離體穗培養條件下C、N供給對小麥穗粒數、粒重及蛋白質含量的影響

楊 茂，黃 琴，張 震，劉 洋，王志敏，張英華

(中國農業大學農學院，北京 100193)

小麥是我國重要的糧食作物之一，其產量的提高對促進國民經濟發展具有重要意義。隨著我國人民生活水平逐漸提高，消費者對小麥品質有了更高的要求。小麥產量由穗數、穗粒數和粒重三個因素構成，三者之間具有負相關性，只有當三因素協調發展時，小麥才可能獲得高產[1-2]。在高種植密度條件下，小穗第3、第4位小花以及基部與頂部小穗第1、第2位小花結實率下降，從而導致小麥穗粒重和穗粒數隨著種植密度的增加而下降[3]，因此高種植密度下進一步提高小麥產量需要增加穗粒數和粒重。小麥穗粒數主要與花前同化物積累分配有關，粒重則主要與花后同化物的積累分配有關，在小麥同化物量一定的情況下，穗粒數和粒重相互消長[4]。開花后的早期階段(籽粒形成期)是決定穗粒重的關鍵時期，此期蔗糖供給量的變化對穗粒數和粒重均有顯著調控作用[5]。目前關于蔗糖供應對穗粒數和粒重的調控潛力的研究鮮見報道。

小麥籽粒蛋白質含量主要受基因、環境、管理措施及其互作的影響。在管理措施中，氮肥被普遍認為是對籽粒蛋白質含量最具影響力的因子。增施氮素能提高小麥籽粒蛋白質含量，且籽粒蛋白質含量隨氮濃度的增大而持續增加[6]。而周洪華等[7]研究表明，離體培養下小麥籽粒蛋白質含量與氮素濃度呈極顯著的二次曲線關系。小麥蛋白質合成除了受到源的限制外，籽粒淀粉積累、籽粒大小等與庫相關的因素也影響了其生物合成[8]。因此，在充足的氮源供給條件下，探究籽粒蛋白質合成潛力對實際生產具有重要意義。

在大田條件下，田間環境復雜多變，且因素間交互影響，小麥植株器官之間物質、能量、信息相互交錯，使得在大田環境中具體研究某一特定因素對作物的影響比較困難，而離體穗培養技術可通過人為地控制培養基中物質供應濃度來考察庫的反應，恰好可以彌補這個缺點[9]。因此，本研究通過離體培養，控制小麥“碳源”(培養基中的蔗糖)和“氮源”(培養基中的硝酸銨)，探究C、N供給時期和供給水平對小麥籽粒建成及蛋白質含量的影響，以期為小麥高產優質生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017-2018年在中國農業大學科學園試驗田進行。供試小麥品種為濟麥22，于2017年10月30日播種，進行正常的田間水肥管理，在2018年小麥抽穗期選擇抽穗程度一致、生長整齊的植株掛牌標記，于開花期、花后7 d取樣進行離體穗培養。

1.2 離體培養方法及試驗設計

離體穗培養的方法采用Singh和Jenner改良法[10]。取樣時，選取田間標記的植株，從基部斜45度剪斷，插入水中，帶回實驗室。將此離體帶穗莖段，去掉旗葉(保留旗葉鞘)，將整穗先用70%酒精浸泡半分鐘，然后用次氯酸鈉(含0.5%有效氯)表面滅菌10 min，再用無菌水沖洗3～4次，在莖段插入培養基之前于滅菌水中將旗葉節下的節間剪去2 cm，離體莖段通過棉塞插入帶培養基的玻璃瓶中，穗器官露出瓶外。培養容器選擇500 mL廣口瓶，盛放400 mL培養液，每瓶培養7穗。培養瓶置于1～2 ℃的低溫冰臺上，低光強(不低于80 μmol·m-2·s-1)下培養，每日光照12～16 h。

(1)蔗糖供給試驗：培養液采用無N培養基[11]，培養液pH值為5，硝酸銨濃度為1.14 g·L-1，蔗糖濃度設20、40和80 g·L-1三個水平，分別用C1、C2、C3表示。

(2)N供給試驗：蔗糖濃度為40 g·L-1，硝酸銨濃度為0.57、1.14、2.28和4.56 g·L-1四個水平，分別用N1、N2、N3、N4表示。

兩個實驗中每個處理重復3次。每隔5 d更換一次培養液，每次換液時將浸液節間剪去約 2 cm(蒸餾水液面下進行)。培養結束后，考種，測定籽粒蛋白質含量。

1.3 分析測定項目及方法

籽粒成熟期收獲，每個處理每個重復各取5個穗，考察其每個小穗位強勢粒和弱勢粒數量。將籽粒按小穗位分裝在種子袋中，于80 ℃烘箱烘干至恒重，稱量各小穗位的強勢粒重及弱勢粒重，粉碎。粉碎后的樣品采用半微量凱氏定氮法測定小籽粒含氮量，再乘以蛋白質系數6.25，換算成籽粒蛋白質含量。

1.4 數據分析方法

采用Excel2010進行數據處理用DPS數據處理系統進行方差分析，用Duncan新復極差法檢測差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 離體穗培養下C、N供給對小麥穗粒數的 影響

2.1.1 C供給對小麥穗粒數的影響

開花期開始培養的小麥穗粒數隨蔗糖濃度的增加而增加(表1)，C3處理的穗粒數、強勢粒數、弱勢粒數較C1處理分別增加23.5%、 5.7%和100.0%。C3處理對小麥穗粒數的促進作用主要表現在增加了穗基部第1、第2小穗位和頂部第14～第19小穗位的強勢粒數(圖1A)，并增加了各小穗位弱勢粒數(圖1B)。

表1 不同C供給水平下小麥穗粒數、粒重、蛋白質含量及蛋白質積累量的變化Table 1 Changes in grain number per spike,grain weight,protein content and protein accumulation of wheat under different C supply levels

花后7 d開始培養的小麥穗粒數在不同蔗糖處理間差異不顯著，各小穗位的強勢和弱勢粒數均無明顯變化規律(圖1C和圖1D)。在C1、C2、C3處理下，花后7 d培養的小麥穗粒數相比于開花期培養的麥穗分別降低3.07%、8.07%、 17.24%，說明開花期外源碳供給對小麥穗粒數的調節效果較顯著，且隨著碳濃度的增加而增強。

2.1.2 N供給對小麥穗粒數的影響

開花期培養的小麥穗粒數隨著N濃度升高呈先增后減的趨勢(表2)，以N3處理最多。N3處理的穗粒數、強勢粒數、弱勢粒數相比于N1處理分別增加了8.2%、3.4%和24.5%；N4處理的穗粒數、強勢粒數、弱勢粒數相對于N3處理分別下降11.6%、4.8%和29.6%。N3處理的強勢粒數顯著高于其他處理，主要在于N3處理第2、第16、第17、第19小穗位的強勢粒數較其他處理多(圖2A)，而該處理下第6～第14小穗位的弱勢粒數均高于其他處理，從而導致N3處理的弱勢粒數也顯著高于其他處理；N4處理的弱勢粒數顯著低于其他處理是由于其第4～第10小穗位的弱勢粒數均低于其他處理(圖2B)。由此可見，N對小麥弱勢粒數的調控作用大于強勢粒數，高濃度N供應對小麥穗粒數的抑制作用主要在于其阻礙了小麥弱勢粒的形成。

表2 不同N供給水平下小麥穗粒數、粒重、蛋白質含量及蛋白質積累量的變化Table 2 Changes in grain number per spike,grain weight,protein content and protein accumulation of wheat under different N supply levels

由于花后7 d時小麥籽粒已形成，N供應對花后7 d開始培養的小麥穗粒數無顯著影響(表2)。各處理的強勢粒數從第1小穗位到第3小穗位逐漸增加，在第3～第16小穗位基本穩定，之后隨小穗位的提高而減少；弱勢粒數則表現為從第1～第14小穗位呈先增后減趨勢。

2.2 離體穗培養下C、N供給對小麥粒重的影響

2.2.1 C供給對小麥粒重的影響

隨著蔗糖濃度的增加，小麥強勢粒重、弱勢粒重及平均粒重顯著增加(表1)。當蔗糖濃度由20 g·L-1增加到40 g·L-1時，開花期培養的小麥強勢粒重、弱勢粒重和平均粒重分別增加 42.9%、81.9%和53.1%，花后7 d培養的小麥分別增加22.1%、42.7%和28.2%；當蔗糖濃度由40 g·L 1增加到80 g·L-1時，開花期培養的小麥強勢粒重、弱勢粒重和平均粒重分別增加 21.6%、19.3%和20.8%，花后7 d培養的小麥分別增加9.8%、11.4%和10.3%。可見，開花期增加蔗糖供給對粒重的調控效應強于花后7 d，且弱勢粒重對糖供應更敏感。

開花期開始培養的小麥強勢粒重從穗基部到穗頂部呈現出先上升后下降的趨勢，以穗中部的強勢粒重最高，C3處理下弱勢粒重隨小穗位的上升呈現出下降趨勢，而其他兩個處理變化與強勢粒重的變化趨勢相似(圖3)。花后7 d開始培養的小麥強、弱勢粒重與開花期培養小麥的強勢粒重變化趨勢相似。小麥不同小穗位的強勢粒重和弱勢粒重均隨著蔗糖濃度升高而增加，蔗糖濃度由20 g·L-1升至40 g·L-1時，粒重增幅較大，繼續升高到80 g·L-1時則增幅減小。

2.2.2 N供給對小麥粒重的影響

開花期培養的小麥平均粒重、強勢粒重和弱勢粒重隨著N濃度的增加呈先增后減的變化趨勢，均以N3處理的粒重最高(表2)。N3處理的強勢粒重、弱勢粒重、平均粒重相對于N1處理分別增加5.2%、18.0%和10.2%；N4處理的強勢粒重、弱勢粒重、平均粒重相對于N3處理分別降低19.2%、18.9%和19.0%。N3處理粒重較高的原因主要是該處理下第11～第18小穗位的強勢粒重(圖4A)以及第9～第15小穗位的弱勢粒重較其他處理高(圖4B)。平均粒重和強勢粒重均以N4處理顯著低于其他處理，而弱勢粒重以N1和N4處理較其他處理顯著降低，說明開花期小麥弱勢粒重受N濃度的影響較大，該時期氮素不足或過高均會造成弱勢粒重的顯著降低，氮素不足(N1)造成了第1～第5小穗位及第13～第15小穗位弱勢粒重降低，氮素過高(N4處理)則導致第1～第12小穗位弱勢粒重均降低(圖4B)。

花后7 d開始培養的小麥粒重以N2處理相對較高，但N1、N2、N3處理之間差異不顯著，三者均顯著高于N4處理，N4處理相對于N2處理強勢粒重、弱勢粒重、平均粒重分別降低17.6%、43.0%和27.1%(表2)。N4處理各小穗位的強勢粒重以及第2～第12小穗位弱勢粒重均低于其他處理，導致其平均強弱勢粒重均低于其他處理(圖4C、圖4D)。N1處理的第1～第11小穗位強勢粒重低于N2處理，除第8、第12、第18小穗位外其余小穗位的強勢粒重均低于N3處理(圖4C)，導致N1處理平均強勢粒重顯著低于N2、N3處理。N3處理弱勢粒重顯著低于N1、N2處理，主要由于N3處理下第3、第9、第10小穗位以及第12～第14穗位的弱勢粒重低于N1處理，第2～第5小穗位以及第7、第12、第13小穗位的弱勢粒重低于N2處理(圖4D)。可見，花后7 d氮素不足或過高均不利于小麥粒重提高，且弱勢粒重對高氮素濃度反應更敏感。

2.3 離體穗培養下C、N供給對小麥穗粒重的 影響

由表1可知，開花期培養的小麥穗粒重隨著蔗糖濃度的增加而增加，不同處理間差異均達到顯著水平。花后7 d開始培養的小麥穗粒重也隨蔗糖濃度的增加而增加，但C2、C3處理間無顯著差異，二者顯著高于C1處理，說明開花期增加蔗糖供給調控穗粒重的效果更顯著。從穗粒數和穗粒重的增幅來看，穗粒重的增幅明顯大于穗粒數的增幅，可能C供給對穗粒重的影響更大。

從表2中可以看出，兩個時期培養的小麥穗粒重隨著N濃度的增加而呈先增后減的變化趨勢，以N3處理的穗粒重最高；N4處理穗粒重下降主要由于穗粒數和粒重均低于其他處理，且粒重降幅大于穗粒數降幅。總之，N濃度過高不利于穗粒重的提升。

2.4 離體穗培養下C、N供給對小麥籽粒蛋白質含量的影響

2.4.1 C供給對小麥籽粒蛋白質含量的影響

在離體穗培養條件下，小麥籽粒蛋白質含量隨著蔗糖濃度的升高而下降，兩個時期培養的小麥的處理間差異均達到顯著水平(表1)。當蔗糖濃度由20 g·L-1增加到40 g·L-1時，開花期及花后7 d開始培養的小麥籽粒蛋白質含量分別下降28.9%和26.3%；當蔗糖濃度由40 g·L-1增至80 g·L-1時，二者分別下降36.9%和 33.9%。由此可見，過高的外源碳供應對小麥籽粒蛋白質含量提升不利。不同穗位籽粒的蛋白質含量均表現為隨著蔗糖濃度的升高而下降，且同一處理不同小穗位之間無明顯差異(圖5)。

2.4.2 N供給對小麥籽粒蛋白質含量的影響

不同時期培養的小麥籽粒蛋白質含量隨著N濃度增加而增加(表2)，各小穗位籽粒表現一致，無明顯差異(圖6)。開花期開始培養的小麥籽粒蛋白質含量在不同處理間均差異顯著，N2處理較N1處理增加了43.7%，N3處理較N2處理增加了49.7%，N4處理較N3處理增加了48.2%。花后7 d開始培養的小麥籽粒蛋白質含量隨著N濃度的升高也顯著增加，N2處理較N1處理增加了28.9%，N3處理較N2處理增加了48.9%，N4處理較N3處理增加了34.2%。可見，增加氮素供給可顯著提高籽粒蛋白質含量，且開花期調控效果較好。

2.5 離體穗培養下C、N供給對小麥籽粒蛋白質積累量的影響

2.5.1 C供給對小麥籽粒蛋白質積累量的影響

離體穗培養條件下，小麥籽粒蛋白質積累量隨著蔗糖濃度的升高而下降，兩個時期C3處理均顯著低于C1和C2處理，C1、C2處理間無顯著性差異(表1)。當蔗糖濃度由20 g·L-1增加到40 g·L-1時，開花期開始培養的小麥及花后7 d開始培養的小麥籽粒蛋白質積累量分別下降 0.3%和5.8%；當蔗糖濃度由40 g·L-1增加到80 g·L-1時，二者分別下降26.5%、31.1%。由此可見，增加蔗糖供給不利于籽粒蛋白質的積累，高糖(C3處理)影響更顯著。

在外源C供應條件下，小麥籽粒蛋白質積累量從穗基部到穗頂部整體呈現出先升后降的趨勢，麥穗蛋白質積累量表現為穗中部>穗基部>穗頂部(圖7)。開花期開始培養的小麥的C3處理各小穗位的蛋白質積累量均低于C1、C2處理，C1處理從第12～第18小穗位的蛋白質積累量均略高于C2處理；花后7 d開始培養的小麥各小穗位籽粒蛋白質積累量均隨蔗糖濃度的增加而下降，且以高糖處理(C3處理)降幅較大。

2.5.2 N供給對小麥籽粒蛋白質積累量的影響

不同時期培養的小麥籽粒蛋白質積累量均表現為隨著N濃度增加而增加(表2)。開花期開始培養的小麥蛋白質積累量在不同處理間差異均顯著，N2處理較N1處理增加42.8%，N3處理較N2處理增加51.3%，N4處理較N3處理增加24.7%。花后7 d開始培養的小麥的N2處理籽粒蛋白質積累量較N1處理增加了45.3%，N3處理較N2處理增加了39.9%，N4處理較N3處理增加了9.3%，且只有N4處理與N3處理間無顯著性差異。由此可知，過高的N素投入對小麥籽粒蛋白質合成的促進作用并不會持續地增加。

兩個時期培養的小麥各小穗位的籽粒蛋白質積累量隨著N濃度的增加而增加，麥穗蛋白質積累量表現為穗中部>穗基部>穗頂部(圖8)。

3 討 論

在小麥生長發育過程中，很多因素制約著小麥高產優質，如穗粒數與粒重的矛盾、粒重與蛋白質含量的矛盾。前人對小麥離體培養的研究結果顯示，隨著蔗糖濃度的上升，穗結實率和粒重增加，但蔗糖濃度超過4%時，均開始下降[12-13，5,14]。本研究中，在高蔗糖(80 g·L-1)供應下，開花期培養的小麥穗粒數和粒重均顯著增加，并未顯示出下降趨勢(表1)，高蔗糖處理增加了小麥的弱勢粒數及穗頂部的強勢粒數，也增加了各小穗位的強弱勢粒重，且弱勢粒增幅大于強勢粒(圖1、圖3)。增加蔗糖供應對花后7 d培養的小麥穗粒數無顯著影響(表1)，與前人研究結果相一致，小麥開花后的小花退化(主要是第3、第4位花退化)發生在開花后的4～5 d內，在此期間增加同化物供給可以減少小花退化，增加結實率，但開花后第5天以后，增加同化物供給已不能增加穗粒數[15]。花后7 d增加蔗糖供應可顯著增加粒重，但粒重增幅小于開花期培養的小麥(表1)，說明開花期小麥對蔗糖供應的響應較花后7 d敏感。在相同蔗糖濃度下，開花期開始培養的小麥穗粒數高于花后7 d培養的小麥，但粒重以花后7 d開始培養的小麥高于開花期培養的小麥(表1)，說明小麥穗粒數和粒重的調控是存在矛盾的，這可能與小麥穗粒數和粒重的發育順序有關，即小麥穗粒數的形成先于粒重[2]。小麥穗粒重隨培養基C、N濃度的增加而增加，但高氮下穗粒重顯著降低，且穗粒重受粒重的影響較大，主要由于粒重的變幅大于穗粒數的變幅(表1、表2)。

氮是植物生長發育過程中必需的大量元素，對小麥產量的形成具有重要意義。研究顯示，小麥穗粒數隨著氮素濃度升高呈先增后減的趨勢，在氮素濃度為0.06%時穗粒數達最高[7,16]。也有研究表明，氮素濃度為0.064%時，穗粒數顯著減少[17]。外源氮可促進離體穗干物質的積累[18-19]，隨著培養基N濃度的增加，粒重表現為先升高后降低的趨勢[12,20]。本研究中，開花期開始培養的小麥穗粒數和粒重隨著N濃度的增加也呈現先增后降的趨勢，以N3處理最高，繼續增加N供給，穗粒數和粒重顯著下降(表2)，主要由于高N處理(N4)抑制了麥穗中部的弱勢粒形成(圖2)。花后7 d，小麥籽粒已形成，所以在該時期氮素的供應水平并未對穗粒數造成顯著影響，但高氮處理顯著降低粒重，且以弱勢粒降幅較大(表2)。兩個時期比較，開花期氮素供應水平對小麥粒重的影響較花后7 d培養的小麥大，較低或過高的氮素水平都不利于粒重的提高，N3處理對小麥粒重的提高主要表現在其促進了小麥穗中上部的強勢粒重和弱勢粒重的增加，而N4處理導致了各個穗位的強、弱勢粒重均低于其他處理(圖4)，因而平均粒重顯著下降。

蛋白質含量是影響小麥面粉品質特性的關鍵性狀[21-22]，因此對小麥蛋白質含量的研究具有重要意義。前人研究表明，籽粒蛋白質含量表現為隨蔗糖濃度增大而持續降低[12]，隨氮素濃度的增加而增加[7,12,23]。在本研究也顯示，小麥籽粒蛋白質含量隨著蔗糖濃度的增加而持續下降，但在一定范圍內(蔗糖濃度≤40 g·L-1)蔗糖濃度的增加對籽粒中蛋白質的積累量并無顯著影響，說明粒重的增加對小麥蛋白質含量有稀釋作用；蔗糖濃度過高(蔗糖濃度≥80 g·L-1)則不利于籽粒中蛋白質的合成。隨著硝酸銨濃度的增加，小麥的蛋白質含量和蛋白質積累量持續增加，說明小麥籽粒對氮素的吸收是相對不受限制的[24]。但由于高濃度的氮素供給會對小麥粒重的形成造成不利影響，且在花后7 d開始培養的小麥中，N4處理的蛋白質積累量較N3處理增幅小，差異不顯著，說明若再持續增加氮素濃度，由于粒重的限制，蛋白質含量可能不會再增加。

綜上，離體穗培養條件下，C、N的供給水平對小麥穗粒數、粒重及蛋白質含量的調控作用明顯，以開花期增加C、N供給增粒增重效果較顯著，以弱勢粒反應更敏感。此外，穗粒數與粒重、粒重與蛋白質含量的調控是具有矛盾性的，對穗粒數與粒重的調控應具有一定的順序性，在小麥產量形成關鍵期應保證有充足的同化物供應給籽粒，使穗粒數與粒重的乘積達最大；對小麥粒重和蛋白質的調控則涉及到小麥內部碳氮代謝的強弱程度，如何使其達到內部協調、平衡發展仍需進一步研究。