磷運籌和干旱脅迫對冬小麥農藝性狀和品質性狀的影響

李 誠，王曉麗，陳和平，張潤琪，鮑藝丹，朱長安，李春艷

(1.石河子大學農學院/新疆兵團綠洲生態農業國家重點實驗室培育基地，新疆石河子 832000; 2.新疆農發盛源種業有限責任公司，新疆五家渠 831300)

小麥是我國三大糧食作物之一。據統計，全球干旱、半干旱地區約占總土地面積的36%，占總耕地面積的43%[1]。我國旱地小麥面積大，加強水分對旱地冬小麥產量形成、品質調控效應的研究尤為重要。研究表明，在目前旱地生產水平下，糧食產量低的主要原因并非降水太少,而是因為肥力不足造成作物對降水利用率過低所致；合理施肥可顯著提高作物產量和水分利用效率[ 2-3]。磷是小麥生長發育不可或缺的營養元素[4]。小麥在不同發育時期對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-灌漿早期到達峰值。在土壤干旱條件下，適宜的磷營養在一定程度上能夠顯著改善植株水分狀況，維持植株生長以及生理過程的正常進行[6]。

淀粉是小麥籽粒的主要成分，對小麥面粉品質具有重要影響。目前，關于磷素和干旱脅迫對小麥品質的影響已有較多研究。施磷量及灌漿期干旱對小麥籽粒淀粉含量、淀粉粒粒度分布及淀粉粒的微觀結構均有顯著性影響[7-9]。但目前尚未見到關于干旱脅迫下不同磷肥運籌與小麥淀粉品質關系的研究。新疆是特殊的干旱區域，小麥籽粒灌漿過程中干旱頻發。此外，新疆大部分耕地土壤肥力較差，磷素缺乏，長期以來，大量施用磷肥已成為緩解土壤磷素脅迫、實現小麥高產穩產的重要措施之一。本研究擬以冬小麥品種新冬20號和新冬23號為材料，研究不同水分和施磷運籌對冬小麥農藝性狀、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、優質、高效冬小麥的生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設計

供試材料為新疆主栽冬小麥品種新冬20號(高產)和新冬23號(中等產量)。田間試驗于2016年10月至2017年6月在石河子大學農學院試驗站(44°17′N,86°03′E)進行，前茬作物為向日葵，土質為灰漠土。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。播種時按75 kg·hm-2施尿素。在拔節期、抽穗期和揚花期分別按45 kg·hm-2、75 kg·hm-2和120 kg·hm-2將尿素隨水施入。

試驗為裂區設計，水分為主區因素，品種為副區因素，施磷時期為副副區因素，三次重復。小區面積2.4 m×3.0 m，行距為20 cm。播種量為 5.25×106·hm-2，小區間隔離帶寬50 cm。灌溉方式為滴灌，管理方式同當地滴灌大田。冬前澆水3次；正常田間灌溉處理(WT)作為對照，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)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：拔節期=50%∶50%；P3為返青期：拔節期：灌漿期=40%∶40%：20%。返青期和拔節期為開溝條施，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)施磷方式為各小區噴施0.05%磷酸二氫鉀，P1和P2處理噴施等量清水。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 農藝性狀測定

小麥成熟期在各小區隨機選 10個單株，取主莖，測定株高、穗長、基部第2節間長度和穗粒數。采用游標卡尺測定基部第2和第5節間粗。小麥收獲后隨機數1 000粒完整籽粒測千粒重。

1.2.2 籽粒蛋白含量和淀粉含量測定

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

1.2.3 淀粉粒提取及平均粒徑測定

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)測定，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，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)觀察、拍照。

1.2.5 淀粉粒酸解及還原糖濃度測定

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

1.2.6 小麥植株及籽粒全磷含量測定

參照鮑士旦[15]的方法，用分光光度計測定植株(籽粒)全磷含量。

1.3 數據處理

數據分析使用Excel和SPSS 13.0，所有數據至少三個重復，方差分析采用F檢驗，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 不同處理對成熟期小麥農藝性狀的影響

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

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

相同品種同列數據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，分期施磷對成熟期兩個小麥品種的第二節間長無顯著影響(新冬20號的WT除外)。對于第二節莖粗，新冬20號各處理間差異不顯著；新冬23號在WT+P1處理下最高，其他兩處理間差異不顯著。對于第五節莖粗，新冬20號在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，施磷處理對成熟期小麥穗部性狀有不同程度影響。對于新冬20號，DT+P3處理下穗長最高；對于新冬23號，各處理間差異不顯著。兩個小麥品種的穗粒數在各處理間差異程度不同，均以P2處理最高。不同處理對成熟期小麥千粒重也有明顯影響；新冬20號以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均對成熟期小麥株高存在極顯著影響；第二節間長與水分與施磷時期、品種、水分與施磷時期交互效應的相關性不顯著。水分、品種與施磷時期交互效應、水分與施磷時期交互相應對第二節莖粗有顯著影響。水分、品種與施磷時期交互效應對第五節莖粗有顯著影響。品種、水分、施磷時期以及水分和施磷時期的交互效應對成熟期小麥穗長有極顯著影響。品種和水分、品種和施磷時期及水分和施磷時期交互效應對成熟期小麥穗粒數有顯著影響。品種和水分的交互效應對千粒重影響不顯著。

2.2 不同處理對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，施磷處理對成熟期小麥總淀粉含量有顯著影響。新冬20號在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，施磷處理對直鏈淀粉含量有不同程度影響。DT+P1和處理下新冬20號和DT+P3處理下新冬23號的直鏈淀粉含量均顯著高于相同品種的其他處理。對于新冬20號小麥，WT下三個施磷處理間差異不顯著。對新冬23號，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。

對于小麥籽粒蛋白含量，WT+P3處理下兩個小麥品種均高于相同品種的其他處理。新冬20號小麥和新冬23號小麥分別以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外，其他因素均對總淀粉含量存在極顯著影響。除品種和水分的互作效應外，其他效應均對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籽粒蛋白含量存在極顯著影響。

2.3 不同處理對小麥胚乳淀粉粒微觀結構的 影響

為了更深入地觀察磷素和水分對淀粉粒內部微觀結構的影響，將蛋白酶XIV酶解處理的淀粉粒經汞溴紅染色，通過激光共聚焦顯微鏡觀察(圖1和圖2)。不同處理下兩個小麥品種的胚乳淀粉粒基本形態未發生明顯變化，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。對于新冬20號小麥，DT處理下的淀粉粒內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較弱；兩種水分條件下P1和P3處理的淀粉粒熒光均強于P2處理。對于新冬23號小麥，不同處理下的淀粉粒內部熒光的強度與新冬20號不同。WT+P2(圖2B)和WT+ P3(圖2C)的熒光強于WT+ P1(圖2A)，而DT條件下P2(圖2E)的熒光相對最弱。說明不同磷處理和水分條件下小麥淀粉粒內部的微通道結構發生了變化。

2.4 不同處理對小麥淀粉粒酸解特性的影響

淀粉粒表面微觀結構(微孔和微通道)有助于酸等化學物質進入淀粉粒內部，使得鹽酸能夠作用于糖類，使之分解為還原糖[12-13]，觀測相同質量的淀粉粒經酸解后產生的還原糖濃度，可以反映淀粉粒表面的微孔結構的數量。

由圖3看出，不同磷處理下兩個小麥品種淀粉粒酸解后還原糖濃度均差異顯著。新冬20號的還原糖濃度整體高于新冬23號。兩種水分條件下，新冬20號的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DT+P1處理的還原糖濃度最大，WT+P1最小。此結果進一步驗證了淀粉粒微孔和微通道結構的變化。

2.5 不同處理對小麥籽粒硬度的影響

籽粒硬度是表示胚乳質地的參數，可反映胚乳蛋白質基質與淀粉粒的結合程度。由圖4可看出，兩種水分條件下磷處理對成熟期小麥籽粒硬度有顯著影響。對于新冬20號，WT+P3籽粒硬度最大，DT+P3最小，其他各處理間差異不顯著；對于新冬23號，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 不同處理對新冬20號小麥胚乳淀粉粒微觀結構的影響

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

圖2 不同處理對新冬23號小麥胚乳淀粉粒微觀結構的影響

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成熟期小麥植株磷含量有顯著影響。對于新冬20號小麥，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；對于新冬23號小麥，以DT+P2處理最高。

兩種水分條件下磷處理對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號和新冬23號的籽粒磷含量均顯著高于其他處理；對于新冬20號小麥，以WT+P1處理籽粒磷含量最低；對于新冬23號小麥，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對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均對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 Xindong 20DTP10.241a 0.370bcP2 0.148cd 0.317cdP30.140d 0.262deWTP1 0.197bc0.240eP20.186b0.421bP30.254a0.558a新冬23號 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

磷肥具有促進根系生長、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作物的不利影響。占 愛[17]在研究磷素和小麥抗旱性關系時發現，施磷處理增加了植株對干旱的敏感性，干旱明顯削弱了磷肥應有的增產作用。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，說明磷肥對植物同化作用和生長過程的促進大于耗水量的增加。小麥在不同生長發育時期對磷素的吸收與積累不同。本研究表明，兩個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可溶性總糖向籽粒中的轉運，促進了籽粒淀粉合成，提高了淀粉含量，從而緩解了灌漿期干旱脅迫對小麥籽粒灌漿的抑制作用。在新疆小麥生產區，籽粒灌漿期干熱風頻發，是導致籽粒減產的重要原因。本研究中，新冬20號小麥耐旱性較強，熟期較早；新冬23號耐旱性較弱，熟期較晚，灌漿期更易遭受干熱風或高溫的影響，兩個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淀粉積累具有積極作用。此外，本研究表明，對于新冬20號，不同時期施磷對小麥莖粗無明顯影響，而對于新冬23號，適水條件下不同時期施磷對莖粗的影響較顯著，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植株的抗倒伏能力并促進粒重的積累。

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淀粉的品質有重要影響。微孔和微通道是小麥淀粉粒的固有特征，且A型和B型淀粉粒微通道結構不同，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]。目前關于小麥淀粉粒微通道的生物學起源尚沒有定論，前期研究表明，該結構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態平衡有關，灌漿期水分和磷素供應均會影響該平衡關系，造成淀粉粒表面微觀結構的變化[9,20-21]。該結構在淀粉品質特性中有重要作用，是酶、酸、水等物質進入淀粉粒內部的重要通道[12]。對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當中，淀粉粒與蛋白質結合的疏松程度對小麥制粉過程中破損淀粉含量有重要影響，進而作用于面粉的烘焙和蒸煮品質。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械磨粉過程中對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過程中的水分和養分供給密切聯系，且最終會對淀粉品質產生重要影響，關于此方面的研究有待進一步深入。

4 結 論

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