品种与栽培条件对小麦籽粒生物活性物质含量的影响

陈诗豪 李正阳 陈佳露 张元卿 魏育明 郑有良 蒲至恩,*

品种与栽培条件对小麦籽粒生物活性物质含量的影响

陈诗豪1,**李正阳1,**陈佳露1张元卿1魏育明2郑有良2蒲至恩1,*

1四川农业大学农学院, 四川成都 611130;2四川农业大学小麦研究所, 四川成都 611130

利用4个四川省主推小麦品种连续2年2地在不同施氮时期、施氮量、播期、施磷量条件下, 测定小麦籽粒中生物活性物质植酸、γ–氨基丁酸、总酚含量的变化, 期望找到提高小麦生物活性物质的含量合理的栽培措施。结果表明, 影响小麦生物活性物质含量的主要因素是品种, 施氮量、施氮时期、播期、施磷量等栽培措施只部分影响或不影响生物活性物质的含量。另外施氮量和施磷量的互作效应也会对生物活性物质含量产生显著影响。绵麦51的γ-氨基丁酸和总酚含量高于其他品种, 抗营养物质植酸含量低于其他品种。在四川地区选用品种绵麦51, 将150 kg hm–2纯氮氮肥、75 kg hm–2P2O5的磷肥全作底肥一次施用, 于10月29日播种可获得生物活性物质含量最佳的小麦籽粒。

施氮量; 施氮时期; 播期; 施磷量; 品种; 生物活性物质

小麦的抗氧化能力是营养品质重要内容, 既包括生物活性物质的含量, 也包括抗氧化能力的大小。近年来, 小麦中所含的天然抗氧化剂等营养物质得到普遍关注, 逐渐成为研究的热点[1-5]。大量的流行病学研究表明, 增加全谷物食品的摄入能有效降低心脑血管病、II型糖尿病等慢性病的发病率, 能很好地与果蔬中的抗氧化成分互补, 是美国农业部推荐的人类膳食结构“Myplate”中重要的组成部分[6-7]。小麦富含多种生物活性物质, 如亚油酸、维生素E、多糖、低聚糖、氨基酸、植酸、酚类化合物等, 而其中主要有两大类, 即酚类化合物和植酸[8-9]。

植酸不仅是磷源物质, 更是一种重要的抗氧化剂, 能与体内的重金属鳌合, 减少重金属危害, 但是过量的植酸会与体内的锌、铁等矿质元素结合, 导致人体缺乏这些矿质元素[10], 因此植酸对人体的健康具有两面性。酚类物质在水中以2种形式存在, 一种是中性分子, 一种是其中的羟基电离掉氢离子后的酚阴离子, 总酚(total phenolics)就是二者的总和。小麦籽粒中的酚主要有酚酸类和黄酮类。酚酸具有极强抗氧化活性, 对人体还有抗炎等其他药理活性, 而类黄酮物质可防止低密度脂蛋白的氧化, 减少、甚至消除一些致癌物的毒性, 清除生物体内自由基, 在抗衰老、预防心血管疾病、防癌、抗癌方面有一定功效, 故总酚作为重要的生物活性物质, 对小麦营养品质的提高意义非凡。小麦籽粒中另一类抗氧化物质γ-氨基丁酸(简称GABA)具有降低血压、促进睡眠、增强记忆力、抗焦虑、预防和治疗癫痫、抗脑衰老、解毒等生理功能。小麦作为人类主要的植物性食物来源之一, 通过小麦摄入上述生物活性物质有利于提升人体抗氧化能力。

小麦的营养品质既受遗传基因的控制, 也受到气候、土壤、栽培条件等外界因素的影响[11]。不同的栽培措施会对小麦的营养品质产生重要的影响。其中, 施氮时期对小麦的营养品质有很大的影响, 随着施氮时期的推迟小麦中的蛋白质含量以及其他的生物活性物质含量均有不同程度的增加[12-13], 氮肥后移技术在栽培上不仅能够节省肥料, 更能提高作物的营养品质, 但施氮时期对小麦中生物活性物质含量影响的研究目前较少。施氮量同样对小麦的品质有很大的影响, 在一定范围内, 施氮量与小麦中的蛋白质含量以及其他的生物活性物质含量均呈正相关[14-15]。花后叶面增施氮肥可以显著提高小麦籽粒中的Fe、Zn含量, 但降低了Mg的含量[16], 可见施氮量的确会对小麦的主要组成成分以及其他微量物质产生一定的影响。

前人对常见栽培措施的研究主要以小麦产量和蛋白质含量等为指标, 对小麦生物活性物质含量较少报道, 缺乏系统的研究。本试验能明确栽培措施和品种以及二者之间的互作对小麦生物活性物质含量的影响, 为生产有益于人体健康的高含量生物活性物质小麦提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为中筋品种蜀麦482和蜀麦969、弱筋品种川农16和绵麦51。其中蜀麦482、蜀麦969和川农16由四川农业大学小麦研究所提供, 绵麦51由四川省绵阳市农业科学院提供。于2014年9月至2016年5月连续2年分别植于盆西平原地区崇州市桤泉镇和盆中丘陵地区仁寿县珠嘉乡。

1.2 试验设计

1.2.1 施氮时期 采用两因素裂区设计, 主区为施氮时期, 副区为品种, 施氮时期分别是全作底肥一次施用(T1)、追施拔节肥(T2)以及孕穗肥(T3)。总施氮量为150 kg hm–2纯氮, 除全作底肥一次施用外, 其余处理氮肥按底: 拔节追肥(孕穗追肥) = 6∶4施用。于10月29日按行窝距为20 cm × 10 cm播种, 基本苗为300×104株 hm–2, 小区面积为4 m × 3 m, 重复3次。每公顷施用P2O575 kg, K2O 75 kg, 磷钾肥全作底肥一次施入, 其他栽培管理措施同一般大田生产。

1.2.2 施氮量 采用两因素裂区试验设计, 主区为施氮量, 副区为品种, 施氮量分别为0、75、150、225kg hm–2纯氮(分别记为N0、N1、N2、N3)。于10月29日按行窝距为20 cm×10 cm播种, 基本苗为300×104株 hm–2, 小区面积为4 m × 3 m, 重复3次。每公顷施用P2O575 kg, K2O 75 kg, 肥料全作底肥一次施入, 其他栽培管理措施同一般大田生产。

1.2.3 施氮量-播期互作 采用三因素裂区设计, 主区为品种, 副区为播期, 播种时间分别为10月15日、10月29日及11月12日(分别记为B1、B2、B3)。副副区为施氮量, 分别为75、150 kg hm–2纯氮(分别记为N5、N10)。行窝距为20 cm × 10 cm, 基本苗为300×104株 hm–2, 小区面积为4 m × 3 m, 重复3次。每公顷施用P2O575 kg, K2O 75 kg, 肥料全作底肥一次施入, 其他栽培措施同一般大田生产。

1.2.4 氮磷肥互作 采用三因素裂区设计, 主区为品种, 副区为施氮量, 分别为75、150 kg hm–2纯氮(分别记为N5, N10), 副副区为施磷量, 分别为0、75、150 kg hm–2P2O5(分别记为P0、P1、P2)。于10月29日播种, 行窝距为20 cm × 10 cm, 基本苗为300×104株 hm–2, 小区面积为4 m × 3 m, 重复3次。每公顷施用K2O75 kg, 肥料全作底肥一次施入, 其他栽培措施同一般大田生产。

1.3 田间调查与采样方法

开花期对同一天开花的麦穗挂牌标记直到成熟, 成熟后取20穗, 剥取籽粒冷藏于–80℃超低温冰箱, 于70℃烘箱烘至恒重用于测定各个组分含量。

1.4 小麦生物活性物质的测定

1.4.1 总酚含量的测定 采用福林酚比色法测定[17]提取液的总酚含量。以没食子酸为标样, 制作标准曲线。总酚含量表示为μg没食子酸 g–1样品。

1.4.2 植酸含量的测定 使用吡啶分光光度法测定小麦植酸含量[18]。植酸含量表示为mg 植酸 g–1样品。

1.4.3 γ-氨基丁酸含量的测定 参考赵大伟等[19]的大麦γ-氨基丁酸含量的测定分析方法测定样品GABA含量。GABA含量表示为mg GABA kg–1样品。

1.5 数据分析

单因素(即不同施氮量和施氮时期)处理的3种生物活性物质(总酚、植酸、γ-氨基丁酸)的含量归纳整理, 运用SPSS 19.0 (IBM)统计软件进行方差分析, 以主区因素施氮量、施氮时期和副区因素品种为固定因子, 以区组为随机因子, 模型选择主区因素、区组、主区因素×区组、副区因素、主区因素×副区因素。对互作类型(即施氮量−播期互作和氮磷肥互作)则运用DPS 14.0进行方差分析, 各个处理因子所含类目包括年份、种植地点、品种、施氮量、播期、施磷量, 以各个处理因子的最后一个类目作为参照, 采用效应编码。

2 结果与分析

2.1 施氮时期对生物活性物质含量的影响

对4个小麦品种在不同施氮时期条件下的差异进行了显著性检验(表1)。施氮时期对小麦γ-氨基丁酸、植酸、总酚含量影响均不显著, 品种对小麦γ-氨基丁酸、植酸、总酚含量的影响均极显著, 说明品种是影响生物活性物质的主要因素。另外, 施氮时期与品种的互作影响均不显著, 即可以忽略它们的互作效应。

品种的多重比较(表2)结果表明, 川农16的γ-氨基丁酸、总酚含量均最低, 植酸含量最高, 而绵麦51的植酸含量最低, γ-氨基丁酸、总酚含量最高, 蜀麦969和蜀麦482之间γ-氨基丁酸和总酚含量差异不显著, 位于川农16和绵麦51之间, 而植酸含量蜀麦482高于蜀麦969。鉴于人体对植酸需求量低, 因此建议品种绵麦51用作饲料以及作为人类食用的首选品种, 出于节约人力的选择, 对绵麦51施用氮肥时可采用底肥一次施用以获得较理想的生物活性物质含量。

2.2 施氮量对生物活性物质的影响

对4个小麦品种在不同施氮量处理条件下的差异进行显著性检验。通过表3可知, 施氮量对小麦γ-氨基丁酸含量影响显著, 对植酸含量影响极显著, 对总酚含量的影响没有达到显著水平, 所以施氮量对不同生物活性物质含量的影响不尽相同。施氮量与品种的互作效应不显著, 可不考虑施氮量与品种的互作效应。

施氮量的多重比较结果显示, 施氮量为150 kg hm–2或225 kg hm–2纯氮时, 小麦γ-氨基丁酸含量最高, 植酸含量最低(表4)。同时由于施氮量对于总酚含量的影响不显著, 因此施氮量150 kg hm–2与225 kg hm–2纯氮之间生物活性物质含量的差异整体是不显著的。要获得较理想的生物活性物质含量, 并考虑到减肥增效, 选择150 kg hm–2纯氮的施氮量最为合适。

表1 施氮时期对生物活性物质含量影响的显著性检验

*和**分别表示在0.05和0.01概率水平显著。

*and**indicateasignificantat the0.05and0.01 probabilitylevels,respectively.

表2 各品种小麦生物活性物质含量的多重比较

数据后不同字母表示品种间有显著差异(< 0.05)。

Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05.

表3 施氮量对生物活性物质影响的显著性检验

*和**分别表示在0.05和0.01概率水平显著。

*and**indicate a significant at the 0.05and0.01 probability levels,respectively.

表4 各施氮量小麦生物活性物质含量的多重比较

N0, N1, N2, N3分别为0、75、150、225kg hm–2纯氮。数据后不同字母表示施氮量间有显著差异(< 0.05)。

N0,N1,N2,andN3 are 0,75,150,225kghm–2purenitrogen, respectively. Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05.

2.3 施氮量与播期互作对生物活性物质的影响

对施氮量与播期互作试验设计下测得的生物活性物质含量数据进行显著性分析(表5)。显示出播期对于小麦γ-氨基丁酸和植酸含量的影响达显著水平, 对于总酚含量的影响不显著, 同时施氮量与播期互作对于植酸、γ-氨基丁酸和总酚的影响均不显著, 其效应可以忽略不计。

播期多重比较结果显示(表6), 播期为10月29日时比11月12日播种的小麦γ-氨基丁酸含量显著提高, 而播期10月15日小麦γ-氨基丁酸含量与这2个播期差异均不显著, 但播期10月15日小麦植酸含量显著高于播期10月29日, 播期10月29日小麦植酸含量与播期11月12日没有显著差异, 总酚则三者差异均不显著。因此, 单独从播期因素考虑, 10月29日能得到较高氨基丁酸含量, 较低植酸含量的小麦。而由于不存在互作效应, 选择施氮150 kg hm–2纯氮, 10月29日播种, 是获得理想生物活性物质含量的最佳处理方案。

2.4 施氮量与施磷量互作对生物活性物质的影响

表7显示施磷量对于小麦植酸含量的影响达极显著水平, 对于总酚含量的影响达显著水平, 对于γ-氨基丁酸含量的影响不显著。施氮量与施磷量互作效应则主要对植酸的影响达到了显著水平, 对于γ-氨基丁酸和总酚含量的影响总体是不显著的。

施磷量对小麦γ-氨基丁酸含量影响均不显著, 而不施用磷肥小麦植酸和总酚含量均显著低于施用75、150 kg hm–2P2O5磷肥; 施用75kg hm–2P2O5磷肥与施用150 kg hm–2P2O5磷肥相比, 小麦植酸与总酚含量均没有显著差异(表8)。此时要同时得到低植酸含量与高总酚含量小麦, 单纯考虑施磷量一个因素无法实现。对存在显著互作效应的施氮量与施磷量多重比较(表9)显示, 当施氮量为150kg hm–2纯氮时, 与各个不同施磷量组合, 植酸含量差异均不显著, 并且含量均显著低于施氮量为75 kg hm–2纯氮与其他施磷量的处理组合。同时, 施氮量为150 kg hm–2纯氮, 施磷量为75 kg hm–2或150 kg hm–2P2O5时, 其总酚含量也显著高于其他组合。所以, 在考虑互作效应的情况下, 可以得到最理想的生物活性物质含量, 即施氮量150 kg hm–2纯氮, 施磷量75 kg hm–2P2O5即为最佳处理组合。

表5 施氮量与播期互作对生物活性物质含量影响的显著性检验

*和**分别表示在0.05和0.01概率水平显著。

*and**indicateasignificantat the 0.05 and0.01 probability levels,respectively.

表6 各播期小麦生物活性物质含量的多重比较

B1、B2、B3分别为10月15日、10月29日和11月12日。数据后不同字母表示播期间有显著差异(< 0.05)。

B1,B2, andB3areOct.15,Oct. 29,andNov.12,respectively. Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05.

表7 施氮量与施磷量互作对生物活性物质含量影响的显著性检验

*和**分别表示在0.05和0.01概率水平显著。

*and**indicate significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

表8 各施磷量小麦生物活性物质含量的多重比较

P0、P1、P2分别为0、75、150 kg hm–2P2O5。数据后不同字母表示施磷量间有显著差异(< 0.05)。

P0, P1, and P2 are 0, 75, and 150 kg of P2O5perhectare,respectively. Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05.

表9 施氮量与施磷量互作效应小麦生物活性物质含量的多重比较

数据后不同字母表示互作效应间有显著差异(<0.05)。

Values within a column followed by different letters are significantly different at<0.05.

3 讨论

3.1 品种及栽培措施对小麦生物活性物质含量的影响

本文主要研究了品种、施氮时期、施氮量、播期以及施磷量常用的栽培管理措施对生物活性物质的影响, 品种一直是影响小麦品质的主要因素, 对小麦营养品质也不例外。对营养品质的研究多集中在对蛋白质含量方面, 而对营养品质中重要的生物活性物质含量的研究主要集中在环境的影响。Moore等[20]对20个不同品种硬质冬小麦生物活性物质含量及抗氧化特性测定显示所有抗氧化特性差异显著, 其中螯合能力和清除DPPH自由基能力中,基因型影响很大。吕俊丽[21]测试美国马里兰州气候条件不同的4个地区10个小麦品种抗氧化能力表明, 品种对总酚含量、ABTS+清除能力、DPPH自由基清除能力等的影响均极显著, 但其中总酚含量受到的环境影响更大, 所占比例为76.30%。刘茜茜[22]对西南麦区2002—2012年28个有代表性的小麦品种(系)测定并选出了其中抗氧化特性好的品种。本文中品种对于所有生物活性物质含量的影响均为极显著, 与诸如蛋白质含量相比, 环境对其影响较小, 与前人的研究一致, 这一结果明确了可以通过品种选育获得高生物活性物质含量的品种, 在本实验中生物活性含量高的品种为绵麦51, 可作为营养品质育种的种质资源。

施氮时期对品质, 特别是蛋白营养品质影响的研究已有很多, 其中施氮时期的推迟, 即氮肥后移技术, 能够提高小麦的营养品质(蛋白质含量), 如石书兵等[12]发现氮肥后移能增加蛋白质含量及麦谷/醇溶的比例, 但关于不同施氮时期对同属于小麦营养品质的生物活性物质影响的研究甚少。而在本试验条件下, 施氮时期对各生物活性物质含量的影响均不大, 仅对总酚含量有所影响。也就是说, 在实际生产运用中, 对获得生物活性物质理想含量而言基本可以不考虑施氮时期的影响, 选择肥料全作底肥一次施用, 追施拔节肥或孕穗肥皆可。

施氮量的增加不但能够增加产量, 还能提高小麦中的蛋白质含量, 进而改善小麦的营养品质。而在生物活性物质含量上, 也有研究表明施氮量具有影响。孙德祥等[23]发现施纯氮0~300 kghm–2范围内, 小麦总酚含量均随施氮量的增加而增加。朱伟锋等[24]发现, 施氮量的增加反而会减少白菜生物活性物质含量。左毅等[16]研究认为花后叶面喷施氮肥对植酸含量影响不显著。在本试验中, 施氮量在一定范围内的增加能够同时起到增加小麦中γ-氨基丁酸、总酚的含量和减少植酸含量的作用, 与前人研究略有不同。考虑到γ-氨基丁酸本身含有氨基, 所以适当增加施氮量, 应当有利于γ-氨基丁酸的积累, 而植酸是磷源,可能由于氮、磷存在互作效应, 故而增施氮肥使得植酸含量下降。在本实验的前期实验中发现, 小麦的营养生长有利于生物活性物质的积累, 而施氮能促进营养生长, 因此适量增施氮肥可以提高小麦籽粒中的生物活性物质。

播期对于小麦产量、品质均有影响。在本试验中, 播期对小麦γ–氨基丁酸和植酸含量也存在一定影响。刘茜茜[22]研究发现小麦的生物活性物质或前体物质主要在小麦营养生长期生成, 在籽粒发育时期转运至小麦籽粒中, 而播期的改变与小麦营养生长期的发育息息相关, 播期对生物活性物质含量的影响可能正是由此引起。本试验中10月29日是四川地区的最优播期, 提前或延后播期均不利于生物活性物质的累积, 其主要原因仍是非正常播期影响了小麦的营养生长, 导致生物活性物质的前期积累受阻。

通常磷肥可以加快小麦的生长速度并增加产量, 但过量施用依旧会造成小麦产量与品质的降低。胡安新等[25]就优质弱筋小麦的产量与品质探讨磷肥用量对其产生的影响时发现, 在0、60、120、180 kg hm–2P2O54个磷肥梯度内, 增加磷肥含量对小麦的穗数基本没有影响, 但当P2O5用量为120kg hm–2时, 明显增加产量。随着施磷量的继续增加, 小麦的加工品质可以提高, 但营养品质显著下降。本试验中, 施磷量的增加可以显著增加植酸含量和总酚含量, 对γ-氨基丁酸含量影响不显著, 如无互作效应影响, 单独考虑施磷量影响, 则需要根据小麦用途来选择合适施磷量。

总的来说对小麦中抗氧化物含量的差异起主要作用的是小麦品种, 小麦品种的不同直接造成了中各生物活性物质含量的差异, 如绵麦51中的植酸含量总是低于另外3个品种, 而其总酚和γ-氨基丁酸含量又总是高于另外3个品种。

3.2 互作效应对小麦生物活性物质含量的影响

环境与品种的互作效应对小麦品质有着重要的影响。在生物活性物质含量上, 也已经多有报道, 吕俊丽等[26]研究发现, 基因型和环境互作对总酚含量有很大的影响,其中对α-生育酚、δ-生育酚和总生育酚含量的影响最大。刘茜茜[22]研究结果表明基因型与环境互作对小麦的超氧阴离子自由基清除能力的影响较大。互作效应的存在使得各个因素对于小麦生物活性物质含量的影响不再单一, 同时使得在选择最优处理方式时, 不能简单地单独选出最优因素然后组合。

本文中的互作效应, 在排除效应过小和影响不显著的以后, 主要考虑的是施氮量与施磷量的互作效应。该效应大大改变了施磷量因素对于小麦生物活性物质含量的影响, 只考虑施磷量因素的影响时, 无法达到植酸含量低, γ-氨基丁酸含量和总酚含量高的目的, 但因为互作效应的存在, 在施氮量水平为150 kg hm–2纯氮时, 施磷量的增加可以同时起到降低植酸含量与提升总酚含量的作用。其具体作用机理不明, 刘茜茜[22]发现土壤因子与小麦植酸含量无明显相关, 而Oatway等[27]却发现种子植酸含量与土壤肥力有关, 推测这其中的差异是由于品种差异所致, 还有待进一步研究。

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Effect of varieties and cultivation conditions on the bioactive substances contents of wheat grain

CHEN Shi-Hao1,**, LI Zheng-Yang1,**, CHEN Jia-Lu1, ZHANG Yuan-Qing1, WEI Yu-Ming2, ZHENG You-Liang2, and PU Zhi-En1,*

1College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, Sichuan, China;2Triticeae Research Institute, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, Sichuan, China

People pay more attention to the bioactive substances because of its antioxidant capability. To investigate the effect of N-application time, nitrogen fertilizer rate, sowing time and P application note on the bioactive substance contents of wheat grain, we analyzed the contents of phytic acid, γ-aminobutyric acid and total phenol in wheat cultivars planted at two locations for two consecutive growth seasons. The genotype contributed the most variations of bioactive substance contents. The cultural practices had less influence than varieties, the interaction between N-application and phosphorus application also had significant effect on bioactive substances contents. Mianmai 51 had the highest contents of γ-aminobutyric and total phenol and the lowest phytic acid content. According to the results, the gains of Mianmai 51 with the optimum content of bioactive substances can be obtained by using the base fertilizer of 150 kg hm–2of pure nitrogen and 75 kg hm–2of P2O5and rowing on October 29th in Sichuan province.

N-dosage applied; N-applying stages; sowing times; P application; variety; antioxidant

本研究由国家重点研发计划项目(2017YFD0100900)资助。

The study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2017YFD0100900).

蒲至恩, E-mail: puzhien@sicau.edu.cn

E-mail: chenshihao604@sina.com

2019-01-26;

2019-06-24;

2019-07-19.

10.3724/SP.J.1006.2019.91010

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190719.1449.004.html