磷运筹和干旱胁迫对冬小麦农艺性状和品质性状的影响

李 诚，王晓丽，陈和平，张润琪，鲍艺丹，朱长安，李春艳

(1.石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业国家重点实验室培育基地，新疆石河子 832000; 2.新疆农发盛源种业有限责任公司，新疆五家渠 831300)

小麦是我国三大粮食作物之一。据统计，全球干旱、半干旱地区约占总土地面积的36%，占总耕地面积的43%[1]。我国旱地小麦面积大，加强水分对旱地冬小麦产量形成、品质调控效应的研究尤为重要。研究表明，在目前旱地生产水平下，粮食产量低的主要原因并非降水太少,而是因为肥力不足造成作物对降水利用率过低所致；合理施肥可显著提高作物产量和水分利用效率[ 2-3]。磷是小麦生长发育不可或缺的营养元素[4]。小麦在不同发育时期对磷的吸收与积累不同。胡田田等[5]的研究表明，中筋小麦的吸磷强度呈双峰曲线，前期较小，返青后迅速提升，孕穗-灌浆早期到达峰值。在土壤干旱条件下，适宜的磷营养在一定程度上能够显著改善植株水分状况，维持植株生长以及生理过程的正常进行[6]。

淀粉是小麦籽粒的主要成分，对小麦面粉品质具有重要影响。目前，关于磷素和干旱胁迫对小麦品质的影响已有较多研究。施磷量及灌浆期干旱对小麦籽粒淀粉含量、淀粉粒粒度分布及淀粉粒的微观结构均有显著性影响[7-9]。但目前尚未见到关于干旱胁迫下不同磷肥运筹与小麦淀粉品质关系的研究。新疆是特殊的干旱区域，小麦籽粒灌浆过程中干旱频发。此外，新疆大部分耕地土壤肥力较差，磷素缺乏，长期以来，大量施用磷肥已成为缓解土壤磷素胁迫、实现小麦高产稳产的重要措施之一。本研究拟以冬小麦品种新冬20号和新冬23号为材料，研究不同水分和施磷运筹对冬小麦农艺性状、籽粒蛋白和淀粉含量、淀粉特性、植株和籽粒全磷含量的影响,为新疆高产、优质、高效冬小麦的生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

供试材料为新疆主栽冬小麦品种新冬20号(高产)和新冬23号(中等产量)。田间试验于2016年10月至2017年6月在石河子大学农学院试验站(44°17′N,86°03′E)进行，前茬作物为向日葵，土质为灰漠土。0～20 cm 土层含碱解氮63 mg·kg-1、速效磷15 mg·kg-1、速效钾208 mg·kg-1。播种时按75 kg·hm-2施尿素。在拔节期、抽穗期和扬花期分别按45 kg·hm-2、75 kg·hm-2和120 kg·hm-2将尿素随水施入。

试验为裂区设计，水分为主区因素，品种为副区因素，施磷时期为副副区因素，三次重复。小区面积2.4 m×3.0 m，行距为20 cm。播种量为 5.25×106·hm-2，小区间隔离带宽50 cm。灌溉方式为滴灌，管理方式同当地滴灌大田。冬前浇水3次；正常田间灌溉处理(WT)作为对照，返青至成熟期每隔10～12 d浇水一次，每次灌量 1 125 m3·hm-2。干旱处理(DT)：开花后遇阴雨天搭遮雨棚，并于开花至成熟期停止灌水。

施磷量(以P2O5计)为105 kg·hm-2，3种处理分别用P1、P2和P3表示，P1为返青期100%；P2为返青期：拔节期=50%∶50%；P3为返青期：拔节期：灌浆期=40%∶40%：20%。返青期和拔节期为开沟条施，在两行小麦中间开沟，沟深5～10 cm(P1处理同样开沟但不施肥)；灌浆期(花后10 d)施磷方式为各小区喷施0.05%磷酸二氢钾，P1和P2处理喷施等量清水。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 农艺性状测定

小麦成熟期在各小区随机选 10个单株，取主茎，测定株高、穗长、基部第2节间长度和穗粒数。采用游标卡尺测定基部第2和第5节间粗。小麦收获后随机数1 000粒完整籽粒测千粒重。

1.2.2 籽粒蛋白含量和淀粉含量测定

小麦籽粒蛋白含量用近红外光谱谷物品质分析仪(DA7250，波通，瑞典)测定，扫描波长850～1 050 nm，步长为2 nm，具体操作过程参考仪器说明书。淀粉含量测定参照赵永亮[10]的方法。

1.2.3 淀粉粒提取及平均粒径测定

取烘干的小麦籽粒，置于去离子水中4 ℃过夜；剥掉果种皮，切除胚，研磨成匀浆。具体提取过程参照Peng[11]的方法。淀粉粒平均粒径使用激光衍射粒度分析仪(Microtrac S3500,美国)测定，具体方法参照使用说明。

1.2.4 淀粉粒的外源蛋白酶酶解、染色及观察

取1.2.3中提取淀粉粒2 g，悬浮于40 mL酶解缓冲液中，加入蛋白酶XIV(196 U·g-1淀粉，sigma，美国，来源：灰色链霉菌)，4 ℃、200 r·min-1振荡24 h；4 ℃ 4 000 r·min-1离心20 min，收集淀粉粒，去离子水漂洗3次，酒精漂洗1次，用布氏漏斗收集淀粉粒，室温晾干；用汞溴红甲醇溶液染色并制成临时玻片，具体操作过程参照Kim等[12]的方法，用激光共聚焦显微镜(Zeiss,Oberkoche，德国)观察、拍照。

1.2.5 淀粉粒酸解及还原糖浓度测定

淀粉粒的酸解参照唐洪波等[13]的方法；参考Bernfield[14]的方法测定产生的还原糖浓度。

1.2.6 小麦植株及籽粒全磷含量测定

参照鲍士旦[15]的方法，用分光光度计测定植株(籽粒)全磷含量。

1.3 数据处理

数据分析使用Excel和SPSS 13.0，所有数据至少三个重复，方差分析采用F检验，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 不同处理对成熟期小麦农艺性状的影响

由表1看出，两种水分条件下，分期施磷对成熟期小麦株高有明显影响。对于新冬20号，以WT+P2处理的株高最高，DT处理明显低于WT处理；对于新冬23号小麦，WT+P3处理的植株显著高于其他处理，DT+P1处理最低。

表1 磷素和干旱胁迫对小麦农艺性状的影响Table 1 Effects of phosphorus and drought stress on agronomic traits of wheat

相同品种同列数据后不同小写字母表示在0.05水平差异显著。*和**分别代表0.05和0.01水平差异显著。下同。

Values followed by different letters within same genotype and column are significantly different at 0.05 level. * and ** represent significant difference at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same in tables 2 and 3.

相同水分条件下，分期施磷对成熟期两个小麦品种的第二节间长无显著影响(新冬20号的WT除外)。对于第二节茎粗，新冬20号各处理间差异不显著；新冬23号在WT+P1处理下最高，其他两处理间差异不显著。对于第五节茎粗，新冬20号在DT处理间差异不显著，在WT处理间差异程度不同；新冬23号在WT+P2处理下显著高于其他处理，其余各处理间差异不显著。

相同水分条件下，施磷处理对成熟期小麦穗部性状有不同程度影响。对于新冬20号，DT+P3处理下穗长最高；对于新冬23号，各处理间差异不显著。两个小麦品种的穗粒数在各处理间差异程度不同，均以P2处理最高。不同处理对成熟期小麦千粒重也有明显影响；新冬20号以WT+P3处理下最高，且显著高于其他处理；DT处理均较低，且三者间差异不显著；新冬23号小麦以WT+P3处理最高，DT+P2处理最低。

方差分析表明，品种、水分和施磷处理及其两因素和三因素的交互效应均对成熟期小麦株高存在极显著影响；第二节间长与水分与施磷时期、品种、水分与施磷时期交互效应的相关性不显著。水分、品种与施磷时期交互效应、水分与施磷时期交互相应对第二节茎粗有显著影响。水分、品种与施磷时期交互效应对第五节茎粗有显著影响。品种、水分、施磷时期以及水分和施磷时期的交互效应对成熟期小麦穗长有极显著影响。品种和水分、品种和施磷时期及水分和施磷时期交互效应对成熟期小麦穗粒数有显著影响。品种和水分的交互效应对千粒重影响不显著。

2.2 不同处理对小麦籽粒淀粉和蛋白含量的 影响

由表2看出，两种水分条件下，施磷处理对成熟期小麦总淀粉含量有显著影响。新冬20号在DT+P1处理下总淀粉含量最高，WT+P2处理下总淀粉含量最低；新冬23号在DT+P3处理下总淀粉含量最高，WT+P3处理下最低。

表2 磷素和干旱胁迫对小麦籽粒蛋白和淀粉含量的影响Table 2 Effect of phosphorus and drought stress on protein and starch content in wheat grain %

两种水分条件下，施磷处理对直链淀粉含量有不同程度影响。DT+P1和处理下新冬20号和DT+P3处理下新冬23号的直链淀粉含量均显著高于相同品种的其他处理。对于新冬20号小麦，WT下三个施磷处理间差异不显著。对新冬23号，DT+P1和DT+P2处理间差异不显著；WT+P2和WT+P3处理下直链淀粉含量显著低于其他处理。

对于小麦籽粒蛋白含量，WT+P3处理下两个小麦品种均高于相同品种的其他处理。新冬20号小麦和新冬23号小麦分别以DT+P2和DT+P1处理下蛋白含量最低。

方差分析表明，除磷处理及水分与磷处理的互作效应外，其他因素均对总淀粉含量存在极显著影响。除品种和水分的互作效应外，其他效应均对直链淀粉含量存在显著影响。品种、水分、磷处理及三者的交互作用对籽粒蛋白含量存在极显著影响。

2.3 不同处理对小麦胚乳淀粉粒微观结构的 影响

为了更深入地观察磷素和水分对淀粉粒内部微观结构的影响，将蛋白酶XIV酶解处理的淀粉粒经汞溴红染色，通过激光共聚焦显微镜观察(图1和图2)。不同处理下两个小麦品种的胚乳淀粉粒基本形态未发生明显变化，均为大的A型淀粉粒(直径≥10 μm)和小的B型淀粉粒(直径<10 μm)组成。对于新冬20号小麦，DT处理下的淀粉粒内部显示出更多的荧光(图1D、图1E和图1F中箭头所示)，而WT条件下淀粉粒的荧光则相对较弱；两种水分条件下P1和P3处理的淀粉粒荧光均强于P2处理。对于新冬23号小麦，不同处理下的淀粉粒内部荧光的强度与新冬20号不同。WT+P2(图2B)和WT+ P3(图2C)的荧光强于WT+ P1(图2A)，而DT条件下P2(图2E)的荧光相对最弱。说明不同磷处理和水分条件下小麦淀粉粒内部的微通道结构发生了变化。

2.4 不同处理对小麦淀粉粒酸解特性的影响

淀粉粒表面微观结构(微孔和微通道)有助于酸等化学物质进入淀粉粒内部，使得盐酸能够作用于糖类，使之分解为还原糖[12-13]，观测相同质量的淀粉粒经酸解后产生的还原糖浓度，可以反映淀粉粒表面的微孔结构的数量。

由图3看出，不同磷处理下两个小麦品种淀粉粒酸解后还原糖浓度均差异显著。新冬20号的还原糖浓度整体高于新冬23号。两种水分条件下，新冬20号的P2处理下的还原糖浓度均显著小于P1和P3，以DT+P1处理的酸解后还原糖浓度最大，WT+P2最小。新冬23号DT+P1处理的还原糖浓度最大，WT+P1最小。此结果进一步验证了淀粉粒微孔和微通道结构的变化。

2.5 不同处理对小麦籽粒硬度的影响

籽粒硬度是表示胚乳质地的参数，可反映胚乳蛋白质基质与淀粉粒的结合程度。由图4可看出，两种水分条件下磷处理对成熟期小麦籽粒硬度有显著影响。对于新冬20号，WT+P3籽粒硬度最大，DT+P3最小，其他各处理间差异不显著；对于新冬23号，WT+P1、WT+P3、 DT+P1和DT+P2处理间差异不显著，但显著高于其他处理，DT+P3处理的籽粒硬度最低。

A、B、C、D、E、F 分别代表WT+P1、WT+P2、WT+P3、DT+P1、DT+P2和DT+P3处理下通过激光共聚焦显微镜观察到的经汞溴红染色的淀粉粒。白色箭头指向的是淀粉粒中的短通道或空腔(通过微孔连接到外表面)。图2同。

Starch granules were isolated from the wheat grain samples under the WT+P1(A),WT+P2(B),WT+P3(C),DT+P1(D),DT+P2(E) and DT+P3(F) conditions,respectively,and stained with merbromin then observed using CLSM. The white arrows indicate short channels and/or cavities (connected to the exterior by channels) within the granules.The same in Fig.2.

图1 不同处理对新冬20号小麦胚乳淀粉粒微观结构的影响

Fig.1 Effect of different treatments on starch granule micro-structure of Xindong 20

图2 不同处理对新冬23号小麦胚乳淀粉粒微观结构的影响

图柱上不同字母表示处理间差异显著。

Different letters above columns are significantly different at 0.05 level.

图3 磷素和水分对小麦淀粉酸解后还原糖浓度的影响

Fig.3 Effects of phosphorus and water on reducing sugar concentration of starch granules after acidolysis

2.6 不同处理对小麦植株磷含量的影响

由表3可看出，两种水分条件下磷处理对成熟期小麦植株磷含量有显著影响。对于新冬20号小麦，WT+P3和DT+P1处理下磷含量显著高于其他处理，其他各处理间差异程度不同；对于新冬23号小麦，以DT+P2处理最高。

两种水分条件下磷处理对成熟期小麦籽粒中磷含量也有显著影响。如表3所示，WT+P3处理下新冬20号和新冬23号的籽粒磷含量均显著高于其他处理；对于新冬20号小麦，以WT+P1处理籽粒磷含量最低；对于新冬23号小麦，DT+P1处理下籽粒磷含量显著低于其他处理。

方差分析表明，品种与水分、品种与磷处理、水分与磷处理的交互效应对成熟期小麦植株磷含量存在显著影响。品种、水分、磷处理、水分与磷处理及品种、水分与磷处理的交互效应均对成熟期小麦籽粒磷含量存在极显著影响。

图4 磷素和水分对小麦籽粒硬度的影响

品种Genotype水分Water treatment施磷处理Phosphorus application植株磷含量Plant phosphorus content籽粒磷含量Grain phosphorus content新冬20号 Xindong 20DTP10.241a 0.370bcP2 0.148cd 0.317cdP30.140d 0.262deWTP1 0.197bc0.240eP20.186b0.421bP30.254a0.558a新冬23号 Xindong 23DTP1 0.142bc0.305eP20.262a0.365dP30.241a0.412cWTP10.106c0.358dP2 0.181abc0.452bP3 0.212ab0.481aF值 F value品种 Genotype(G)0.116.0∗∗水分 Water(W)0.386.8∗∗施磷处理 Phosphorus application(P)3.256.7∗∗品种×水分 G×W10.5∗∗1.4品种×磷处理 G×P12.6∗∗0.2水分×磷处理 W×P3.6∗56.5∗∗品种×水分×磷处理 G×W ×P3.348.1∗∗

3 讨 论

磷肥具有促进根系生长、提高根系比表面积的作用[16]，因而增施磷肥能缓解土壤水分胁迫对作物的不利影响。占 爱[17]在研究磷素和小麦抗旱性关系时发现，施磷处理增加了植株对干旱的敏感性，干旱明显削弱了磷肥应有的增产作用。虽然施磷增加了小麦的耗水量，但明显提高了群体水分利用效率，说明磷肥对植物同化作用和生长过程的促进大于耗水量的增加。小麦在不同生长发育时期对磷素的吸收与积累不同。本研究表明，两个小麦品种在适水条件下分期施磷可明显增加籽粒磷含量及千粒重，而新冬20号在干旱条件下不同磷处理间差异明显。王 瑜等[18]研究表明，磷素积累量大部分来自拔节后，施用磷肥显著提高了冬小麦开花前植株磷素积累量，并随着磷肥施用量的增加植株磷素积累量增加。梁子龙等[19]研究表明，外源喷施磷酸二氢钾能显著促进可溶性总糖向籽粒中的转运，促进了籽粒淀粉合成，提高了淀粉含量，从而缓解了灌浆期干旱胁迫对小麦籽粒灌浆的抑制作用。在新疆小麦生产区，籽粒灌浆期干热风频发，是导致籽粒减产的重要原因。本研究中，新冬20号小麦耐旱性较强，熟期较早；新冬23号耐旱性较弱，熟期较晚，灌浆期更易遭受干热风或高温的影响，两个品种干旱下籽粒总淀粉含量均显著高于适水处理，可能是灌浆期喷施磷酸二氢钾对淀粉积累具有积极作用。此外，本研究表明，对于新冬20号，不同时期施磷对小麦茎粗无明显影响，而对于新冬23号，适水条件下不同时期施磷对茎粗的影响较显著，并且在适水条件下分三次施磷显著增加了籽粒千粒重、蛋白含量和植株磷素含量。由此看出，分期施磷在一定程度上可以增强植株的抗倒伏能力并促进粒重的积累。

淀粉在小麦籽粒中是以淀粉颗粒的形式存在，淀粉粒的微观特性对淀粉的品质有重要影响。微孔和微通道是小麦淀粉粒的固有特征，且A型和B型淀粉粒微通道结构不同，其中A型淀粉粒通道较多，B型淀粉的微通道大部分被蛋白阻塞[12]。目前关于小麦淀粉粒微通道的生物学起源尚没有定论，前期研究表明，该结构可能和小麦淀粉合成过程中籽粒淀粉合成酶和降解酶活性的动态平衡有关，灌浆期水分和磷素供应均会影响该平衡关系，造成淀粉粒表面微观结构的变化[9,20-21]。该结构在淀粉品质特性中有重要作用，是酶、酸、水等物质进入淀粉粒内部的重要通道[12]。对淀粉粒糊化过程中的吸水膨胀、崩解、淀粉微晶束的析出以及淀粉胶体的形成均有重要影响。在酶解过程中微孔数量的增加和孔径的变大有利于提高淀粉的水解效率[9]。

此外，在小麦胚乳中淀粉粒均镶嵌在蛋白基质当中，淀粉粒与蛋白质结合的疏松程度对小麦制粉过程中破损淀粉含量有重要影响，进而作用于面粉的烘焙和蒸煮品质。本研究中，观察淀粉粒微观特性的样品均为手工直接提纯籽粒中的淀粉粒，因而排除了不同籽粒硬度在机械磨粉过程中对淀粉粒微观特性的影响。小麦淀粉粒中含有少量磷，主要以无机磷、磷脂、磷酸单酯等形式存在，磷素的存在形式和含量可能与小麦生长过程中的水分和养分供给密切联系，且最终会对淀粉品质产生重要影响，关于此方面的研究有待进一步深入。

4 结 论

适水条件下两个小麦品种分三次施磷有利于增加籽粒千粒重和蛋白质含量。返青期全部施磷有利于花后干旱胁迫下新冬20号小麦籽粒淀粉的积累；分三次施磷有利于新冬23号淀粉的积累。因此，应根据不同的品种特性制定合理的水磷运筹模式，提高冬小麦的产量和品质。