不同小麥品種籽粒脫水特性研究

馮素偉,王光濤,王玉泉,丁位華,文昭普,茹振鋼

(河南科技學院 小麥研究中心,河南省雜交小麥重點實驗室,現代生物育種河南省協同創新中心,河南 新鄉 453003)

作物成熟期籽粒含水率是影響機械化收獲質量、籽粒最終產量、安全貯藏和經濟效益的重要因素。小麥作為我國重要的糧食作物,其生產對保障國家糧食安全具有重要意義。近年來,黃淮麥區小麥-玉米或小麥-大豆等一年兩熟制大面積推廣,培育種植灌漿速率高、脫水速率快的小麥品種不但可以避免或減輕成熟期干熱風的危害,實現穩產高產的目的,而且可以提高收獲質量,降低晾曬成本,同時可促進下茬作物及早播種,提高土地利用效率。

作物籽粒的含水率主要取決于生理成熟后的籽粒脫水速率,研究認為該性狀是可遺傳的[1-3],作物品種不同,籽粒脫水速率亦有較大差異[4]。對于禾谷類作物來說,蠟熟末期籽粒干物質積累已達到高峰,此后的籽粒脫水特性直接關系到收獲期的早遲,同時其也是影響籽粒機械損傷的主要因素[5-6]。因此,研究小麥籽粒灌漿后期的脫水特性,尋找籽粒脫水快的基因型有助于解決當前形勢下小麥生產面臨的問題。在我國黃淮麥區,小麥收獲基本實現了機械化,為適應小麥機械化收獲時對籽粒含水率的要求,籽粒脫水速率的問題逐漸引起育種家的高度關注。

目前,對于玉米籽粒脫水速率的研究較多[5-8],而關于小麥籽粒脫水速率的研究較少,缺乏深入系統的研究[4]。因此,本試驗在多品種的基礎上,連續多年研究小麥籽粒脫水特性,并探討籽粒脫水特性與籽粒灌漿和籽粒質量的關系,以期為探明小麥籽粒脫水特性提供科學依據,并為育種家選育籽粒脫水速率快的品種提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2013-2016年在河南省新鄉市朗公廟鎮試驗基地進行,該試驗區平均年降水量為573.4 mm,小麥全生育期平均降雨量196 mm,小麥灌漿期5月份最低氣溫和最高氣溫分布見圖1。試驗地為砂壤土,0～20 cm土層土壤容重為1.23 g/cm3。小麥播種前茬作物均為玉米,玉米抽穗后壓青澆水,小麥播種前0～20 cm土層養分狀況見表1。

圖1 小麥灌漿期最高溫度和最低溫度分布(2014-2016年)Fig.1 The distribution of maximum temperature and minimum temperature during wheat grain filling stage(2014-2016)

表1 小麥播種前0～20 cm土層養分含量
Tab.1 Soil nutrient content in 0-20 cm soil layer in experimental field before sowing

年份Year有機質/(g/kg)Organic matter全氮/(g/kg)Total N堿解氮/(mg/kg)Available N速效鉀/(mg/kg)Available K 有效磷/(mg/kg)Available P2013-201413.010.9083.96105.8728.652014-201513.521.2084.57110.4229.862015-201613.841.1093.04110.2232.31

1.2 試驗材料

試驗材料選擇生產上大面積種植和新近培育的小麥新品種,包括矮抗58(AK58)、百農418、百農4199、溫麥6號和周麥18,5個品種均由河南科技學院小麥中心提供。

1.3 試驗設計

在生育期管理水平一致的基礎上,對5個品種采用隨機區組設計,3次重復,小區面積3 m×8 m=24 m2,13行區。10月8-10日播種,次年6月2-5日收獲,基本苗225萬株/hm2；播前施復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)900 kg/hm2,返青期結合灌水追施尿素225 kg/hm2,在確保小麥正常出苗的前提下,3個年度均補灌越冬水、返青水、拔節水和開花水,灌水方式為畦田漫灌,改水成數為90%。病蟲草害的防治及其他管理同一般高產田。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 生理成熟期的確定 蠟熟末期,籽粒的物質積累達到高峰時的日期為生理成熟期,根據試驗當地多年記載,一般半冬性小麥品種在花后35 d時籽粒干物質積累達到最大值,花后40～42 d收獲[9-11],因此,本試驗連續多年均將花后35 d作為半冬性小麥籽粒生理成熟期來研究籽粒脫水特性。

1.4.2 脫水特性研究 自花后35 d開始,每天固定時間取樣,連續取樣7 d；每小區取10個標記的同一天開花的穗子,迅速剝取籽粒,105 ℃殺青30 min,80 ℃烘干至恒質量,稱質量。計算籽粒的脫水速率。

脫水速率(g/d) =(生理成熟期籽粒含水量-收獲期籽粒含水量)/間隔天數。

1.4.3 籽粒灌漿的測定 小麥開花期對每個品種選擇同一天開花、生長一致、無病蟲危害的單莖200個進行標記。從開花后7 d開始取樣,以后每7 d取樣1次,直至成熟。每個品種每次取10穗,帶回實驗室迅速剝離籽粒,于烘箱105 ℃下殺青30 min,之后降至80 ℃烘干至恒質量,稱籽粒干質量,再換算成千粒質量。以其千粒干質量計算籽粒灌漿速率。

灌漿速率(g/d)=(Cn+7-Cn)/7

式中,C代表取樣時的千粒干質量,n表示開花后的天數,分別為花后0,7,14,21,28,35 d。

1.4.4 籽粒質量測定 小麥完熟期按小區收獲,采用小區收割機脫粒,在實驗室人工稱取千粒質量,按籽粒含水率為12.5%計算最終千粒質量。

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 2003和SigmaPlot 12.0軟件進行數據計算和繪圖,用SPSS 13.0統計分析軟件進行數據差異顯著性檢驗(LSD法,α=0.05)和性狀間的相關分析。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種的籽粒脫水速率

不同小麥品種之間的籽粒脫水速率有較大差異(圖2),且年際間變化較大。2013-2014年和2014-2015年,籽粒成熟期不同品種的籽粒脫水速率依次為百農4199>百農418>矮抗58>溫麥6號>周麥18,2015-2016年籽粒脫水速率依次為百農4199>周麥18>百農418>矮抗58>溫麥6號,由此可以說明,小麥品種百農4199籽粒脫水較快,試驗期間各年度均顯著高于其他品種。從圖3可以看出,百農4199籽粒的平均脫水速率較快,與其他品種間均達到了顯著差異,百農418籽粒平均脫水速率與周麥18差異不顯著,但顯著高于矮抗58和溫麥6號。

不同小寫字母表示相同年度品種間差異達到 顯著水平(P<0.05)。圖3-6同。 Different lowercase letters indicate that the differences between cultivars are significant during the same year (P<0.05). The same as Fig.3-6.

圖3 不同小麥品種籽粒的平均脫水速率Fig.3 The average dehydration rate of grains in different wheat cultivars

2.2 不同小麥品種籽粒灌漿特性

由圖4可知,不同小麥品種之間籽粒灌漿速率有較大差異,花后7～14 d,小麥品種百農4199籽粒的灌漿速率顯著高于其他品種,而花后21 d以后顯著低于其他品種,小麥品種百農418花后各時期的灌漿速率均維持較高水平。同一品種不同灌漿時期也有較大差異,2014-2015年和2015-2016年,除百農4199籽粒灌漿速率在2015-2016年的14～21 d達到高峰值外,其他花后21～28 d的籽粒灌漿速率達到高峰值,而2013-2014年,花后14～21 d小麥籽粒灌漿速率達到最大值,以后逐漸下降。從圖5可以看出,花后14～28 d為小麥籽粒灌漿盛期,花后28 d以后籽粒灌漿速率下降較快。小麥品種百農4199的灌漿盛期為花后14～21 d,而其他品種均為21～28 d。

圖5 不同小麥品種籽粒的平均灌漿速率Fig.5 The average grain filling rate of different wheat cultivars

2.3 不同小麥品種的千粒質量

由圖6可知,不同小麥品種之間千粒質量有較大差異。2015-2016年度百農418千粒質量與百農4199差異不顯著，其他年度均顯著高于其他品種,溫麥6號千粒質量較低,兩品種的千粒質量變化趨

圖6 不同小麥品種年際間千粒質量變化(2013-2016)Fig.6 The changes of 1000-grain weight in different wheat cultivars(2013-2016)

勢年際間表現一致。從平均千粒質量來看,矮抗58、百農4199和周麥18的千粒質量之間差異不顯著,三者均顯著低于百農418,顯著高于溫麥6號。百農4199的千粒質量年際間變異系數僅為1.26%,與其他品種間達到了顯著差異,其次為溫麥6號和周麥18,矮抗58和百農418的千粒質量年際間變化較大。

2.4 小麥籽粒脫水特性與灌漿速率、籽粒質量的關系

如表2所示,小麥籽粒的脫水速率與千粒質量呈正相關,與花后7～14 d的籽粒灌漿速率和平均灌漿速率均呈顯著正相關,與21～35 d的籽粒灌漿速率呈負相關關系。籽粒的平均灌漿速率與千粒質量呈極顯著正相關,而千粒質量與7～28 d的籽粒灌漿速率呈正相關,與0～7 d和28～35 d的籽粒灌漿速率呈負相關。

表2 小麥千粒質量與籽粒脫水速率和灌漿速率的相關性Tab.2 The correlation between 1000-grain weight and grain dehydration rate, grain filling rate

注：*.P<0.05;**.P<0.01。

3 結論與討論

小麥籽粒產量形成的過程就是籽粒灌漿的過程,主要由灌漿速率和灌漿持續期決定,同時它也受環境條件的影響[9]。不同品種間灌漿速率差異顯著,一般認為,灌漿速率快的品種其粒質量較高[10-11]。從本試驗結果來看,小麥粒籽質量隨著平均灌漿速率的升高而提高,花后7～28 d的灌漿速率是影響粒質量的關鍵,這與王麗娜等[11]的研究結果一致。小麥品種百農418花后平均灌漿速率較高,其千粒質量各年度均高于其他品種,小麥品種百農4199花后0～21 d籽粒灌漿速率快,而花后21 d以后灌漿速率降低,其平均灌漿速率低于百農418,這可能是其最終千粒質量相對較低的原因所在,但其年度間千粒質量變化受外界環境條件的影響較小。

Johnson等[12]認為,籽粒干物質的積累決定于灌漿持續期,而籽粒的灌漿持續天數影響下茬作物的播種時間,籽粒蠟熟后小麥細胞的生理活動基本停止,干物質積累量基本不再增加[13-14]。蠟熟后小麥籽粒脫水過程主要是一種物理過程,脫水速率的快慢影響小麥的收獲期及下茬作物的播種。因此,隨著小麥生產中機械化程度的提高,對小麥品種有了新的要求,育種上應選育籽粒灌漿快的品種以彌補灌漿持續期縮短造成的籽粒質量降低,且要求成熟期籽粒迅速脫水,適宜于機械化收獲,以降低收獲時的損失及收獲后的晾曬成本。但是,目前關于籽粒脫水速率的研究大多集中于玉米,小麥籽粒脫水速率的相關研究鮮有報道,在全程機械化操作中沒有引起足夠的重視[4,15]。本試驗的初步研究認為,小麥籽粒的灌漿速率影響成熟期籽粒的脫水速率,相關分析表明,小麥成熟期籽粒的脫水速率與灌漿前中期(0～21 d)的籽粒灌漿速率呈正相關,尤其以7～14 d的籽粒灌漿速率對后期籽粒脫水速率影響顯著,成熟期籽粒灌漿速率高的品種,反而不利于籽粒的脫水。2013-2014年,百農4199籽粒脫水速率顯著高于其他品種,其灌漿前中期的灌漿速率較高。因此,獲取籽粒脫水快的品種,應選育灌漿前中期籽粒灌漿快的基因型,但影響小麥籽粒脫水速率的農藝性狀、生理性狀等指標還有待進一步研究。

在育種過程中,使小麥最大限度地充分利用外界環境條件延長灌漿期,實現千粒質量最大化,來獲得高產[16-17]；品種的灌漿期延長,若收獲期不變,則可能導致收獲時籽粒含水量達不到安全貯藏的標準,同時也給機械化收獲帶來困難,增加機械損失。灌漿期延長或成熟期籽粒脫水速率慢的品種,若遇干熱風易造成青干枯熟,降低籽粒質量[18-19]。本試驗中的小麥品種百農418籽粒質量較高,但年際間籽粒質量的變化較大,由于平均灌漿速率較快,籽粒質量較高,后期籽粒脫水速率高于矮抗58、周麥18和溫麥6號。百農4199由于前期籽粒灌漿快,在干熱風到來之際已積累足夠的干物質,成熟前迅速脫水,受干熱風的影響較小,因此,年際間籽粒質量的變異系數小。2015-2016年,小麥籽粒灌漿期氣溫較低,前期籽粒灌漿速率較慢,生理成熟期后,營養器官積累的干物質來不及向籽粒轉運,脫水速率慢的品種千粒質量下降明顯。茹振鋼等[20]提出,隨著產量的提高,籽粒質量對產量的貢獻逐漸增大。可見,選育籽粒灌漿速率較快,成熟期籽粒脫水速率較高的小麥品種是實現高產穩產的保證。經過多年的研究表明,半冬性小麥品種百農4199和百農418籽粒脫水相對較快,可作為黃淮麥區一年兩熟地區小麥種植季節的優選品種,以保障小麥安全收獲和儲藏,同時提高土地的周年生產能力。