雨養條件下不同筋力小麥品種籽粒形態、品質性狀及產量要素分析

張 霞 徐學欣 趙金科 孫 芹 郝天佳 趙長星 王維華 石 巖

(青島農業大學農學院/山東省旱作農業技術重點實驗室，山東 青島 266109)

小麥(TriticumaestivumL.)是我國重要的糧食作物，是食物中淀粉和蛋白質的重要來源。山東是我國小麥第二大主產省，也是我國優質專用小麥優勢產區之一[1-2]。近年來隨著人們生活水平的改善，對小麥食品的種類和質量需求也不斷提高[3]。為此，探究快速高效的小麥品質分類和評價方法，為小麥品質育種和栽培提供理論依據，對保障我國糧食安全和優質小麥供應意義重大。

小麥品質指標是決定小麥用途的重要參考，是籽粒硬度[4]、沉降值[5]、濕面筋含量[6]、蛋白質含量[7]、粉質參數[8]、拉伸參數[9]等性狀的綜合評價。現代近紅外光譜分析技術具有快速高效、多組分、成本低、非破壞性、無環境污染等優點，在小麥生產加工[10]、病菌鑒定[11]、蟲害識別[12]、抗性鑒定[13]等方面應用廣泛。目前，近紅外光譜分析技術在作物品質分析和評價、品種資源鑒定和品質育種中發展迅速，是谷物品質分析與檢測的重要手段[14-15]。Mutlu等[16]利用近紅外光譜分析技術對小麥蛋白質含量、水分含量、Zeleny沉降值、吸水率、面團發育時間、面團穩定時間、延展性等指標進行測定，測定結果與化學方法測定結果具有良好的一致性。前人研究結果表明籽粒形態(大小)與產量呈正相關關系[17-18]，與品質呈負相關關系[19-20]，籽粒形態可有效預測小麥產量和品質。種子圖像分析技術作為測定小麥形態指標的技術手段，具有經濟、快速等優點，且不易受測量者主觀因素的影響，測定結果準確性和穩定性較高[21-22]。然而，目前鮮見結合近紅外光譜技術和種子圖像分析技術研究小麥品質性狀的報道，且小麥品質與籽粒形態關系仍需進一步研究[17]。基于此，本研究在雨養旱作下，采用11個中筋小麥品種和5個強筋小麥品種，通過近紅外光譜分析技術測定小麥籽粒品質，結合種子圖像分析技術測定籽粒形態，探究近紅外光譜分析技術預測小麥品質的可行性，并明確小麥品質、籽粒形態和千粒重三者之間的相互關系，旨在為優質小麥品種的篩選與品質鑒定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017—2020年小麥生長季，在山東省膠州市青島農業大學膠州現代農業示范園(35.53°N，119.58°E)，雨養條件下開展田間試驗。三年度前茬作物玉米收獲后播種，試驗田土壤質地為砂姜黑土，播種前0～20 cm土層土壤養分狀況見表1，三年土壤基礎肥力基本一致。2017—2018年、2018—2019年和2019—2020年小麥季降雨量分別為154.0、122.7和257.1 mm。

表1 試驗地0～20 cm土層土壤養分狀況

1.2 試驗設計

試驗選用16個小麥品種，包括11個中筋小麥品種(郯麥98、煙農999、濟麥22、良星99、煙農173、青農2號、鑫麥296、泰農33、山農28、DH51202、泰麥1918)，5個強筋小麥品種(師欒02-1、濟麥20、濟南17、洲元9369、泰科麥33)。采用單因素試驗設計，每個品種3次重復，隨機區組排列，共48個小區。2018年試驗小區面積為8.4 m×4.1 m=34.4 m2，2019年和2020年試驗小區面積為8.4 m×8.4 m=70.6 m2，小麥播種前將前茬玉米秸稈粉碎還田旋耕2遍，播種方式為條播，行距為22 cm，基本苗為250萬株·hm-2。3年分別于2017年10月13日、2018年10月13日和2019年10月13日播種，于2018年6月14日、2019年6月12日和2020年6月16日收獲。底施基肥為施可豐復合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，施肥量為1 066.7 kg·hm-2(總養分含量為480 kg·hm-2)，后期不追肥、不灌溉，其他管理同一般高產田。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 小麥產量測定 于小麥成熟期調查小麥的穗數、穗粒數及千粒重，并在各小區隨機選取3 m2收獲測產，籽粒含水量為13.0%。

1.3.2 小麥籽粒形態測定 使用SC6000TR 種子圖像分析系統(Next Instrument，澳大利亞)對16個中、強筋小麥的長度、寬度、厚度、長/寬、圓度進行測定。稱量一定體積(37.81 mL)小麥籽粒，將籽粒擺放入托盤掃描測定。

1.3.3 小麥品質性狀測定 近紅外光譜品質檢測模型建立：用Antaris Ⅱ 傅里葉變換近紅外光譜品質分析儀(ThermoFisher Scienticfic Inc，美國)掃描400份樣品，測定400份小麥樣品的硬度[23]、容重[24]、蛋白質含量[25]、濕面筋含量[26]、沉降值[27]、吸水率[28]、面團穩定時間[28]、形成時間、延展性[29]和最大抗延阻力[29]。采用全光譜數據建立偏最小二乘法(partial least squares,PLS)模型，以交互驗證均方根誤差(root mean square error of calibration,RMSEC)確定最優預處理方法，對光譜信息進行標準化、一階求導、二階求導等預處理，消除干擾因素的影響。其中吸水率、硬度、沉降值、容重、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力的RMSEC分別為1.16%、3.12%、2.32%、5.67%、0.26%、0.61%、0.41%、0.31%、4.36%、64.00%，線性相關系數(R2)分別為0.946、0.816、0.912、0.840、0.982、0.979、0.935、0.914、0.953、0.691。

試驗樣品檢測：人工分揀去除小麥樣品雜質，采用近紅外光譜分析儀進行掃描，每個樣品重復裝樣掃描3次，求平均光譜值。

小麥品質國家標準測定方法驗證近紅外光譜分析技術測定的小麥品質的可行性：采用近紅外光譜分析技術與國家標準方法[23-29]分別測定2018—2019年和2019—2020年16個小麥品種的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力，其相關性分析結果見表2。

表2 近紅外品質測定與國家標準方法測定結果相關性分析

1.4 數據分析

采用Excel 2016對試驗數據進行處理并制圖，利用SPSS 18.0統計軟件進行聚類分析、差異性檢驗分析和方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同小麥品種品質性狀、籽粒形態、產量相關性狀的方差分析

由表3可知，所有指標的品種效應均達極顯著水平(P<0.01)，除年份間籽粒硬度(P<0.05)、厚度(P<0.01)和品種與年份互作的面團形成時間(P<0.01)指標外，其余指標年份間和品種與年份互作效應均達極顯著水平(P<0.001)。

表3 小麥品質性狀、籽粒形態和產量相關性狀均方差值

2.2 不同小麥品種品質分類及品質性狀分析

由圖1可知，對3年度不同小麥品種品質參數進行聚類分析，可將16個小麥品種分為5類。2017—2018年，第Ⅰ類：郯麥98、良星99、鑫麥296、煙農173、泰農33、DH51202；第Ⅱ類：煙農999、青農2；第Ⅲ類：濟麥22；第Ⅳ類：山農28、泰麥1918、洲元9369、濟南17、濟麥20；第Ⅴ類：泰科麥33、師欒02-1。2018—2019年，第Ⅰ類：郯麥98、良星99、鑫麥296、煙農173、泰農33、DH51202、青農2；第Ⅱ類：煙農999、泰麥1918；第Ⅲ類：濟麥22、山農28、泰科麥33、洲元9369；第Ⅳ類：濟麥20；第Ⅴ類：師欒02-1。2019—2020年、第Ⅰ類：郯麥98、良星99、濟南17；第Ⅱ類：煙農999、濟麥22、山農28、煙農173、泰農33、泰麥1918、DH51202、洲元9369；第Ⅲ類：青農2號、鑫麥296；第Ⅳ類：泰科麥33；第Ⅴ類：濟麥20、師欒02-1。

圖1 2017—2020年度不同小麥品種品質的聚類樹狀圖

由表4可知，第Ⅴ類小麥品種沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、形成時間、延展性顯著高于其余類小麥品種，第Ⅳ類小麥沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量和延展性低于第Ⅴ類小麥品種，顯著高于其余類小麥品種。2017—2018年，第Ⅴ類小麥品種的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力均值分別為61.6%、55.3%、795.0 g·L-1、36.8 mL、14.9%、32.4%、7.5 min、4.4 min、151.0 mm、275.9 YU，其吸水率、籽粒硬度、最大抗延阻力顯著高于其余類小麥品種，第Ⅳ類小麥品種硬度、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力低于第Ⅴ類小麥品種，顯著高于其余類小麥品種，但第Ⅳ類小麥品種容重最低。2018—2019年，第Ⅴ類小麥品種的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力值分別為60.1%、56.3%、792.3 g·L-1、42.0 mL、15.8%、34.9%、6.1 min、4.6 min、155.7 mm、399.1 YU，其吸水率、籽粒硬度和最大抗延阻力顯著高于其余類小麥品種，而容重顯著低于其余類小麥品種，第Ⅳ類小麥品種吸水率、硬度、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力低于第Ⅴ類小麥品種，顯著高于其余類小麥品種。2019—2020年，第Ⅴ類小麥品種的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力均值分別為56.9%、54.6%、795.3 g·L-1、33.8 mL、14.4%、30.7%、6.0 min、3.6 min、135.6 mm、245.6 YU，其沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、延展性較其他類小麥品種最高。而其容重相較其他類小麥品種最低，第Ⅳ類小麥品種沉降值、蛋白質含量濕面筋含量、延展性低于第Ⅴ類小麥品種，但高于其余類小麥品種。表明第Ⅴ類小麥品種品質較高是吸水率、籽粒硬度、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、形成時間、延展性和最大抗延阻力的共同表現，而容重與其他品質指標表現相反，第Ⅳ類小麥品種品質表現僅次于第Ⅴ類小麥品種，師欒02-1、濟麥20、泰科麥33較其余小麥品種品質表現更優，而郯麥98和良星99品質表現較差。

表4 2017—2020年不同小麥品種品質性狀

2.3 不同小麥籽粒形態性狀及產量性狀分析

由表5可知，第Ⅴ類小麥的籽粒長度、寬度、厚度、面積最低。2017—2018年，第Ⅴ類小麥籽粒長寬比顯著高于其余類小麥品種，但籽粒圓度與千粒重最低。2018—2019年，第Ⅳ類與第Ⅴ類小麥的長寬比無顯著相關性，但顯著高于其余類小麥品種，而第Ⅳ類小麥的圓度最低，第Ⅴ類小麥品種千粒重最低。2019—2020年，第Ⅰ類小麥籽粒長寬比顯著高于其余類小麥品種，而籽粒圓度最低，第Ⅳ類小麥品種千粒重最低。綜合三年度五類冬小麥千粒重表現為：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅴ，均值分別為42.9、42.9、42.1、40.7、39.1 g。三年度強筋小麥產量均值由高到低依次：濟麥20、濟南17、洲元9369、師欒02-1、泰科麥，產量分別為8 086.2、7 850.7、7 102.6、6 717.0、6 532.1 kg·hm-2，中筋小麥品種產量由高到低依次為煙農999、泰麥1918、煙農173、泰農33、山農28、鑫麥296、濟麥22、良星99、DH51202、洲元9369、青農2，產量分別為8 767.7、8 750.0、8 500.2、7 952.9、7 886.0、7 870.1、7 671.8、7 597.9、7 593.8、7 102.6、6 479.5 kg·hm-2。

表5 2017—2020年不同小麥品種籽粒形態及產量性狀

2.4 小麥籽粒形態與千粒重相關性分析

由表6可知，籽粒千粒重與籽粒寬度、面積呈極顯著正相關關系，與籽粒厚度呈顯著正相關關系，籽粒面積與籽粒長度、寬度、厚度呈極顯著正相關關系；籽粒長寬比與圓度呈顯著或極顯著負相關關系，與籽粒寬度呈顯著負相關關系；籽粒長度與籽粒圓度呈極顯著負相關關系，而籽粒寬度與厚度呈極顯著正相關關系。2018—2019年，籽粒長度分別與千粒重和籽粒長寬比呈顯著正相關關系，與籽粒圓度呈極顯著負相關關系，籽粒長寬比分別與籽粒寬度和籽粒厚度呈顯著負相關關系。2019—2020年，籽粒長度與千粒重呈顯著正相關關系，與籽粒圓度呈極顯著負相關關系。

表6 2017—2020年不同小麥品種籽粒形態及千粒重的相關關系

2.5 不同小麥品種品質性狀與籽粒形態及千粒重性狀之間的相關性分析

由表7可知，2017—2018年，籽粒長度與籽粒硬度和蛋白質含量呈顯著負相關關系，與容重呈極顯著正相關關系；籽粒寬度與沉降值、濕面筋含量、面團形成時間和最大抗延阻力呈顯著負相關關系，與籽粒硬度、蛋白質含量和延展性呈極顯著負相關關系，而與容重呈極顯著正相關關系；籽粒厚度與沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間呈顯著負相關關系，與籽粒硬度呈極顯著負相關關系；籽粒面積與籽粒硬度、沉降值、濕面筋含量、面團形成時間和最大抗延阻力呈顯著負相關關系，與蛋白質含量和延展性呈極顯著負相關關系；千粒重與蛋白質含量呈顯著負相關關系，而與容重呈極顯著正相關關系。2018—2019年，籽粒長度與容重呈顯著正相關關系，而與蛋白質含量呈極顯著負相關關系；籽粒寬度與面團形成時間、延展性呈顯著負相關關系，與蛋白質含量呈極顯著負相關關系；籽粒厚度與沉降值、面團形成時間和最大抗延阻力呈顯著負相關關系、與蛋白質含量和延展性呈極顯著負相關關系；籽粒面積與延展性呈顯著負相關關系，與蛋白質含量呈極顯著負相關關系，但與容重呈顯著正相關關系；千粒重與面團形成時間呈顯著負相關關系，與蛋白質含量呈極顯著負相關關系，而與容重呈顯著正相關關系。2019—2020年，籽粒長度與沉降值呈顯著負相關關系，與蛋白質含量呈極顯著負相關關系；籽粒寬度與籽粒硬度、面團形成時間呈顯著負相關關系，與蛋白質含量呈極顯著負相關關系；籽粒厚度與蛋白質含量呈極顯著負相關關系；籽粒面積與沉降值、面團形成時間和延展性呈顯著負相關關系，與蛋白質含量呈極顯著負相關關系。

表7 2017—2020年小麥品質性狀和籽粒形態及千粒重的相關關系

3 討論

隨著人民生活水平的不斷提高，小麥供給與生產之間的矛盾越來越突出，主要表現為優質小麥的生產嚴重不足，且我國小麥的總體品質較差，因此，轉變小麥生產導向，由“高產為主”向“量質并重，提質增效”的轉變勢在必行[30-32]。傳統上，多采用物化方法測定小麥品質指標，進行品質改良與品種篩選，胡學旭等[33]以2000—2015年我國北部、黃淮冬小麥區1 589份樣品為材料，分析我國近幾十年育成和審定品種的品質變化趨勢，為小麥品質遺傳改良和品種審定提供了參考；王冬梅等[34]對1999—2018年山東省審定的125個品種的蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、吸水量和穩定時間進行分析，為小麥品質改良提供了依據；趙廣才等[35]以7個強筋小麥為材料，測定小麥的濕面筋含量、降落數值、沉降值、粉質指標、拉伸指標和烘烤特性，認為在一定施氮范圍內，小麥的主要加工品質性狀隨施氮量的增加而改善。與傳統化學方法相比，近紅外光譜分析技術可快速、高效檢測小麥品質指標，段國輝等[36]利用近紅外光譜分析技術和國家標準方法分別測定小麥的蛋白質含量，結果表明近紅外品質測定蛋白質含量與國家標準方法測定結果吻合程度較好。孔欣欣等[37]利用近紅外光譜技術分析小麥籽粒水分、蛋白質含量和濕面筋含量，對大批量育種材料品質性狀進行初步篩選，為種質資源早期評價提供重要參考；陳鋒等[38]通過近紅外光譜技術為小麥硬度的測定提供了快速、有效的分級測試方法。本試驗中近紅外光譜分析技術測定的16個小麥品種的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白質含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力與國家標準方法測定的結果相關性較高，因此，利用近紅外光譜分析技術測定小麥品質指標是可行的，且綜合以上指標分析表明，強筋小麥品種師欒02-1、濟麥20、泰科麥33品質表現較為穩定，均優于其余品種，其中師欒02-1的吸水率、硬度、沉降值、蛋白質含量、濕面筋含量、面團穩定時間、面團形成時間、延展性和最大抗延阻力最優，而濟麥20在供試強筋小麥品種中產量最高。中筋小麥品種煙農999、泰麥1918和煙農173產量顯著高于其余小麥品種，在中筋小麥品種中，泰麥1918品質較好且較穩定。因此，在膠東地區半濕潤偏旱的氣候環境雨養條件下，濟麥20和泰麥1918是適宜此地區種植的高產優質冬小麥品種。

小麥千粒重和單位面積粒數共同決定了籽粒產量[39]，而千粒重與籽粒形態(籽粒長度、寬度、厚度)密切相關[40-41]，二者是預測小麥產量和品質的重要指標[42-45]。前人研究表明，小麥千粒重和籽粒形態對小麥品質具有重要影響[46]，小麥千粒重與面粉產量呈顯著正相關關系[47]，而與十二烷基硫酸鈉(sodium dodecyl sulfate, SDS)-沉降值、降落值和面粉粉質指數呈極顯著負相關關系[48]，籽粒長度與面團形成時間和面團穩定時間呈極顯著負相關關系，籽粒寬度與濕面筋含量呈顯著負相關關系[49]，小麥籽粒長度和籽粒寬度與蛋白質含量呈顯著負相關關系[50]。與傳統手工測定籽粒形態相比，利用種子圖像分析技術獲取小麥籽粒形態信息，實現了小麥籽粒的形態參數量化測定[51-52]。本研究采用種子圖像分析技術測定結果表明，千粒重不僅與籽粒寬度、厚度呈顯著正相關關系，還與籽粒面積呈顯著正相關關系。千粒重與品質指標容重具有顯著正相關關系，但與面團穩定時間、蛋白質含量呈顯著負相關關系；其中籽粒蛋白質含量隨千粒重的增加而降低，這可能與Blanco等[53]提出的千粒重對籽粒蛋白質含量具有稀釋作用有關。籽粒長度、寬度、厚度、面積均與蛋白質含量呈現顯著負相關關系(P<0.05)，且籽粒寬度和籽粒面積與蛋白質含量呈極顯著負相關關系(P<0.01)。綜上，通過測定籽粒形態指標(籽粒長度、寬度、厚度、籽粒面積)可以有效預測籽粒蛋白質含量和千粒重。

4 結論

本研究利用近紅外光譜分析技術對供試品種的品質進行分析歸類，發現強筋小麥品種中濟麥20產量最高，中筋小麥品種中泰麥1918產量較高且品質較好，因此，強筋小麥品種濟麥20和中筋小麥品種泰麥1918是適宜魯東地區雨養條件下種植的高產優質小麥品種。小麥籽粒形態(籽粒、寬度、厚度、面積)和千粒重分別與蛋白質含量呈顯著負相關關系，籽粒形態(籽粒長度、寬度、厚度、面積)和千粒重的增加會導致小麥品質下降。綜合利用近紅外光譜分析技術測定小麥品質指標和種子圖像分析技術測定籽粒形態指標，可快速高效鑒定小麥品質和篩選種質資源。