不同磷素水平對(duì)小麥旗葉和穗部葉綠素及核酸含量的影響

邱悅，徐婷，魏波，李春艷，李誠(chéng)

(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 832003)

小麥?zhǔn)侨祟惖闹饕Z食作物之一。磷素是小麥生長(zhǎng)過(guò)程中必需的營(yíng)養(yǎng)元素，是影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素。磷礦是一種稀缺資源，世界的磷儲(chǔ)量將在今后50～100年內(nèi)耗竭。在小麥生產(chǎn)中追求產(chǎn)量、過(guò)量施磷現(xiàn)象普遍，且磷肥的當(dāng)季利用率很低，因此，過(guò)量施磷對(duì)環(huán)境、資源和經(jīng)濟(jì)造成很大的壓力。合理施用磷肥，既能促進(jìn)作物增產(chǎn)，也可防止磷礦的過(guò)度開(kāi)發(fā)、節(jié)約磷的施用，對(duì)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展以及作物的生長(zhǎng)意義重大。

缺磷會(huì)影響植物細(xì)胞的生長(zhǎng)和分裂，減慢作物葉片的生長(zhǎng)和延伸，從而縮小作物的體積[1]。有關(guān)小麥的研究表明，適當(dāng)?shù)牧姿厮娇梢蕴岣咝←湹娜~面積，提高葉片的光合速率，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)[2]，增強(qiáng)干旱區(qū)冬小麥的抗逆能力并提高產(chǎn)量[3]；過(guò)量施磷不但會(huì)降低小麥葉片光合速率和葉綠素含量，使光合產(chǎn)物的積累減少?gòu)亩焕谔岣弋a(chǎn)量[4]，還會(huì)影響環(huán)境[5]。小麥旗葉是重要的功能葉，對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量有決定性作用。研究表明旗葉葉綠素含量隨著施磷水平的增加而相應(yīng)升高[6]，磷肥的施用對(duì)小麥旗葉的葉綠素a、b和碳水化合物代謝均有重要影響[7]。此外，小麥穗部的綠色器官(包括麥芒和穎殼)也是重要的光合器官，其同化產(chǎn)物直接運(yùn)往所著生的籽粒，對(duì)籽粒充實(shí)起重要作用[8-9]。核酸是生物體重要的組成部分和生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，核酸含量的高低是決定其保持生長(zhǎng)能力的必要條件[10]。小麥籽粒灌漿過(guò)程中，旗葉和穗部的葉綠素含量以及DNA含量對(duì)籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)形成有關(guān)鍵作用[11-12]；適當(dāng)磷素水平可增加小麥旗葉和籽粒中的DNA含量[13]，高的核酸水平可以為淀粉和蛋白合成相關(guān)基因表達(dá)量提供物質(zhì)基礎(chǔ)，可以為小麥的正常生長(zhǎng)發(fā)育提供良好的條件[14]。

目前，關(guān)于磷肥施用水平對(duì)小麥葉綠素含量影響的研究較多，但從灌漿期小麥旗葉、穗部、籽粒葉綠素含量和核酸含量變化的角度研究磷肥與粒重的關(guān)系的研究較少，因此，本研究以2個(gè)冬小麥為參試材料，設(shè)置3種施磷水平，分別模擬小麥生產(chǎn)中不施磷、常規(guī)施磷和過(guò)量施磷，研究小麥籽粒灌漿期旗葉、穗部和籽粒的葉綠素以及DNA含量，從而為小麥的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和磷素的高效利用提供理論基礎(chǔ)，并對(duì)闡明施磷水平和粒重間、灌漿速率的關(guān)系以及磷肥在冬小麥上的精準(zhǔn)施用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試品種為新疆冬小麥主栽品種新冬20號(hào)和新冬23號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2018年10月至2019年6月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站進(jìn)行大田種植，該地塊前茬作物為向日葵，土質(zhì)為灰漠土，0～20 cm土層內(nèi)含堿解氮63 mg/kg、速效磷15 mg/kg、速效鉀208 mg/kg。播種時(shí)按75 kg/hm2施加尿素，灌溉方式為滴灌，冬前澆水3次，返青至成熟期每隔10～12 d澆水1次，共澆6次。在拔節(jié)期、抽穗期和揚(yáng)花期分別按45、75和120 kg/hm2將尿素隨水施入。

試驗(yàn)為隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，小區(qū)面積為2.4 m×3 m，小區(qū)之間隔離帶寬度為50 cm。按照生產(chǎn)100 kg小麥籽粒大約需磷素營(yíng)養(yǎng)1～1.5 kg，設(shè)置不同的3個(gè)磷素供應(yīng)水平，施磷量(以P2O5計(jì))分別為0、105、210 kg/hm2，分別用P0(不施磷)CP(常規(guī)施磷)和HP(過(guò)量施磷)表示，以模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不施磷、傳統(tǒng)施磷和過(guò)量施磷三種施肥方式。所用肥料為重過(guò)磷酸鈣，施肥方式為條施，在播種后160 d(大約5%的植株已返青)施入。第1次取樣與磷肥施入時(shí)間間隔為41 d。

1.3 采集樣品

于小麥開(kāi)花后，選擇開(kāi)花生長(zhǎng)一致的主莖稈，用不同顏色毛線標(biāo)記，于開(kāi)花后7、14、21、28、35 d分別取樣。分別摘取每個(gè)時(shí)期穗部20個(gè)，旗葉10片，將其中10個(gè)穗中部的籽粒剝出，用錫箔紙包裹放置液氮中，速凍5 min，再放入-80 ℃超低溫冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

(1)SPAD值測(cè)定。從孕穗期開(kāi)始測(cè)定旗葉SPAD值，在小麥旗葉的三個(gè)不同部位進(jìn)行測(cè)定，取平均值，每個(gè)處理測(cè)定10片旗葉。開(kāi)花后每隔7 d測(cè)定一次，直至35 d，具體參照Yue等的方法[15]。

(2)葉綠素含量的測(cè)定。取不同時(shí)期的小麥旗葉和穗部，去掉每片葉粗大的葉脈，剪成碎片。分別稱取0.2 g，用95%乙醇，通過(guò)研磨法和浸泡法提取葉綠素，以95%乙醇提取的樣品作為對(duì)照。于波長(zhǎng)649 nm、665 nm的分光光度計(jì)中分別測(cè)定其吸光度值。然后計(jì)算葉綠素濃度，再換算成鮮重的葉綠素含量(mg/g)，具體參照Mamrutha等的方法[16]。

(3)DNA含量的測(cè)定參照文獻(xiàn)[17]中方法。

(4)小麥籽粒重的測(cè)定采用烘干稱重法。

1.5 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0、Excel進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析及做圖，多重比較采用Duncan法，顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同磷素水平對(duì)灌漿期小麥旗葉SPAD值的影響

從圖1看出：3個(gè)磷素水平處理下，2個(gè)小麥品種花后7～21 d的SPAD值變化不大，花后21～28 d逐漸下降；花后14～21 d新冬20號(hào)小麥CP處理的SPAD值均顯著高于P0和HP處理，花后28 d 3個(gè)處理下SPAD值差異不顯著(圖1a)。3個(gè)處理下花后21～28 d新冬20號(hào)的旗葉SPAD值下降率分別為14.37%、25.12%和19.34%，新冬23號(hào)三個(gè)處理下SPAD值同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且P0處理下SPAD值在花后7～28 d均顯著低于HP和CP處理(圖1b)；3個(gè)處理下花后21～28 d，新冬23號(hào)下旗葉SPAD下降率分別為15.68%、16.84%和25.31%。

圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同字母代表5%水平下差異顯著。圖1 不同磷素水平對(duì)小麥旗葉SPAD值的影響

2.2 不同磷素水平對(duì)灌漿期小麥旗葉葉綠素含量的影響

從圖2看出：3個(gè)處理下小麥品種新冬20號(hào)和新冬23號(hào)花后7～35 d旗葉葉綠素含量逐漸下降；2個(gè)品種花后7～35 d均為CP處理的葉綠素含量顯著高于HP和P0處理，HP處理的旗葉葉綠素含量顯著高于P0處理；籽粒灌漿末期(花后28～35 d)，新冬20號(hào)3個(gè)處理的旗葉葉綠素含量下降百分率分別為46.36%、44.78%和55.69%(圖2a)，新冬23號(hào)的分別為44.09%、32.25%和59.80%(圖2b)。

圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同字母代表5%水平下差異顯著。圖2 不同磷素水平對(duì)小麥旗葉葉綠素含量的影響

2.3 不同磷素水平對(duì)灌漿期小麥穗部葉綠素含量的影響

從圖3可知：3個(gè)處理下與旗葉葉綠素變化趨勢(shì)相同，2個(gè)品種新冬20和新冬23小麥在花后7～35 d穗部葉綠素含量呈逐漸下降趨勢(shì)，其中CP處理下含量最高，顯著高于HP和P0處理，HP處理的葉綠素含量顯著高于P0；花后28～35 d穗部葉綠素含量下降最快，新冬20號(hào)HP、CP和P0的下降百分率分別為42.74%、46.26%和51.28%(圖3a)，新冬23號(hào)分別為52.31%、50.44%和60.02%(圖3b)。

圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同字母代表5%水平下差異顯著。圖3 不同磷素水平對(duì)小麥穗部葉綠素含量的影響

2.4 不同磷素水平對(duì)各個(gè)時(shí)期小麥旗葉DNA含量變化的影響

從圖4可知：灌漿期小麥旗葉DNA含量變化趨勢(shì)和葉綠素含量變化趨勢(shì)基本一致。3個(gè)處理下新冬20號(hào)和新冬23號(hào)小麥花后7～35 d旗葉DNA含量均逐漸下降，其中花后7～21 d下降緩慢，花后21～35 d隨著籽粒逐漸成熟下降速度加快；花后28～35 d下降趨勢(shì)最為明顯，新冬20號(hào)下降百分率分別為41.34%、39.87%和41.34%，新冬23號(hào)分別為44.82%、41.26%和46.94%。除花后21 d外，新冬20號(hào)HP和CP處理的旗葉DNA含量差異不顯著，但整個(gè)生育期(花后7～35 d)CP處理下旗葉DNA含量顯著高于P0(圖4a)，而新冬23號(hào)花后14～35 d旗葉DNA含量均為CP處理顯著高于P0(圖4b)。

圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同字母代表5%水平下差異顯著。圖4 不同磷素水平對(duì)小麥旗葉DNA含量的影響

2.5 不同磷素水平對(duì)灌漿期小麥穗部DNA含量變化的影響

從圖5可知：3個(gè)處理下2個(gè)小麥品種新冬20和新冬23的穗部DNA含量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在花后21 d達(dá)到峰值；花后21～28 d穗部DNA含量快速下降，新冬20號(hào)下降百分率分別為54.75%、50.97%和58.54%，新冬23號(hào)下降百分率分別為51.83%、47.08%和59.64%。新冬20號(hào)小麥穗部DNA含量在花后7～28 d均為CP處理顯著高于HP和P0，HP處理顯著高于P0，花后35 d時(shí)HP和P0差異不顯著(圖5a)；新冬23號(hào)穗部DNA含量花后14～28 d均為CP處理顯著高于HP和P0，HP顯著高于P0處理，而花后7 d HP和CP差異不顯著，花后35 d HP和P0差異也不顯著(圖5b)。

圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同字母代表5%水平下差異顯著。圖5 不同磷素水平對(duì)小麥穗部DNA含量的影響

2.6 不同磷素水平對(duì)灌漿期小麥籽粒DNA含量的影響

從圖6可知：灌漿期小麥籽粒DNA含量變化趨勢(shì)和穗部DNA含量變化趨勢(shì)一致。3個(gè)處理下2個(gè)小麥品種籽粒DNA含量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，均在花后21 d達(dá)到峰值，之后快速下降，其中，花后21～28 d下降最快，新冬20號(hào)下降百分率分別為44.84%、46.53%和50.58%，新冬23號(hào)下降百分率分別為44.41%、42.12%和46.37%。3個(gè)處理間2個(gè)小麥品種花后14～35 d均為CP處理的籽粒DNA含量顯著高于HP和P0處理(圖6)，籽粒灌漿后期(花后28～35 d)新冬20號(hào)HP和P0處理下籽粒DNA含量差異不顯著(圖6a)，而新冬23號(hào)籽粒灌漿初期(花后7 d)HP和CP處理籽粒DNA含量差異不顯著(圖6b)。

圖中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤，不同字母代表5%水平下差異顯著。圖6 不同磷素水平對(duì)小麥籽粒DNA含量的影響

2.7 不同品種和磷處理對(duì)小麥旗葉及穗部葉綠素和DNA含量的影響

以不同時(shí)期相關(guān)性狀的平均值做方差分析，結(jié)果(表1)表明：

表1 品種和磷素處理對(duì)小麥相關(guān)生理性狀的影響

2個(gè)小麥品種和3種磷素處理對(duì)旗葉SPAD值有顯著影響；2個(gè)品種間以新冬23號(hào)CP處理的旗葉SPAD值最高，但與新冬23號(hào)的HP和新冬20號(hào)的HP和CP差異不顯著。

不同小麥品種和不同磷素處理對(duì)小麥旗葉葉綠素含量、穗部葉綠素含量、旗葉DNA含量、穗部DNA和籽粒DNA含量有明顯影響。同一品種內(nèi)比較，除旗葉SPAD值外，所測(cè)指標(biāo)均為CP處理顯著高于HP和P0，HP處理顯著高于P0。2個(gè)品種間比較，旗葉葉綠素含量以新冬23號(hào)CP處理最高；穗部葉綠素含量、旗葉DNA含量、穗部DNA含量和籽粒DNA含量均以新冬20號(hào)CP處理最高。

綜上可知：品種、磷處理及其兩因素互作效應(yīng)均對(duì)小麥旗葉SPAD值、旗葉葉綠素含量和穗部葉綠素含量存在顯著或極顯著影響；品種和磷處理對(duì)小麥旗葉DNA含量存在極顯著影響，互作效應(yīng)對(duì)旗葉DNA含量影響不顯著；磷處理對(duì)小麥穗部DNA含量和籽粒DNA含量存在極顯著影響，品種和品種與磷處理互作效應(yīng)對(duì)小麥穗部DNA含量和籽粒DNA含量影響不顯著。

2.8 不同磷處理下小麥旗葉及穗部葉綠素和DNA含量與粒重的關(guān)系

通過(guò)分析不同磷素供應(yīng)下新冬20號(hào)和新冬23號(hào)小麥的籽粒灌漿速率特征參數(shù)(表2)可知：籽粒最大積累速率出現(xiàn)在花后13.6 d～15.8 d，但是新冬23號(hào)早于新冬20號(hào)2 d左右?；ê?4 d新冬23號(hào)粒重明顯高于新冬20號(hào)，成熟期新冬20號(hào)粒重明顯高于新冬23號(hào)。

表2 不同磷素處理下小麥籽粒灌漿速率特征參數(shù)

由于籽粒最大積累速率出現(xiàn)在花后13.6 d～15.8 d，取花后14 d和成熟期單粒重與本研究所測(cè)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表3所示，由表3可以看出：2個(gè)小麥品種新冬20號(hào)和新冬23號(hào)在3種磷處理下單粒重與旗葉葉綠素含量、穗部葉綠素含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)。新冬20號(hào)小麥單粒重與P0處理下旗葉葉綠素含量的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.997；新冬23號(hào)小麥單粒重與CP處理下穗部綠素含量的相關(guān)性最大，相關(guān)系數(shù)為0.996。

表3 不同磷素處理下小麥旗葉、穗部葉綠素含量與單粒重的相關(guān)性分析

3 討論

(1)磷素是小麥生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必需的三大元素之一，增施磷肥可使小麥葉片中光合產(chǎn)物積累增加，為植株提供光合同化產(chǎn)物[2]。小麥旗葉對(duì)產(chǎn)量形成貢獻(xiàn)最大的原因是由其特殊結(jié)構(gòu)所致，即分細(xì)胞和多環(huán)細(xì)胞的比例升高，使得在有限的葉肉體積內(nèi)大大增加細(xì)胞內(nèi)表面面積，從而增加了光合面積，提高了光合速率[18]。因此，適宜的磷素供給將給予旗葉細(xì)胞分裂最適的環(huán)境，最大限度地維持旗葉細(xì)胞核酸的完整性，維持旗葉的功能期，并且在小麥生育后期采取有效的“養(yǎng)根護(hù)葉”措施，延長(zhǎng)旗葉的功能期，對(duì)提高產(chǎn)量無(wú)疑是重要的[18]。除旗葉外，小麥穗部的綠色器官(包括麥芒和穎殼)也是重要的光合器官，對(duì)粒重有一定貢獻(xiàn)率[19]。本研究結(jié)果表明2個(gè)小麥品種旗葉SPAD值、旗葉和穗部葉綠素含量隨著施磷量的增加而增加，均在CP處理下最高，表明CP施磷水平有利于提高小麥葉綠素含量。然而，在個(gè)別取樣時(shí)期，HP和P0處理之間(或HP和CP之間)旗葉/穗DNA含量差異不顯著，可能和試驗(yàn)材料的倍性有關(guān)。在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中細(xì)胞分裂是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，植物激素和可利用性營(yíng)養(yǎng)作為一種信號(hào)，對(duì)啟動(dòng)細(xì)胞周期及調(diào)節(jié)細(xì)胞周期進(jìn)程起著重要作用[20]，有研究證明磷酸鹽脅迫會(huì)對(duì)細(xì)胞周期產(chǎn)生影響，影響細(xì)胞的內(nèi)多倍性進(jìn)程，進(jìn)而影響核酸含量[21]。因此，本研究表明供磷水平的不同會(huì)對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生系統(tǒng)性的影響。

(2)核酸含量的高低是決定生物體生長(zhǎng)能力的必要條件[10]。本研究結(jié)果表明在旗葉、穗部和籽粒DNA含量的快速下降期，施磷處理(HP和CP)的下降百分率均小于不施磷(P0)，而CP處理的下降速率低于HP處理(花后21～28 d新冬20號(hào)籽粒DNA含量除外)，說(shuō)明常規(guī)施磷可以減緩旗葉和籽粒中DNA含量下降的速度，有利于小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和籽粒核酸物質(zhì)的積累，這與曾維軍等的研究結(jié)果一致[22]，表明適宜的磷素供給是籽粒通過(guò)合成蛋白質(zhì)增加粒重的重要途徑。

小麥籽粒發(fā)育進(jìn)程也是胚乳細(xì)胞程序性死亡的過(guò)程[23]。籽粒發(fā)育后期CP處理下籽粒DNA含量顯著高于其他處理，說(shuō)明CP處理可能會(huì)在一定程度上延緩胚乳PCD進(jìn)程，進(jìn)而延長(zhǎng)籽粒灌漿期和增加粒重。此外，本課題組前期研究表明，CP處理下胚乳邊緣酶基因表達(dá)量較高，說(shuō)明胚乳外緣的分生組織細(xì)胞仍保持著較旺盛的代謝活性，此部位淀粉合成關(guān)鍵酶基因的轉(zhuǎn)錄水平更高[24]，對(duì)籽粒發(fā)育后期粒重增加有一定的積極作用。

(3)本研究結(jié)果表明2個(gè)小麥品種在不同磷處理下粒重最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間均在花后14 d左右，說(shuō)明花后14 d左右是籽粒灌漿最旺盛階段，這與胡陽(yáng)陽(yáng)等[25]研究結(jié)果一致。在旺盛生長(zhǎng)階段，與其他處理相比，CP處理保持最高的旗葉葉綠素和DNA含量以及穗部葉綠素和籽粒DNA含量，說(shuō)明適宜的磷肥供應(yīng)為粒重提供了物質(zhì)保障。但是粒重最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間新冬23號(hào)早于新冬20號(hào)2 d左右，此時(shí)新冬23號(hào)粒重明顯高于新冬20號(hào)，而成熟期新冬20號(hào)粒重明顯高于新冬23號(hào)，特別是籽粒灌漿后期伴隨著干熱風(fēng)的脅迫，表明新冬20號(hào)小麥籽粒的有效積累和抗逆性優(yōu)于新冬23號(hào)。CP和HP處理下籽粒灌漿后期新冬20號(hào)旗葉和穗部葉綠素含量顯著高于P0，同時(shí)本研究中相關(guān)分析表明粒重與旗葉葉綠素含量、穗部葉綠素含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，這也證明施磷對(duì)灌漿后期小麥植株的持綠性以及對(duì)粒重的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

(1)2個(gè)小麥品種的旗葉SPAD值、旗葉和穗部的葉綠素含量均隨著施磷量的增加而增加，其中常規(guī)施磷有利于提高小麥葉綠素含量和灌漿后期小麥植株的持綠性。

(2)常規(guī)施磷可以減緩旗葉和籽粒中DNA含量下降的速度，有利于小麥的生長(zhǎng)發(fā)育和籽粒核酸物質(zhì)的積累，且可能會(huì)在一定程度上延緩胚乳PCD進(jìn)程，從而使籽粒灌漿期延長(zhǎng)和小麥粒重增加。

(3)2個(gè)小麥品種在不同磷處理下，粒重最大積累速率出現(xiàn)的時(shí)間均在花后14 d左右，且新冬20號(hào)小麥籽粒的有效積累和抗逆性優(yōu)于新冬23號(hào)。