冬小麦需水临界期干旱-复水过程中果聚糖代谢组成的分布格局对产量WUE的影响

Water shortage is the largest single limitation to food production in China. Once effective water-saving managements have been fully taken up by the agricultural industry, the only way remaining to achieve significant further water-saving gains is through the development of new, biological, water-saving technologies based on a crop's biological and genetic potential. Here we investigate the change trend of yield WUE (water use efficiency) and the effects of rewatering on yield WUE in different varieties of winter wheat grown under four levels of water stress imposed at the jointing-booting stage: 1) normal water stress, 2) moderate water stress, 3) severe water stress, and 4) rewatering. We hypothesise that this work will reveal any relationships between yield WUE and genetic drought-resistance traits and should also, inter alia, identify winter wheat varieties having high yield WUE. Also, it is hoped to throw light on the mechanism and regulation of fructan metabolism in roots, shoots and leaves of selected winter-wheat varieties and how these may relate to the physiological changes occurring in water-stressed plants following rewatering. In particular, it is hoped to improve our understanding of the mechanisms linking stress-rewatering and yield WUE from the point of view of fructan metabolism. Increased knowledge in this area should help to establish methods and technologies for enhancing drought tolerance and water-saving in wheat and to identify which varieties are mostly likely the best on which to focus research aimed at enhancing the sustainability of agricultural development.

针对华北地区的干旱现状和关键生态环境问题，研究冬小麦需水临界期"正常供水-中度干旱-重度干旱-复水"条件下，不同品种冬小麦的产量WUE变化特点及复水后对其产生的影响，揭示产量WUE和作物自身抗旱性的密切关系，鉴查出具有高产量WUE的冬小麦品种。同时，查明冬小麦不同部位中果聚糖组成、分布及代谢特点，揭示干旱和复水条件下果聚糖代谢对作物水分代谢和物质代谢的调控作用机理。最后从糖代谢的角度深入揭示冬小麦的干旱－复水响应对产量WUE的影响机理，探讨果聚糖代谢与产量WUE显著相关的"位点"。只有从"位点"切入，才能最终鉴定出高产、高质又节水的冬小麦品种。这样的品种既可以在农业生产中大面积种植，又可以为常规育种提供理想的亲本材料。另外，本研究为节水高产作物品种的鉴定开辟一条新的研究思路，为揭示冬小麦节水机理提供新的理论。

水资源短缺是制约我国粮食生产的主要因素，在工程性节水发挥最大效用之后，只有大力发展提高作物自身水分利用效率的生物性节水技术，才能在节水农业上取得新的突破。抗旱性是产量WUE的重要影响因素，而植物本身的渗透调节能力直接决定着抗旱性的强弱。本研究针对华北地区的干旱现状和关键生态环境问题，研究冬小麦需水临界期“正常供水—中度干旱—重度干旱—复水”条件下，不同品种冬小麦的产量WUE变化特点及复水后对其产生的影响，揭示产量WUE和作物自身抗旱性的密切关系。查明冬小麦不同部位中果聚糖组成、分布及代谢特点，揭示干旱和复水条件下果聚糖代谢对作物水分代谢和物质代谢的调控作用机理。研究结果表明(1)不同类型的抗旱机制对产量WUE的影响程度不同。拔节-孕穗期，亏水条件下，果聚糖代谢与产量WUE的相关性较好，而足水条件下二者的相关性很弱；品种间渗透调节能力与产量WUE的相关性不显著；气孔导度和蒸腾速率与产量WUE呈极显著相关关系。(2)拔节-孕穗期，足水条件下，叶片WUE、地下生物量、地上生物量和与产量WUE的相关性均达到显著水平。亏水条件下，地上生物量与产量WUE达到极显著相关关系。灌浆-成熟期，足水和亏水条件下，各水平WUE与产量WUE的相关性低于拔节-孕穗期。(3) 拔节-孕穗期，果聚糖含量受水分条件显著影响，表现为中度干旱＞正常供水＞复水＞重度干旱；小麦各器官果聚糖含量表现为茎叶＞根茎。 (4) 拔节-孕穗期，在足水的条件下，敏感型和抗旱型小麦有29个差异物代谢物，其中氨基酸类有5种，有机酸类有11种，糖类和糖类衍生物有13种。在亏水条件下，敏感型和抗旱型小麦有15个差异物代谢物，其中氨基酸类有2种，有机酸类有5种，糖类和糖类衍生物有8种。因此，在拔节-孕穗期，足水条件下，光和参数可作为产量WUE初步鉴定指标；亏水条件下，光和参数、果聚糖代谢和地上生物量可作为产量WUE初步鉴定指标。干旱复水后的恢复力是影响品种产量的重要因素，这样的品种既可以在农业生产中大面积种植，又可以为常规育种提供理想的亲本材料。另外，本研究为节水高产作物品种的鉴定开辟一条新的研究思路，为揭示冬小麦节水机理提供新的理论。