CN110574645B - 丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及种植技术领域，具体涉及丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用。具体为：采用根施方式施用含有丙酸的溶液，所述含有丙酸的溶液中的丙酸的浓度为15 mmol·L^‑1。本发明中利用15mmol·L^‑1的丙酸处理后的小麦叶绿素含量比0.25mmol·L^‑1的丙酸处理的高约3.9μg/g，提高了约26%；15mmol·L^‑1的丙酸处理后的小麦生物量比0.25mmol·L^‑1的丙酸处理的高了约1.2g，提高了约35%；15mmol·L^‑1的丙酸处理后的小麦叶片相对含水量比0.25mmol·L^‑1丙酸处理的高了约40%；另外使用15mmol·L^‑1的丙酸可以降低小麦电导率和MDA含量，提高脯氨酸的含量，提高大田产量。利用丙酸处理后的小麦，水分利用效率和抗旱性均有提高，利用丙酸处理小麦幼苗是一种成本低廉、操作简单的提高小麦幼苗抗旱性的化学调控方法。

Description

丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用

技术领域

本发明涉及种植技术领域，具体涉及丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用。

背景技术

小麦是我国主要的粮食作物之一，种植面积非常大，且有70%分布于干旱和半干旱地区，在我国，小麦的年产量占所有粮食作物总产量的22%。保证小麦高产优质的重要条件之一就是要有充足的水分供应，在各种逆境因子中，干旱已成为影响小麦生长发育和限制小麦产量进一步增加的主要因素，据统计，每年全球小麦因为自然干旱缺水造成的减产量就达10%～20%左右，由于干旱的频繁发生，植物体自身发生的生理反应已经不足以能够适应或抵御干旱胁迫，因此，开展小麦节水抗旱理论与技术研究，研究植物在干旱胁迫下的生理反应和作用机制，提高小麦的水分利用效率和抗旱性已成为当代农业急需解决的关键问题之一，这对小麦的高产优质是非常有必要的。

外源物质对小麦抗旱性及其生理机理的研究已成为目前作物逆境生理研究的重点研究区域。如利用腐殖酸作为外源物质进行小麦抗旱性研究，赵文才等（赵文才,李慧,赵会杰,等. 外源腐胺对干旱胁迫下小麦叶片渗透调节的影响[J]. 中国农学通报,2009,(09):148-151.）试验表明，干旱胁迫下加入外源腐胺，能够使冬小麦幼苗中叶片相对含水量RWC降幅减少、质膜透性升高幅度和MDA含量上升幅度降低、叶片抗氧化酶的活性及渗透调节物质含量增加。但是(1)腐殖酸本身就是一种污染物，是许多水体有害化学物质的先驱物，而且在一定条件下可溶于水。(2)腐殖酸的提取成本较高，极大地限制了其在农业和其他行业中的应用。也有研究表明（赵翔,王棚涛,闻玉,等. 外源NO提高小麦幼苗抗旱性的生理机制[J]. 西北植物报,2008,(10):2028-2034.），干旱条件下，外源NO一方面通过降低小麦叶片的蒸腾失水，使小麦茎叶中的相对含水量维持在正常的水平，缓解干旱胁迫对小麦植株造成的伤害，另一方面能够增加K+在茎叶中的积累，从而提高小麦的光合速率和抗旱性。但是NO提取储存不易，应用于大田比较困难。有研究表明（董永华,史吉平,李广敏,等.ABA和6-BA对水分胁迫下小麦幼苗CO₂同化作用的影响[J]. 作物学报,1997,(04):501-504.），在正常条件下和干旱胁迫下，外施脱落酸（ABA）均可提高小麦幼苗的磷酸核酮糖羧化酶、丙酮酸羧化酶和丙酮酸磷酸双激酶的活性，提高光合速率，外施ABA还会增加植株体内ABA浓度，提高体内可溶性蛋白含量，ABA的浓度直接影响植株体内可溶性蛋白发生积累的时间和积累速度，同时能够明显缓解干旱胁迫对小麦生长的抑制作用，增加大田小麦的产量，但脱落酸是强光分解化合物，田间施用时，遇强光分解降低药性；脱落酸作为植物激素，参与植物的多种生理活动，因此，使用脱落酸为主成分的化学制剂开发时应注意与其他物质的合理配制，以防止制剂互作对作物产生伤害。

发明内容

本发明为提高小麦的水分利用效率和抗旱性，提供一种成本低廉、操作简单的化学调控方法。

本发明具体采用以下技术方案：

本发明依据小麦的祖先粗山羊草在干旱与正常水分条件下的代谢物差异筛选出丙酸为差异代谢物。筛选过程如下：

以16个普通小麦品种及其亲缘种为材料，采用室内盆栽的方法，根据生物量和叶绿素含量等指标，筛选出了抗旱性最强的材料为粗山羊草。采用代谢组学方法，运用GS-MS技术，比较了粗山羊草干旱处理与正常水分条件下叶片中代谢物质的差异，共筛选并鉴定出38种差异代谢物质，与正常水分条件下相比，有16种物质增加，22种物质减少。从差异代谢物中挑选出丙酸。

丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用，具体为：采用根施方式施用含有丙酸的溶液，所述含有丙酸的溶液中的丙酸的浓度为15 mmol·L^-1。

进一步的，室内栽培小麦时，在小麦三叶一心期时施用含有丙酸的溶液，以提高小麦苗期抗旱性。

更进一步的，所述含有丙酸的溶液为含有丙酸的营养液。

进一步的，所述营养液各成分的浓度为：2 mmoL·L^-1Ca(NO₃)₂，0.75 mmol·L^{- 1}K₂SO₄，0.25 mmoL·L^-1KH₂PO₄，0.65 mmoL·L^-1MgSO₄，2 μmoL·L^-1MnCl₂，30 μmoL·L^{- 1}FeCl₃，25 μmoL·L^-1H₃BO₃，2 μmoL·L^-1ZnSO₄，0.5 μmoL·L^-1CuSO₄，0.1 μmoL·L^-1 (NH₄)₆Mo₇O₂₄。

进一步的，大田栽培小麦时，在小麦开花期施用含有丙酸的溶液，以提高小麦灌浆期抗旱性。开花期是大田作物吸收利用外源物质最好的时期，所以选择该时期进行根施含有丙酸的溶液。

更进一步的，所述含有丙酸的溶液为丙酸水溶液。

进一步的，大田栽培小麦时，具体施用方式是在小麦开花期将丙酸与水混合并通过管道浇进田地里。

本发明的有益效果在于：

1、本发明提供的方法能够显著提高小麦苗期的抗旱性。如图2～4所示，15mmol·L^-1的丙酸处理后的小麦叶绿素含量比0.25mmol·L^-1的丙酸处理的叶绿素含量高约3.9μg/g，提高了约26%；15mmol·L^-1的丙酸处理后的小面生物量比0.25mmol·L^-1的丙酸处理的生物量含量高了约1.2g，提高了约35%；15mmol·L^-1的丙酸处理的小麦叶片相对含水量比0.25mmol·L^-1丙酸处理的叶片相对含水量高了约40%。

2、与0.25mmol·L^-1的丙酸相比，15mmol·L^-1的丙酸处理后的小麦相对于0.25mmol·L^-1丙酸提高了生物量，叶绿素含量和叶片饱和含水量。

3、与不使用丙酸的CK相比，使用15mmol·L^-1的丙酸可以降低小麦电导率和MDA含量，提高脯氨酸的含量，提高大田产量。

4、本发明方法成本低廉，操作简单。大田栽培时在小麦开花期将丙酸配到灌溉水中，用水管进行灌溉。开花期为需肥量比较大的时期，是小麦施加外源物质最合适的时期，且此时施加适宜浓度的外源物质有利于提高小麦的灌浆速率和粒重，从而影响产量。

附图说明

图1为外源丙酸处理后表型照片，3盆为一个处理，从左至右依次为15mmol·L^-1丙酸处理，0.25mmol·L^-1丙酸处理，CK。

图2为外源不同浓度丙酸处理对小麦叶绿素含量的影响。

图3为外源不同浓度丙酸处理对小麦地上部生物量的影响。

图4为外源不同浓度丙酸对小麦叶片相对含水量的影响。

图5为外源丙酸对小麦MDA含量的影响。

图6为外源丙酸对小麦电导率的影响。

图7为外源丙酸对小麦脯氨酸含量的影响。

图8为外源丙酸对小麦大田产量的影响。

具体实施方式

以下实施例是为了更好的说明本发明的技术方案，而不是以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

（1）选用颗粒饱满、长势均匀的小麦种子（豫农211），用1%NaClO消毒20 min，并用滤纸吸干附着水，捞出后置于铺有3层湿润滤纸的培养皿中，放入25℃的黑暗培养箱中催芽2～3天后，转入光照培养箱中；

（2）选取长势一致的种子转移进装有营养土的小黑盆（7*7*11cm）进行培养，每盆营养土质量保持一致（营养土为土:蛭石=1:1），每周浇一次营养液，营养液成分为2 mmoL·L^-1Ca(NO₃)₂，0.75 mmol·L^-1K₂SO₄，0.25 mmoL·L^-1KH₂PO₄，0.65 mmoL·L^-1MgSO₄，2 μmoL·L^-1MnCl₂，30 μmoL·L^-1FeCl₃，25 μmoL·L^-1H₃BO₃，2 μmoL·L^-1ZnSO₄，0.5 μmoL·L^-1CuSO₄，0.1 μmoL·L^-1 (NH₄)₆Mo₇O₂₄，营养液的添加方式是根施，具体为：浇至小黑盆底部的托盘中，由植株的根部吸收营养液。

（3）待幼苗长至三叶一心（从培养皿中转入小黑盆中20天）时，将所有材料分成等量的三份，一份进行含15 mmol·L^-1丙酸的营养液处理，一份进行含0.25mmol·L^-1丙酸的营养液处理，另一部分进行单纯的营养液处理，其他条件保持一致。之后不再浇水，直至达到干旱条件。大田田间持水量一般为55%～70%，所以55%为保持作物生长的最低持水量，当室内土壤含水量降到55%以下就开始算作达到干旱条件。小麦在三叶一心期各个生长器官理化性质都达到了稳定状态，室内试验主要研究苗期，因此选择了三叶一心期。

含丙酸的营养液具体配制方式为：（1）将水：营养液=1000：1（如1L水中加1ml营养液）进行混合，然后加入丙酸，使得丙酸的终浓度达到15 mmol·L^-1或0.25mmol·L^-1。其中营养液成分与步骤（2）中营养液成分相同。

图1是在丙酸处理后大约15～20天表现出的形态差异，15mmol·L^-1的丙酸处理的小麦叶片较0.25mmol·L^-1处理和CK小麦的叶片颜色更绿、更挺拔，萎蔫程度更小。这表明15mmol·L^-1的丙酸处理比0.25mmol·L^-1和CK长势更好，具有更强的抗旱性。

（4）外源不同浓度丙酸处理对小麦的影响

①叶绿素含量的测定：

称取0.2g或一定面积的新鲜叶片，用电子天平记录好数据，擦净组织表面杂质污物，剪碎，混匀，每个处理3个重复，放入25mL的棕色容量瓶中，用95%的乙醇定容，避光处放置24h或者叶片变白（说明叶绿素已经完全融入乙醇中，如有需要80℃水浴加热30min直至叶片完全变白），把叶绿素提取液倒入光径1cm的比色皿内，以95%乙醇为空白对照，在波长665nm、649nm下测定吸光度。叶绿素a浓度（mg·L^-1）Ca=13.95A665-6.8A649，叶绿素b浓度（mg·L^-1）Cb=24.96A649-7.32A665，然后换算成叶绿素含量（mg·g^-1）：叶绿素含量=（色素的浓度（mg·L^-1）×提取液体积×稀释倍数）/样品干重。

②叶片相对含水量的测定：

称取新鲜叶片2～3片，用天平称重并记录数据S1，此时为鲜重；将称重好的叶片放入装满蒸馏水的自封袋中浸泡6～8小时至饱和，用纸将饱和的叶片表面轻轻擦干后，用电子天平称重并记录数据S2，此时为饱和叶片的重量；将称后的叶片放入信封袋中烘干至恒重（105℃杀青30min后，80℃至恒重约24h），用天平称重记录数据S3，此时为干重，叶片相对含水量=（鲜重-干重）/（饱和-干重）*100%。

③生物量的测定：

取长势一致的小麦9株，剪掉根部，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重后称重，换算成每株小麦干重，一个处理三个重复，一个重复9株小麦。

结果如图2～4所示，15mmol·L^-1丙酸处理的小麦的叶绿素含量、叶片相对含水量和生物量均大于0.25mmol·L^-1的丙酸处理，这说明15mmol·L^-1丙酸处理的抗旱性大于0.25MM丙酸处理。

实施例2

本实施例步骤（1）和（2）与实施例1相同。不同之处在于：

（3）待幼苗长至三叶一心（从培养皿中转入小黑盆中20天）时，将所有材料分成等量的两份，一份进行含15 mmol·L^-1丙酸的营养液处理，另一部分进行单纯的营养液处理（CK），其他条件保持一致。之后不再浇水，直至达到干旱条件。

（4）外源15 mmol·L^-1丙酸处理对小麦的影响

①脯氨酸含量测定

采用酸性茚三酮显色法，称取0.2 g小麦叶片放于研钵中，用总量为4 mL80%的乙醇（少量）研磨成匀浆，将匀浆移入大试管并用剩余80%乙醇冲洗研钵，试管加盖，黑暗中浸提1 h（样品为绿色叶片时，加入少许活性炭）。过滤上述提取液，并加1 g人造沸石振荡15min，室温下3000 r ·min^-1离心5 min。取上清液2 mL，加入2mL冰乙酸，2 mL茚三酮溶液于大试管中，充分混匀，沸水浴20 min，冷却后在515 nm下测定光密度，通过标准曲线查出待测样品中脯氨酸含量。

结果显示：CK组的脯氨酸含量为116.06μg/g，15mM丙酸处理组的脯氨酸含量为330.79μg/g。如图7所示。在干旱条件下，15mM的丙酸处理过的小麦叶片与CK相比，能积累更多的脯氨酸，15mM丙酸处理后干旱条件下脯氨酸含量比CK高约214μg/g，提高了约185%，达到显著差异。

②电导率的测定

剪取小麦叶片的第一片叶10cm长，用蒸馏水冲洗三遍，从中间剪开，放入15ml大离心管中，加入10ml去离子水，测定去离子水的电导率C0，在真空干燥箱中放置7～8min，抽出细胞间隙中的空气，后将其放置24h，用电导仪测定溶液电导率C1后放入100℃沸水浴中煮沸20min，取出后冷却至室温，测定其煮沸的电导率C2。

相对电导率=（C1-C0）/(C2-C0)*100%。

结果显示，CK组的相对电导率为19.78μs/cm，15mmol·L^-1丙酸处理组的相对电导率为2.23μs/cm。如图6所示。外源15mM丙酸处理的小麦叶片电导率比CK小约17.5μs/cm，能更好的保护作物的细胞质膜。

③MDA含量的测定

粗酶液的制备：取0.5g新鲜样品洗净后置于预冷的研钵中，加入5ml0.05M预冷的PBS(pH7.8)在冰浴上研磨成匀浆，转入离心管中，在4℃下离心20min，上清液（酶液）倒入离心管中，置于0～4℃保存。

20%三氯乙酸（TCA）溶液的配置：称200g三氯乙酸，用蒸馏水定容到1000ml。

0.5%硫代巴比妥酸（TBA）溶液的配置：称5g硫代巴比妥酸（TBA）用20%三氯乙酸（TCA）溶液溶解并定容到1000ml。

0.5ml酶液（对照用0.5ml的0.05MpH=7.8 PBS代替酶液）+3ml TBA-振荡-沸水浴上反应30min-冷却（至少30min）-比色（OD600、OD532、OD450）。

MDA浓度C(μm)=6.45（OD532-OD600）-0.56OD450

MDA含量（μmol/g FM）=C*V/W(V为提取液体积，W为样品鲜重。

结果显示，CK组的MDA含量为2.31μmol/g，15mmol·L^-1丙酸处理组的MDA含量为1.17μmol/g。如图5所示。15mmol·L^-1丙酸处理组的MDA的含量比CK减少了约1.2μmol/g，说明外源15mmol·L^-1丙酸相对于CK来说，能在一定程度上减少MDA的含量，减少干旱对作物细胞带来的破坏。

实施例3 大田施用丙酸

试验田为36个3m*2m的小田块，分为干旱和正常两部分处理，干旱组又分为15mmol·L^-1丙酸处理组和CK组，每个至少有6个以上重复。

大田施用丙酸方法：在开花期后浇水的时候，CK只浇水，15mmol·L^-1丙酸处理组在小麦开花期将丙酸与水（水中直接添加丙酸，丙酸浓度为15mmol·L^-1，在大桶中配好）一块通过管道浇进田地里，每个田块浇20L。

收获小麦后，计算CK组和试验组的小麦产量：

理论产量（千克／0.067公顷）=0.067公顷穗数(亩穗数)×穗粒数×千粒重(克)／1000×1000。

结果显示，单纯浇水的CK组的小麦产量为4987.14kg/hm²，15 mmol·L^-1丙酸处理组的小麦产量为5170.48 kg/hm²。如图8所示。相对于CK来说，15 mmol·L^-1丙酸处理组每公顷小麦产量提高了约183.3kg。结果表明，外源丙酸施用于大田后可以提高小麦的产量。

以上之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围。

Claims (3)

1.丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用，其特征在于，具体为：室内栽培小麦时，采用根施方式在小麦三叶一心期施用含有丙酸的溶液；所述含有丙酸的溶液为含有丙酸的营养液；所述含有丙酸的溶液中的丙酸的浓度为15 mmol·L^-1。

2.根据权利要求1所述的丙酸在提高小麦苗期抗旱性中的应用，其特征在于，所述营养液各成分的浓度为：2 mmol·L^-1Ca(NO₃)₂，0.75 mmol·L^-1K₂SO₄，0.25 mmol·L^-1KH₂PO₄，0.65 mmol·L^-1MgSO₄，2μmol·L^-1MnCl₂，30μmol·L^-1FeCl₃，25μmol·L^-1H₃BO₃，2 μmol·L^{- 1}ZnSO₄，0.5 μmol·L^-1CuSO₄，0.1 μmol·L^-1 (NH₄)₆Mo₇O₂₄。

3.丙酸在提高小麦灌浆期抗旱性中的应用，其特征在于，大田栽培小麦时，在小麦开花期施用含有丙酸的溶液；所述含有丙酸的溶液为丙酸水溶液；所述含有丙酸的溶液中的丙酸的浓度为15 mmol·L^-1；具体施用方式是在小麦开花期将丙酸与水混合并通过管道浇进田地里。

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