刘绿洲，张 妍，张 林，蔡洪梅，于 敏，魏凤珍，陈 翔**，李金才

药隔期低温胁迫对小麦功能叶超微结构及光合特性的影响*

刘绿洲1，张 妍1，张 林1，蔡洪梅1，于 敏1，魏凤珍1，陈 翔1**，李金才1，2**

（1. 安徽农业大学农学院/农业农村部华东地区作物栽培科学观测站，合肥 230036；2. 江苏省现代作物生产协同创新中心，南京 210095）

以抗倒春寒能力不同的两个小麦品种烟农19 (YN19)和新麦26 (XM26)为供试材料，于小麦幼穗分化的药隔期利用超低温人工气候培养箱进行4℃和−4℃两个温度处理，以低温处理期间大田环境平均温度10℃为对照（CK），观测不同程度低温处理下小麦功能叶超微结构及光合特性的变化。结果表明：（1）药隔期低温胁迫显著增加供试两品种小麦功能叶SOD、POD、CAT酶活性和MDA含量，其中CAT酶活性增幅最大，XM26在4℃、−4℃处理下功能叶CAT活性较CK分别增加了48.68%和87.55%，YN19则分别增加了76.59%和110.39%，总体来看YN19的抗氧化酶活性增幅均大于XM26，具有较强的活性氧清除能力。（2）低温胁迫破坏小麦功能叶叶绿体结构。XM26在4℃、−4℃处理功能叶叶绿体数和叶绿体面积较CK分别下降12.43%、24.97%和57.68%、5.88%，YN19分别下降14.56%、16.69%和25.88%、61.90%。随着温度的降低（4℃→ −4℃），供试两品种小麦叶片的基粒片层数量和厚度大幅下降，细胞膜受到不同程度的损伤，基粒片层开始解体。（3）随着低温胁迫程度加深，供试两品种小麦叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）和Chla+Chlb含量下降，XM26在−4℃低温胁迫下较CK分别降低26.97%、27.39%、31.78%，YN19则分别降低34.36%、23.81%、26.91%，表明低温胁迫使叶片内部结构破坏，导致叶绿素含量下降。（4）与CK相比，低温胁迫下小麦功能叶片净光合速率（Pn）随着低温胁迫程度加深呈降低趋势，胞间CO2浓度(Ci)呈逐升趋势，XM26在4℃和−4℃低温胁迫当天其Pn分别下降31.84%、92.04%，YN19则分别下降17.42%、89.62%，表明小麦叶片Pn下降主要是由非气孔限制因素导致。因此，药隔期低温胁迫会使小麦叶片功能受损，导致其光合能力下降，大田生产中可选用抗倒春寒能力强的品种，加强栽培技术管理，提高小麦抗寒性，减轻倒春寒对小麦造成的危害。

小麦；低温胁迫；超微结构；光合特性

小麦（L.）是世界三大粮食作物之一，因其适应力强而广泛种植于全球各地[1]。随着人口不断增长，未来预计中国小麦年均产量要保持在1.2×108t以上才能满足口粮需求[2]。然而，由于工业发展和人类破坏性活动，全球气候变暖已成为不争的事实[3]，1951−2020年，中国地表年均温度呈显著上升趋势，截至2020年，中国大陆地表平均温度以0.26℃·10a−1的速度升高[4]。气候变暖使小麦生育进程加快，若在低温敏感期遭遇春季骤然降温（即倒春寒）会使小麦幼穗受伤，结实率降低，从而造成减产[5−6]。近年来，黄淮麦区小麦倒春寒灾害发生频率高且强度大，几乎每年都有不同程度的发生，该区域倒春寒灾害年际发生频率在30%～70%[7−9]。因此，倒春寒已成为限制小麦生产高质量发展的重要因素。

小麦的倒春寒抗性与小麦幼穗分化进程密切相关，应在幼穗对低温较为敏感的时期对小麦抗寒性进行研究。药隔期是决定小麦穗粒数多少的关键时期，李春燕等[10]研究发现，药隔期−2℃低温胁迫会使小麦主茎和大分蘖受冻死亡，影响有效穗数和穗粒数的形成，减产率达20%左右。刘大同等[11]采用人工模拟低温胁迫研究6个不同冬春性小麦品种在护颖原基分化期、雌雄蕊原基分化期、药隔分化形成期和四分体形成期对低温胁迫的生理响应时指出，药隔期对低温胁迫最为敏感。李晓林等[12]发现小麦抗霜冻力随幼穗发育进程推进逐渐减弱，药隔前期开始进入低温敏感期。可见倒春寒对小麦的危害不仅与低温胁迫强度有关，还与小麦幼穗分化时期有关，药隔期是小麦生育期中对低温胁迫极为敏感的时期。

光合作用为作物的生长提供物质和能量，是作物高产稳产的基础[13−14]。但其对温度胁迫十分敏感，因此光合作用常被用来反映植物对逆境胁迫的响应程度[15]。目前，国内外学者关于低温胁迫对作物光合作用影响的研究已广泛开展，张瑶等[16]研究发现，低温处理下黄瓜叶片的叶绿体色素含量、最大光合速率、气孔导度以及蒸腾速率均有所下降，且处理持续时间越长、温度越低，黄瓜叶片的光合作用所受抑制越显著。Li等[17]研究春季低温对小麦光合生理的影响，结果显示春季低温显著降低了两个品种小麦叶片的气体交换速率和光系统II的最大量子效率，导致产量下降。因此，低温胁迫主要通过影响叶片气孔的开闭[18]、降低光合酶活性和光合色素的生物合成[19]，进而引起光合速率的降低，最终导致作物产量和品质的降低[20]。

前人对小麦叶片光合特性方面的研究多集中在光合气体参数、叶绿素荧光参数、光合关键酶活性等方面，而将小麦叶肉细胞超微结构与光合相关生理指标相结合的研究报道还较少。因此，本研究选择两个抗倒春寒能力不同的小麦品种，于1：00− 5：00进行低温胁迫处理，模拟大田倒春寒灾害的温度变化，探究药隔期不同程度低温胁迫对小麦叶片超微结构及光合特性的影响，以期为小麦生产的防灾减灾和提质增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

实验于2020年10月-2021年6月在安徽农业大学农萃园基地（31°52′N，117°16′E，海拔21.3m）进行。土壤类型为黄棕壤，pH为6.5，有机质含量为16.3g·kg−1，速效氮 112.2mg·kg−1，速效磷23.0mg·kg−1，速效钾161.6mg·kg−1。

在前人研究的基础上[21]，选用抗倒春寒性强的小麦品种烟农19（YN19）和抗倒春寒性弱的小麦品种新麦26（XM26）为供试材料。

1.2 低温处理

采用大田盆栽方法种植，将大田0-20cm耕作层土壤装入实验盆（聚乙烯塑料桶，高35cm、直径26cm，5个排水孔），每盆装土8kg，播种后覆土2kg。播种前每盆施入复合肥5.76g，拔节期追施氮肥1.5g；每盆播种16粒，于三叶期间苗，最终留8株苗。利用超低温人工气候培养箱（DGXM-1008型，宁波产，长×宽×高=1300mm×630mm×1305mm）进行低温模拟实验，空气湿度设置为70%，夜间光照为0Lx。

根据历年气象资料，倒春寒一般发生在3月下旬−4月上旬，此时正处于小麦幼穗分化的药隔期，药隔期是低温敏感时期，此时遭遇低温很容易发生冻害，引起光合速率的降低，最终导致作物产量的降低。于2021年3月21日选取植株长势基本一致的盆栽80盆小麦，于当日21：00移至超低温人工气候培养箱进行低温胁迫处理，培养箱内温度从自然大田常温（14℃）历时4h逐渐下降至4℃和−4℃两个低温处理温度，处理时间为1：00-5：00，连续低温处理4h，以低温处理期间大田环境平均温度10℃为对照(CK)；处理结束后，于5：00立即将盆栽移回大田原位置继续生长直至成熟。实验期间田间温度和处理温度变化如图1所示。

图1 实验期间大田气温（CK）和培养箱内温度变化过程（数据获取于2021年3月21-22日）

注：21：00−1：00从自然大田常温（14℃）逐渐下降至4℃、−4℃和大田环境平均温度10℃（CK）；1：00−5：00维持低温处理4℃、−4℃和大田环境平均温度10℃（CK）。

Note: 21:00−1:00: from ambient temperature (14℃) to 4℃, −4℃ and ambient environment average temperature 10℃(CK)；1：00−5：00: maintain low temperature treatment at 4℃, −4℃ and ambient environment average temperature 10℃(CK).

1.3 项目测定

1.3.1 叶片超微结构观察

低温处理完当天（2021年3月22日），选取一片主茎倒二叶叶片中部，避开主叶脉，切成1mm2的样块，迅速装入含有2.5%戊二醛固定液（pH7.2）的医用瓶中，用注射器抽气，直到样品悬浮于固定液为止，置4℃冰箱固定4h。固定的样品经0.1mol·L−1磷酸钠缓冲液清洗3次后，用1%四氧化锇(缓冲液同前)室温固定1.5h。材料经缓冲液清洗3次，梯度乙醇脱水，最后渗透包埋于Epon812中性树脂中，获得样品包埋块。包埋块用LKB-V超薄切片机切片，切片厚度60nm，超薄切片经醋酸双氧铀及柠檬酸铅染色后，用透射电镜（JEOL-1200EX，Japan）观察，每个处理随机测定3片[22]。

1.3.2 抗氧化酶活性、MDA和叶绿素含量测定

低温处理完当天（2021年3月22日）选择长势一致的小麦植株（每处理8盆），取小麦倒二叶用液氮冷冻后带回实验室置于−80℃冰箱中保存，用于测定抗氧化酶活性、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）和叶绿素含量。过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性采用愈创木酚比色法测定，超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑比色法测定，过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性采用过氧化氢法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定，小麦叶片叶绿素含量采用浸提法测定[23]。

1.3.3 光合参数

低温处理完当天（2021年3月22日）9：00- 11：00采用CIRAS-3便携式光合作用测定仪测定主茎倒二叶的净光合速率（Pn）和胞间CO2浓度（Ci），每个处理选择长势基本一致的3株测定光合参数。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件对数据进行整理并作图，用SPSS19.0软件对数据进行方差分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 药隔期低温胁迫对功能叶抗氧化酶活性和MDA含量的影响

低温胁迫增加了小麦功能叶抗氧化酶活性和MDA含量（图2），各处理与CK差异达显著水平。XM26低温处理（4°C和−4°C）功能叶SOD、POD、CAT酶活性和MDA含量较CK分别上升了25.64%、49.63%；23.29%、43.40%；48.68%、87.55%和10.00%、61.54%；YN19则分别上升了29.17%、52.23%；45.92%、55.88%；76.59%、110.39%和36.61%、39.93%。低温处理下YN19抗氧化酶活性的增幅大于XM26，MDA含量的增幅则相反，表明在低温胁迫下YN19具有较强的活性氧清除能力，其抗倒春寒性优于XM26。

图2 两品种小麦功能叶在不同温度处理下抗氧化酶和MDA含量的比较

注：小写字母表示同一品种不同处理间在0.05水平上的差异显著性。短线表示标准误。下同。

Note：Lowercase letters indicate the difference significance among different treatments at the level of 0.05. The bar is standard error. The same as below.

2.2 药隔期低温胁迫对小麦功能叶超微结构的影响

2.2.1 对叶肉细胞结构及其超微结构参数的影响

供试两品种小麦叶片叶肉细胞结构（图3）在正常温度处理（CK，约10℃）下功能叶叶绿体结构清晰，呈椭圆状，大多整齐排列在细胞壁附近，数量较多，细胞中央均有一个大液泡。经过4h的4℃低温胁迫后，两品种小麦叶绿体略微膨胀，不再整齐地紧靠细胞壁排列。−4℃低温胁迫后，XM26小麦叶片薄壁细胞变形，细胞内出现空泡化现象，大部分叶绿体双层膜结构消失，内含物外泄；YN19小麦叶片细胞开始变形，叶绿体排列位置混乱，部分叶绿体开始解体。可见，4h低温胁迫对小麦叶肉细胞结构造成破坏，而且对抗倒春寒性弱品种XM26叶肉细胞结构的破坏程度大于抗倒春寒强品种YN19。

供试两品种小麦功能叶叶绿体数和叶绿体面积随着低温胁迫加重呈下降趋势。由表1可知，XM26低温处理（4℃和−4℃）的叶绿体数和叶绿体面积较CK分别下降12.43%、24.97%和61.03%、77.79%，YN19则分别下降14.56%、22.94%和25.88%、61.90%；其中，叶绿体面积各处理间差异显著。此外，供试两品种小麦叶绿体长宽比随着低温胁迫的加重呈先下降后上升的趋势，且各处理与CK差异显著。

2.2.2 对叶绿体结构及其超微结构参数的影响

供试两品种小麦叶片叶绿体结构（图4）在正常温度处理（CK）下小麦叶片叶绿体基粒排列规则，基粒片层紧密，结构完整，跺叠整齐，沿叶绿体的长轴方向平行排列；其中，XM26小麦叶片的叶绿体内有少量嗜锇颗粒。4℃低温胁迫后，两品种小麦叶绿体略微膨胀，类囊体排列方向变得混乱，叶绿体内均出现嗜锇颗粒。−4℃低温胁迫后，XM26小麦叶片大部分叶绿体双层膜结构消失，叶绿体和基粒片层发生解体；YN19小麦叶片的叶绿体胀裂，内部出现空腔，双层膜结构消失，基粒片层松散。可见，低温胁迫对抗倒春寒性弱品种XM26叶绿体结构破坏程度大于抗倒春寒强品种YN19。

图3 两品种小麦功能叶在不同温度处理下叶肉细胞超微结构的比较

注：W为细胞壁，IS为细胞间隙，Ch为叶绿体，V为液泡，M为线粒体，N为细胞核，G为基粒，OG为嗜锇颗粒。下同。

Note: W is the cell wall, IS is the intercellular space, Ch is the chloroplast, V is the vacuole, M is the mitochondria, N is the nucleus, G is the grana, OG is the osmiophilic granule. The same as below.

表1 两品种小麦功能叶在不同温度处理下叶绿体结构参数的比较

注：表中数字为平均值±标准误。下同。

Note: The data is average ± standard error. The same as below.

图4 两品种小麦功能叶在不同温度处理下叶绿体超微结构的比较

由表2可知，供试两品种小麦叶片类囊体中的基粒数、基粒片层数以及基粒厚度随着低温胁迫程度加剧呈下降趋势，且低温胁迫处理均与CK差异显著。XM26低温处理（4℃和−4℃）的基粒数、基粒片层数和基粒厚度较CK分别下降了39.73%、55.12%，47.21%、57.71%和45.83%、50.00%，YN19则分别下降了37.11%、54.86%，43.09%、51.73%和18.18%、36.36%；与XM26相比，YN19的类囊体垛叠程度和基粒数更高，在逆境下维持捕获光能的能力更强，这与电镜下观察到的功能叶叶绿体超微结构变化一致。

表2 两品种小麦功能叶在不同温度处理下类囊体系统参数的比较

2.2.3 对线粒体结构的影响

由图5可见，供试两品种小麦功能叶线粒体在正常温度处理（CK）下呈椭圆形，双层膜结构明显，内部均匀分布着大量的嵴，嵴线清晰规则，线粒体多分布于两个叶绿体之间。4℃低温胁迫后，XM26小麦叶片的线粒体与CK处理相比无明显变化，YN19叶片的线粒体外膜开始变得模糊。−4℃低温胁迫后，XM26小麦叶片的线粒体肿胀呈圆形，线粒体膜及嵴模糊不清，YN19小麦品种叶片的线粒体的嵴线完全消失。

2.3 药隔期低温胁迫对小麦功能叶叶绿素含量的影响

由图5可见，随着低温胁迫程度加剧，供试两品种小麦功能叶叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）和Chla+Chlb含量均呈下降趋势。−4℃低温胁迫下，XM26较CK分别降低26.97%、27.39%、31.78%，YN19较CK分别降低34.36%、23.81%、26.91%，且均与CK差异达显著水平。

叶绿素a/b（Chla/Chlb）随着温度降低呈先升高后降低的趋势，供试两品种功能叶Chla/Chlb在4℃处理升至最高点，之后急速下降。说明Chlb对低温胁迫的响应速度快于Chla，但它的稳定性比Chla高；在低温胁迫下Chlb首先降解，这不利于叶片对光能的有效吸收，随着胁迫加重Chla也遭到破坏急速降解。

2.4 药隔期低温胁迫对小麦功能叶光合参数的影响

2.4.1 对净光合速率的影响

图7表明，药隔期低温胁迫显著降低功能叶Pn，低温胁迫后不同处理间差异均达显著水平，随着时间的推移各处理间差异逐渐减小。与CK相比，XM26在4℃和−4℃低温胁迫后当天的Pn值分别下降了31.84%、92.04%，YN19在4℃和−4℃则分别下降了17.42%、89.62%。可见，低温胁迫对XM26功能叶Pn影响大于YN19，这可能是因为XM26对低温更敏感。

图5 两品种小麦功能叶在不同温度处理下线粒体结构的比较

图6 两品种小麦功能叶在不同温度处理下叶绿素含量的比较

图7 两品种小麦功能叶在不同温度处理下净光合速率的比较

2.4.2 对胞间CO2浓度的影响

图8表明，药隔期低温胁迫显著增加小麦功能叶Ci。与CK相比，XM26在4℃和−4℃低温胁迫后当天的Ci值分别增加了116.30%、245.91%，YN19在4℃和−4℃则分别增加了130%、253.85%；低温胁迫结束后15d，YN19各低温胁迫的功能叶Ci恢复至接近对照水平，而XM26各低温胁迫处理的Ci仍与CK差异显著。可见，低温胁迫对XM26的Ci影响大于YN19，且后者用于恢复的时间要远少于前者。

图8 两品种小麦功能叶在不同温度处理下的胞间CO2浓度的比较

3 结论与讨论

3.1 讨论

低温胁迫下植物细胞膜结构最先受到伤害，膜系统受损与低温胁迫下植物体内积累大量活性氧（ROS）有关，同时植物体内合成SOD、POD、CAT等维持体内活性氧平衡，进而降低光合机构受损程度，使植物在逆境下仍能保持较高的光合速率[24−25]。作为膜脂过氧化最重要的产物，MDA含量的积累会对膜和细胞产生进一步的伤害[26−27]。本研究表明随着低温胁迫加深，两品种小麦开始积累大量MDA，同时抗氧化酶活性也在上升，表明此时小麦叶片细胞内活性氧与抗氧化系统间的平衡被打破，活性氧产生速度超过了抗氧化酶清除能力，MDA大量积累导致细胞膜原有结构和功能受到损害。

植物形态结构的完整性是维持植物生长发育和光合作用的前提，逆境胁迫下植物超微结构的变化是植物抗逆性的重要指标[28−30]。雷斌等[31]发现，在5℃低温下未包衣处理的棉花幼苗叶片叶绿体膨胀成圆球形，基粒片层结构松散，叶绿体在细胞内分布散乱，而线粒体等其它细胞器表现较为稳定。本研究发现，4℃低温胁迫下两小麦品种叶片叶绿体形状和结构与CK相比无明显改变，但叶绿体内出现标志其衰老的嗜锇颗粒；−4℃低温胁迫下部分叶绿体双层膜结构消失，基粒片层结构解体明显，该温度下叶绿体结构受损严重，影响其正常功能。付连双等[32]研究表明，与叶绿体相比，低温胁迫下线粒体更稳定，本实验与其研究结果一致，当叶绿体发生解体时，线粒体仅内嵴模糊仍能够保持完整结构。

叶肉细胞的结构决定光合能力强弱，其中叶绿体是高等植物光合作用的场所，叶绿体基粒片层紧密排列可提高叶片光合速率[33]。崔丽娜等[34]研究高温胁迫对夏玉米叶片超微构造的影响，结果表明高温胁迫下叶绿体数、叶绿体基粒数及基粒片层数减少，叶绿体面积及叶绿体长宽比变小，细胞内嗜锇颗粒增加，表明高温胁迫破坏了叶片的细胞结构，严重影响了叶绿体的捕光能力。本实验对小麦功能叶叶绿体结构和类囊体系统的相关参数进行统计分析发现，低温胁迫导致小麦叶绿体面积、类囊体基粒数、基粒片层数及基粒厚度均较对照处理显著降低，低温胁迫破坏叶绿体内部结构，降低类囊体垛叠程度，影响光能捕获能力，最终导致叶片光合能力显著下降。两品种间叶绿体数量和面积变化不一致，低温胁迫下XM26叶绿体数量和面积下降比率均远高于YN19，说明YN19叶绿体结构更加稳定，在胁迫下仍能保持比较密集的捕光结构。此外，在4℃低温胁迫下叶绿体长宽比呈下降趋势，与透射电镜下观察到低温胁迫后叶绿体由椭圆形膨胀成圆球状的结果一致，但−4℃低温胁迫下叶绿体长宽比回升，这可能是−4℃胁迫下叶绿体发生解体所致。

低温胁迫不仅改变植物形态结构，还会影响植物生理特性。叶绿素在光合作用中起到捕获、吸收和转化光能的作用，其含量与植物的光合能力密切相关[35]；徐若涵等[36]研究发现，草莓叶片Chla、Chlb和Chla+Chlb等光合色素随低温胁迫程度加深而大幅下降，表明轻度低温胁迫会抑制小麦功能叶叶绿素生物合成，随着胁迫加重叶绿体结构遭到不可逆的损伤，本研究结果与前人一致[37−38]。Chla/Chlb变化可以反映两种不同功能叶绿素对低温的敏感程度[39]，本研究中轻度低温胁迫下Chlb含量下降幅度大于Chla，表明轻度低温主要抑制叶片捕捉和传递光能的能力；随着胁迫加重，Chla含量迅速下降且降幅超过Chlb，这可能是因为重度低温胁迫破坏叶绿体结构，位于类囊体膜上叶绿素被分解破坏，无法再进行光化学反应；光合色素量的降低也是造成小麦光合速率降低的重要原因。Pn直接体现植物光合能力，低温胁迫下叶片Pn下降主要由气孔或非气孔因素导致，若Pn和Ci同时下降说明Pn下降是由气孔限制因素引起；反之则是由非气孔限制因素引起[40]。本研究表明，低温胁迫下小麦叶片Pn下降主要是由非气孔限制因素导致，低温破坏叶片光合器官，降低叶片光合酶活性，致使大量CO2积累于细胞间而无法及时被同化。

3.2 结论

（1）随着低温胁迫程度的加强，两品种小麦功能叶SOD、POD、CAT酶活性和MDA含量均呈上升趋势，表明低温胁迫打破了ROS代谢平衡，活性氧产生速度超过了抗氧化酶清除能力，MDA大量积累导致细胞膜原有结构和功能受到损害。

（2）低温胁迫下小麦叶肉细胞内叶绿体数和面积减小、基粒片层数量和厚度大幅下降，随着胁迫加重，细胞膜受到不同程度的损伤，基粒片层开始解体，导致小麦叶片光合作用减弱。

（3）两品种小麦随着低温胁迫的加强，Pn和叶绿素含量都显著下降，而Ci上升，表明叶片Pn下降主要是由非气孔限制因素导致，可能是因为低温下叶绿体结构遭到破坏，位于类囊体膜上叶绿素被分解，无法再进行光化学反应，光合反应中心受损严重，导致光合能力下降。

综上所述，药隔期低温胁迫主要通过破坏小麦叶片的细胞结构，导致其光合性能下降。

[1] 何中虎,庄巧生,程顺和,等.中国小麦产业发展与科技进步[J].农学学报,2018,8(1):99-106.

He Z H,Zhuang Q S,Cheng S H,et al.Wheat production and technology improvement in China[J].Journal of Agriculture, 2018(1):99-106.(in Chinese)

[2] 孙辉,欧阳姝虹,段晓亮.中国小麦品质的现状与挑战[J].粮油食品科技,2017,25(2):1-4.

Sun H,Ouyang S H,Duan X L.Wheat quality in China:statusandchallenges[J]. Science and Technology of Cereals,Oils and Foods,2017,25(2):1-4.(in Chinese)

[3] Pb A,Sm A,Ts A,et al.Climate change impact on plants:plant responses and adaptations[J].Plant Perspectives to Global Climate Changes,2022(1):1-24.

[4] 中国气象局气候变化中心.《中国气候变化蓝皮书(2021)》发布[M].北京:科学出版社,2021.

Climate change Center of China.Meteorological administration China climate change blue book(2021) released[M]. Beijing:Science Press,2021.(in Chinese)

[5] 柯媛媛,陈翔,张乐乐,等.药隔期低温胁迫对小麦干物质积累、转运和分配及产量的影响[J].安徽农业大学学报, 2021,48(5):701-706.

Ke Y Y,Chen X,Zhang L L,et al.Effects of low temperature stress at anther connective stage on dry matter accumulation,translocation and distribution and grain yield of wheat[J].Journal of Anhui Agricultural University, 2021,48(5):701-706.(in Chinese)

[6] 陈翔,林涛,林非非,等.黄淮麦区小麦倒春寒危害机理及防控措施研究进展[J].麦类作物学报,2020,40(2):243-250.

Chen X,Lin T,Lin F F,et al.Research progress on damage machanism and prevention and control measures of late spring coldnessof wheat in Huanghuai region[J].Journal of Triticeae Crops,2020,40(2):243-250.(in Chinese)

[7] 张乐乐,陈翔,柯媛媛,等.冬小麦抗倒春寒性能鉴定方法和指标的比较[J].中国农业气象,2021,42(2):146-157.

Zhang L L,Chen X,Ke Y Y,et al.An inclusive comparison of identification methods and indices of winter wheat tolerance against late spring coldness[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2021,42(2):146-157.(in Chinese)

[8] 张溪荷,刘荣花,李祯,等.低温胁迫对不同拔节进程冬小麦光合特性的影响[J].种业导刊,2019(7):6-12.

Zhang X H,Liu R H,Li Z,et al.Effects of low temperature stress on photosynthetic characteristics of winter wheat in different jointing processes[J].Journal of Seed Industry Guide,2019(7):6-12.(in Chinese)

[9] Ji H T,Xiao L J,Xia Y M,et al.Effects of jointing and booting low temperature stresses on grain yield and yield components in wheat[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2017,243:33-42.

[10] 李春燕,徐雯,刘立伟,等.药隔至开花期低温对小麦产量和生理特性的影响[J].麦类作物学报,2016,36(1):77-85.

Li C Y,Xu W,Liu L W,et al.Effect of short-time low temperature from anther connective stage to anthesis on wheat yield and physiological characteristics[J]. Journalof- TriticeaeCrops,2016,36(1):77-85.(in Chinese)

[11] 刘大同,邢潇悦,李东升,等.小麦穗分化不同阶段对低温胁迫的生理响应[J].江苏农业学报,2017,33(6):1212-1219.

Liu D T,Xing X Y,Li D S,et al.The physiological responses tolow temperature of wheat during young spike development[J].Jiangsu Journal of Agricultural Sciences, 2017,33(6):1212-1219.(in Chinese)

[12] 李晓林,白志元,杨子博,等.黄淮麦区部分主推冬小麦品种越冬及拔节期的抗寒生理研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2013,41(1):40-48.

Li X L,Bai Z Y,Yang Z B,et al.Cold resistant physiology of some main wheat varieties at wintering and jointing stages in Huanghuai area[J].Journal of Northwest A & FUniversity(Natural Science Edition),2013,41(1):40-48.(in Chinese)

[13] 罗鑫辉,刘明月,黄科,等.不同品种番茄幼苗低温适应性评价及光合特性分析[J].中国瓜菜,2021,34(8):49-55.

Luo X H,Liu M Y,Huang K,et al.Evaluation of low temperature adaptability and analysis of photosynthetic characteristics in different tomato varieties[J].China Cucurbits and Vegetables,2021,34(8):49-55.(in Chinese)

[14] Shah J M,Shirong G,Jin S,et al.Melatonin-mediated photosynthetic performance of tomato seedlings under high-temperature stress[J].Plant Physiology and Biochemistry, 2021,167:309-320.

[15] Zhang Y,Liu L Z,Chen X,et al.Effects of low-temperature stress during the anther differentiation period on winter wheat photosynthetic performance and spike-setting characteristics[J].Plants-Basel,2022,11(3):389.

[16] 张瑶,杨再强,姜雨函,等.低温寡照条件下黄瓜叶片光合作用减弱的机理分析[J].中国农业气象,2022,43(4): 285-294.

Zhang Y,Yang Z Q,Jiang Y H,et al.Mechanism analysis on the weakening of photosynthesis in cucumber leaves under low temperature and weak light conditions[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2022,43(4): 285-294.(in Chinese)

[17] Li X,Pu H,Liu F,et al.Winter wheat photosynthesis and grain yield responses to spring freeze[J].Agronomy Journal, 2015,107(3):1002-1010.

[18] 张磊,李国领,张建周,等.拔节期低温胁迫对小麦生理特性和产量的影响[J].河南农业科学, 2017,46(11):13-18.

Zhang L,Li G L,Zhang J Z,et al.Effects of low temperature stress on physiological characteristics and yield of two wheat varieties at jointing stage[J].Journal of Henan Agricultural Sciences,2017,46(11):13-18.(in Chinese)

[19] 何亚飞,李霞,谢寅峰.Rubisco与Rubisco活化酶的分子机理研究进展[J].分子植物育种,2017,15(8):3295-3301.

He Y F,Li X,Xie Y F.Advances in molecular mechanisms of rubisco and rubisco activase[J].Molecular Plant breeding,2017,15(8):3295-3301.(in Chinese)

[20] 侯伟,孙爱花,杨福孙,等.低温胁迫对西瓜幼苗光合作用与叶绿素荧光特性的影响[J].广东农业科学,2014, 41(13):35-39.

Hou W,Sun A H,Yang F S,et al.Effects of low temperature stress on photosynthesis and chlorophyll fluorescence in watermelon seedlings[J].Guangdong Agricultural Sciences, 2014,41(13):35-39.(in Chinese)

[21] Zheng J,Liu T,Zheng Q,et al.Identification of cold tolerance and analysis of genetic diversity for major wheat varieties in Jianghuai region of China[J].Pakistan Journal of Botany,2020,52(3):839-849.

[22] 于晶,周子珊,牟永潮,等.低温下不同抗寒性冬小麦叶片组织结构比较[J].东北农业大学学报,2010,41(4):7-12.

Yu J,Zhou Z S,Mou Y C,et al.Comparison of leaf tissue structure of different cold hardiness winterwheat varieties under low temperature[J].Journal of Northeast Agricultural University,2010,41(4):7-12.(in Chinese)

[23] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社,2000.

Li H S.Principles and techniques of plant physiological and biochemical experiments[M].Beijing:Higher Education Press, 2000.(in Chinese)

[24] 席凯鹏,席吉龙,杨娜,等.春季阶段性增温对小麦抗晚霜冻性和产量的影响[J].麦类作物学报,2021,41(5):632-639.

Xi K P,Xi J L,Yang N,et al.Effects of spring periodicalincreased temperature on wheat late-frost tolerance and yield[J].Journal of Triticeae Crops,2021,41 (5):632-639.(in Chinese)

[25] 王月,王鲁鑫,李浩天,等.不同磷水平下CO2浓度升高对番茄光合特性和抗氧化酶活性的影响[J].江苏农业科学,2022,50(12):163-167.

Wang Y,Wang L X,Li H T,et al.Influences of elevated CO2concentration on photosynthetic characteristics and antioxidant enzyme activities of tomato under different phosphorus levels[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2022, 50(12):163-167.(in Chinese)

[26] 葛君,姜晓君,任德超,等.低温胁迫对拔节期小麦抗氧化系统及光合能力的影响[J].天津农业科学,2021,27(9):5-9.

Ge J,Jiang X J,Ren D C,et al.Effects of low temperature stress on antioxidant system and photosynthetic capacity of wheat at jointing stage[J].Tianjin Agricultural Sciences, 2021,27(9):5-9.(in Chinese)

[27] 王晓楠,谢冬微,付连双,等.不同抗寒性冬小麦叶鞘质膜的稳定性表现[J].麦类作物学报,2013,33(3):477-482.

Wang X N,Xie D W,Fu L S,et al.Plasma membrane stability in leaf sheath of cold-area winter wheat with different cold resistance[J].Journal of Wheat Crops,2013, 33(3):477-482.(in Chinese)

[28] 聂小英,朱春晓,郑东升,等.遮光处理对草珊瑚光合特性及叶片解剖结构的影响[J].西北植物学报,2021,41(6): 995-1002.

Nie X Y,Zhu C X,Zheng D S,et al.Effects of shading treatment on photosynthetic characteristics and leaf anatomica structure of sarcandra glabr[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2021,41(6):995-1002.(in Chinese)

[29] Venzhik Y,Talanova V,Titov A.The effect of abscisic acid on cold tolerance and chloroplasts ultrastructure in wheat under optimal and cold stress conditions[J].Acta Physiologiae Plantarum,2016,38(3):63.

[30] Fan H,Jin M,Wang H,et al.Effect of differently methyl-substituted ionic liquids on Scenedesmus obliquus growth,photosynthesis,respiration, and ultrastructure[J]. Environmental Pollution,2019,250(4):155-165.

[31] 雷斌,李进,段留生,等.种衣剂对低温处理下棉花胚根及幼苗外部形态和超微结构的影响[J].中国农业气象,2017, 38(4):248-256.

Lei B,Li J,Duan L S,et al.Effects of seed coating agents on external morphology and ultrastructure of cotton radicles and seedings under low temprature treatment[J].Chinese Journal ofAgrometeorology,2017,38(4):248-256.(in Chinese)

[32] 付连双,王晓楠,王学东,等.低温驯化及封冻后不同抗寒性小麦品种细胞超微结构的比较[J].麦类作物学报,2010, 30(1):66-72.

Fu L S,Wang X N,Wang X D,et al.Comparison of cell ultrastructure between winter wheat cultivarsduring cold acclimation and freezing period[J].Journal of Triticeae Crops,2010,30(1):66-72.(in Chinese)

[33] 蔡树美,诸海焘,徐四新,等.日光温室黄瓜叶片功能性状对施氮量的响应[J].土壤通报,2019,50(4):940-945.

Cai S M,Zhu H T,Xu S X,et al.Different response of leaf functional traits of greenhouse cucumber to nitrogen input[J].Chinese Journal of Soil Science,2019,50(4): 940-945.(in Chinese)

[34] 崔丽娜,董树亭.不同氮肥处理下高温胁迫对夏玉米产量及叶片超微构造的影响[J].玉米科学,2020,28(1):92-97.

Cui L N,Dong S T.Effects of heat stress on grain yield and leaf anatomical structure insummer maize in different nitrogen fertilizer application[J].Journal of Maize Sciences, 2020,28(1):92-97.(in Chinese)

[35] 李秀,李刘龙,李慕嵘,等.不同小麦品种旗叶叶绿素含量、叶片显微结构及产量对花后遮光的响应机理[J].作物学报,2022(5):1-13.

Li X,Li L L,Li M R,et al.Effects of shading postanthesis on flag leaf chlorophyll content,leaf microstructure and yield of different wheat varieties[J].Acta Agronomica Sinica, 2022(5):1-13(in Chinese)

[36] 徐若涵,杨再强,申梦吟,等.苗期低温胁迫对“红颜”草莓叶绿素含量及冠层高光谱的影响[J].中国农业气象,2022, 43(2):148-158.

Xu R H,Yang Z Q,Shen M Y,et al.Effects of low temperature stress at seedling stage on chlorophyll content and canopy hyperspectral of "Hongyan" strawberry[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2022,43(2):148-158. (in Chinese)

[37] 葛君,刘震.低温胁迫对拔节期小麦光合色素、光合参数及叶绿素荧光特性的影响[J].山西农业科学,2021,49(11): 1253-1256.

Ge J,Liu Z.Effects of low temperature stress on photosynthetic pigments,photosynthetic parameters and chlorophyll fluorescence characteristics of wheat at jointing stage[J].Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2021,49(11):1253-1256.(in Chinese)

[38] 费立伟,初金鹏,郑飞娜,等.迟播对冬小麦灌浆后期高温胁迫下旗叶光合能力和产量的影响[J].麦类作物学报,2020,40(1):75-85.

Fei L W,Chu J P,Zheng F N,et al.Effects of delayed sowing on flag leaves photosynthetic capacity and grain yield of wheat under heat stress at late grain-filling stage[J].Journal of Triticeae Crops,2020,40(1):75-85.(in Chinese)

[39] 熊宇,杨再强,薛晓萍,等.遮光处理对温室黄瓜幼龄植株叶片光合参数的影响[J].中国农业气象,2016,37(2): 222-230.

Xiong Y,Yang Z Q,Xue X P,et al.Effect of shading on photosynthetic parameters in greenhouse cucumber leaves[J]. Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(2):222-230. (in Chinese)

[40] 高冠龙,冯起,张小由,等.植物叶片光合作用的气孔与非气孔限制研究综述[J].干旱区研究,2018,35(4):929-937.

Gao G L,Feng Q,Zhang X Y,et al.An overview of stomatal and non-stomatal limitations to photosynthesis of plants[J].Arid Zone Research,2018,35(4):929-937.(in Chinese)

Effects of Low Temperature Stress during the Anther Differentiation Period on Leaf Anatomical Structure and Photosynthetic Characteristics of Wheat

LIU Lv-zhou1, ZHANG Yan1, ZHANG Lin1, CAI Hong-mei1, YU Min1, WEI Feng-zhen1, CHEN Xiang1, LI Jin-cai1, 2

(1.College of Agronomy, Anhui Agricultural University/Crop cultivation Science Observatory in East China of the Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hefei 230036, China; 2.Collaborative Innovation Center of Modern Crop Production in Jiangsu, Nanjing 210095)

Two wheat varieties differing in spring cold-sensitivity Yannong 19 (YN19) and Xinmai 26(XM26) were used as experimental materials. During the anther differentiation period, two temperature treatments of 4℃ and−4℃were set up in the smart climate box. At the same time, the average temperature of the ambient temperature was 10℃ as the control (CK). After the treatment, effects of low temperature stress during the anther differentiation period on leaf anatomical structure and photosynthetic characteristics of wheat were observed. The results showed that: (1) low temperature stress during the anther differentiation period significantly increased the SOD, POD, CAT enzyme activities and MDA content of functional leaves of the two wheat varieties, and the CAT enzyme activity increased the most. Compared with CK, XM26 increased by 48.68% and 87.55% at 4℃ and −4℃, while YN19 increased by 76.59% and 110.39%, respectively. Overall, the increase in antioxidant enzyme activity of YN19 was greater than that of XM26, and it had a strong ability to eliminate reactive oxygen species. (2) Low temperature stress destroys the chloroplast structure of wheat functional leaves. Compared with CK, the chloroplast number and chloroplast area of XM264℃ and −4℃ decreased by 12.43%, 24.97% and 57.68%, 5.88%, respectively, and YN19 decreased by 14.56%, 16.69% and 25.88%, 61.90%, respectively. With the decrease of temperature (4℃→−4℃), the number and thickness of grana lamellae in the leaves of the two tested wheat varieties also decreased significantly, the cell membrane was damaged to different degrees, and the grana lamella began to disintegrate. (3) With the deepening of low temperature stress, the contents of chlorophyll a (Chla), chlorophyll b (Chlb) and Chla+Chlb of the two tested wheat varieties decreased, and XM26 decreased by 26.97%, 27.39%, 31.78% compared with CK under −4℃ low temperature stress, while YN19 decreased by 34.36%, 23.81%, and 26.91%, respectively, indicating that low temperature stress destroyed the internal structure of leaves and reduces chlorophyll content. (4) Compared with CK, the net photosynthetic rate (Pn) of functional leaves of wheat under low temperature stress decreased gradually, and the intercellular CO2concentration (Ci) increased gradually. The Pn of XM26 decreased by 31.84% and 92.04%, while that of YN19 decreased by 17.42% and 89.62% on the day of low temperature stress at 4℃ and −4℃, respectively, indicating that the decrease of Pn in wheat leaves was mainly caused by non-stomatal limiting factors. To sum up, the low temperature stress during the anther differentiation period will damage the wheat leaf function and reduce its photosynthetic capacity. Therefore, the cultivation and management measures should be strengthened in field production to improve the cold resistance of wheat and reduce the damage caused by late spring cold to wheat.

Wheat; Low temperature stress; Leaf anatomical structure; Photosynthetic characteristics

10.3969/j.issn.1000-6362.2023.01.006

刘绿洲,张妍,张林,等.药隔期低温胁迫对小麦功能叶超微结构及光合特性的影响[J].中国农业气象,2023,44(1):58-70

2022−03−08

安徽省自然科学基金（2008085QC122）；安徽省重大科技专项（202003b06020021）；“十四五”安徽省现代农业产业技术体系建设专项资金资助；淮北市重大科技专项（HK2021013）

李金才，教授，博士生导师，主要从事作物生理生态研究，E-mail:ljc5122423@126.com；陈翔，讲师，硕士生导师，主要从事作物生理生态研究，E-mail:cxagricultural@163.com

刘绿洲，E-mail：liulvzhou1284@163.com