追氮時期對冬小麥胚乳發(fā)育及灌漿特性的影響

宮 宇，郭艷艷，王貴彥，陳宗培，段巍巍

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河北省作物生長調(diào)控重點實驗室，河北保定 071000)

粒重對小麥產(chǎn)量具有重要影響，主要受籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)量和單個胚乳細(xì)胞充實度影響[1]，對小麥籽粒胚乳細(xì)胞發(fā)育和灌漿特征的研究具有重要意義。已有的相關(guān)研究主要涉及籽粒胚乳細(xì)胞增殖發(fā)育過程[2-3]，穗部不同粒位胚乳細(xì)胞增殖和充實度差異[4]，胚乳細(xì)胞數(shù)目與籽粒體積、粒重關(guān)系[5-6]，不同類型小麥籽粒胚乳細(xì)胞的發(fā)育特征[7-8]，影響胚乳細(xì)胞分裂增殖的因素[9-10]，環(huán)境因素對小麥灌漿過程的影響[11-14]。

氮素是小麥生長必須的大量元素之一，氮肥運籌是調(diào)節(jié)小麥生長發(fā)育的重要栽培措施。研究發(fā)現(xiàn)，氮肥運籌對小麥胚乳細(xì)胞數(shù)量及其充實度有顯著調(diào)節(jié)作用[15]；增施氮肥能促進(jìn)胚乳細(xì)胞增殖，促進(jìn)干物質(zhì)的積累和運轉(zhuǎn)[16]；施氮時期和施用量對灌漿速率影響顯著[17-18]，對弱勢籽粒的影響尤為明顯[19]。有關(guān)氮肥施用時期對籽粒胚乳細(xì)胞增殖和灌漿的研究較少。鑒于此，本研究以冬小麥品種石麥18為材料，探討不同葉齡期追氮對籽粒胚乳細(xì)胞分裂增殖和灌漿的影響，以期明確追氮時期對籽粒發(fā)育的調(diào)控機(jī)理，為小麥高產(chǎn)栽培措施的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015-2016年在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)清苑實驗站進(jìn)行。試驗田土質(zhì)為壤土，播種耕層含有機(jī)質(zhì)14.2 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，堿解氮115.3 mg·kg-1，速效磷48.6 mg·kg-1，速效鉀124.1 mg·kg-1。供試小麥品種為石麥18，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，設(shè)LA1(春二葉期)、LA2(春三葉期)、LA3(春四葉期)、LA4(春五葉期)和LA5(春六葉期)5個施氮時期，3次重復(fù)。小區(qū)面積為49 m2(7 m×7 m)，2015年10月5日15 cm等行距播種，播量300 kg·hm-2。N、P2O5和K2O施肥量分別為 225、P2O5135和K2O 225 kg·hm-2；氮肥的50%和全部磷、鉀肥為底肥，50%氮肥作為追肥按照試驗設(shè)計結(jié)合灌水施用；施用的氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O516%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。其他管理措施與常規(guī)高產(chǎn)農(nóng)田相同。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 胚乳細(xì)胞增殖動態(tài)

開花期選取同一天開花、生長一致的主莖穗進(jìn)行標(biāo)記。分別于花后3、6、9、12、15、18、21、25 d取樣，每小區(qū)取5個標(biāo)記穂，每個穗剝?nèi)?～8強勢小穗籽粒。用FAA固定，依據(jù)郭文善和施勁松[20]的方法進(jìn)行胚乳細(xì)胞的剝離、染色、分離、過濾和觀察計數(shù)。

用Richards方程W=A/(1+Be-Kt)1/N對籽粒胚乳細(xì)胞分裂增殖動態(tài)進(jìn)行模擬分析和參數(shù)計算。式中，W為胚乳細(xì)胞數(shù)，A為生長終值量，B為初值參數(shù)，K為生長速率參數(shù)，t為開花后天數(shù)，N為形狀參數(shù)。胚乳細(xì)胞分裂增殖動態(tài)參數(shù)計算公式如下：

Tmax=(lnB-lnN)/K

Wmax=A/(N+1)1/N

Gmax=(KWmax/N)×[1-(W/A)×N]

I=(Wmax/A)×100%

D=2(N+2)/K

R0=K/N

其中，Tmax為籽粒胚乳細(xì)胞到達(dá)最大增殖速率的天數(shù)，Wmax為胚乳細(xì)胞增殖速率最大時的生長量，Gmax為最大增殖速率，I為增殖速率最大時的生長量與籽粒生長終值量比值，D為胚乳細(xì)胞增殖活躍期。R0為增殖起始勢。

1.2.2 籽粒灌漿動態(tài)

分別于花后8、11、16、21、26、31和36 d取20個標(biāo)記穗，剝?nèi)?～8個強勢小穗籽粒，105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，計算灌漿速率，并用Richards方程模擬籽粒灌漿過程，灌漿動態(tài)參數(shù)計算方法同胚乳細(xì)胞增殖動態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Excel 2010、Spss Statistics 19.0和Curve Expert 1.3進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同葉齡期施氮對小麥胚乳細(xì)胞的影響

2.1.1 對細(xì)胞數(shù)量和增殖速率的影響

由圖1A可知，隨小麥生長期推移，不同處理的胚乳細(xì)胞數(shù)量變化趨勢表現(xiàn)一致，均呈現(xiàn)前期增加較快，后期增加較慢的趨勢?；ê?～5 d胚乳細(xì)胞數(shù)量增長較慢，花后5～12 d增長較快，花后18～25 d增長緩慢并逐漸停止，3個階段胚乳細(xì)胞數(shù)量日增加率分別約為5 000、1 500和800 cells·kernel-1·d-1。施氮時期對胚乳細(xì)胞數(shù)量在籽粒發(fā)育不同階段的影響存在差異?；ê? d和5 d時，不同處理間胚乳細(xì)胞數(shù)量差異不顯著；花后12 d時，LA3和LA2處理顯著高于LA4處理，LA4處理顯著高于LA1和LA5處理；花后18 d和21d，LA4和LA5處理顯著高于其他處理；花后25 d時，各處理之間差異不顯著。

圖1B顯示，不同葉齡時期施肥對胚乳細(xì)胞增殖率有明顯影響?；ê?～3 d，LA1處理胚乳細(xì)胞增殖速率顯著低于其他處理，其他處理之間差異不顯著?；ê?～5 d，LA4處理顯著高于其他處理，LA5處理顯著低于其他處理。花后5～12 d，胚乳細(xì)胞增殖速率最大，表現(xiàn)為LA3>LA2>LA4>LA5>LA1 ，其中，LA3處理顯著高于其他處理，LA1和LA5處理間差異不顯著，但顯著低于其他處理。12～21 d胚乳細(xì)胞增加速率逐漸降低，但LA4和LA5處理顯著高于其他處理?；ê?1～25 d，LA1處理胚乳細(xì)胞數(shù)量不再增加，其他處理仍在進(jìn)行分裂增殖，其中LA4值最高，且顯著高于其他處理，其次是LA5。

圖柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖2同。

表1 籽粒胚乳細(xì)胞增殖Richards方程參數(shù)Table 1 Parameters in Richards equation for endosperm cell proliferation in grain

A：終極生長量；B：初值參數(shù)；K：生長速率參數(shù)；N:形狀參數(shù)；Tmax：到達(dá)最大增殖速率時的天數(shù)；Wmax：增殖速率最大時的生長量；Gmax：最大增殖速率；D：胚乳細(xì)胞增殖活躍期；R0：增殖起始勢。

A：Final endosperm cell number;B：Initial value parameter;K：Growth rate parameter;N：Shape parameter;Tmax：Days of endosperm cell maximal proliferating rate;Wmax：Endosperm cell number at maximal proliferating rate;Gmax：Endosperm cell maximal proliferation rate;D：Endosperm cell active proliferation duration;R0：Proliferation potential.

2.1.2 對細(xì)胞增殖特性的影響

由表1可知，不同處理小麥胚乳細(xì)胞增殖的Richards方程的相關(guān)系數(shù)r2均大于0.995，說明模擬方程對小麥胚乳細(xì)胞增殖過程擬合較好。處理間胚乳細(xì)胞終極生長量A、胚乳細(xì)胞增殖活躍期D和增殖起始勢R0,均表現(xiàn)為LA4處理最大，說明LA4處理細(xì)胞分裂的潛力較大，在胚乳細(xì)胞分裂上具有明顯優(yōu)勢。初值參數(shù)B表現(xiàn)為LA5處理最大，且其顯著高于其他4個處理。從形狀參數(shù)N來看，LA1～LA4處理的N<1，LA5處理的N>1，表明LA1～LA4處理前期的生長較好，而LA5處理前期生長一般，后期較好。到達(dá)最大增殖速率時的天數(shù)Tmax表現(xiàn)為LA5>LA1>LA4>LA3>LA2。最大增殖速率Gmax和增殖速率最大時的生長量Wmax均表現(xiàn)為LA4處理最小。

2.2 不同葉齡期施氮對小麥籽粒灌漿的影響

2.2.1 對千粒重和灌漿速率的影響

由圖2a可見，隨時間推移，小麥千粒重的變化趨勢基本一致，但不同時期，不同處理間的千粒重差異程度不同。各處理的千粒重均隨花后天數(shù)的增加而逐漸增加，花后0～11 d粒重增加緩慢，花后16～26 d各處理粒重增加最快，花后36 d后趨于穩(wěn)定?；ê? d，LA1處理的千粒重最高。花后11～21 d，LA5處理的千粒重顯著高于其他處理，花后26～36 d，LA4處理的千粒重顯著高于其他處理，LA1處理的千粒重最小。最終粒重表現(xiàn)為LA4(42.25 g)顯著高于 LA5(38.36 g)、LA3(38.16 g)、LA2(35.39 g)、 LA1(34.99 g)處理?；ê?～8 d，LA1和LA5處理的灌漿速率顯著高于其他處理。8～11 d，LA5和 LA2灌漿速率顯著高于其他處理；11～16 d期間，LA3灌漿速率最高，其次是LA4和LA5處理，LA1和LA2處理較低。灌漿期間，平均灌漿速率表現(xiàn)為 LA4>LA5>LA3>LA2>LA1，依次為1.17、1.07、1.06、1.05和1.03 g·1 000 kernels-1·d-1。

2.2.2 對灌漿特性的影響

運用Richards方程對不同葉齡追氮處理的籽粒灌漿過程進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。方程決定系數(shù)均為0.999，說明擬合度很好。終極生長量A、初值參數(shù)B和生長速率參數(shù)K均表現(xiàn)為LA4處理最大，且其B值顯著高于其他處理。LA1和LA3處理的形狀參數(shù)N<1，LA2、LA4和LA5處理的N>1，表明LA1和LA3處理前期增長較快，LA2、LA4和LA5處理后期增長相對較快。最大灌漿速率Gmax和灌漿速率最大時的生長量Wmax，均表現(xiàn)為LA4處理最大，其次為LA5處理。各處理到達(dá)最大灌漿速率時的天數(shù)Tmax和籽粒灌漿活躍期D均表現(xiàn)為LA1處理最大。從灌漿起始勢R0來看，LA3處理最大，其次為LA1處理，LA2、LA4和LA5處理相當(dāng)，表明LA3和LA1處理較其他處理起始勢較高。

圖2 不同葉齡期追肥對小麥千粒重和灌漿速率的影響

表2 籽粒灌漿過程Richards方程參數(shù)Table 2 Parameters in Richards equation during the grain filling process

A：終極生長量；B：初值參數(shù)；K：生長速率參數(shù)；N:形狀參數(shù)；Tmax：到達(dá)最大灌漿速率時的天數(shù)；Wmax：灌漿速率最大時的生長量；Gmax：最大灌漿速率；D：籽粒灌漿活躍期；R0：灌漿起始勢。

A：Final grain weight;B：Initial value parameter;K：Growth rate parameter;N：Shape parameter;Tmax：The day of maximal filling rate;Wmax：The grain weight at maximal filling rate;Gmax：The maximal grain filling rate;D：Active grain-filling duration;R0：Proliferation potential.

2.2.3 小麥特征參數(shù)的相關(guān)性

相關(guān)分析表明，籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與胚乳細(xì)胞增殖活躍期D、胚乳細(xì)胞增殖速率最大時的生長量Wmax和花后12 d后的平均增殖速率均呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.950、0.907和0.911。籽粒粒重與胚乳細(xì)胞數(shù)量、開花18 d后的平均灌漿速率呈顯著(P<0.05)正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別是0.890和0.925。說明籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)目主要與開花12 d后的分裂增殖有關(guān)，籽粒粒重主要受開花18 d之后的灌漿速率的影響。

3 討 論

胚乳是籽粒重要的組成部分，胚乳細(xì)胞數(shù)是籽粒庫潛力的重要表征，是籽粒庫潛力實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件[21]。研究顯示，小麥在花后5 d胚乳細(xì)胞數(shù)目增長迅速，花后16～24 d達(dá)最大值，其后胚乳細(xì)胞分裂停止[22]。本研究中發(fā)現(xiàn)，胚乳細(xì)胞增殖速率在小麥開花12 d以后下降幅度較小，花后21 d及以后增殖速率高的處理，胚乳細(xì)胞數(shù)量較多。籽粒建成期胚乳細(xì)胞增殖活躍，而后增殖速率下降快的品種，胚乳細(xì)胞數(shù)量較少[23]。本研究取得了相似的結(jié)果，不同處理小麥籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)在花后20～23 d達(dá)到最大值，籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與其增殖速率最大時的生長量Wmax和開花12 d后的增殖速率呈顯著相關(guān)。LA1～LA3處理胚乳細(xì)胞的增殖速率在籽粒建成期較高，而后分裂速率急劇下降，最終胚乳細(xì)胞數(shù)較少； LA4處理胚乳細(xì)胞增殖活躍期較長，籽粒建成后仍然具有較強的分裂能力，最終胚乳細(xì)胞數(shù)最多；LA5處理胚乳細(xì)胞分裂趨勢與LA4處理相似，后期胚乳細(xì)胞分裂能力低于LA4處理，高于LA1～LA3處理，最終胚乳細(xì)胞數(shù)較多，再次證明了增施拔節(jié)肥和花粒肥能夠促進(jìn)胚乳細(xì)胞增殖和充實度。原因可能是春5葉期追施氮肥利于延長胚乳細(xì)胞增殖活躍期，推遲胚乳細(xì)胞增殖最大速率時間，增加了胚乳細(xì)胞增殖速率最大時的生長量。

籽粒粒重不僅取決于胚乳細(xì)胞數(shù)量的多少，還取決于籽粒的灌漿特性[24]。蔡慶生和吳兆蘇[25]認(rèn)為，小麥粒重與灌漿速率呈正相關(guān)，籽粒灌漿持續(xù)的天數(shù)與粒重關(guān)系不大。劉 明等[26]認(rèn)為，玉米粒重受中后期灌漿速率的影響較大，對籽粒的貢獻(xiàn)率為60%左右。本研究結(jié)果與其一致，開花18 d之后的平均灌漿速率與粒重呈顯著正相關(guān)。LA1～LA3處理的灌漿速率表現(xiàn)為前期較高，后期較低，粒重低；LA4處理灌漿快速期時間較長，到達(dá)灌漿最大值時的生長量最多，籽粒最大灌漿速率、后期的灌漿速率高于其他處理，彌補了其灌漿活躍期較短的不足，粒重最高。LA5處理前期灌漿速率雖然較高，但后期灌漿速率下降較快，粒重低于LA4處理。說明春5葉期施氮能夠較好地協(xié)調(diào)生殖生長和營養(yǎng)生長，利于后期光合產(chǎn)物的形成和營養(yǎng)器官干物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，春6葉期施氮較晚，影響了干物質(zhì)向籽粒的轉(zhuǎn)移。千粒重與胚乳細(xì)胞數(shù)量呈顯著正相關(guān)，證實了胚乳細(xì)胞數(shù)量多是獲得高粒重的重要前提條件。