磷運(yùn)籌和干旱脅迫對(duì)冬小麥農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的影響

李 誠(chéng)，王曉麗，陳和平，張潤(rùn)琪，鮑藝丹，朱長(zhǎng)安，李春艷

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團(tuán)綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，新疆石河子 832000; 2.新疆農(nóng)發(fā)盛源種業(yè)有限責(zé)任公司，新疆五家渠 831300)

小麥?zhǔn)俏覈?guó)三大糧食作物之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球干旱、半干旱地區(qū)約占總土地面積的36%，占總耕地面積的43%[1]。我國(guó)旱地小麥面積大，加強(qiáng)水分對(duì)旱地冬小麥產(chǎn)量形成、品質(zhì)調(diào)控效應(yīng)的研究尤為重要。研究表明，在目前旱地生產(chǎn)水平下，糧食產(chǎn)量低的主要原因并非降水太少,而是因?yàn)榉柿Σ蛔阍斐勺魑飳?duì)降水利用率過低所致；合理施肥可顯著提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[ 2-3]。磷是小麥生長(zhǎng)發(fā)育不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素[4]。小麥在不同發(fā)育時(shí)期對(duì)磷的吸收與積累不同。胡田田等[5]的研究表明，中筋小麥的吸磷強(qiáng)度呈雙峰曲線，前期較小，返青后迅速提升，孕穗-灌漿早期到達(dá)峰值。在土壤干旱條件下，適宜的磷營(yíng)養(yǎng)在一定程度上能夠顯著改善植株水分狀況，維持植株生長(zhǎng)以及生理過程的正常進(jìn)行[6]。

淀粉是小麥籽粒的主要成分，對(duì)小麥面粉品質(zhì)具有重要影響。目前，關(guān)于磷素和干旱脅迫對(duì)小麥品質(zhì)的影響已有較多研究。施磷量及灌漿期干旱對(duì)小麥籽粒淀粉含量、淀粉粒粒度分布及淀粉粒的微觀結(jié)構(gòu)均有顯著性影響[7-9]。但目前尚未見到關(guān)于干旱脅迫下不同磷肥運(yùn)籌與小麥淀粉品質(zhì)關(guān)系的研究。新疆是特殊的干旱區(qū)域，小麥籽粒灌漿過程中干旱頻發(fā)。此外，新疆大部分耕地土壤肥力較差，磷素缺乏，長(zhǎng)期以來，大量施用磷肥已成為緩解土壤磷素脅迫、實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施之一。本研究擬以冬小麥品種新冬20號(hào)和新冬23號(hào)為材料，研究不同水分和施磷運(yùn)籌對(duì)冬小麥農(nóng)藝性狀、籽粒蛋白和淀粉含量、淀粉特性、植株和籽粒全磷含量的影響,為新疆高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效冬小麥的生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

供試材料為新疆主栽冬小麥品種新冬20號(hào)(高產(chǎn))和新冬23號(hào)(中等產(chǎn)量)。田間試驗(yàn)于2016年10月至2017年6月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站(44°17′N,86°03′E)進(jìn)行，前茬作物為向日葵，土質(zhì)為灰漠土。0～20 cm 土層含堿解氮63 mg·kg-1、速效磷15 mg·kg-1、速效鉀208 mg·kg-1。播種時(shí)按75 kg·hm-2施尿素。在拔節(jié)期、抽穗期和揚(yáng)花期分別按45 kg·hm-2、75 kg·hm-2和120 kg·hm-2將尿素隨水施入。

試驗(yàn)為裂區(qū)設(shè)計(jì)，水分為主區(qū)因素，品種為副區(qū)因素，施磷時(shí)期為副副區(qū)因素，三次重復(fù)。小區(qū)面積2.4 m×3.0 m，行距為20 cm。播種量為 5.25×106·hm-2，小區(qū)間隔離帶寬50 cm。灌溉方式為滴灌，管理方式同當(dāng)?shù)氐喂啻筇?。冬前澆?次；正常田間灌溉處理(WT)作為對(duì)照，返青至成熟期每隔10～12 d澆水一次，每次灌量 1 125 m3·hm-2。干旱處理(DT)：開花后遇陰雨天搭遮雨棚，并于開花至成熟期停止灌水。

施磷量(以P2O5計(jì))為105 kg·hm-2，3種處理分別用P1、P2和P3表示，P1為返青期100%；P2為返青期：拔節(jié)期=50%∶50%；P3為返青期：拔節(jié)期：灌漿期=40%∶40%：20%。返青期和拔節(jié)期為開溝條施，在兩行小麥中間開溝，溝深5～10 cm(P1處理同樣開溝但不施肥)；灌漿期(花后10 d)施磷方式為各小區(qū)噴施0.05%磷酸二氫鉀，P1和P2處理噴施等量清水。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 農(nóng)藝性狀測(cè)定

小麥成熟期在各小區(qū)隨機(jī)選 10個(gè)單株，取主莖，測(cè)定株高、穗長(zhǎng)、基部第2節(jié)間長(zhǎng)度和穗粒數(shù)。采用游標(biāo)卡尺測(cè)定基部第2和第5節(jié)間粗。小麥?zhǔn)斋@后隨機(jī)數(shù)1 000粒完整籽粒測(cè)千粒重。

1.2.2 籽粒蛋白含量和淀粉含量測(cè)定

小麥籽粒蛋白含量用近紅外光譜谷物品質(zhì)分析儀(DA7250，波通，瑞典)測(cè)定，掃描波長(zhǎng)850～1 050 nm，步長(zhǎng)為2 nm，具體操作過程參考儀器說明書。淀粉含量測(cè)定參照趙永亮[10]的方法。

1.2.3 淀粉粒提取及平均粒徑測(cè)定

取烘干的小麥籽粒，置于去離子水中4 ℃過夜；剝掉果種皮，切除胚，研磨成勻漿。具體提取過程參照Peng[11]的方法。淀粉粒平均粒徑使用激光衍射粒度分析儀(Microtrac S3500,美國(guó))測(cè)定，具體方法參照使用說明。

1.2.4 淀粉粒的外源蛋白酶酶解、染色及觀察

取1.2.3中提取淀粉粒2 g，懸浮于40 mL酶解緩沖液中，加入蛋白酶XIV(196 U·g-1淀粉，sigma，美國(guó)，來源：灰色鏈霉菌)，4 ℃、200 r·min-1振蕩24 h；4 ℃ 4 000 r·min-1離心20 min，收集淀粉粒，去離子水漂洗3次，酒精漂洗1次，用布氏漏斗收集淀粉粒，室溫晾干；用汞溴紅甲醇溶液染色并制成臨時(shí)玻片，具體操作過程參照Kim等[12]的方法，用激光共聚焦顯微鏡(Zeiss,Oberkoche，德國(guó))觀察、拍照。

1.2.5 淀粉粒酸解及還原糖濃度測(cè)定

淀粉粒的酸解參照唐洪波等[13]的方法；參考Bernfield[14]的方法測(cè)定產(chǎn)生的還原糖濃度。

1.2.6 小麥植株及籽粒全磷含量測(cè)定

參照鮑士旦[15]的方法，用分光光度計(jì)測(cè)定植株(籽粒)全磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析使用Excel和SPSS 13.0，所有數(shù)據(jù)至少三個(gè)重復(fù)，方差分析采用F檢驗(yàn)，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)成熟期小麥農(nóng)藝性狀的影響

由表1看出，兩種水分條件下，分期施磷對(duì)成熟期小麥株高有明顯影響。對(duì)于新冬20號(hào)，以WT+P2處理的株高最高，DT處理明顯低于WT處理；對(duì)于新冬23號(hào)小麥，WT+P3處理的植株顯著高于其他處理，DT+P1處理最低。

表1 磷素和干旱脅迫對(duì)小麥農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effects of phosphorus and drought stress on agronomic traits of wheat

相同品種同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示在0.05水平差異顯著。*和**分別代表0.05和0.01水平差異顯著。下同。

Values followed by different letters within same genotype and column are significantly different at 0.05 level. * and ** represent significant difference at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same in tables 2 and 3.

相同水分條件下，分期施磷對(duì)成熟期兩個(gè)小麥品種的第二節(jié)間長(zhǎng)無顯著影響(新冬20號(hào)的WT除外)。對(duì)于第二節(jié)莖粗，新冬20號(hào)各處理間差異不顯著；新冬23號(hào)在WT+P1處理下最高，其他兩處理間差異不顯著。對(duì)于第五節(jié)莖粗，新冬20號(hào)在DT處理間差異不顯著，在WT處理間差異程度不同；新冬23號(hào)在WT+P2處理下顯著高于其他處理，其余各處理間差異不顯著。

相同水分條件下，施磷處理對(duì)成熟期小麥穗部性狀有不同程度影響。對(duì)于新冬20號(hào)，DT+P3處理下穗長(zhǎng)最高；對(duì)于新冬23號(hào)，各處理間差異不顯著。兩個(gè)小麥品種的穗粒數(shù)在各處理間差異程度不同，均以P2處理最高。不同處理對(duì)成熟期小麥千粒重也有明顯影響；新冬20號(hào)以WT+P3處理下最高，且顯著高于其他處理；DT處理均較低，且三者間差異不顯著；新冬23號(hào)小麥以WT+P3處理最高，DT+P2處理最低。

方差分析表明，品種、水分和施磷處理及其兩因素和三因素的交互效應(yīng)均對(duì)成熟期小麥株高存在極顯著影響；第二節(jié)間長(zhǎng)與水分與施磷時(shí)期、品種、水分與施磷時(shí)期交互效應(yīng)的相關(guān)性不顯著。水分、品種與施磷時(shí)期交互效應(yīng)、水分與施磷時(shí)期交互相應(yīng)對(duì)第二節(jié)莖粗有顯著影響。水分、品種與施磷時(shí)期交互效應(yīng)對(duì)第五節(jié)莖粗有顯著影響。品種、水分、施磷時(shí)期以及水分和施磷時(shí)期的交互效應(yīng)對(duì)成熟期小麥穗長(zhǎng)有極顯著影響。品種和水分、品種和施磷時(shí)期及水分和施磷時(shí)期交互效應(yīng)對(duì)成熟期小麥穗粒數(shù)有顯著影響。品種和水分的交互效應(yīng)對(duì)千粒重影響不顯著。

2.2 不同處理對(duì)小麥籽粒淀粉和蛋白含量的 影響

由表2看出，兩種水分條件下，施磷處理對(duì)成熟期小麥總淀粉含量有顯著影響。新冬20號(hào)在DT+P1處理下總淀粉含量最高，WT+P2處理下總淀粉含量最低；新冬23號(hào)在DT+P3處理下總淀粉含量最高，WT+P3處理下最低。

表2 磷素和干旱脅迫對(duì)小麥籽粒蛋白和淀粉含量的影響Table 2 Effect of phosphorus and drought stress on protein and starch content in wheat grain %

兩種水分條件下，施磷處理對(duì)直鏈淀粉含量有不同程度影響。DT+P1和處理下新冬20號(hào)和DT+P3處理下新冬23號(hào)的直鏈淀粉含量均顯著高于相同品種的其他處理。對(duì)于新冬20號(hào)小麥，WT下三個(gè)施磷處理間差異不顯著。對(duì)新冬23號(hào)，DT+P1和DT+P2處理間差異不顯著；WT+P2和WT+P3處理下直鏈淀粉含量顯著低于其他處理。

對(duì)于小麥籽粒蛋白含量，WT+P3處理下兩個(gè)小麥品種均高于相同品種的其他處理。新冬20號(hào)小麥和新冬23號(hào)小麥分別以DT+P2和DT+P1處理下蛋白含量最低。

方差分析表明，除磷處理及水分與磷處理的互作效應(yīng)外，其他因素均對(duì)總淀粉含量存在極顯著影響。除品種和水分的互作效應(yīng)外，其他效應(yīng)均對(duì)直鏈淀粉含量存在顯著影響。品種、水分、磷處理及三者的交互作用對(duì)籽粒蛋白含量存在極顯著影響。

2.3 不同處理對(duì)小麥胚乳淀粉粒微觀結(jié)構(gòu)的 影響

為了更深入地觀察磷素和水分對(duì)淀粉粒內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，將蛋白酶XIV酶解處理的淀粉粒經(jīng)汞溴紅染色，通過激光共聚焦顯微鏡觀察(圖1和圖2)。不同處理下兩個(gè)小麥品種的胚乳淀粉粒基本形態(tài)未發(fā)生明顯變化，均為大的A型淀粉粒(直徑≥10 μm)和小的B型淀粉粒(直徑<10 μm)組成。對(duì)于新冬20號(hào)小麥，DT處理下的淀粉粒內(nèi)部顯示出更多的熒光(圖1D、圖1E和圖1F中箭頭所示)，而WT條件下淀粉粒的熒光則相對(duì)較弱；兩種水分條件下P1和P3處理的淀粉粒熒光均強(qiáng)于P2處理。對(duì)于新冬23號(hào)小麥，不同處理下的淀粉粒內(nèi)部熒光的強(qiáng)度與新冬20號(hào)不同。WT+P2(圖2B)和WT+ P3(圖2C)的熒光強(qiáng)于WT+ P1(圖2A)，而DT條件下P2(圖2E)的熒光相對(duì)最弱。說明不同磷處理和水分條件下小麥淀粉粒內(nèi)部的微通道結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

2.4 不同處理對(duì)小麥淀粉粒酸解特性的影響

淀粉粒表面微觀結(jié)構(gòu)(微孔和微通道)有助于酸等化學(xué)物質(zhì)進(jìn)入淀粉粒內(nèi)部，使得鹽酸能夠作用于糖類，使之分解為還原糖[12-13]，觀測(cè)相同質(zhì)量的淀粉粒經(jīng)酸解后產(chǎn)生的還原糖濃度，可以反映淀粉粒表面的微孔結(jié)構(gòu)的數(shù)量。

由圖3看出，不同磷處理下兩個(gè)小麥品種淀粉粒酸解后還原糖濃度均差異顯著。新冬20號(hào)的還原糖濃度整體高于新冬23號(hào)。兩種水分條件下，新冬20號(hào)的P2處理下的還原糖濃度均顯著小于P1和P3，以DT+P1處理的酸解后還原糖濃度最大，WT+P2最小。新冬23號(hào)DT+P1處理的還原糖濃度最大，WT+P1最小。此結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了淀粉粒微孔和微通道結(jié)構(gòu)的變化。

2.5 不同處理對(duì)小麥籽粒硬度的影響

籽粒硬度是表示胚乳質(zhì)地的參數(shù)，可反映胚乳蛋白質(zhì)基質(zhì)與淀粉粒的結(jié)合程度。由圖4可看出，兩種水分條件下磷處理對(duì)成熟期小麥籽粒硬度有顯著影響。對(duì)于新冬20號(hào)，WT+P3籽粒硬度最大，DT+P3最小，其他各處理間差異不顯著；對(duì)于新冬23號(hào)，WT+P1、WT+P3、 DT+P1和DT+P2處理間差異不顯著，但顯著高于其他處理，DT+P3處理的籽粒硬度最低。

A、B、C、D、E、F 分別代表WT+P1、WT+P2、WT+P3、DT+P1、DT+P2和DT+P3處理下通過激光共聚焦顯微鏡觀察到的經(jīng)汞溴紅染色的淀粉粒。白色箭頭指向的是淀粉粒中的短通道或空腔(通過微孔連接到外表面)。圖2同。

Starch granules were isolated from the wheat grain samples under the WT+P1(A),WT+P2(B),WT+P3(C),DT+P1(D),DT+P2(E) and DT+P3(F) conditions,respectively,and stained with merbromin then observed using CLSM. The white arrows indicate short channels and/or cavities (connected to the exterior by channels) within the granules.The same in Fig.2.

圖1 不同處理對(duì)新冬20號(hào)小麥胚乳淀粉粒微觀結(jié)構(gòu)的影響

Fig.1 Effect of different treatments on starch granule micro-structure of Xindong 20

圖2 不同處理對(duì)新冬23號(hào)小麥胚乳淀粉粒微觀結(jié)構(gòu)的影響

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著。

Different letters above columns are significantly different at 0.05 level.

圖3 磷素和水分對(duì)小麥淀粉酸解后還原糖濃度的影響

Fig.3 Effects of phosphorus and water on reducing sugar concentration of starch granules after acidolysis

2.6 不同處理對(duì)小麥植株磷含量的影響

由表3可看出，兩種水分條件下磷處理對(duì)成熟期小麥植株磷含量有顯著影響。對(duì)于新冬20號(hào)小麥，WT+P3和DT+P1處理下磷含量顯著高于其他處理，其他各處理間差異程度不同；對(duì)于新冬23號(hào)小麥，以DT+P2處理最高。

兩種水分條件下磷處理對(duì)成熟期小麥籽粒中磷含量也有顯著影響。如表3所示，WT+P3處理下新冬20號(hào)和新冬23號(hào)的籽粒磷含量均顯著高于其他處理；對(duì)于新冬20號(hào)小麥，以WT+P1處理籽粒磷含量最低；對(duì)于新冬23號(hào)小麥，DT+P1處理下籽粒磷含量顯著低于其他處理。

方差分析表明，品種與水分、品種與磷處理、水分與磷處理的交互效應(yīng)對(duì)成熟期小麥植株磷含量存在顯著影響。品種、水分、磷處理、水分與磷處理及品種、水分與磷處理的交互效應(yīng)均對(duì)成熟期小麥籽粒磷含量存在極顯著影響。

圖4 磷素和水分對(duì)小麥籽粒硬度的影響

品種Genotype水分Water treatment施磷處理Phosphorus application植株磷含量Plant phosphorus content籽粒磷含量Grain phosphorus content新冬20號(hào) Xindong 20DTP10.241a 0.370bcP2 0.148cd 0.317cdP30.140d 0.262deWTP1 0.197bc0.240eP20.186b0.421bP30.254a0.558a新冬23號(hào) Xindong 23DTP1 0.142bc0.305eP20.262a0.365dP30.241a0.412cWTP10.106c0.358dP2 0.181abc0.452bP3 0.212ab0.481aF值 F value品種 Genotype(G)0.116.0??水分 Water(W)0.386.8??施磷處理 Phosphorus application(P)3.256.7??品種×水分 G×W10.5??1.4品種×磷處理 G×P12.6??0.2水分×磷處理 W×P3.6?56.5??品種×水分×磷處理 G×W ×P3.348.1??

3 討 論

磷肥具有促進(jìn)根系生長(zhǎng)、提高根系比表面積的作用[16]，因而增施磷肥能緩解土壤水分脅迫對(duì)作物的不利影響。占 愛[17]在研究磷素和小麥抗旱性關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，施磷處理增加了植株對(duì)干旱的敏感性，干旱明顯削弱了磷肥應(yīng)有的增產(chǎn)作用。雖然施磷增加了小麥的耗水量，但明顯提高了群體水分利用效率，說明磷肥對(duì)植物同化作用和生長(zhǎng)過程的促進(jìn)大于耗水量的增加。小麥在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期對(duì)磷素的吸收與積累不同。本研究表明，兩個(gè)小麥品種在適水條件下分期施磷可明顯增加籽粒磷含量及千粒重，而新冬20號(hào)在干旱條件下不同磷處理間差異明顯。王 瑜等[18]研究表明，磷素積累量大部分來自拔節(jié)后，施用磷肥顯著提高了冬小麥開花前植株磷素積累量，并隨著磷肥施用量的增加植株磷素積累量增加。梁子龍等[19]研究表明，外源噴施磷酸二氫鉀能顯著促進(jìn)可溶性總糖向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)了籽粒淀粉合成，提高了淀粉含量，從而緩解了灌漿期干旱脅迫對(duì)小麥籽粒灌漿的抑制作用。在新疆小麥生產(chǎn)區(qū)，籽粒灌漿期干熱風(fēng)頻發(fā)，是導(dǎo)致籽粒減產(chǎn)的重要原因。本研究中，新冬20號(hào)小麥耐旱性較強(qiáng)，熟期較早；新冬23號(hào)耐旱性較弱，熟期較晚，灌漿期更易遭受干熱風(fēng)或高溫的影響，兩個(gè)品種干旱下籽粒總淀粉含量均顯著高于適水處理，可能是灌漿期噴施磷酸二氫鉀對(duì)淀粉積累具有積極作用。此外，本研究表明，對(duì)于新冬20號(hào)，不同時(shí)期施磷對(duì)小麥莖粗無明顯影響，而對(duì)于新冬23號(hào)，適水條件下不同時(shí)期施磷對(duì)莖粗的影響較顯著，并且在適水條件下分三次施磷顯著增加了籽粒千粒重、蛋白含量和植株磷素含量。由此看出，分期施磷在一定程度上可以增強(qiáng)植株的抗倒伏能力并促進(jìn)粒重的積累。

淀粉在小麥籽粒中是以淀粉顆粒的形式存在，淀粉粒的微觀特性對(duì)淀粉的品質(zhì)有重要影響。微孔和微通道是小麥淀粉粒的固有特征，且A型和B型淀粉粒微通道結(jié)構(gòu)不同，其中A型淀粉粒通道較多，B型淀粉的微通道大部分被蛋白阻塞[12]。目前關(guān)于小麥淀粉粒微通道的生物學(xué)起源尚沒有定論，前期研究表明，該結(jié)構(gòu)可能和小麥淀粉合成過程中籽粒淀粉合成酶和降解酶活性的動(dòng)態(tài)平衡有關(guān)，灌漿期水分和磷素供應(yīng)均會(huì)影響該平衡關(guān)系，造成淀粉粒表面微觀結(jié)構(gòu)的變化[9,20-21]。該結(jié)構(gòu)在淀粉品質(zhì)特性中有重要作用，是酶、酸、水等物質(zhì)進(jìn)入淀粉粒內(nèi)部的重要通道[12]。對(duì)淀粉粒糊化過程中的吸水膨脹、崩解、淀粉微晶束的析出以及淀粉膠體的形成均有重要影響。在酶解過程中微孔數(shù)量的增加和孔徑的變大有利于提高淀粉的水解效率[9]。

此外，在小麥胚乳中淀粉粒均鑲嵌在蛋白基質(zhì)當(dāng)中，淀粉粒與蛋白質(zhì)結(jié)合的疏松程度對(duì)小麥制粉過程中破損淀粉含量有重要影響，進(jìn)而作用于面粉的烘焙和蒸煮品質(zhì)。本研究中，觀察淀粉粒微觀特性的樣品均為手工直接提純籽粒中的淀粉粒，因而排除了不同籽粒硬度在機(jī)械磨粉過程中對(duì)淀粉粒微觀特性的影響。小麥淀粉粒中含有少量磷，主要以無機(jī)磷、磷脂、磷酸單酯等形式存在，磷素的存在形式和含量可能與小麥生長(zhǎng)過程中的水分和養(yǎng)分供給密切聯(lián)系，且最終會(huì)對(duì)淀粉品質(zhì)產(chǎn)生重要影響，關(guān)于此方面的研究有待進(jìn)一步深入。

4 結(jié) 論

適水條件下兩個(gè)小麥品種分三次施磷有利于增加籽粒千粒重和蛋白質(zhì)含量。返青期全部施磷有利于花后干旱脅迫下新冬20號(hào)小麥籽粒淀粉的積累；分三次施磷有利于新冬23號(hào)淀粉的積累。因此，應(yīng)根據(jù)不同的品種特性制定合理的水磷運(yùn)籌模式，提高冬小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)。