FACE條件下臭氧濃度升高對不同筋型小麥籽粒品質的影響

摘要：為深入研究不同筋型小麥籽粒品質對地表臭氧（O3）濃度升高的響應，本研究依托于開放式O3濃度增加系統（O3-FACE），于2021年和2022年分別以13個（4個強筋品種、5個中筋品種、4個弱筋品種）和12個（4個強筋品種、6個中筋品種、2個弱筋品種）小麥（Triticum aestivum L．）品種為供試材料，設置環境O3濃度（AA）和1.5倍環境03濃度（E-O3）處理，研究不同筋型小麥對O3濃度升高的響應差異。結果表明：O3濃度升高下2021年Ca元素含量顯著升高24.8%，2022年直鏈淀粉含量顯著降低8.1%。不同筋型小麥籽粒品質對O3響應存在顯著差異，強筋和中筋小麥2022年直鏈淀粉含量顯著降低8.6%和7.6%，2021年Ca元素含量顯著升高24.7%和27.2%，弱筋小麥2021年淀粉含量顯著降低6.7%，兩年蛋白質含量增幅較強筋和中筋小麥更大。根據不同筋型小麥籽粒品質標準，高濃度O3將會有利于中筋和強筋小麥品質形成，而不利于弱筋小麥籽粒品質形成。高濃度O3對所有供試小麥均有重要影響，其中寧麥13、揚麥33和揚麥22對03敏感。

關鍵詞：地表臭氧；小麥；筋型；蛋白質；淀粉；礦質元素

中圖分類號：S512.1 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）08-1687-11 doi：10.11654/jaes.2023-0979

隨著工業化和城市化進程加快，人類活動排放了大量臭氧（O3）前體物：氮氧化物（NOx）和揮發性有機物（VOCs），這些前體物在太陽輻射作用下經光化學反應生成具有氧化性的O3。近年來全球地表O3濃度不斷上升，預計到2050年地表O3濃度將在現有基礎上增加20% - 25%，到21世紀末03濃度將增加40%-60%。我國是全球O3污染的熱點地區，2013年至2017年的監測結果表明我國O3濃度以每年5.8%的速率快速升高問。

O3作為一種對植物有毒害作用的強氧化性氣體，在葉片進行光合作用的同時通過氣孔進入作物葉片，而后迅速轉化產生活性氧（ROS）。當葉肉組織內ROS的累積量超過植物自身的解毒防御閾值，便會引起細胞程序性死亡，破壞葉肉細胞結構，加快葉片衰老，干擾各種生理過程，主要表現為抑制光合作用、降低氣孔導度、減少光合同化物的積累、改變同化物的分配，并最終導致作物產量降低，籽粒蛋白質、淀粉及其組分和元素含量改變，影響籽粒品質。可見，O3污染對作物生長和糧食生產的影響是亟待解決的生態環境問題。

小麥是世界三大谷物之一，提供了人類所需蛋白質的20%。相比于水稻和玉米，大量研究表明小麥對O3濃度升高的響應更為敏感。基于O3濃度和暴露劑量響應關系估算發現，環境O3濃度導致2017-2019年中國小麥相對產量損失達到28%-37%，2014年至2017年僅長三角地區因03污染就使冬小麥年均相對產量損失達到約14%，經濟損失達到25.45億美元。O3濃度升高在減少小麥產量的同時，還影響了小麥籽粒的蛋白質和淀粉的含量及其組成。隨著人們生活水平的不斷提高，對于小麥的營養品質和產品質量的要求越來越高，產量和品質都成為當前小麥生產發展的主要目標。目前已開展了大量有關O3對小麥籽粒品質影響的研究。Broberg等通過Meta分析發現03濃度升高顯著降低了小麥淀粉含量，提高了蛋白質、Ca、Mg等重要成分含量以及小麥面粉的烘烤特性。但這些試驗大部分是利用開頂式氣室（OTC）進行研究，OTC內小氣候條件的改變會加速葉片衰老，影響農作物的生長發育和籽粒的養分吸收，而大田完全開放式O3熏蒸系統（O3-FACE）內部光照、溫度、濕度、通風與自然生態環境一致，在O3-FACE中進行O3濃度升高的模擬試驗，獲得的數據更接近真實情況。目前已在O3-FACE平臺開展了小麥試驗研究，通過對4a的數據分析發現O3濃度升高提高了小麥籽粒蛋白質含量，但降低了淀粉含量，其中直鏈淀粉含量顯著升高。然而當前對籽粒礦質元素含量的響應特征研究還較少。此外當前研究僅包含個別品種，缺乏了解不同小麥品種籽粒品質的O3敏感性差異特征。

由于不同的加工目的，小麥所需達到的品質指標存在差異。按照國家標準可以將小麥劃分為強筋、中筋和弱筋。O3濃度升高下不同筋型小麥品種的響應差異關注較少，而探究不同筋型小麥O3敏感性的差異，有利于改善小麥營養品質。基于此，本研究利用O3-FACE，在2021年和2022年分別對長三角地區廣泛種植的小麥品種進行大田試驗，探究地表O3濃度增加對不同筋型小麥籽粒品質的影響，為地表高濃度O3脅迫下小麥品質變化的評估及糧食安全的適應性對策研究提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于江蘇省揚州市江都區吳橋鎮南京信息工程大學揚州綠色農業研究與示范基地（32°44＇N，119°75＇ E），基地地處長江中下游平原，屬于亞熱帶濕潤氣候，2009年至2018年平均氣溫16.18℃，年平均降水量1 131.3 mm，年日照時間1 936.14 h，年無霜期＞290 d，研究區屬于典型稻麥輪作地區，具有悠久的小麥種植歷史。

1.2 試驗設計

03-FACE平臺共有8個直徑14 m的正八邊形實驗圈，共設置了環境O3濃度（AA）和1.5倍環境O3濃度（E-O3）兩個O3處理，每個O3處理各4個FACE圈重復，各圈之間間隔大于50 m，避免相互影響。O3-FACE平臺的設計采取即時發生-控制混氣-輸送-自由釋放的方式，臭氧發生器產生的O3通過管道輸送至FACE周圍管道內，由管道上均勻分布的小孔向FACE圈內噴出O3氣體，最終使FACE圈內O3均勻分布。每個FACE中的O3濃度由49i臭氧分析儀（美國Thermo Scientific公司）監測。2021年O3熏蒸時間從3月4日開始，5月31日停止，2022年O3熏蒸從3月6日開始，6月2日結束。在熏蒸期間，2021年AA濃度約為41.4 nmol·mol-1，E-O3濃度約為61.2 nmol·mol-1，白天小時O3濃度超過40 nmol·mol-1的累計值（AOT40值）分別為8.1 μmol．mol-1．h和23.5 μmol·mol-1·h。2022年AA濃度約為50.8 nmol·mol-1，E-O3濃度約為76.1 nmol·mol-1，μ3的AOT40值分別為13.1 μmol·mol-1．h和33.9 μmol·mol-1．h。本試驗在AA圈和E-O3圈內設置面積為9 m2的正方形試驗小區。2021年小區內種植13個小麥品種，包括華麥5、寧麥13、寧麥22、農麥88、徐麥33、揚麥15、揚麥16、揚麥22、揚麥23、揚麥25、揚麥29、揚麥30和鎮麥12。2022年小區內種植12個小麥品種，包括連麥7、寧麥29、徐麥35、揚麥16、揚麥20、揚麥23、揚麥29、揚麥30、揚麥33、鎮麥12、鎮麥18和鎮麥19，兩年種植小區相同。2021年和2022年連續種植的5個品種為揚麥16、揚麥23、揚麥29、揚麥30、鎮麥12，表1為具體的小麥筋型劃分。2020年11月10日進行小麥播種，2021年5月31日收獲。2021年11月18日播種，2022年6月2日收獲。每個小區每個品種隨機收獲20個麥穗，人工脫殼后獲得小麥籽粒。為保證試驗隨機性，各品種在小區內隨機種植，南北向為同一品種（即一行一品種），播種量為225萬株·hm-2，最終定苗為61株·m-1，2021年和2022年施肥量為225 kg·hm-2（以N計），基肥：分蘗肥：拔節肥：穗肥為5：1：2：2，日常維護與周圍大田一致。

1.3 測定項目及方法

籽粒75℃烘干48 h后采用球磨儀磨制成粉末，過60目篩后備用。

粗蛋白含量：由元素分析儀（Thermo Scientific，美國）測定氮元素含量，氮元素含量乘以小麥籽粒蛋白質系數（5.70）得到粗蛋白含量。

淀粉及其組分含量：籽粒總淀粉含量由蒽酮比色法測定，直鏈淀粉含量由碘藍染色法測定，支鏈淀粉含量由總淀粉含量減去直鏈淀粉含量得到。

礦質元素含量：過60目篩后的樣品經微波消解儀（新儀微波化學科技有限公司，上海，中國）通過HN03-電消解法消解，然后使用電感耦合等離子發射光譜儀（ICP-OES，Pekin-Elmer）測定Ca、Fe、Zn、Mn4種礦質元素含量。

1.4 數據分析

采用Excel 2021對數據進行整理，利用JMP檢驗數據的正態性和方差齊性，采用裂區設計方差分析檢驗O3、品種及其交互效應，采用t雙尾檢驗分析單一品種不同濃度O3處理下各指標的顯著性差異。篩選出兩年連續種植的5個品種，采用方差分析檢驗03、品種、年份及其交互效應。采用Origin 2022繪圖，柱形圖中數據為平均值±標準偏差（SD），當P＜0.05時認為達到顯著差異性。

2 結果與分析

2.1 O3濃度升高對不同品種小麥籽粒蛋白質含量的影響

O3濃度升高下所有試驗的小麥品種籽粒蛋白質含量均有升高趨勢，但只有揚麥33籽粒蛋白質含量顯著升高15%。不同品種間的蛋白質含量具有顯著性差異，而O3和品種無顯著性交互作用（圖1）。環境O3濃度下2021年農麥88和2022年鎮麥12籽粒蛋白質含量最高，二者均為強筋小麥品種，2021年揚麥15和2022年徐麥35籽粒蛋白質含量最低，分別為弱筋和中筋小麥品種。O3濃度升高情況下，2021年農麥88和2022年鎮麥12籽粒蛋白質含量最高，二者均為強筋小麥品種，2021年揚麥25和2022年徐麥35籽粒蛋白質含量最低，二者均為中筋品種。

2.2 O3濃度升高對不同品種小麥籽粒淀粉及其組分含量的影響

O3濃度升高下，絕大多數小麥籽粒淀粉含量呈減少趨勢。2021年O3濃度升高導致揚麥15、揚麥16和揚麥22籽粒淀粉含量分別顯著降低了9.1%、7.2%和13.8%，2022年揚麥33籽粒淀粉含量顯著降低了6.9%，其余品種淀粉含量變化均不顯著（圖2）。不同品種間的淀粉含量差異達到極顯著水平，O3和品種對籽粒淀粉含量無顯著交互作用。環境O3濃度下2021年揚麥22和2022年徐麥35籽粒淀粉含量最高，分別為弱筋和中筋小麥品種，2021年揚麥29和2022年揚麥30籽粒淀粉含量最低，分別為強筋和弱筋小麥品種。O3濃度升高情況下，2021年寧麥22和2022年揚麥20籽粒淀粉含量最高，二者均為中筋小麥品種，2021年揚麥29和2022年揚麥30籽粒淀粉含量最低，分別為強筋和弱筋小麥品種。

與總淀粉含量類似，O3濃度升高下2021年小麥直鏈淀粉含量有降低趨勢，2022年直鏈淀粉含量顯著降低（圖3）。2021年寧麥13和鎮麥12分別顯著下降19.8%和14.0%。2022年揚麥29和揚麥33分別顯著降低了9.8%、11.6%。不同品種間的直鏈淀粉含量差異達到極顯著水平，O3和品種在2022年對籽粒直鏈淀粉含量具有顯著交互效應。環境O3濃度下2021年揚麥29和2022年鎮麥19的直鏈淀粉含量最高，分別為強筋和中筋小麥品種，2021年華麥5和2022年寧麥29的直鏈淀粉含量最低，分別為中筋和弱筋小麥品種。O3濃度升高情況下，2021年農麥88和2022年揚麥20籽粒直鏈淀粉含量最高，分別為強筋和中筋小麥品種，2021年寧麥13和2022年揚麥30籽粒直鏈淀粉含量最低，二者均為弱筋小麥品種。

兩年不同小麥品種試驗結果表明O3濃度升高未顯著影響支鏈淀粉含量，僅2021年O3濃度升高顯著降低了揚麥22支鏈淀粉含量，降幅約為18%（圖4）。不同品種間直鏈淀粉含量存在極顯著差異，O3和品種無交互效應。環境O3濃度下，2021年揚麥22和2022年徐麥35的支鏈淀粉含量最高，分別為弱筋和中筋小麥品種，2021年揚麥29和2022年鎮麥12的支鏈淀粉含量最低，二者均為強筋小麥品種。O3濃度升高情況下，2021年寧麥13和2022年徐麥35的籽粒支鏈淀粉含量最高，分別為弱筋和中筋小麥品種，2021年揚麥29和2022年鎮麥12的籽粒支鏈淀粉含量最低，二者均為強筋小麥品種。

綜合兩年的試驗結果可知，O3濃度升高對不同小麥籽粒淀粉直支比無顯著影響，只顯著提高了2021年揚麥22的直支比，增幅約為17.2%（圖5）。不同品種間直支比差異兩年都達到極顯著水平。環境03濃度下2021年揚麥29和2022年鎮麥12直支比最高，二者均為強筋小麥品種，2021年揚麥22和2022年徐麥35直支比最低，分別為弱筋和中筋小麥品種。03濃度升高情況下，2021年揚麥29和2022年鎮麥12籽粒支鏈淀粉含量最高，二者均為強筋小麥品種，2021年寧麥13和2022年徐麥35籽粒支鏈淀粉含量最低，分別為弱筋和中筋小麥品種。

2.3 O3濃度升高對不同品種小麥籽粒礦質元素的影響

O3濃度升高顯著增加了2021年籽粒Ca含量，但對其他元素含量均無顯著影響，且O3和品種的交互作用不顯著（表2）。分析不同小麥品種的響應特征可知，O3濃度升高導致2021年寧麥13的Fe元素含量顯著升高21.2%，農麥88的Ca元素含量顯著升高23.4%，揚麥29的Ca元素含量顯著升高21.3%，鎮麥12的Ca元素含量顯著升高45.2%，華麥5的Ca元素含量顯著升高34.8%，寧麥22的Ca元素含量顯著升高28.9%，揚麥22的Ca元素含量顯著升高34.8%，2022年鎮麥18的Ca元素含量顯著升高16.7%，其余品種變化均不顯著。結果表明，不同品種間Ca和Fe元素含量存在顯著差異。

2.4 O3濃度升高對不同筋型小麥籽粒品質的影響

不同筋型小麥對O3濃度升高響應結果表明（表3）：強筋小麥在O3濃度升高下，Ca元素含量在2021年顯著升高24.7%，2022年直鏈淀粉含量顯著降低8 .6%。中筋小麥的Ca元素含量在2021年顯著升高27.2%，2022年直鏈淀粉含量顯著降低7.6%。弱筋小麥淀粉含量在2021年顯著降低6.7%，但在2022年各指標變化均不顯著。

2.5 兩年重復種植的5種小麥籽粒品質對O3濃度升高的年際效應

本研究的20個小麥品種中，揚麥16、揚麥23、揚麥29、揚麥30、鎮麥12在兩年實驗中進行了重復種植，用于分析O3對小麥籽粒品種影響在不同年份間的差異。如表4所示，不同年份間小麥籽粒品質指標具有顯著差異，2021年籽粒蛋白質和礦質元素含量顯著高于2022年，但淀粉含量顯著低于2022年。直支比較為穩定，年份間沒有顯著性差異。O3和年份對淀粉和Ca含量具有顯著交互效應，O3濃度升高顯著降低了2021年揚麥16淀粉含量，而沒有改變2022年籽粒淀粉含量。不同的是，O3濃度升高顯著升高了揚麥29和鎮麥12的Ca含量，而2022年O3濃度對此無影響。

3 討論

O3濃度升高減少作物產量，嚴重威脅全球糧食安全，但現有研究較少關注籽粒品質對O3濃度升高的響應特征。為此本研究利用O3-FACE平臺，在2021年和2022年研究了O3濃度升高對當前長江中下游地區廣泛種植的20個小麥品種籽粒品質的影響差異。O3濃度升高提高了小麥籽粒蛋白質和礦物元素含量，但降低了直鏈淀粉含量，而不同品種籽粒品質的O3敏感性差異顯著。

蛋白質含量是小麥籽粒品質的重要指標之一。O3濃度升高顯著提高了2022年揚麥33的蛋白質含量，其他品種蛋白質含量變化不顯著。已有的研究表明，O3脅迫使小麥早衰，灌漿期縮短而造成灌漿不足，減少單粒質量，對植物氮素吸收無顯著影響，最終形成了濃縮效應，提高了籽粒中蛋白質含量。不同年份間由于種植管理措施差異導致了2022年小麥籽粒蛋白質含量顯著低于2021年，但是O3和年份間無顯著交互效應。比較不同筋型小麥蛋白質含量對O3脅迫的響應差異發現，弱筋小麥的響應幅度比中筋小麥和強筋小麥更明顯，表明弱筋小麥蛋白質含量對O3脅迫更敏感（表3）。張如標利用O3-FACE也發現了類似的規律，O3濃度升高提高了弱筋小麥蛋白質含量。小麥籽粒蛋白質含量是影響小麥品質界定的關鍵指標，我國國家標準（GBIT 17892-1999和GB/T 17893-1999）規定，一等強筋小麥粗蛋白含量≥15.0%，二等強筋小麥粗蛋白含量≥14.0%，弱筋小麥粗蛋白含量≤11.5%。總體上看，相比于中筋和強筋小麥，O3濃度升高使弱筋小麥籽粒蛋白質含量上升幅度較大，這對于要求低蛋白的弱筋小麥不利，其含量超出了國家優質弱筋小麥的標準，影響優質弱筋小麥品質形成，但是有利于中、強筋小麥營養品質的形成。

淀粉是小麥籽粒中含量最多的物質，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，是小麥籽粒的重要組成部分。由于兩類淀粉性質不同，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量比值會影響淀粉糊化特性，進而影響面粉制品的質量。本研究結果表明O3濃度升高主要降低了直鏈淀粉含量，對支鏈淀粉含量影響較小，進而降低了總淀粉含量。O3通過作物葉片氣孔進入葉片后損傷光合系統，顯著降低了灌漿中后期的葉片光合能力。O3濃度升高加速植物衰老，縮短了旗葉有效光合時間，減少了光合產物的產生。另外，灌漿期O3脅迫降低了淀粉合成酶的活性，抑制淀粉的產生。由于O3濃度升高對支鏈淀粉影響較小，因此顯著增加了揚麥22的直支比，影響了其加工品質。O3和年份對淀粉含量具有顯著交互效應，2021年O3濃度升高對籽粒淀粉含量較2022年影響更大，但是2022年O3暴露劑量卻顯著高于2021年。年份間的環境和O3暴露濃度共同決定了小麥籽粒品質的年際響應差異。比較不同筋型小麥淀粉含量的響應特征可知，O3濃度升高顯著降低了強筋和中筋小麥的直鏈淀粉含量，而對弱筋小麥無顯著改變，這表明不同筋型小麥的淀粉及其組分含量對O3脅迫的響應存在差異。優質小麥國家標準（GB/T 17892-1999和GB/T 17893-1999）為：一等強筋小麥籽粒總淀粉含量≤68.8%，直鏈淀粉含量≤13.5%；二等優質強筋小麥總淀粉含量≤71.1%，直鏈淀粉含量≤14.5%；優質弱筋小麥總淀粉含量≥78.5%，直鏈淀粉含量≥17.3%。綜上表明，O3濃度升高有利于中、強筋小麥淀粉品質的形成。

礦質營養元素是影響作物品質的因素之一，在植物的生長發育過程中必不可少，與人體健康也息息相關。據統計，世界上大約一半人口的飲食中都缺乏Zn和Fe。因此，近年來小麥和水稻等主要作物對這些礦質元素的吸收受到越來越多的關注。Zheng等利用OTC平臺進行研究，結果指出冬小麥籽粒Mg、Mn、P、K含量經過O3熏蒸后出現顯著差異，小麥植株的營養循環和元素代謝受到影響，元素含量增幅隨O3暴露量的增加而增加。本研究中，O3濃度升高主要提高了強筋和中筋小麥籽粒的Ca含量，而對其他元素無顯著影響。根據Broberg等對OTC中進行的小麥試驗進行Meta分析發現，相較于過濾空氣環境，O3濃度升高導致小麥籽粒中元素含量升高，且結果呈現普遍的一致性，但其研究缺少大田FACE數據，FACE和OTC可能會由于試驗地不同的土壤氣候環境而導致結果差異較大。FACE的樣品分析表明，O3濃度升高對元素的吸收沒有顯著影響，主要是改變了元素的收獲指數。濃縮效應是提高籽粒Ca元素含量的關鍵。前人研究表明，礦質營養元素不僅對葉片的光合作用產生影響，還會影響碳水化合物、蛋白質、淀粉等物質的合成過程，因此，O3對小麥籽粒元素含量的影響可能是因為小麥在自身不利條件下的調節與適應機制。目前，對O3濃度升高情況下多個品種及不同筋型小麥礦質元素的研究還很缺乏，還需要更多研究來探究不同品種及筋型對作物籽粒養分的影響。

年份間生長環境和O3暴露劑量也影響了小麥籽粒品種對O3的敏感性。O3和年份對小麥淀粉和Ca元素含量具有顯著的交互效應，總體表現為2021年O3濃度對籽粒品質影響大于2022年。2021年03濃度升高顯著降低了揚麥16的淀粉含量，升高了揚麥16、揚麥23和揚麥30的Ca元素含量。但是在2022年O3濃度對這些小麥籽粒品質均無顯著影響。然而2022年平均O3濃度卻顯著高于2021年。因此年份間的氣候差異可能是影響小麥籽粒品質O3敏感性的關鍵，氣候特征不同可能改變了小麥葉片對O3的吸收通量。因此小麥籽粒品質對O3的敏感性是由品種特性、生長環境特征和O3暴露劑量共同決定。但是小麥品種特征是決定性因素，2021年揚麥16、揚麥23和揚麥30表現為O3抗性品種，2022年同樣表現為O3抗性品種。因此本研究發現的敏感性品種在未來O3濃度不斷升高背景下還需要特別關注。

盡管不同品種小麥各個品質參數響應存在差異，但是O3敏感性的小麥品種其多個品質參數均對O3濃度升高具有顯著響應。O3濃度升高顯著影響了寧麥13、揚麥33和揚麥22的多個籽粒品質特征，可在O3濃度不斷升高的背景下減少這些敏感型品種的選用。O3濃度升高下弱筋小麥的蛋白質含量增幅較大，不利于弱筋品質形成，而中筋和強筋直鏈淀粉含量顯著降低，卻有利于其品質形成，因此O3濃度升高對弱筋小麥品質具有重要影響。

4 結論

03濃度升高顯著改變了小麥籽粒品質，提高了籽粒Ca元素含量，顯著降低了直鏈淀粉含量。決定籽粒品質對O3響應存在差異的關鍵是年份間氣候特征而不是O3暴露劑量。不同品種小麥籽粒品質對03的響應存在差異，其中寧麥13、揚麥33和揚麥22多個籽粒品質參數對O3較為敏感。不同筋型小麥籽粒品質對O3響應存在差異，弱筋小麥淀粉含量顯著降低，中筋和強筋小麥直鏈淀粉含量降低、Ca元素含量升高，所有供試小麥均受到O3濃度升高的影響，未來需要更關注O3對弱筋小麥品質形成的影響。

（責任編輯：李丹）

基金項目：江蘇省碳達峰碳中和專項（BE2022312）；國家自然科學基金重點項目（42130714）