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作物杂志,2022, 第1期: 154–160 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2022.01.023

• 生理生化·植物营养·栽培耕作 • 上一篇    下一篇

基于叶绿素荧光的小麦越冬期冻害评价

杨程(), 杜思梦, 张德奇, 时艳华, 李向东(), 邵运辉, 方保停, 王汉芳   

  1. 河南省农业科学院小麦研究所/小麦国家工程实验室/农业农村部黄淮中部小麦生物学与遗传育种重点实验室/农业农村部中原地区作物栽培科学观测实验站/河南省小麦生物学重点实验室,450000,河南郑州
  • 收稿日期:2021-01-13 修回日期:2021-05-07 出版日期:2022-02-15 发布日期:2022-02-16
  • 通讯作者: 李向东
  • 作者简介:杨程,主要从事作物逆境生理与光合作用研究,E-mail： luckytiger.com@163.com
  • 基金资助:
    河南省农业科学院优秀青年科技基金;国家自然科学基金(31601242)

Evaluation of Wheat Freezing Damage during Overwintering Period Based on Chlorophyll Fluorescence

Yang Cheng(), Du Simeng, Zhang Deqi, Shi Yanhua, Li Xiangdong(), Shao Yunhui, Fang Baoting, Wang Hanfang   

  1. Wheat Research Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences/National Laboratory of Wheat Engineering/Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic Breeding in Central Huang-Huai Region, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in Central Plains, Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Henan Provincial Key Laboratory of Wheat Biology, Zhengzhou 450000, Henan, China
  • Received:2021-01-13 Revised:2021-05-07 Online:2022-02-15 Published:2022-02-16
  • Contact: Li Xiangdong

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2

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140

摘要：

低温冻害是小麦生产中常见的自然灾害,目前小麦低温抗性的无损评价方法还非常有限。快速叶绿素荧光诱导动力学曲线包含了丰富的光合作用相关信息,是研究植物逆境胁迫的常用方法。通过筛选合适的叶绿素荧光参数来评价小麦的抗寒性,为小麦抗寒机理、越冬期管理和抗寒育种提供技术支持。通过调查越冬期冻害发生年份34个常用的叶绿素荧光诱导动力学参数与33个小麦品种冻害程度的相关性,筛选出与小麦冻害发生程度呈显著正相关的指标TRo/CSm,相关系数达到了0.636,相关性大于前人所用叶绿素荧光指标Fv/Fm。表明叶绿素荧光参数TRo/CSm可以用来评价小麦的抗寒性,该结果为冬小麦越冬期管理和抗寒育种提供了有力支持。

关键词: 小麦, 低温冻害, 抗寒性, 叶绿素荧光

Abstract:

Freezing damage is a common natural disaster in wheat production. At present, the methods for non-destructive evaluation of freezing damage of wheat are still very limited. Rapid chlorophyll fluorescence induction kinetics curve contains abundant information about photosynthesis, which is a common method to study environment stress. By screening suitable chlorophyll fluorescence parameters to evaluate the cold resistance of wheat, it provides technical support for the cold resistance mechanism, overwintering management and cold resistance breeding of wheat. In this study, by investigating the correlation between 34 commonly used chlorophyll fluorescence induction kinetic parameters and frost damage degree of 33 wheat varieties in the year of freezing injury occurrence in overwintering period, TRo/CSm was screened out as an indicator with significant positive correlation with frost damage degree of wheat, and the correlation coefficient reached 0.636, which correlation was better than the previous chlorophyll fluorescence index Fv/Fm. It indicates that the chlorophyll fluorescence parameter TRo/CSm can be used to evaluate the cold resistance of wheat. The findings of this study provided strong support for winter wheat overwintering management and cold resistance breeding.

Key words: Wheat, Freezing damage, Cold resistance, Chlorophyll fluorescence

表1

供试小麦品种

编号
Number		 品种
Variety		 编号
Number		 品种
Variety
1 碧玛1号Bima 1 18 矮抗58 Aikang 58
2 碧玛4号Bima 4 19 郑麦366 Zhengmai 366
3 阿夫Afu 20 周麦22 Zhoumai 22
4 阿勃Abo 21 郑麦7698 Zhengmai 7698
5 郑州7023 Zhengzhou 7023 22 矮丰3号Aifeng 3
6 丰产3号Fengchan 3 23 郑麦0856 Zhengmai 0856
7 郑州761 Zhengzhou 761 24 平原50 Pingyuan 50
8 西安8号Xi’an 8 25 葫芦头Hulutou
9 百农3217 Bainong 3217 26 大口麦Dakoumai
10 宝丰7228 Baofeng 7228 27 红和尚头Hongheshangtou
11 豫麦13 Yumai 13 28 西农6028 Xinong 6028
12 周麦9号Zhoumai 9 29 白玉皮Baiyupi
13 豫麦18 Yumai 18 30 偃展4110 Yanzhan 4110
14 豫麦49 Yumai 49 31 内乡5号Neixiang 5
15 郑麦9023 Zhengmai 9023 32 博爱7023 Boai 7023
16 兰考矮早8 Lankaoaizao 8 33 豫麦2号Yumai 2
17 周麦18 Zhoumai 18

表2

O-J-I-P曲线参数及计算公式

参数
Parameter		 计算方法
Method of calculation
Fm 暗适应后照光获得的最大荧光强度
Fo 叶绿素荧光诱导动力学曲线20μs的荧光强度
Fv 可变荧光,Fm-Fo
Area 叶绿素荧光诱导动力学曲线到Y轴的面积
t(Fm) 从暗适应后开始照光至达到最大荧光的时间
ϕPo ϕPo=Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm
Wk Wk=(F300μs-Fo)/(F2ms-Fo)
VJ VJ=(F2ms-Fo)/(Fm-Fo)
VI VI=(F30ms-Fo)/(Fm-Fo)
Ψo ψO=ETo/TRo=(1-VJ)
δRo δRo=(1-VI)/（1-VJ）
ϕEo ϕEo=ETo/ABS
ϕDo ϕDo=1-ϕPo
ϕRo ϕRo=ϕPo(1-VI)
Sm Sm=Area/(Fm-Fo)
Mo Mo=4(F300μs-Fo)/(Fm-Fo)
N N=SmMo(1/VJ)
ABS/RC ABS/RC=Mo(1/VJ)(1/ϕPo)
TRo/RC TRo/RC=Mo(1/VJ)
ETo/RC ETo/RC=Mo(1/VJ)ψO
DIo/RC DIo/RC=(ABS/RC)-(TRo/RC)
ABS/CSo ABS/CSo=Fo
TRo/CSo TRo/CSo=Fm
ETo/CSo ETo/CSo=φEo(ABS/CSo)
DIo/CSo DIo/CSo=(ABS/CSo)-(TRo/CSo)
RC/CSo RC/CSo=φPo(VJ/Mo)(ABS/CSo)
ABS/CSm ABS/CSm=Fm
TRo/CSm TRo/CSm=φPo(ABS/CSm)
ETo/CSm ETo/CSm=φEo(ABS/CSm)
DIo/CSm DIo/CSm=(ABS/CSo)-(TRo/CSo)
RC/CSm RC/CSm=φPo(VJ/Mo)(ABS/CSm)
PIabs PIabs=(RC/ABS)[φPo/(1-φPo)][ψO/(1-ψO)]
PItatal PItatal=(RC/ABS)[φPo/(1-φPo)][ψO/(1-ψO)][ϕRo/ABS(1-ϕRo)]
VIP VIP=1-VI

图1

2016-2017年度小麦生育期温度变化

图2

2016年11月1日至12月15日日最低气温频率分布图

表3

不同小麦品种越冬期冻害调查

编号
Number		 品种
Variety		 株高
Plant height
(cm)		 单株分蘖数
Tillers number
per plant		 单株叶片数
Leaves number
per plant		 单株受冻叶片数
Frozen leaves
per plant		 叶片冻伤率
Leaf frostbite
rate
1 碧玛1号 21.26±4.09 9.25±1.50 27.00±4.58 3.20±2.39 0.12±0.10
2 碧玛4号 21.24±3.04 7.40±1.14 23.00±5.87 2.80±1.10 0.13±0.06
3 阿夫 20.50±2.47 11.00±0.71 29.80±2.59 4.40±1.52 0.15±0.06
4 阿勃 26.80±2.49 7.00±1.58 23.80±4.92 6.40±0.89 0.28±0.05
5 郑州7023 31.56±2.07 7.20±1.48 24.40±2.88 7.20±2.28 0.29±0.07
6 丰产3号 16.40±1.08 8.60±1.52 30.00±6.28 3.00±1.22 0.10±0.05
7 郑州761 22.70±3.63 6.00±1.58 22.40±5.03 5.60±1.95 0.24±0.04
8 西安8号 23.50±1.00 9.00±2.24 26.40±6.80 5.00±2.00 0.19±0.07
9 百农3217 22.40±3.14 8.40±1.14 24.20±1.30 4.40±1.67 0.18±0.06
10 宝丰7228 22.30±3.77 8.80±0.84 26.40±1.52 6.80±1.30 0.26±0.05
11 豫麦13 18.90±1.52 8.80±0.45 25.00±2.65 3.80±1.10 0.15±0.05
编号
Number		 品种
Variety		 株高
Plant height
(cm)		 单株分蘖数
Number of tillers
per plant		 单株叶片数
Number of leaves
per plant		 单株受冻叶片数
Frozen leaves
per plant		 叶片冻伤率
Leaf frostbite
rate
12 周麦9号 21.76±2.94 8.20±1.64 23.20±4.71 5.40±1.14 0.24±0.05
13 豫麦18 23.70±2.36 8.80±0.45 25.00±2.65 3.80±1.10 0.15±0.05
14 豫麦49 22.10±1.78 6.80±2.05 26.80±6.30 7.00±1.87 0.27±0.05
15 郑麦9023 19.36±1.97 9.80±2.17 34.40±2.51 3.80±0.45 0.11±0.02
16 兰考矮早8 24.38±1.25 7.33±1.53 24.60±3.44 5.40±1.14 0.26±0.07
17 周麦18 27.56±1.64 7.60±2.51 21.80±5.93 5.00±1.41 0.24±0.07
18 矮抗58 20.60±1.08 7.40±1.14 23.00±5.87 2.80±1.10 0.13±0.06
19 郑麦366 24.40±1.67 8.80±0.45 25.40±3.21 5.00±2.00 0.19±0.06
20 周麦22 23.80±2.20 8.60±1.67 21.60±2.70 4.20±1.64 0.20±0.08
21 郑麦7698 23.24±2.37 7.60±1.52 25.60±6.31 3.20±0.84 0.13±0.04
22 矮丰3号 18.80±1.15 7.40±2.07 27.80±5.45 6.20±1.10 0.23±0.06
23 郑麦0856 18.76±2.95 11.00±1.41 30.40±3.21 5.40±1.14 0.18±0.05
24 平原50 21.80±1.60 8.80±0.45 28.80±3.56 3.80±0.84 0.13±0.02
25 葫芦头 16.90±2.53 8.80±1.79 34.40±3.85 1.60±0.89 0.05±0.02
26 大口麦 20.40±2.27 9.20±1.92 26.20±5.85 3.60±1.34 0.14±0.03
27 红和尚头 23.80±2.51 8.20±1.92 22.80±2.49 3.20±1.30 0.14±0.06
28 西农6028 20.90±3.01 7.20±1.30 27.20±3.19 2.60±1.34 0.10±0.05
29 白玉皮 17.90±3.47 9.40±4.34 32.40±4.83 1.80±0.45 0.06±0.01
30 偃展4110 23.70±2.36 7.80±1.64 24.20±2.77 8.60±2.07 0.35±0.06
31 内乡5号 28.50±1.94 6.00±0.71 16.80±2.05 6.60±2.30 0.41±0.17
32 博爱7023 26.30±1.60 6.60±2.79 32.60±5.41 4.80±1.30 0.15±0.05
33 豫麦2号 22.90±1.24 7.40±1.52 25.60±3.21 6.60±0.89 0.26±0.04
最大值Maximum 31.56 11.00 34.40 8.60 0.41
最小值Minimum 16.40 6.00 16.80 1.60 0.05
平均值Average 22.40 8.18 25.82 4.61 0.19
变异系数Coefficient of variation 0.15 0.15 0.15 0.37 0.43

图3

小麦品种叶片冻伤率频率分布直方图

图4

小麦叶片冻伤率和生长指标的相关性

表4

与小麦冻伤率相关性最强的7个荧光参数

相关性
Correlation		 参数
Parameter		 相关系数
Correlation coefficient		 P值
P value
正相关 TRo/CSm 0.636 0.000
Positive correlation Fm 0.604 0.000
ETo/CSm 0.601 0.000
RC/CSm 0.589 0.000
Fv/Fm 0.582 0.000
负相关 DIo/RC -0.492 0.004
Negative correlation ϕDo -0.582 0.000

图5

叶绿素荧光参数与小麦株高的相关性

[1] 杨程, 张德奇, 杜思梦, 等. 黑暗诱导衰老对不同年代冬小麦品种旗叶光系统Ⅱ功能的影响. 应用生态学报, 2018, 29(8):2525-2531.
[2] 慕臣英, 杨晓光, 杨婕, 等. 黄淮海地区不同冬春性小麦抗冻能力及冻害指标Ⅰ.隆冬期不同冬春性小麦抗冻能力比较. 应用生态学报, 2015, 26(10):3119-3125.
[3] 郭瑞, 周际, 杨帆, 等. 拔节孕穗期小麦干旱胁迫下生长代谢变化规律. 植物生态学报, 2016, 40(12):1319-1327.
doi: 10.17521/cjpe.2016.0107
[4] 汪敏, 王邵宇, 吴佳佳, 等. 花后阴雨对小麦籽粒淀粉合成和干物质积累的影响. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(1):76-85.
[5] Sumit P, Ali B M, Kelly R, et al. Understanding the genetic basis of spike fertility to improve grain number harvest index and grain yield in wheat under high temperature stress environments. Frontiers in Plant Science, 2019(10):1481-1481.
[6] 霍治国, 尚莹, 邬定荣, 等. 中国小麦干热风灾害研究进展. 应用气象学报, 2019, 30(2):129-141.
[7] 高翔, 聂彦文, 杨占平, 等. 小麦冬季低温冷害的预防与补救措施初探. 河南农业科学, 2017, 46(7):26-29.
[8] 刘蕾蕾, 纪洪亭, 刘兵, 等. 拔节期和孕穗期低温处理对小麦叶片光合及叶绿素荧光特性的影响. 中国农业科学, 2018, 51(23):4434-4448.
[9] 余徐润, 郝朵, 顾清钦, 等. 春季低温对小麦颖果发育的影响. 麦类作物学报, 2020, 40(7):796-805.
[10] 高芸, 张玉雪, 马泉, 等. 春季低温对小麦花粉育性及粒数形成的影响. 作物学报, 2021, 47(1):104-115.
doi: 10.3724/SP.J.1006.2021.01031
[11] 冯汉青, 赵玲, 庞海龙, 等. 低温胁迫下交替呼吸途径对小麦幼根生长及氧化压力的调节作用. 西北师范大学学报(自然科学版), 2020, 56(4):78-83.
[12] 蒋志春, 辛艳, 吕志梅, 等. 冬小麦抗寒性级别划分与鉴定试验. 天津农林科技, 2005(1):7-8.
[13] 赵瑞玲, 赵勇, 徐渴, 等. 室内冷冻法鉴定小麦抗寒性的研究. 植物遗传资源学报, 2019, 20(2):284-296.
[14] 郑冬晓. 不同冬春性小麦低温灾害指标和可种植界限变化研究. 北京:中国农业大学, 2019.
[15] 朱根海, 刘祖祺, 朱培仁. 应用Logistic方程确定植物组织低温半致死温度的研究. 南京农业大学学报, 1986(3):11-16.
[16] 姜丽娜, 张黛静, 宋飞, 等. 不同品种小麦叶片对拔节期低温的生理响应及抗寒性评价. 生态学报, 2014, 34(15):4251-4261.
[17] 乔玉强, 曹承富, 杜世州, 等. 淮北地区小麦主栽品种对低温胁迫的响应及抗寒性评价. 中国农学通报, 2018, 34(27):22-27.
[18] 姚永伟, 韩巧霞, 张奥深, 等. 不同冬小麦品种拔节期抗冻性差异及相关基因表达分析. 麦类作物学报, 2020, 40(12):1-6.
[19] 李桐, 付连双, 刘鑫, 等. 冬小麦抗寒性鉴定的低温处理方式和鉴定指标的研究. 麦类作物学报, 2019, 39(7):851-858.
[20] 彭静, 杨雪, 罗梦娜, 等. 喷施组合型生长调节剂对不同品种小麦冬前分蘖和生长及抗寒性的影响. 干旱地区农业研究, 2019, 37(1):137-143.
[21] 王瑞霞, 闫长生, 张秀英, 等. 春季低温对小麦产量和光合特性的影响. 作物学报, 2018, 44(2):288-296.
[22] Oukarroum A, Schansker G, Strasser R J. Drought stress effects on photosystem I content and photosystem II thermotolerance analyzed using Chl a fluorescence kinetics in barley varieties differing in their drought tolerance. Physiologia Plantarum, 2010, 137(2):188-199.
doi: 10.1111/ppl.2009.137.issue-2
[23] Zhang Z S, Yang C, Gao H Y, et al. The higher sensitivity of PSI to ROS results in lower chilling-light tolerance of photosystems in young leaves of cucumber. Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology, 2014, 137:127-134.
doi: 10.1016/j.jphotobiol.2013.12.012
[24] 金立桥, 车兴凯, 张子山, 等. 高温、强光下黄瓜叶片PSII供体侧和受体侧的伤害程度与快速荧光参数Wk变化的关系. 植物生理学报, 2015, 51(6):969-976.
[25] 张会慧, 龙静泓, 王均睿, 等. 不同种类盐胁迫对高梁幼苗生长及叶片光合机构功能的影响. 生态学杂志, 2019, 38(1):161-172.
[26] 王清坡 小麦越冬期黄苗干叶死棵原因及补救措施. 现代农业科技, 2015, 644(6):73-76.
[27] 刘冬梅, 贾筱文. 小麦黄苗弱苗形成原因及其防治对策. 陕西农业科学, 2013, 59(3):157-158.
[28] Yang C, Zhang Z S, Gao H Y, et al. Mechanisms by which the infection of Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) de Bary affects the photosynthetic performance in tobacco leaves. BMC Plant Biology, 2014, 14(1):240.
doi: 10.1186/s12870-014-0240-4
[29] 李鹏民, 高辉远, Strasser R J. 快速叶绿素荧光诱导动力学分析在光合作用研究中的应用. 植物生理与分子生物学学报, 2005, 31(6):559-566.
[30] Strasser R J, Tsimilli-Michael M, Qiang S, et al. Simultaneous in vivo recording of prompt and delayed fluorescence and 820-nm reflection changes during drying and after rehydration of the resurrection plant Haberlea rhodopensis. Biochimica et Biophysica Acta, 2010, 1797:1313-1326.
doi: 10.1016/j.bbabio.2010.03.008 pmid: 20226756
[31] 张旭, 杨培珠, 谢虹, 等. 苏洲小麦冻害相关性状与环境因子的数量关系. 天津农业科学, 2012, 18(6):1-4.
[32] 代立芹, 李春强, 姚树然, 等. 气候变暖背景下河北省冬小麦冻害变化分析. 中国农业气象, 2010, 31(3):467-471.
[1] 石雄高, 裴雪霞, 党建友, 张定一. 小麦微喷（滴）灌水肥一体化高产优质高效生态栽培研究进展[J]. 作物杂志, 2022, (1): 1–10
[2] 柏军兵, 王艳杰, 王德梅, 杨玉双, 王玉娇, 郭丹丹, 刘哲文, 常旭虹, 石书兵, 赵广才. 强筋小麦产量和品质对不同土壤条件及施氮水平的响应[J]. 作物杂志, 2022, (1): 167–173
[3] 张胜全, 叶志杰, 任立平, 高新欢, 王拯, 杨永利, 穆磊, 董艳华, 陈兆波. “十五”以来我国杂交小麦审定品种分析[J]. 作物杂志, 2022, (1): 38–43
[4] 宋全昊, 金艳, 宋佳静, 白冬, 赵立尚, 陈杰, 朱统泉. 人工合成六倍体小麦在黄淮麦区育种中的利用性评价[J]. 作物杂志, 2022, (1): 56–64
[5] 葛昌斌, 张宏套, 廖平安, 曹燕燕, 黄杰, 乔冀良, 郭春强, 王君, 秦素研, 张兰, 夏明聪, 程斌, 张立异. 贵协3号小麦衍生品种（系）的赤霉病抗性评价及农艺性状分析[J]. 作物杂志, 2022, (1): 96–101
[6] 苏文平, 王欢, 艾木拉姑丽·库尔班, 赵鑫琳, 薛丽华, 章建新, 刘俊, 孙诗仁. 北疆临冬播小麦品种间生育特性及产量比较[J]. 作物杂志, 2021, (6): 108–114
[7] 杨娜, 席吉龙, 王珂, 席天元, 张建诚, 姚景珍, 王健. 春季灌水对晋南晚播冬小麦产量和水分利用的影响[J]. 作物杂志, 2021, (6): 115–121
[8] 王奇, 李妹娟, 章家恩, 汤嘉欣, 曾文静, 周磊, 杨清心, 江明敏, 伍嘉源, 罗明珠. 稻鱼共作对水稻叶绿素荧光特征及产量的影响[J]. 作物杂志, 2021, (6): 145–151
[9] 郭明明, 王康君, 张广旭, 孙中伟, 李筠, 章跃树, 代丹丹, 陈凤, 樊继伟. 播期和行距互作对小麦籽粒产量和品质的调控[J]. 作物杂志, 2021, (6): 152–158
[10] 王欣, 王才. 不同播期和播种量对冬小麦生长特征和产量的影响[J]. 作物杂志, 2021, (6): 182–188
[11] 任文斌, 王倩, 吴翠翠, 谢三刚. F型小麦雄性不育系和SQ-1诱导的不育植株花粉形态电镜扫描观察[J]. 作物杂志, 2021, (6): 46–50
[12] 高甜甜, 王德梅, 王艳杰, 杨玉双, 常旭虹, 赵广才. 不同春小麦品种对氮肥处理的响应[J]. 作物杂志, 2021, (6): 67–71
[13] 吴鑫雨, 刘振洋, 李海叶, 郑毅, 汤利, 肖靖秀. 施氮和间作对蚕豆根瘤形成及氮素吸收累积的影响[J]. 作物杂志, 2021, (5): 120–127
[14] 段振盈, 徐新玉, 李星, 李在峰, 马骏, 姚占军. 12个主产区历史小麦品种抗叶锈病基因分析[J]. 作物杂志, 2021, (5): 20–27
[15] 王云, 乔玲, 闫素仙, 武棒棒, 郑兴卫, 赵佳佳. 山西省不同年代旱地小麦产量构成因素及抗旱性特征分析[J]. 作物杂志, 2021, (5): 43–49
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