风寒作用对冬小麦生理特性的模拟研究

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拔节期是冬小麦低温冻害高发期,也是低温危害影响的敏感期,低温大风的协同作用将进一步增加冻害的严重程度,影响冬小麦的安全生产。本文以安徽淮北麦区主推的四种半冬性小麦(皖麦、淮麦、涡麦、良星)为研究对象,设置2.0m/s、4.5m/s、6.5m/s、8.5m/s等四种风速处理,每一种风速设置3h、6h、12h等3个处理,采用盆栽的方式,研究在0℃环境中,风寒对冬小麦叶片温度的影响,并同步监测小麦叶片的气孔导度、光合速率、蒸腾速率,在试验结束后测定抗氧化酶系统活性、丙二醛含量等抗性成分与叶绿素含量,利用主成分分析,构建抗性成分与叶气温差的关系模型。主要研究结果如下:(1)在0℃环境中,随风速的增大和持续时间的延长,各品种冬小麦叶片温度变化趋势基本一致。随着风速增加,叶片温度在6.5m/s、8.5m/s有一定降幅。叶片与空气温差,随时间逐渐降低并在6h后平稳变化。表明变温的植物体存在由低温、大风胁迫而导致的风寒作用。(2)与对照相比,SOD、MDA随风速变化而变化明显,POD随时间和风速改变而改变,而各处理下CAT酶活性均小于CK,变化趋势不显著,不同指标的变化特点存在较大差异。皖垦-淮麦的SOD、酶活性变化大致相仿,即随风力增加,SOD酶活性先增后减;随胁迫时间的延长,酶活性逐渐减小,并且两品种的POD酶活性在6.5m/s及以上风速时,相对于CK均有增加的趋势。而涡麦和良星的MDA含量变化趋势则相反,即8.5m/s风速下涡麦MDA含量上升,良星下降。在这表明,尽管小麦均为半冬性,通过相同的风寒逆境处理,其生理表现仍存在一定差异。此外,叶绿素含量与抗逆物质有较好的相关性。与对照相比,风寒胁迫过程中,不同品种冬小麦叶绿素含量变化基本一致,即随风速的增大,处理时间增长而下降,表明冬小麦叶片受到低温胁迫的影响。其中,涡麦、良星变化趋势明显,在8.5m/s和12小时下均有最小值。(3)光合气体交换参数易受低温、大风的影响,叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)和蒸腾速率(Tr)均下降。随着风寒胁迫时长增加,各品种组的光合作用在6时后基本无法正常进行,叶片的气孔导度和蒸腾速率降低明显,净光合速率和WUE趋近0值。6.5m/s以上风速,净光合速率受抑制明显。而蒸腾速率和气孔导度因品种特征有差异。(4)恢复阶段,SPAD值随着监测时间增长,变化明显,在3天后基本恢复正常,甚至超过对照组。光合特征参数,气孔导度和蒸腾速率先于净光合速率恢复至正常水平,后净光合速率逐渐恢复,在3~6天各品种小麦叶片的光合作用基本恢复正常。(5)本研究采用相关性分析,结果表明小麦的叶片温度对风寒胁迫响应敏感。因此,以叶温为基础,利用主成分-逐步回归分析(PCA-SR)与偏最小二乘回归分析(PLSR)分别构建风寒模型,并进行模型验证。研究发现,主成分-逐步回归分析所构建的三个品种的模型,均方根误差较小,模型中对应的主要指标成分有差异,如Cond、Tr是淮麦模型中主要成分;在不同品种间偏最小二乘法所构建的模型也有差异,各品种模型精度良好,RMSE值均小于0.5。两种方法构建的模型结果都反映了风寒对冬小麦的影响,皖麦、淮麦等符合模型精度要求,预测值与实测值有较好的线性关系。PLSR包含较多的指标信息细致的描述了模型的结构;PCA-SR在剔除敏感性较弱的因子后,风寒主要响应指标更加明晰。涡麦在最小二乘回归模型验证通过,较逐步回归模型结构有所优化。同时,叶绿素含量是各模型共有的风寒胁迫指标,但不同品种风寒模型的主要贡献因子指标有差异。表明,在冬小麦的风寒作用模型建立中应考虑品种差异。
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