追氮时期对冬小麦胚乳发育及灌浆特性的影响

宫 宇，郭艳艳，王贵彦，陈宗培，段巍巍

(河北农业大学农学院/河北省作物生长调控重点实验室，河北保定 071000)

粒重对小麦产量具有重要影响，主要受籽粒胚乳细胞数量和单个胚乳细胞充实度影响[1]，对小麦籽粒胚乳细胞发育和灌浆特征的研究具有重要意义。已有的相关研究主要涉及籽粒胚乳细胞增殖发育过程[2-3]，穗部不同粒位胚乳细胞增殖和充实度差异[4]，胚乳细胞数目与籽粒体积、粒重关系[5-6]，不同类型小麦籽粒胚乳细胞的发育特征[7-8]，影响胚乳细胞分裂增殖的因素[9-10]，环境因素对小麦灌浆过程的影响[11-14]。

氮素是小麦生长必须的大量元素之一，氮肥运筹是调节小麦生长发育的重要栽培措施。研究发现，氮肥运筹对小麦胚乳细胞数量及其充实度有显著调节作用[15]；增施氮肥能促进胚乳细胞增殖，促进干物质的积累和运转[16]；施氮时期和施用量对灌浆速率影响显著[17-18]，对弱势籽粒的影响尤为明显[19]。有关氮肥施用时期对籽粒胚乳细胞增殖和灌浆的研究较少。鉴于此，本研究以冬小麦品种石麦18为材料，探讨不同叶龄期追氮对籽粒胚乳细胞分裂增殖和灌浆的影响，以期明确追氮时期对籽粒发育的调控机理，为小麦高产栽培措施的制定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2015-2016年在河北农业大学清苑实验站进行。试验田土质为壤土，播种耕层含有机质14.2 g·kg-1，全氮0.85 g·kg-1，碱解氮115.3 mg·kg-1，速效磷48.6 mg·kg-1，速效钾124.1 mg·kg-1。供试小麦品种为石麦18，采用随机区组设计，设LA1(春二叶期)、LA2(春三叶期)、LA3(春四叶期)、LA4(春五叶期)和LA5(春六叶期)5个施氮时期，3次重复。小区面积为49 m2(7 m×7 m)，2015年10月5日15 cm等行距播种，播量300 kg·hm-2。N、P2O5和K2O施肥量分别为 225、P2O5135和K2O 225 kg·hm-2；氮肥的50%和全部磷、钾肥为底肥，50%氮肥作为追肥按照试验设计结合灌水施用；施用的氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O516%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。其他管理措施与常规高产农田相同。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 胚乳细胞增殖动态

开花期选取同一天开花、生长一致的主茎穗进行标记。分别于花后3、6、9、12、15、18、21、25 d取样，每小区取5个标记穂，每个穗剥取4～8强势小穗籽粒。用FAA固定，依据郭文善和施劲松[20]的方法进行胚乳细胞的剥离、染色、分离、过滤和观察计数。

用Richards方程W=A/(1+Be-Kt)1/N对籽粒胚乳细胞分裂增殖动态进行模拟分析和参数计算。式中，W为胚乳细胞数，A为生长终值量，B为初值参数，K为生长速率参数，t为开花后天数，N为形状参数。胚乳细胞分裂增殖动态参数计算公式如下：

Tmax=(lnB-lnN)/K

Wmax=A/(N+1)1/N

Gmax=(KWmax/N)×[1-(W/A)×N]

I=(Wmax/A)×100%

D=2(N+2)/K

R0=K/N

其中，Tmax为籽粒胚乳细胞到达最大增殖速率的天数，Wmax为胚乳细胞增殖速率最大时的生长量，Gmax为最大增殖速率，I为增殖速率最大时的生长量与籽粒生长终值量比值，D为胚乳细胞增殖活跃期。R0为增殖起始势。

1.2.2 籽粒灌浆动态

分别于花后8、11、16、21、26、31和36 d取20个标记穗，剥取4～8个强势小穗籽粒，105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，计算灌浆速率，并用Richards方程模拟籽粒灌浆过程，灌浆动态参数计算方法同胚乳细胞增殖动态。

1.3 数据处理

运用Excel 2010、Spss Statistics 19.0和Curve Expert 1.3进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同叶龄期施氮对小麦胚乳细胞的影响

2.1.1 对细胞数量和增殖速率的影响

由图1A可知，随小麦生长期推移，不同处理的胚乳细胞数量变化趋势表现一致，均呈现前期增加较快，后期增加较慢的趋势。花后0～5 d胚乳细胞数量增长较慢，花后5～12 d增长较快，花后18～25 d增长缓慢并逐渐停止，3个阶段胚乳细胞数量日增加率分别约为5 000、1 500和800 cells·kernel-1·d-1。施氮时期对胚乳细胞数量在籽粒发育不同阶段的影响存在差异。花后3 d和5 d时，不同处理间胚乳细胞数量差异不显著；花后12 d时，LA3和LA2处理显著高于LA4处理，LA4处理显著高于LA1和LA5处理；花后18 d和21d，LA4和LA5处理显著高于其他处理；花后25 d时，各处理之间差异不显著。

图1B显示，不同叶龄时期施肥对胚乳细胞增殖率有明显影响。花后0～3 d，LA1处理胚乳细胞增殖速率显著低于其他处理，其他处理之间差异不显著。花后3～5 d，LA4处理显著高于其他处理，LA5处理显著低于其他处理。花后5～12 d，胚乳细胞增殖速率最大，表现为LA3>LA2>LA4>LA5>LA1 ，其中，LA3处理显著高于其他处理，LA1和LA5处理间差异不显著，但显著低于其他处理。12～21 d胚乳细胞增加速率逐渐降低，但LA4和LA5处理显著高于其他处理。花后21～25 d，LA1处理胚乳细胞数量不再增加，其他处理仍在进行分裂增殖，其中LA4值最高，且显著高于其他处理，其次是LA5。

图柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。图2同。

表1 籽粒胚乳细胞增殖Richards方程参数Table 1 Parameters in Richards equation for endosperm cell proliferation in grain

A：终极生长量；B：初值参数；K：生长速率参数；N:形状参数；Tmax：到达最大增殖速率时的天数；Wmax：增殖速率最大时的生长量；Gmax：最大增殖速率；D：胚乳细胞增殖活跃期；R0：增殖起始势。

A：Final endosperm cell number;B：Initial value parameter;K：Growth rate parameter;N：Shape parameter;Tmax：Days of endosperm cell maximal proliferating rate;Wmax：Endosperm cell number at maximal proliferating rate;Gmax：Endosperm cell maximal proliferation rate;D：Endosperm cell active proliferation duration;R0：Proliferation potential.

2.1.2 对细胞增殖特性的影响

由表1可知，不同处理小麦胚乳细胞增殖的Richards方程的相关系数r2均大于0.995，说明模拟方程对小麦胚乳细胞增殖过程拟合较好。处理间胚乳细胞终极生长量A、胚乳细胞增殖活跃期D和增殖起始势R0,均表现为LA4处理最大，说明LA4处理细胞分裂的潜力较大，在胚乳细胞分裂上具有明显优势。初值参数B表现为LA5处理最大，且其显著高于其他4个处理。从形状参数N来看，LA1～LA4处理的N<1，LA5处理的N>1，表明LA1～LA4处理前期的生长较好，而LA5处理前期生长一般，后期较好。到达最大增殖速率时的天数Tmax表现为LA5>LA1>LA4>LA3>LA2。最大增殖速率Gmax和增殖速率最大时的生长量Wmax均表现为LA4处理最小。

2.2 不同叶龄期施氮对小麦籽粒灌浆的影响

2.2.1 对千粒重和灌浆速率的影响

由图2a可见，随时间推移，小麦千粒重的变化趋势基本一致，但不同时期，不同处理间的千粒重差异程度不同。各处理的千粒重均随花后天数的增加而逐渐增加，花后0～11 d粒重增加缓慢，花后16～26 d各处理粒重增加最快，花后36 d后趋于稳定。花后8 d，LA1处理的千粒重最高。花后11～21 d，LA5处理的千粒重显著高于其他处理，花后26～36 d，LA4处理的千粒重显著高于其他处理，LA1处理的千粒重最小。最终粒重表现为LA4(42.25 g)显著高于 LA5(38.36 g)、LA3(38.16 g)、LA2(35.39 g)、 LA1(34.99 g)处理。花后0～8 d，LA1和LA5处理的灌浆速率显著高于其他处理。8～11 d，LA5和 LA2灌浆速率显著高于其他处理；11～16 d期间，LA3灌浆速率最高，其次是LA4和LA5处理，LA1和LA2处理较低。灌浆期间，平均灌浆速率表现为 LA4>LA5>LA3>LA2>LA1，依次为1.17、1.07、1.06、1.05和1.03 g·1 000 kernels-1·d-1。

2.2.2 对灌浆特性的影响

运用Richards方程对不同叶龄追氮处理的籽粒灌浆过程进行拟合，结果见表2。方程决定系数均为0.999，说明拟合度很好。终极生长量A、初值参数B和生长速率参数K均表现为LA4处理最大，且其B值显著高于其他处理。LA1和LA3处理的形状参数N<1，LA2、LA4和LA5处理的N>1，表明LA1和LA3处理前期增长较快，LA2、LA4和LA5处理后期增长相对较快。最大灌浆速率Gmax和灌浆速率最大时的生长量Wmax，均表现为LA4处理最大，其次为LA5处理。各处理到达最大灌浆速率时的天数Tmax和籽粒灌浆活跃期D均表现为LA1处理最大。从灌浆起始势R0来看，LA3处理最大，其次为LA1处理，LA2、LA4和LA5处理相当，表明LA3和LA1处理较其他处理起始势较高。

图2 不同叶龄期追肥对小麦千粒重和灌浆速率的影响

表2 籽粒灌浆过程Richards方程参数Table 2 Parameters in Richards equation during the grain filling process

A：终极生长量；B：初值参数；K：生长速率参数；N:形状参数；Tmax：到达最大灌浆速率时的天数；Wmax：灌浆速率最大时的生长量；Gmax：最大灌浆速率；D：籽粒灌浆活跃期；R0：灌浆起始势。

A：Final grain weight;B：Initial value parameter;K：Growth rate parameter;N：Shape parameter;Tmax：The day of maximal filling rate;Wmax：The grain weight at maximal filling rate;Gmax：The maximal grain filling rate;D：Active grain-filling duration;R0：Proliferation potential.

2.2.3 小麦特征参数的相关性

相关分析表明，籽粒胚乳细胞数与胚乳细胞增殖活跃期D、胚乳细胞增殖速率最大时的生长量Wmax和花后12 d后的平均增殖速率均呈显著(P<0.05)正相关，相关系数分别为0.950、0.907和0.911。籽粒粒重与胚乳细胞数量、开花18 d后的平均灌浆速率呈显著(P<0.05)正相关，相关系数分别是0.890和0.925。说明籽粒胚乳细胞数目主要与开花12 d后的分裂增殖有关，籽粒粒重主要受开花18 d之后的灌浆速率的影响。

3 讨 论

胚乳是籽粒重要的组成部分，胚乳细胞数是籽粒库潜力的重要表征，是籽粒库潜力实现的基础条件[21]。研究显示，小麦在花后5 d胚乳细胞数目增长迅速，花后16～24 d达最大值，其后胚乳细胞分裂停止[22]。本研究中发现，胚乳细胞增殖速率在小麦开花12 d以后下降幅度较小，花后21 d及以后增殖速率高的处理，胚乳细胞数量较多。籽粒建成期胚乳细胞增殖活跃，而后增殖速率下降快的品种，胚乳细胞数量较少[23]。本研究取得了相似的结果，不同处理小麦籽粒胚乳细胞数在花后20～23 d达到最大值，籽粒胚乳细胞数与其增殖速率最大时的生长量Wmax和开花12 d后的增殖速率呈显著相关。LA1～LA3处理胚乳细胞的增殖速率在籽粒建成期较高，而后分裂速率急剧下降，最终胚乳细胞数较少； LA4处理胚乳细胞增殖活跃期较长，籽粒建成后仍然具有较强的分裂能力，最终胚乳细胞数最多；LA5处理胚乳细胞分裂趋势与LA4处理相似，后期胚乳细胞分裂能力低于LA4处理，高于LA1～LA3处理，最终胚乳细胞数较多，再次证明了增施拔节肥和花粒肥能够促进胚乳细胞增殖和充实度。原因可能是春5叶期追施氮肥利于延长胚乳细胞增殖活跃期，推迟胚乳细胞增殖最大速率时间，增加了胚乳细胞增殖速率最大时的生长量。

籽粒粒重不仅取决于胚乳细胞数量的多少，还取决于籽粒的灌浆特性[24]。蔡庆生和吴兆苏[25]认为，小麦粒重与灌浆速率呈正相关，籽粒灌浆持续的天数与粒重关系不大。刘 明等[26]认为，玉米粒重受中后期灌浆速率的影响较大，对籽粒的贡献率为60%左右。本研究结果与其一致，开花18 d之后的平均灌浆速率与粒重呈显著正相关。LA1～LA3处理的灌浆速率表现为前期较高，后期较低，粒重低；LA4处理灌浆快速期时间较长，到达灌浆最大值时的生长量最多，籽粒最大灌浆速率、后期的灌浆速率高于其他处理，弥补了其灌浆活跃期较短的不足，粒重最高。LA5处理前期灌浆速率虽然较高，但后期灌浆速率下降较快，粒重低于LA4处理。说明春5叶期施氮能够较好地协调生殖生长和营养生长，利于后期光合产物的形成和营养器官干物质的转移，春6叶期施氮较晚，影响了干物质向籽粒的转移。千粒重与胚乳细胞数量呈显著正相关，证实了胚乳细胞数量多是获得高粒重的重要前提条件。