施氮量对不同品质类型小麦子粒蛋白质组分含量及加工品质的影响

石玉,张永丽,于振文*

(1山东农业大学农业部作物生理生态与栽培重点开放实验室,山东泰安271018;2山东省泰安市农业局,山东泰安271000)

小麦子粒中的蛋白质按其溶解度及其提取方法不同,可分为清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白[1]。清蛋白和球蛋白以参与代谢活动的酶类为主,与面粉的营养品质密切相关;醇溶蛋白和谷蛋白是贮藏蛋白,是小麦面筋的主要成分。研究表明,醇溶蛋白决定面团的延展性和粘性,谷蛋白决定面团的弹性和韧性[2-3],谷蛋白是决定小麦面粉筋力的主要因素,对面团稳定时间,沉淀值等有明显的影响[4-7]。氮素营养对小麦子粒蛋白质及其组分含量具有明显的调节作用,影响小麦子粒的加工品质。施用氮肥可以显著提高子粒蛋白质含量,但氮素对蛋白质各组分影响的结果不尽相同[2-11],有研究认为,氮肥对谷蛋白和醇溶蛋白的影响要大于清蛋白和球蛋白[6],随施氮量增加,醇溶蛋白和谷蛋白含量的增加幅度大于清蛋白和球蛋白含量的增幅[12]。另有研究表明,随施氮量增加,清蛋白和谷蛋白含量减少,球蛋白和醇溶蛋白增加[11]。目前关于施氮量对子粒谷蛋白亚基(HMW-GS和LMW-GS)含量的调控作用报道尚少。本试验选用品质类型不同的3个小麦品种,采用Wieser的RP-HPLC分析方法,研究了施氮量对小麦子粒蛋白质组分、谷蛋白亚基含量的影响,分析了其与子粒加工品质的关系,以期为不同品质类型小麦优质高产栽培的氮肥运筹提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2004～2005小麦生长季在山东泰安山东农业大学实验农场进行。前茬为玉米,播种前0—20 cm土壤养分含量为:有机质1.21 g/kg,全氮0.09 g/kg,碱解氮76.5 mg/kg,速效磷 69.5 mg/kg,速效钾82.0 mg/kg。供试品种为强筋小麦济麦20、中筋小麦泰山23和弱筋小麦宁麦9号。

试验采用裂区设计,施氮量为主区,品种为副区,主副区内随机排列,3次重复。设N 0、180、240、360 kg/hm24 个施氮水平,分别以 N0、N180、N240、N360表示。氮肥分底施1/2和拔节期(雌雄蕊原基分化期)追施1/2两次施用;所有处理均施入磷(P2O5)105 kg/hm2、钾(K2O)75 kg/hm2作底肥。氮肥用尿素(N 46%),磷肥为过磷酸钙(P2O510%),钾肥为硫酸钾(K2O 50%)。小麦播前玉米秸秆全部粉碎翻压还田。小区面积1.5 m×10 m。济麦20和泰山23于2004年10月7日播种,宁麦9号于2004年11月1日播种,基本苗均为150株/m2。其余管理措施同大田的高产栽培方式。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 子粒蛋白质总量测定 采用GB2905-1982谷类、豆类作物种子粗蛋白质测定法(半微量凯氏法)测定子粒氮素含量,含氮量乘以指数5.7为蛋白质含量[13]。

1.2.2 子粒蛋白质组分测定 参照Herbert Wieser的方法[14]。色谱系统为美国Waters公司产474色谱仪+996检测器,样品环体积为1.2 mL,工作站软件Millium32。色谱柱为Nucleosil 300-5 C8柱(4.6 mm×240 mm)。

试剂配制:A液—0.4 mol/L NaCl+0.067 mol/L HKNaPO4(pH=7.6);

B液—60%乙醇;

C液—50%1-PrOH+2 mol/L尿素 +0.05 mol/L Tris-HCl(pH=7.5)+1%DTE(在氮气条件下)。

蛋白质组分提取过程:称取全麦粉100 mg于2 mL离心管中,加入1.0 mL A液,漩涡振荡2 min,在20℃条件下用智能型恒温混合器(德国Eppendorf公司产TMC5355型)振荡10 min后,7000 r/min离心15 min,连续提取2次,收集上清夜,并用提取液定容至2 mL(清蛋白+球蛋白)。残余物中加入0.5 mL B液,漩涡振荡2 min,在20℃条件下用智能型恒温混合器振荡10 min后,7000 r/min离心20 min,连续提取3次,收集上清液,并用提取液定容至1.5 mL(醇溶蛋白)。残余物在氮气条件下加入1.0 mL C液,漩涡振荡2 min后,在60℃条件下用智能型恒温混合器振荡20 min,悬浮液在20℃恒温下7000 r/min离心20 min,连续提取2次,收集上清液,并用提取液定容至2 mL(谷蛋白)。样品测定前过0.45 μ m滤膜,在进样前后分别注入500 μ L 0.1%(V/V)三氟乙酸,清蛋白+球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白进样体积分别为 200 、80 、100 μ L 。

1.2.3 子粒品质测定 用880101小型实验磨制粉(德国Brabender公司产),出粉率为60%。面团形成时间和面团稳定时间用810106002型粉质仪测定(德国Brabender公司产);沉降值用BAU-A型沉降值仪(中国农业大学产),按GB/T 15685-1995测定。

试验数据采用DPS软件进行统计分析和显著性检验。

2 结果与分析

2.1 施氮量对不同品质类型小麦子粒蛋白质组分含量的影响

随施氮量增加,强筋小麦济麦20和中筋小麦泰山23子粒的醇溶蛋白、清蛋白+球蛋白和总蛋白含量均呈现先增加后降低的趋势,施氮处理间无显著差异,且显著高于不施氮处理;谷蛋白含量和贮藏蛋白含量表现为N0处理显著低于N180处理,N180处理显著低于N240和N360处理,N240和N360处理间无显著差异(表1)。表明强筋和中筋品种在施氮量为N 240 kg/hm2时,即可获得较高的蛋白质组分含量;施氮量增加至N 360 kg/hm2,各蛋白质组分含量无显著提高。施氮处理,弱筋小麦宁麦9号品种的清蛋白+球蛋白含量无显著差异,但随施氮量增加,其谷蛋白、醇溶蛋白和贮藏蛋白含量显著增加,这是其加工品质随施氮量增加而下降的生理原因。

比较不同处理的蛋白质组分含量可以看出,施氮以后,谷蛋白、醇溶蛋白和清蛋白+球蛋白含量的增加幅度分别为 10.6%～ 21.3%、9.4%～36.6%和2.8%～5.6%,表明增施氮肥对清蛋白+球蛋白的调控作用较小,而对谷蛋白和醇溶蛋白的调节作用较大,这一特性有利于强筋和中筋小麦加工品质的改善。

强筋小麦济麦20与中筋小麦泰山23比较,二者总蛋白质含量及醇溶蛋白含量无显著差异,但济麦20的谷蛋白含量和贮藏蛋白含量及Glu/Gli较高,表明较高的谷蛋白含量及Glu/Gli是形成强筋小麦加工品质的重要原因;弱筋小麦宁麦9号的贮藏蛋白含量和清蛋白+球蛋白含量均最低。

表1 施氮量对子粒蛋白质组分含量的影响Table 1 Effects of N-fertilizer rates on protein components contents in kernel

2.2 施氮量对不同品质类型小麦HMW-GS、LMWGS含量及HMW/LMW的影响

表2看出,与不施氮处理比较,施氮显著提高了各品种子粒中谷蛋白、HMW-GS及 LMW-GS含量。随施氮量的增加,济麦20和泰山23品种的谷蛋白和LMW-GS含量呈增加趋势,N240和N360处理显著高于N180处理;HMW-GS含量呈先增加后降低的趋势,N240处理显著高于N180和N360处理,N180和N360处理之间无显著差异,表明适量施氮有利于子粒中HMW-GS的积累,过量施氮显著降低了HMW-GS含量,这是过量施氮导致强筋和中筋小麦子粒蛋白质品质变劣的原因之一。施氮量对弱筋小麦宁麦9号的调节作用不同,谷蛋白、HMW-GS及LMW-GS含量均随施氮量的增加而增加,施氮处理显著高于不施氮处理,且N240和N360处理显著高于N180处理,表明增施氮肥不利于保持弱筋小麦谷蛋白含量低的特性。N360处理显著降低了济麦20和泰山23两品种子粒的HMW/LMW,表明氮肥对强筋小麦济麦20和中筋小麦泰山23两品种的HMW/LMW有调节作用,而对弱筋小麦宁麦9号无显著影响。

表2还看出,随施氮量的增加,HMW-GS和LMW-GS含量的增加幅度分别为3.4%～ 6.3%和6.6%～15.6%,表明氮肥对LMW-GS的调节作用高于HMW-GS。

同一施氮处理的谷蛋白、HMW-GS、LMW-GS含量和HMW/LMW表现出济麦20＞泰山23＞宁麦9号。这是品种间加工品质存在差异的原因之一。

表2 施氮量对子粒谷蛋白各组分含量的影响Table 2 Effects of N-fertilizer rates on glutenin fractions contents in kernel

2.3 施氮量对不同品质类型小麦子粒谷蛋白大聚合体含量的影响

谷蛋白大聚合体(GMP)是小麦胚乳贮藏蛋白中分子量最大的一部分蛋白质,在面粉中的含量反映了谷蛋白聚合体的粒度分布情况,其含量的高低能反应加工品质的优劣。表3看出,随施氮量的增加,济麦20和泰山23的GMP含量呈先增加后降低的趋势,且显著高于N0处理。表明适量施氮促进了强筋和中筋小麦子粒GMP的积累,这与谷蛋白含量和HMW-GS含量变化一致。随施氮量的增加,宁麦9号的GMP含量呈一直增加的趋势,N240和N360处理显著高于N180处理。品种间GMP含量为济麦20＞泰山23＞宁麦9号,这与品种间谷蛋白含量差异一致。

表3 施氮量对子粒谷蛋白大聚合体含量的影响(%)Table 3 Effects of N-fertilizer rates on kernel GMP content

2.4 施氮量对不同品质类型小麦子粒加工品质和子粒产量的影响

表4显示,随施氮量增加,济麦20和泰山23的面团形成时间、面团稳定时间均呈先增加后降低的趋势,N240处理显著高于N180和N360处理。随施氮量增加,宁麦9号的面团稳定时间显著增加。3个小麦品种的湿面筋含量对氮肥响应不同,施氮显著提高了济麦20和泰山23的湿面筋含量,但施氮处理间无显著差异;宁麦9号则随施氮量的增加而增加,N240和N360处理显著高于N180处理。施氮量对沉降值亦具有显著影响,随施氮量的增加,宁麦9号的沉降值呈增加趋势,且差异达到显著水平;济麦20的施氮处理间无显著差异,泰山23的N240和N360处理显著高于N180处理。

随施氮量增加,济麦20和泰山23的子粒产量呈先增加后降低的趋势,以N240处理最高,但济麦20的N240和N360处理无显著差异,泰山23的N180、N240和N360处理无显著差异,宁麦9号的子粒产量随施氮量增加显著增加,以N360处理最高。

综上所述,在本试验基本苗均为150株/m2条件下,对于强筋小麦济麦20和中筋小麦泰山23,适量施氮(240 kg/hm2)有利于改善子粒加工品质,提高子粒产量,当施氮量至360 kg/hm2时,加工品质变劣,产量降低;对于弱筋小麦宁麦9号,N180处理是本试验条件下的兼顾产量与品质的最佳处理。

表4 施氮量对子粒面团形成时间、稳定时间、湿面筋含量和沉降值的影响Table 4 Effects of N-fertilizer rates on dough development time,stability time,wet gluten content and sedimentation volume in kernel

2.5 小麦子粒蛋白质组分含量与加工品质指标的相关分析

由表5可知,谷蛋白含量、贮藏蛋白含量、HMWGS含量、LMW-GS含量和GMP含量均与各品质指标呈显著或极显著正相关;Glu/Gli和HMW/LMW与面团形成时间、面团稳定时间和沉降值均呈极显著正相关,但与湿面筋含量相关不显著;总蛋白质含量与湿面筋含量呈极显著正相关,与沉降值呈显著正相关,与面团形成时间和面团稳定时间相关不显著;清蛋白+球蛋白含量仅与湿面筋含量呈极显著正相关;醇溶蛋白含量与各品质指标均无显著相关。以上结果表明,谷蛋白含量、贮藏蛋白含量、HMW-GS含量、LMW-GS 含量 、GMP 含量 、Glu/Gli和HMW-GS/LMW与子粒加工品质相关密切,而总蛋白质含量、清蛋白+球蛋白含量和醇溶蛋白含量对子粒加工品质影响较小。

3 讨论

3.1 施氮量对不同品质类型小麦子粒蛋白质组分含量及加工品质的影响

关于氮肥对小麦子粒蛋白质组分含量影响的结论颇不一致。有研究认为,氮肥从N 225增加到300 kg/hm2,小麦子粒蛋白质及其组分含量相应递增[15];有报道表明,随着施氮量增加,清蛋白和谷蛋白含量有减少的趋势,球蛋白和醇溶蛋白含量增加[11];另有研究认为,随着施氮量的增加蛋白质及各组分含量均显著增加[10]。关于蛋白质组分含量的测定方法,前人多采用传统的连续提取法[10,16-18],RP-HPLC定性定量分析蛋白及多肽混合组分是近几年国外采用的主要方法[11,19-21]。在国内,已有采用RP-HPLC方法对小麦子粒蛋白质组分分析的报道研究[22-23]。本试验用这种方法进行研究的结果表明,施氮量对小麦蛋白质组分的影响因品种而异。随施氮量的增加,强筋小麦济麦20和中筋小麦泰山23品种子粒的蛋白质及各组分含量均呈先增加后降低的趋势,施氮量为N 240 kg/hm2时,蛋白质各组分含量较高。弱筋小麦宁麦9号则随施氮量的增加子粒的蛋白质各组分含量逐渐增加,这是其加工品质随施氮量增加而下降的生理原因。不同蛋白质组分含量比较,施氮对谷蛋白和醇溶蛋白含量的提高幅度显著高于清蛋白+球蛋白,表明增施氮肥对清蛋白+球蛋白的调控作用较小,而对谷蛋白和醇溶蛋白的调节作用较大。这一特性为调控强筋和中筋小麦子粒加工品质提供了依据。

表5 子粒蛋白质组分含量与加工品质的相关关系(r)Table 5 Correlation coefficients between protein components contents and processing quality

本研究结果还表明,随施氮量的增加,济麦20和泰山23的HMW-GS和LMW-GS含量呈先增加后降低的趋势,N240处理的HMW-GS含量显著高于N180和N360处理,表明过量施氮抑制了HMW-GS的合成,这是过量施氮导致强筋和中筋小麦子粒加工品质变劣的原因之一。宁麦9号的HMW-GS和LMW-GS含量均随施氮量的增加而增加,说明在本试验条件下,施氮不利于保持弱筋小麦的谷蛋白含量低的特性。

3.2 不同品质类型小麦蛋白质各组分含量与加工品质性状的关系

有研究表明,小麦子粒蛋白质含量与加工品质有时呈正相关,有时相关不显著,这种结果不一致性的原因是小麦子粒的加工品质不仅与子粒蛋白质含量有关,亦与蛋白质的质量即蛋白质各组分的类型、含量、比例以及蛋白质亚基组成、含量密切相关[24-28]。本研究结果显示,强筋小麦济麦20和中筋小麦泰山23的总蛋白质含量和醇溶蛋白含量无显著差异;但强筋小麦济麦20的谷蛋白、贮藏蛋白、HMW-GS、LMW-GS和 GMP含量及 Glu/Gli与HMW/LMW均高于中筋小麦泰山23,与强筋小麦济麦20的面团形成时间和稳定时间长于泰山23相一致。相关分析亦表明,上述指标与子粒加工品质呈显著正相关,说明较高的谷蛋白、贮藏蛋白、HMWGS、LMW-GS和GMP含量及Glu/Gli与 HMW/LMW是济麦20和泰山23分别具有强筋小麦和中筋小麦品质特点的主要原因。弱筋小麦宁麦9号的谷蛋白、贮藏蛋白、清蛋白+球蛋白、HMW-GS和LMWGS含量及HMW/LMW显著低于济麦20和泰山23的相应处理,仅清蛋白+球蛋白含量与湿面筋含量呈极显著正相关,表明较低的谷蛋白、贮藏蛋白、HMW-GS和LMW-GS含量及HMW/LMW,是调控宁麦9号弱筋品质形成的主要因素。

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