干旱降低冬小麦穗粒数的生理机制

Drought stress is one of the most serious limitations to winter wheat production in Northern of China. The number of grains m-2 is the most important yield determinant of wheat. Drought would induce the reduction of grain number per ear, which is the major reason for the decrease in wheat yield. Now, it is not very clear about the physiological mechanism of regulating grain number per ear by drought. Therefore, in this study, two cultivars having different response to drought were selected, the grain number per ear, the concentration of nonstructural carbohydrates in different position of ear and stem, the activity and expression of enzymes related to sucrose metabolism, and the starch accumulation in anther and ovary were investigated to clarify the physiological mechanism of regulating grain number per ear by drought and the reason for the genotypic difference in grain number per ear under drought stress. The results will provide some reference for selecting drought tolerant cultivars and the biochemical manipulation on grain number per ear.

干旱缺水是华北地区小麦生产的主要限制因子，而单位面积粒数是小麦产量的最重要决定因素。干旱后小麦穗粒数通常会下降，这已成为干旱导致产量降低的重要原因。目前，有关干旱影响小麦穗粒数的生理机制还不十分清楚。穗粒数的多少与穗对同化物的利用能力即库的活性有关，而决定库活性的是蔗糖代谢能力。为此，本研究将以对水分反应明显不同的两个冬小麦品种为材料，模拟生殖生长早期干旱胁迫，通过考察穗粒数、穗和茎不同部位非结构性碳水化合物含量时空变化、蔗糖代谢酶活性和酶表达量变化以及花药和子房淀粉积累情况，综合分析阐明干旱影响冬小麦穗、茎蔗糖代谢活性进而影响穗粒数的生理机制以及品种穗粒数抗旱性差异机理，为冬小麦抗旱品种筛选和穗粒数的生化调控提供参考。

干旱缺水是华北地区小麦生产的主要限制因子，而单位面积粒数是小麦产量的最重要决定因素。干旱后小麦穗粒数通常会下降，这已成为干旱导致产量降低的重要原因。目前，有关干旱影响小麦穗粒数的生理机制还不十分清楚。穗粒数的多少与穗对同化物的利用能力即库的活性有关，而决定库活性的是蔗糖代谢能力。为此，本研究以对水分反应明显不同的两个冬小麦品种为材料，模拟了生殖生长早期干旱胁迫，考察了穗粒数、穗和茎非结构性碳水化合物含量时空变化、蔗糖代谢酶活性和相关基因表达变化以及花药和子房淀粉积累情况。结果表明，孕穗期干旱穗粒数下降幅度大于开花期干旱，孕穗期中度干旱穗粒数下降幅度高于轻度干旱，品种间比较以农大211降幅大于京冬18。穗粒数下降主要由于孕穗期上二茎和穗都处于快速生长阶段，对同化物竞争激烈，干旱后穗茎ABA含量都增加了，IAA含量降低了，但上二茎GA和ZR含量也增加了，糖代谢酶活性增强，结果上二茎可溶性总糖、果糖、葡萄糖、蔗糖和果聚糖含量增加，其竞争力明显强于穗子，导致穗子同化物供应不足，籽粒败育，特别是弱势粒结实率明显下降，基部和顶部小穗籽粒败育，穗粒数减少。京冬18穗子除了ABA明显升高外，其他激素含量相对稳定，穗子果聚糖水解酶和酸性转化酶较活跃，加速了果聚糖和蔗糖的分解和利用，特别是复水后穗部果糖、蔗糖和果聚糖含量增加，部分缓解了干旱的影响，缩小了穗粒数下降幅度，加之生育后期上二茎的果聚糖分解向穗部运输，增加了粒重，最终产量降低幅度低于农大211；农大211则由于干旱后穗粒数减少幅度较大，库小，对同化物的调运能力下降，导致成熟期上二茎仍有较多同化物积累，产量较低。转录组测序分析显示，干旱下激素参与调控蔗糖和果聚糖代谢酶活性，进而影响穗茎糖含量，并最终影响穗粒数。本研究揭示了干旱降低冬小麦穗粒数的生理机制和基因型差异机理，为冬小麦品种筛选和穗粒数的生化调控奠定了基础。