中，孕穗期低温处理强、弱势粒粒重降幅均大于倒二叶出生期和开花期低温处理。这可能是由于该时期低温下旗叶受伤害程度重所致。此外，孕穗期低温胁迫可能导致小麦颖果内物质代谢异常，影响果皮和胚乳的发育过程。相关性分析表明，小麦平均千粒重与弱势粒粒重及花后干物质积累量均显著相关(<0.05)，相关系数分别为0.691和0.734，表明春季低温胁迫下小麦稳定粒重的关键在于促进花后光合产物积累，以尽可能满足弱势粒的灌浆充实，减少弱势粒粒重的降低。

前人研究指出，拔节期低温对小麦产量形成的影响最大，减产的原因主要是影响分蘖成穗和幼穗分化，降低了单株穗数和穗粒数。穗数和穗粒数的降低限制了小麦库容的大小和强度，光合产物被迫只能向有限的籽粒供应，避免了粒重的显著下降。本研究中，倒二叶出生期低温处理下小麦粒重的降幅最小，推测也与穗数和穗粒数的显著下降有关。粒重降幅小虽然在一定程度上能弥补穗数和穗粒数的显著下降，但难以抵消两者降低带来的显著减产效应。因此，探究春季低温对小麦产量的影响，要综合评估穗数、穗粒数和粒重对低温的响应并继续深入研究其调控机制及互作效应。

4 结 论

小麦春季不同时期遭遇低温后，最上部全展叶SPAD值、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均不同程度下降，花后旗叶/下降，光能转化效率降低。倒二叶出生期低温处理显著降低花前干物质转运量，但花后干物质积累量的降幅小于孕穗期和开花期低温处理，在三个低温处理时期中对籽粒产量的贡献率最高。两个品种倒二叶出生期、孕穗期和开花期低温处理粒重的平均降幅分别为4.35%、16.45%和11.60%。不同时期低温处理下小麦弱势粒粒重的降幅均高于强势粒，且孕穗期和开花期低温处理弱势粒粒重降幅远高于倒二叶出生期低温处理。由此可见，春季低温影响小麦花后干物质积累及其对籽粒产量的贡献，限制弱势粒的灌浆充实，是粒重减轻的主要原因。