乳熟期小麦喷施甜菜碱增产效果研究.doc

1、1乳熟期小麦喷施甜菜碱增产效果研究 生物技术专业 张泰指导教师 邱念伟摘要 目的 研究非逆境条件下叶面喷施甜菜碱对小麦的增产效果。 方法 在小麦乳熟期，给小麦叶片喷施 5、10、15、20 mM 甜菜碱。结果 喷施甜菜碱的叶片叶绿素含量增加，叶片衰老减缓，蛋白质降解速度显著降低，可溶性糖和 MDA 含量上升速率也都减缓，延缓光合作用减弱。千粒重结果显示，4 种浓度的甜菜碱均有一定的增产效果。结论 小麦乳熟期叶面喷施甜菜碱可增产，其中喷施 10 mM 浓度增产效果最好，增产率可达 15.08%。关键词: 小麦；甜菜碱；叶面喷施；乳熟期；增产The study on increasing yiel

2、d by foliar-application betaine to wheat during milkstageStudent majoring in biotechnology ZHANG TaiTutor QIU Nian-weiAbstract Objective The study aimed to analyze the effects of foliar-application betaine on increasing yield of wheat. Method Wheat were sprayed with 5/10/15/20 mM betaine during milk

3、stage. Results The leaves spraryed with betaine had more chloryphyll and aged more slowly, protein degradation speed significantly reduced, soluble sugar and MDA content increased rate are slow,delay photosynthesis abate.The results of 1000-grain weight showed that all concentrations of betaine can

4、increase yield of wheat. Conclusion Foliar-application betaine to wheat could increasing yield during the milkstage. Among the different concentrations of betaine, 10 mM had biggest yield, increase yield rate was 15.08%. Keywords: Wheat; betaine; foliar-application; milkstage; increase yield0 引言小麦属于

5、禾本科小麦属单子叶植物，是一种温带长日照植物，种植范围十分广泛。在华北地带栽种的冬小麦，秋季1011月播种，翌年56月成熟，生育期在180天左右。当地的气候环境对产物形成过程的影响是十分重要的。光合作用对小麦的产量起着决定性的作用，但是在小麦的生长过程中常常遇到干旱或盐胁等情况,这些情况降低了小麦叶片的叶绿素含量,从而降低了小麦的光合作用。小麦的光合作用不仅与外界环境条件有关，还与自身的生理结构特点、光合色素含量、各种酶的活性情况等因素密不可分 1。对于通过增强光合速率和延长光合时间的方法来增加产量，目前已经采取的一些农业措施如提高复种指数，如补充人工光照，增加二氧化碳浓度、抗光呼吸及叶片追肥

6、等都已取得一定的增产效果。但在这些农业措施中延长生育期和增强叶片自身光合能力的措施研究较2少，还没有取得行之有效的方法。有文献报道甜菜碱参与细胞的渗透调节,能提高植物抗逆性。喷施甜菜碱这种有机保护物质，可以增强叶片抗逆性，维持和提高叶片的光合能力 2。渗透保护物质的抗逆功能已经得到广泛证实，但它们是否具有延缓叶片衰老和增产作用还没有报道。小麦是世界产量第二的粮食作物，在我国小麦的种植遍及全国各地，为我国主要的粮食作物之一。因此，提高小麦产量具有重要的社会经济价值。小麦叶片是进行光合作用的主要器官，不仅是营养生长的基础，也是生殖生长的关键。所以延缓叶片衰老、延长叶片的功能期，维持持续光合作用制造

7、更多的光合产物，并促进光合产物的输出对提高小麦产量和品质具有重要意义。本研究的重要意义 小麦的籽粒形成阶段是其经济产量形成的关键时期，籽粒的营养成分来自于叶片的光合作用，所以这一时期小麦叶片的光合能力的大小及光合时间的长短对小麦产量至关重要。前人研究进展 1975 年，Storey 等 3最早发现许多禾本科和藜科植物适应盐或水分胁迫的有效方式是积累一种无毒的季胺化合物甜菜碱。甜菜碱作为植物细胞中一种常见的渗透保护物质，备受前人关注 48。甜菜碱在逆境条件下，对生物大分子和生物膜具有保护作用，可以显著提高作物的抗逆能力，在作物逆境生物学方面研究较多 4, 9。本研究切入点 小麦的籽粒形成阶段经常

8、出现干旱、高温、强光、干热风等不良环境，对叶片的光合能力有很大影响，并影响小麦产量。另外，小麦的籽粒形成期较短，仅有 1 个月左右，乳熟期结束后就立即进入快速衰老阶段。如果通过农业措施，减缓叶片衰老过程，延长小麦籽粒灌浆期，将是增加小麦产量的重要途径之一。拟解决的问题 喷施甜菜碱，将有助于增强作物叶片的抗逆性，维持叶片的光合功能，有利于提高作物产量。另外，有文献表明，甜菜碱可以清除自由基，氧自由基是植物衰老的元凶，喷施甜菜碱也将有助于延缓植物的衰老 9，延长叶片的功能期。由此，喷施甜菜碱可以达到增产的目的，但相关研究还未见报道。本文以小麦为材料，对喷施甜菜碱的增产效果进行了初步研究。1 材料与

9、方法1.1 实验材料的处理将试验田中的乳熟期的小麦（Triticum aestivum L. 山农 D040） ，按照拉丁方设计分成若干小区，每个小区采取不同的处理。在 5 月中旬开始喷施甜菜碱，喷施浓度为5、10、15、20 mM。对照组喷施蒸馏水。每 2 天喷施 1 次，共喷施 5 次。喷施后测定小麦叶片的生理指标。6 月初小麦收获后，测定小麦千粒重，分析增产效果。1.2 测定方法1.2.1 小麦千粒重的测定将小麦 50烘干至恒重，将种子随机取 5 份，每份 1000 粒种子，测定千粒种子的重量。1.2.2 叶片光合参数的测定叶绿素荧光是探测植物叶片光合能力的灵敏探针，将小麦叶片暗适应30

10、min后，用Handy PEA ( Plant Efficiency Analyser；Hansatech Instrument Ltd., UK)测定旗叶的最大光化学效率（Fv/Fm），用来表示小麦叶片的光合能力，每个处理10个重复。1.2.3 叶绿素的提取与含量的测定以小麦旗叶为材料，测定叶绿素含量，叶绿素的提取与含量测定参照张其德 1985 年的方法，用 80%的丙酮提取叶绿素 10，每个处理 5 个重复。1.2.4 可溶性糖和 MDA 含量的测定可溶性糖和 MDA 用 10%三氯乙酸（TCA）提取，含量测定参照赵世杰等(1994)的方法 11。31.2.5 叶片蛋白质含量的测定蛋白质含

11、量测定参考 Bradford 1976 年的方法，以牛血清白蛋白作为标准，每个处理测定 5 个重复。1.2.6 光合速率的测定二氧化碳同化速率（Net CO 2 assimilation rate，Pn）采用英国 PP system 公司的 Ciras-2 型光合测定系统测定。测定条件为：二氧化碳浓度 360 molmol-1、湿度 80，光照 1200 molm-2s-1，温度30。光合速率每天上午 9 点至 11 点测定，每个处理测定 5 个重复。2 结果与讨论2.1 喷施不同浓度甜菜碱的小麦旗叶叶绿素含量变化5 月中旬，小麦已经达到“多半仁” ，叶片的光合功能达到最强。此时叶面喷施甜菜碱

12、 5 次，1 次/2 天。第 10 天时，小麦已经开始进入蜡熟期，此时测定叶片叶绿素含量，结果显示：对照叶片叶绿素含量已经开始下降，比喷施前下降了 9.76%；而喷施甜菜碱的叶片叶绿素含量均没有下降，而且比喷施前叶绿素含量还要高，比处理前分别上升1.35%、 8.82%、4.47%、 5.59%。叶绿素含量是判断叶片功能的重要指标，以上结果说明对照小麦叶片已经开始衰老期，而喷施甜菜碱可叶片衰落期被延缓，其中喷施 10 mM 甜菜碱效果最佳。0.001.002.003.004.005.006.007.00CK 5 10 15 20喷 施 甜 菜 碱 浓 度 （ mM）Betaine concen

13、tration (mM)叶绿素含量(mg/gFW)Chlorophyll content(mg/gFW) 处 理 前 处 理 后图 1 喷施不同浓度甜菜碱的小麦旗叶叶绿素含量变化2.2 喷施不同浓度甜菜碱的小麦旗叶最大光化学效率的变化所有高等植物正常叶片的最大光化学效率（Fv/Fm）都在 0.830 左右，从图 2 可以看出，喷施前，小麦叶片 Fv/Fm 接近健康值，但 10 天后，叶片的 Fv/Fm 均开始下降，不过喷施甜菜碱的小麦叶片下降幅度小于对照叶片。对照旗片的 Fv/Fm 下降了0.028，5、10、15、20mM 甜菜碱处理的小麦旗叶的 Fv/Fm 分别下降了0.024、0.014

14、、0.022、0.022。说明甜菜碱减缓旗叶光合功能的下降，喷施 10 mM 甜菜碱的小麦旗叶衰老最慢。40.500.600.700.800.900 5 10 15 20喷 施 甜 菜 碱 浓 度 （ mM）Betaine concentration (mM)PSII最大光化学效率（Fv/Fm）maximal efficiency of PSII处 理 前 处 理 后图 2 喷施不同浓度甜菜碱小麦旗叶 PSII 最大光化学效率(Fv/Fm)的变化2.3 喷施不同浓度甜菜碱的小麦千粒重图 3 结果显示，乳熟期叶片喷施 5、10、15、20 mM 的甜菜碱均能使小麦增产，千粒重分别为对照的 107

15、.94%、115.08%、113.41%、109.0%。其中 10 mM 为最佳增产浓度。0.08.016.024.032.040.048.056.00 5 10 15 20喷 施 甜 菜 碱 浓 度 （ mM）Betaine concentration (mM)千粒重(g)1000-grainweight (g)图 3 喷施不同浓度甜菜碱的小麦千粒重2.4 喷施不同浓度甜菜碱的小麦旗叶可溶性糖、MDA 含量变化植物器官在逆境条件或衰老时，往往发生膜质过氧化作用，可溶性糖、丙二醛（MDA ）是该过程的两种主要产物，通常将其作为膜质过氧化指标，用于反映细胞膜质过氧化程度和植物对逆境反应的强弱 1

16、2。统计分析图 4-A、B 可得出，甜菜碱相对浓度为 5mM、10mM 对孕穗期小麦的抗衰老作用最为显著。5A0.010.020.030.040.050.060.070.080.090.0CK 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 （ mM）可溶性糖含量（mol/gFW）处 理 前处 理 后 B0.01.02.03.04.05.06.07.08.0CK 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 （ mM）MDA含量（nmol/gFW）处 理 前处 理 后图 4 喷施不同浓度甜菜碱条件下小麦旗叶可溶性糖、MDA 含量变化2.5 喷施不同浓度甜菜碱的小麦旗叶蛋白质降解速率小麦处于乳

17、熟期时，旗叶蛋白质会逐渐降解，其降解速率会随着时间的延长而呈现一定的变化规律 13。图 5 显示了不同浓度甜菜碱条件下小麦旗叶蛋白质降解速率的变化情况。统计分析可知，叶面喷施甜菜碱，不同浓度条件下小麦旗叶蛋白质降解速率有减缓趋势，与对照组相比，5mM、10mM、15mM、20mM 处理小麦 4 天后，蛋白质降解速率分别缓解了 1.20%、2.40%、2.53%、3.73% ，处理 8 天后对应缓解百分率为5.22%、 9.14%、6.52%、5.22% ，继续处理直到第 12 天，4 种浓度甜菜碱对旗叶蛋白质降解缓解率分别为 7.12%、14.71%、8.63%、5.60%。综合分析得出，甜菜

18、碱浓度为10mM 时，蛋白质降解速率最低，缓解效果最明显，该浓度甜菜碱在整个处理过程中的缓解效果高达 28.19%。由此可知，甜菜碱对于延缓乳熟期小麦旗叶蛋白质降解具有显著作用，同时也间接说明了甜菜碱具有增产效果。 C0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.00 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 （ mM）蛋白质含量（mg/g）处 理 前4天 后8天 后12天 后图 5 喷施不同浓度甜菜碱条件下蛋白质降解速率2.6 喷施不同浓度甜菜碱的小麦旗叶光合能力变化乳熟期小麦旗叶逐渐衰老，其光合能力也随之而减弱。小麦的产量和品质主要取决于该时期光合能力的强弱，如叶片光合作

19、用的时间相对延长，光合效率提高，则制造的光合产物量明显增加，小麦籽粒从叶片吸收的营养物质也随之增加 14。这一时期小麦主要依靠旗叶进行光合作用，本文分析了喷施不同浓度甜菜碱对小麦叶片光合作用的影响。对于甜菜碱处理后，小麦旗叶净光合速率（Pn） 、蒸腾速率（Tr） 、细胞间隙 CO2 浓度（Ci ）和气孔导度（Gs ）的变化均有所下降，但与对照组相比，10mM 的甜菜碱具有减缓四个指标下降趋势的作用。分析图 6 可得，对照组光合指标下降百分率分别为611.07%、11.19%、11.23% 、11.06% ，喷施 10mM 的甜菜碱 12 天后，小麦旗叶Pn、Tr、Ci、Gs 下降的相对缓解率分

20、别为 57.97%、87.72% 、58.01%、58.23%。由此表明，10mM 的甜菜碱对于维持乳熟期小麦旗叶光合能力的稳定，延缓光合作用减弱具有明显效果。A0.01.02.03.04.05.06.00 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 （ mM）Pn（mol CO2m-2s-1）处 理 前处 理 后B0.00.20.40.60.81.01.21.41.60 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 (mM)Tr（mmol H2Om-2s-1）处 理 前处 理 后C0501001502002503003504000 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 (mM

21、)Ci（molmol-1）处 理 前处 理 后D01020304050607080900 5 10 15 20甜 菜 碱 相 对 浓 度 （ mM）Gs(mmol H2Om-2s-1)处 理 前处 理 后图 6 喷施不同浓度甜菜碱条件下小麦旗叶净光合速率（Pn） 、蒸腾速率（Tr ） 、细胞间隙 CO2 浓度（Ci）和气孔导度（Gs）的变化3 讨论外源甜菜碱的喷施，使细胞内甜菜碱浓度增加，有利于稳定生物大分子的结构和功能15。尤其细胞内酶的结构和活性，也可能是参与稳定叶片光合放氧复合物和光系统 II 外周多肽的结构，有利于叶片光能的捕获和转换，从而维持光合能力；同时甜菜碱很容易被小麦吸收，较于

22、根施法更为高效迅速，避免了土壤中微生物分解的不利因素 16,17。赵博生等 2000 年曾做过根施甜菜碱对干旱/盐胁迫下的小麦幼苗生长和功能的改善，他们的实验说明外源甜菜碱有利于植物对光能的捕获和转换明显促进植物生长，降低干旱/盐胁迫对植物的抑制作用（外源甜菜碱对干旱/盐胁迫下的小麦幼苗生长和功能的改善，赵博生等，2000） 。这是由于外源甜菜碱的喷施增加了植物细胞的渗透调节能力，保持了细胞的水分，避免遭受胁迫伤害，或者由于外源甜菜碱的喷施，使细胞内甜菜碱浓度增加，有利于稳定生物大分子的结构和功能（Papageorgion et al,1995;Santoro et al,1992；侯彩霞等，

23、1997） ，尤其细胞内酶的结构和活性，也可能是参与稳定叶片光合放养复合物和光系统 II 外周多肽的结构（Hou et al，1997；Kalosaka and Papageorgion，1992； Murata et al，1992 ） ，有利于叶片光能的捕获和转换，增强光合作用，促进植物的生长。甜菜碱7很容易被小麦吸收,本实验也是采用喷施外源甜菜碱，与赵博生等的实验不同的是本实验采用的是叶面喷施法，而不是根施法，相较于根施法更为高效迅速，同时避免了土壤中微生物分解的不利因素。本实验结果显示叶面喷施 5、10、15、20mM 甜菜碱都能增加小麦的叶绿素含量(图 1)，以此推测叶片喷施甜菜碱能

24、够增加植物的光合作用能力。有文献报道甜菜碱可诱导脯氨酸、可溶性糖等相容性物质的合成。这些渗透调节物质的合成，一方面能降低细胞渗透势，增强细胞的吸水能力，以维持细胞膨压；另一方面能稳定膜、蛋白复合体等生物大分子的结构和功能。所以本实验结果与赵博生等 2000 年的实验有相同性，又从另外一个角度证明了喷施甜菜碱能够增加植物的光合作用能力。小麦千粒重结果显示，喷施甜菜碱，不仅能增强小麦抗逆性、延缓小麦旗叶的衰老，还能维持叶片的光合能力，通过额外的光合作用制造更多的光合产物，小麦籽粒饱满，营养物质更丰富，所以甜菜碱增产效果显著。喷施 10mM 的甜菜碱，小麦旗叶光合作用持续稳定维持能力最显著，蛋白质降

25、解缓解率高达 28.19%。最终筛选出最佳增产效果为10 mM 的甜菜碱，该浓度的甜菜碱明显延缓小麦衰老，提高叶片的光合能力，延长小麦生育期 6-7 天，增产 15.08%。在 10mM 的甜菜碱处理下小麦的叶绿素、Sm、Rc/CS、ETo/CS 增加，但 Fv/Fm 变化不明显，说明传递中心递电体传递电子的能力没有改变；Sm 增大，说明小麦叶片的质体醌库增大，从而传递电子的效率提高；Rc/CS 增加，说明叶面喷施甜菜碱增加了单位叶面积反应中心的数目；ETo/Cs 也增大，说明单位激发态横切面用于电子传递的能量增大，使叶片吸收的全部光能用于化学能的比例增大。由此可以推测出 ABS/Cso 和

26、TRo/Cso 都是增大的（ABS/Cso 和 TRo/Cso 分别表示单位激发态横切面刚开始吸收的能量和单位激发态横切面被反应中心吸收的能量） 。通过分子机制的阐释，从反面证明了叶面喷施甜菜碱对小麦增产的必然性。4 结论很多实验证明，甜菜碱不仅能够提高作物在逆境下的光合能力 18，还能够提高正常生长条件下叶片叶绿素的含量 19。虽然小麦自身也可以合成甜菜碱 20，但体外增加甜菜碱可以提高其耐盐性性、耐旱性、抗氧化等多种抗逆能力 9,21,22。本文研究结果表明，小麦乳熟期叶片喷施甜菜碱不仅可以保护叶绿素，还可以减缓小麦生长后期叶片光合功能的降低速度，从而达到延缓衰老，增加产量的效果。其中喷施

27、 10mM 甜菜碱增产效果最佳。叶面喷施甜菜碱提高小麦灌浆至成熟期对干旱、高温、强光、干热风等不良的抵抗能力，也是小麦增产的重要原因之一。参考文献1 Waditee R, Bhuiyan M N H, Rai V, Aoki K, Tanaka Y, Hibino T, Suzuki S, Takano J, Jagendorf A T, Takabe T. Genes for direct methylation of glycine provide high levels of glycinebetaine and abiotic-stress tolerance in Synechoco

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30、ect methylation of glycine provide high levels of glycinebetaine and abiotic-stress tolerance in Synechococcus and Arabidopsis. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2005, 102: 1318-1323.86 Zhu J K, Hasegawa P M, Bressan R A. Molecular aspects of osmotic stress in plants. Critical Rev

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