施氮时期对花后高温胁迫下春小麦淀粉形成的影响

孙建波，徐 灿，朱 荣，吴宏亮，康建宏

(宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021)

【研究意义】春小麦是宁夏平原的主要作物之一，产量约占全区小麦总产量2/3左右。但是，在全球变暖的大背景下，宁夏发生高温、干旱、霜冻、干热风等极端气候事件的频率增加、范围扩大，其中，干热风是影响小麦产量和品质的主要危害方式之一[1]，且多数发生在小麦籽粒灌浆期。高温对籽粒产量有显著影响，花后高温使植株提前衰老[2]，淀粉积累量及其关键酶活性下降，严重影响产区作物的生长发育[3-7]，甚至危及本区粮食安全。因此，减缓高温危害又成为小麦生产中的重要问题，研究缓减高温危害的栽培措施，对春小麦高产稳产优质具有重要意义。【前人研究进展】适量地施用氮素，能够有效增强营养物质的积累，对提高小麦分蘖成穗率和穗粒饱满具有积极作用。适量的氮肥能够显著提髙淀粉形成关键酶(ADPG-PPase、GBSS、SSS、SBE)活性，当施氮量为120～240 kg/hm2时，淀粉形成关键酶活性达到最高，氮肥基追比为4︰6对春小麦灌浆中后期高温的缓解效应明显[6-7]。而追施氮肥能够促进干物质向籽粒的转运,增加开花后籽粒中干物质积累[8]。因此，在缓减小麦高温胁迫的田间措施中，氮肥的合理运用起着至关重要的作用，目前研究主要集中于施氮量缓解高温对春小麦籽粒品质以及产量的影响机理[9-10]，但在不同追氮时期对高温胁迫下春小麦淀粉形成机理研究较少。【本研究切入点】本试验基于前人的研究，在定氮条件下研究不同追肥时期对花后高温胁迫春小麦淀粉形成的影响。【拟解决的关键问题】为采取合理的栽培措施来缓解高温胁迫对春小麦品质及产量的影响，提供理论依据，为宁夏产区春小麦高产高效优质栽培提供技术支撑，并达到减肥增效的作用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在宁夏大学实验基地进行田间试验。供试品种为宁夏灌区春小麦主栽品种宁春4号，由宁夏农林科学院农作物研究所小麦室提供。

1.2 试验方法

试验小区面积为16 m2，长8 m、宽2 m，行距为15 cm，条播，每米行长播种100粒，土壤有机质含量12.92 g/kg，碱解氮73.62 mg/kg，速效钾65.86 mg/kg，速效磷29.25 mg/kg，pH 7.96，田间持水量26.02 %。

试验采用裂区设计，主区为温度，副区为施氮时期。氮肥(以纯氮计)施用量为103.5 kg/hm2，其中50 %作基肥，50 %作追肥，分别设分蘖期N1、拔节期N2、孕穗期N3和开花期N4 4种追肥处理。温度设常温(25±2)℃和高温(35±2)℃2个处理，在花后20 d搭建长8 m、宽2 m、高1.5 m、内置干湿温度计的人工气候室模拟高温，当温度超过35 ℃时掀开薄膜通风降低温度，常温处理采用人工搭建的黑色通风防鸟网的方法进行模拟，连续3 d温度处理，处理时间为每天9:00-17:00，夜晚常温自然生长。各温度处理的空气相对湿度保持在50 %左右，土壤水分保持在田间最大持水量的65 %～75 %，温度处理结束后转入自然条件下生长至成熟。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 籽粒淀粉及关键酶活性的测定 开花后，每个处理标记100株生长一致且同日开花的麦穗，从花后第10天开始，每隔5 d取样测定相关指标，每次剥取5穗中部籽粒杀青烘干后测定其淀粉含量，再取5穗籽粒液氮速冻后低温保存用于测定淀粉形成的关键酶活性。测定淀粉形成相关酶活性。直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量采用双波长法[11]测定。淀粉分支酶(SBE)活性测定参照李太贵[12]等方法，腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束缚态淀粉合成酶(GBSS)的测定参照程方民[13]等方法。SBE、ADPG-PPase、UDPG-PPase、SSS、GBSS活性均以mmol/L 1000 seeds·min表示。

1.3.2 小麦产量构成因素及测产 小麦成熟后收获，待自然风干，每个处理取30株考种，调查穗粒数、穗粒重、千粒重、籽粒产量等性状。采用田间实测法测产。

1.3.3 统计分析方法 采用DPSv6.55软件对试验数据进行方差分析和相关性分析，Excel 2003软件对试验数据进行整理作图。

2 结果与分析

2.1 联合方差分析

表1显示，温度效应对小麦每穗粒数和生物产量影响显著，对籽粒淀粉含量影响极显著，对ADPG-PPase、GBSS活性影响显著，对SSS、SBE活性影响不显著；施氮时期对籽粒中总淀粉含量、支链淀粉含量、ADPG-PPase、GBSS、SBE活性影响极显著，对直链淀粉含量、UDPG-PPase、SSS活性影响显著，对粒重和生物产量影响极显著，而对每穗粒数影响不显著；而温度与施氮时期互作对产量性状影响极显著，对支链淀粉含量和直链淀粉含量影响显著，对ADPG-PPase、GBSS、SBE活性影响极显著，对UDPG-PPase、SSS的活性影响不显著。

2.2 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦淀粉含量的影响

2.2.1 对花后高温胁迫下春小麦直链淀粉含量的影响 由图1可知，随生育时期的推进，春小麦直链淀粉含量是增加的。方差分析结果显示，高温胁迫下的春小麦直链淀粉含量显著低于常温处理，高温胁迫下4种氮肥处理的直链淀粉含量分别比常温处理减少31.1 %、29.5 %、30.6 %和31.5 %。说明花后高温能够显著降低春小麦直链淀粉含量，而拔节期(N2T)、孕穗期(N3T)处理下的直链淀粉含量较分蘖期(N1T)处理减少较少，分别比分蘖期追氮高出6.9 %和9.4 %，拔节期和孕穗期追氮效果较分蘖期和开花期好，说明在定氮条件下合理的追氮时期可以缓减高温胁迫引起的籽粒直链淀粉含量的降低，从而缓解高温胁迫对淀粉形成的影响。

表1 花后25 d淀粉、淀粉关键酶、产量以及产量构成因素间方差分析

注：NS,*和**，分别表示无显著差异，差异达0.05和0.01显著水平。

Note:NS, * and **, represent no significances at 0.05 and 0.01 levels，respectively.

2.2.2 对花后高温胁迫下春小麦支链淀粉含量的影响 图2表明，春小麦支链淀粉含量随着花后天数的增加呈上升趋势。方差分析得出，温度效应对支链淀粉的形成有极显著影响，施氮时期对支链淀粉含量有显著作用，温度与施氮时期对春小麦籽粒中支链淀粉含量有显著的影响。常温下各处理间支链淀粉含量存在显著差异，表现为N2(拔节期)、N3(孕穗期)>N4(开花期)>N1(分蘖期)。高温胁迫下，不同处理间支链淀粉含量也表现不一，其中N2T、N3T、N4T较N1T分别高11.5 %、17.6 %、2.5 %，说明拔节期、孕穗期追施氮肥对缓解高温危害的效果较好。

2.2.3 对花后高温胁迫下春小麦总淀粉含量的影响 从图3可知，总淀粉含量的变化趋势与直链、支链的基本一致。常温下各处理的淀粉总含量均显著高于高温处理，温度与施氮时期对春小麦籽粒中总淀粉含量均有极显著的影响。N3T处理与N3处理相较减少7.18 %，N2T(拔节期)、N3T(孕穗期)、N4T(开花期)较N1T(分蘖期)分别增加11 %、17.5 %和4.3 %，说明适当的氮肥后移可以缓减高温胁迫引起的春小麦籽粒总淀粉含量的降低。

2.2.4 对花后高温胁迫下春小麦直/支比的影响 图4显示，直/支比随着春小麦生育进程呈不断变化的趋势。在常温条件下，花后25 d，分蘖期追氮处理的直/支比达到最小值0.12；较高温分蘖期追氮处理降低0.47。高温胁迫下，4种追氮处理对直/支比存在差异，花后30 d,分蘖期(N1)处理较拔节期(N2)、孕穗期(N3)、开花期(N4T)直/支比增加12 %、2 %和8 %，说明与直链淀粉相较，追氮处理对支链淀粉的影响更加显著。

图1 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦直链淀粉含量的影响Fig.1 Effect of different topdressing nitrogen stage on amylose content of spring wheat under high temperature stress

图2 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦支链淀粉含量的影响Fig.2 Effect of different topdressing nitrogen stage on amylopectin content of spring wheat under high temperature stress

图3 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦总淀粉含量的影响Fig.3 Effect of different topdressing nitrogen stage on total starch content of spring wheat under high temperature stress

图4 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦直/支的影响Fig.4 Effect of different topdressing nitrogen stage on direct / branch of spring wheat under high temperature stress

2.3 不同追氮时期对花后高温下春小麦淀粉形成关键酶活性的影响

2.3.1 对花后高温胁迫下春小麦ADPG-PPase的影响 由图5可知，随着春小麦籽粒的发育，不同处理下ADPG-PPase总体呈现先增加后降低的趋势，常温下花后25 d，ADPG-PPase达到到最高值43.67(mmol/L 1000 seeds·min)。从表1可以看出，温度对ADPG-PPase活性有显著影响，施氮时期对ADPG-PPase活性表现出极显著影响，常温下不同处理间的ADPG-PPase活性存在差异，表现为孕穗期(N3)>拔节期(N2)>开花期(N4)>分蘖期(N1)，分别较分蘖期(N1)处理增加22.2 %、28.7%和15.1 %。高温胁迫下，ADPG-PPase活性平均低于常温处理5.26 %。

图5 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦ADPG-PPase的影响Fig.5 Effect of different nitrogen topdressing stage on ADPG-PPase of spring wheat under high temperature stress

图6 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦UDPG-PPase的影响Fig.6 Effect of different topdressing nitrogen stage on UDPG-PPase of spring wheat under high temperature stress

图7 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦SSS活性的影响Fig.7 Effect of different topdressing nitrogen stage on SSS activity of spring wheat under high temperature stress

2.3.2 对花后高温胁迫下春小麦UDPG-PPase的影响 UDPG是淀粉合成中辅助的糖基供体，方差分析表明，温度对UDPG-PPase活性的影响不显著，而施氮时期对UDPG-PPase活性有显著影响。由图6可以看出，随生育期的推进，UDPG-PPase呈不断变化的趋势，在花后20 d，达到最大值为0.76(mmol/l000 seeds·min)。高温胁迫下UDPG-PPase活性稍低于常温处理。常温下不同追氮处理间的UDPG-PPase活性存在差异，花后20 d，拔节期追氮较分蘖期追氮处理增加13.2 %。

2.3.3 对花后高温胁迫下春小麦SSS活性的影响 由图7可以看出，随着花后天数的增加，SSS活性呈先升高后降低的趋势。常温下花后25 d，SSS活性达到最大值46.08(mmol/L 1000 seeds·min)，又降低至27.67(mmol/L 1000 seeds·min)。高温胁迫对SSS活性的影响不显著，而4种追氮处理对SSS活性有显著影响，表现为孕穗期(N3)>拔节期(N2)、开花期(N4)>分蘖期(N1)，拔节期(N2)、孕穗期(N3)、开花期(N4)较分蘖期(N1)处理分别增加38.8 %、40.7 %和38.4 %。

2.3.4 对花后高温胁迫下春小麦GBSS活性的影响 如图8所示，随着春小麦的籽粒的发育，GBSS活性总体呈现增加的趋势。在花后25 d达到最大值39.75(mmol/L 1000 seeds·min)。从表1显示，温度对GBSS活性有显著影响，施氮时期对GBSS活性表现出极显著的影响。高温胁迫下，GBSS活性均显著低于常温，N1T、N2T、N3T和N4T较常温各处理分别降低9.6 %、9.9 %、5.5 %和8.8 %。常温下，4种追氮处理间差异极显著，拔节期(N2)、孕穗期(N3)、开花期(N4)较分蘖期(N1)处理分别增加28.2 %、26.0 %和24.8 %，说明适当的氮肥后移可以缓减高温胁迫引起的SSS活性的降低。

图8 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦GBSS活性的影响Fig.8 Effect of different topdressing nitrogen stage on GBSS activity of spring wheat under high temperature stress

图9 不同追氮时期对花后高温胁迫下春小麦SBE活性的影响Fig.9 Effect of different topdressing nitrogen stage on SBE activity of spring wheat under high temperature stress

2.3.5 对花后高温胁迫下春小麦SBE活性的影响 由图9表明，随着小麦籽粒的发育，SBE活性呈先升高有下降的趋势。其中，在花后20 d达到最大值0.464(mmol/L 1000 seeds·min)，后逐渐降低至0.303(mmol/L 1000 seeds·min)。结合表1发现，温度对SBE活性有影响，但不显著，追氮时期对SBE活性有极显著的影响。常温条件下，各处理间存在极显著差异，表现为孕穗期(N3)>拔节期(N2)>开花期(N4)>分蘖期(N1)，较分蘖期(N1)处理分别增加43.9 %、40.1 %和29.8 %。

2.3.6 淀粉形成相关酶活性与淀粉含量的相关性分析 由表2显示，春小麦淀粉含量与淀粉形成关键酶有相关性。总淀粉含量与直、支链淀粉含量呈极显著正相关，ADP与6-磷酸葡萄糖结合生成合成淀粉的主要糖基供体—ADPG，UDPG是辅助的糖基供体，而ADPG-PPase和UDPG-PPase分别是催化产生ADPG与UDPG的酶。相关性结果表明，ADPG-PPase和UDPG-PPase均与淀粉含量存在正相关关系；GBSS与直链淀粉含量呈极显著正相关，SSS与支链淀粉、ADPG-PPase、SBE呈显著正相关，与UDPG-PPase呈负相关，说明GBSS活性与直链淀粉的合成有密切的关系，SSS、SBE与支链淀粉合成有密切关系。

2.4 对花后高温胁迫下春小麦产量及其构成因素的影响

由表3显示，髙温胁迫下，每穗粒数、每穗粒重、千粒重、生物产量及收获指数分别低于常温下各处理。其中，花后高温处理较常温下的每穗粒数降低0.7 %，每穗粒重降低1 %，千粒重降低11.46 %,生物产量降低30.99 %，收获指数降低30.42 %，籽粒产量降低55 %；结合表1方差分析结果发现，温度对每穗粒数、每穗粒重、生物产量均有显著影响，高温胁迫会导致减产。拔节期(N2T)、孕穗期(N3T)处理的千粒重、每穗粒重较分蘖期(N1T)、开花期(N4T)高，且其生物产量也显著高于其他处理，说明拔节期和孕穗期追施氮肥能够显著缓解高温危害，增加籽粒产量。综上得出，施氮时期对籽粒产量的影响极显著；而施氮时期对每穗粒数有影响，但影响不显著。施氮时期与温度互作对每穗粒数、每穗粒重、籽粒产量均有极显著影响。

表2 春小麦淀粉形成关键酶活性与淀粉含量的相关性

表3 高温胁迫下春小麦产量及其构成因素

3 讨 论

春小麦对高温胁迫响应敏感，高温使得淀粉和蛋白质积累提前结束[14]。本研究中高温胁迫使直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量降低，这与吴宏亮、周续莲、孙立影[4-7]等的研究结果一致，说明高温对春小麦籽粒淀粉形成有不利影响。从追氮时期与淀粉的方差分析中可以看出，追氮时期对淀粉积累有显著相关性，这与鞠正春、潘庆民[15-16]等人研究结果相近，这是由于追氮时期对不同品种的调控作用存在基因型的差异所致。不同施氮时期各处理间表现不同，其中拔节期、孕穗期追氮处理较分蘖期总淀粉含量分别增加11 %、17.5 %，说明拔节期、孕穗期追施氮肥可延缓植株早衰，延长淀粉积累时间。

温度与酶活性有着密切的联系[17]。本研究与镡彩霞[18]研究均表明：在不同追氮时期处理下，花后高温胁迫下籽粒淀粉合成关键酶ADPG-PPase、UDPG-PPase、SSS、GBSS、SBE活性均下降，由于高温胁迫抑制了春小麦淀粉关键酶的活性所致。在定氮条件下，拔节期、孕穗期追施氮肥与分蘖期相较，能够有效缓减高温胁迫下ADPG-PPase、SSS、GBSS、SBE活性的降低，分别降低15.7 %和16.6 %、31.1 %和28.7 %、27.9 %和29.1 %、27.3 %和34.2 %，这与李春燕[19]降低后期氮肥比例的结果相近。因此，适当氮肥后移能缓减小麦籽粒中淀粉合成酶的活性得降低。

花后高温显著影响籽粒品质与产量[20]，这与本试验研究结果相一致，从温度对淀粉及产量构成因素方差分析中发现，温度与淀粉含量及每穗粒数、每穗粒重有显著相关性。花后高温较常温处理，每穗粒数、每穗粒重，千粒重分别降低0.7 %、1 %和11.46 %。而适时追氮能够缓减灌浆期高温危害对小麦粒重产生的不利影响，这与刘永环[21]的结果一致，这是因为后期追氮延缓了植株的衰老，延长了淀粉积累持续时间所致。但是不恰当的生育期增施氮肥，对穗数、穗粒重产生不利影响，甚至会导致小麦植株贪青晚熟，使其减产，这与高宏艳[22]的研究结果相近。

4 结 论

为研究花后高温胁迫下不同施氮时期缓解高温产生的危害，本研究在籽粒灌浆中后期进行高温胁迫处理，在定氮条件下，设置4个不同施氮时期，研究了高温胁迫下不同施氮时期对春小麦籽粒淀粉含量、淀粉相关酶活性及产量的影响，得出结论如下。

(1)淀粉、淀粉关键酶及产量构成因素对高温的响应。花后高温对淀粉含量、淀粉合成关键酶(ADPG-PPase、UDPG-PPase、SSS、GBSS、SBE)活性及穗粒数、穗粒重、千粒重、籽粒产量均有不利影响，这是因为在高温胁迫抑制籽粒中淀粉合成酶的活性，灌浆中后期高温使植株提前早衰，籽粒灌浆不足，缩短了淀粉积累时间，导致产量下降。

(2)淀粉、淀粉关键酶及产量构成因素对施氮时期的响应。拔节期、孕穗期追施氮肥可以有效的缓减高温对籽粒淀粉含量、淀粉关键酶及产量的影响，其中高温胁迫下，拔节期、孕穗期追施氮肥与分蘖期相较，籽粒产量、千粒重分别增加45.9 %和51.2 %、12.9 %和7.9 %。适当的氮肥后移可以有效的缓解高温对春小麦品质及产量的影响，但仍低于常温条件，说明适当的氮肥后移对高温胁迫的缓解作用是有限的，因此，在实际生产中应不断加强小麦的栽培管理措施。