灌浆期高温胁迫对不同品种小麦蛋白组分及面团揉混特性的影响

冯 波 曹 芳 李升东 刘爱峰 程敦公 张立顺

(1山东省农业科学院作物研究所,山东 济南 250100;2济南永丰种业有限公司,山东 济南 250306)

小麦(Triticum aestivumL.)是我国主要的口粮作物,其生产关乎我国粮食安全和社会稳定。随着市场经济的发展和人民生活水平的提高,人们对小麦品质的要求也愈来愈高。研究表明,小麦的产量和品质不仅受种质遗传特性的影响,还与环境因素和栽培措施有关[1-3]。近年来气候变暖引起小麦高温热害的发生日趋频繁与严重,尤其是小麦灌浆期发生的高温胁迫,严重影响小麦的产量和品质,已经成为我国黄淮海地区小麦生产必须面对的严峻问题之一[4-5]。灌浆期高温导致小麦籽粒淀粉积累速率减小,生育期缩短,粒重和产量降低[6-9]。然而灌浆期高温胁迫对小麦品质的影响却是众说纷纭。李咏等[10]研究表明,灌浆早期和灌浆中期高温胁迫对不同类型小麦品种的面粉糊化特性有不同程度的负面影响;吴进东等[11]研究表明,花后短暂高温提高了面粉湿面筋含量,改善了小麦的粉质参数和拉伸参数,对小麦糊化温度影响不显著,但会降低其他的淀粉糊化参数;王晨阳等[7]认为花后高温显著降低淀粉的峰值黏度、低谷黏度、终结黏度、稀懈值和糊化时间;张洪华等[8]研究发现,高温胁迫后小麦蛋白质含量升高,蛋白质组分中可溶性谷蛋白含量上升,不可溶性谷蛋白含量下降,面团的形成时间和稳定时间缩短;姚仪敏等[12]研究认为,开花后连续适度高温会提高小麦籽粒蛋白质的含量、面粉湿面筋含量和沉降值,延长面团的形成时间和稳定时间,总体上显著提高了小麦品质。

可见小麦灌浆期发生高温胁迫会显著改变小麦品质。但前人对于高温热害对小麦面粉品质影响的研究结论因试验方法不同、品种差异等原因不尽一致,且大多是盆栽温室处理[9,11,13-15],大田研究较少[8,10,12],对大田条件下高温处理后小麦蛋白组分和面团揉混特性的研究尤其较少。因此,本研究选用济麦22和新麦26 作为试验材料,在大田条件下,于灌浆初期和中期通过搭棚进行高温胁迫,成熟后对小麦籽粒硬度和面粉的淀粉黏滞谱、蛋白质组分含量、揉混参数等品质参数进行分析,研究灌浆期不同时段高温胁迫对不同品种小麦籽粒硬度和淀粉特性、蛋白质组分含量及加工品质的影响,以期为优质专用小麦生产的抗逆稳产栽培及品质改良提供技术与理论参考。

图1 高温处理期间人工增温大棚内外的温度Fig.1 Temperature of inner and outside of the artificial greenhouse during high temperature stress

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2011-2013年在山东省农业科学院作物研究所试验田进行。供试小麦品种为济麦22(JM22)和新麦26(XM26),分别来自于山东省农业科学院作物研究所和河南省新乡市农业科学院。小区面积1.5 m×9 m,基本苗165株·m-2,行距25 cm。完全随机排列,3 次重复。分别在开花后12 d(灌浆初期)和开花后22 d(灌浆中期)搭建塑料大棚,进行高温胁迫处理,分别设为S1和S2,胁迫时间为3 d。大棚平顶设计,采用刷漆的铸铁做框架,覆盖厚度70 μm的塑料薄膜。棚高1.7 m,棚内每个小区上方距离冠层50 cm处均匀悬挂3个温度计,搭棚期间8:00-18:00 每隔2 h 记录棚内空气温度。为避免棚内湿度过大,在大棚侧面距顶部20 cm 处对称开30 cm×30 cm的通风窗口,3 d后移走大棚。以不搭棚的田间小区作为对照(CK),田间自动气象站(CM10l Campbell Scientific,Logan,美国)记录温度。高温胁迫处理期间S1与CK 3 d的日平均温度分别相差10.48、9.71、9.84℃,S2与CK 3 d的日平均温度分别相差13.74、10.39、13.10℃,棚内外空气温度变化如图1[16]所示。

JM22 两年的播种时间均为10月6日,XM26 两年的播种时间均为10月9日,花期一致。试验田为黄棕壤土,有机质10.9 g·kg-1、全氮1.33 g·kg-1、速效氮80.5 mg·kg-1、速效磷33.4 mg·kg-1、速效钾118.9 mg·kg-1。播前底施有机肥3 750 kg·hm-2,纯氮120 kg·hm-2,P2O5105 kg·hm-2和K2O 105 kg·hm-2,拔节期追施纯氮105 kg·hm-2,氮肥为尿素。于越冬期和拔节期各灌水1 次,每次灌水量900 m3·hm-2。其余管理措施同常规大田栽培。小麦生长期间未发生倒伏和严重病虫害。小区单独收获,贮存3个月后磨粉用于面粉品质测定。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 籽粒硬度测定 采用4100 型单籽粒硬度仪(瑞典PERTEN 公司)测定。每个处理测定300个籽粒,取平均值,样品的籽粒硬度用平均硬度指数表示。

1.2.2 淀粉黏滞谱的测定 参照王慧等[17]的方法分离得到淀粉。采用Super 3 型快速粘度分析仪(rapid viscosity analyzer,RVA)(澳大利亚Newport scientific),按照田纪春[18]的方法快速测定淀粉糊化特性,并用TCW(Thermal cycle for windows)配套软件进行数据分析。

1.2.3 蛋白质组分含量的测定 参照文献[19-21]的方法,提取分离各种蛋白质组分,再用K-360 凯氏定氮仪(瑞士BUCHI)测定含氮量,得出不可溶蛋白、可溶蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白、清球蛋白的含量以及谷醇比。

1.2.4 揉混参数的测定 采用小型试验磨粉机Quadrumat Junior(德国Brabender 公司)磨制面粉,出粉率约60%。用Models New Generation 型电子揉混仪(National MFG 公司,美国),按GB/T 24853-2010[22]测定揉混参数。

1.3 数据分析

因两年数据结果趋势一致,因此采用两年数据的平均值进行分析。试验数据利用Microsoft Office Excel 2013 进行处理,利用DPS v17.10软件进行统计分析,差异显著性采用Tukey进行多重比较,采用Sigmaplot 10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫对不同筋力小麦籽粒硬度的影响

由图2可知,高温胁迫对XM26 籽粒硬度的影响大于对JM22 籽粒硬度的影响。S1和S2 使XM26 籽粒硬度分别较CK 增加8.54%和6.10%,JM22 分别较CK 增加6.04%和3.36%。S1对两品种籽粒硬度指数的影响均大于S2,但S1、S2 两处理间差异不显著,两品种表现一致。

图2 灌浆期高温胁迫对不同品种小麦籽粒硬度的影响Fig.2 Effects of high temperature stress on grain hardness in different wheat cultivars during grain-filling stages

2.2 灌浆期高温胁迫对不同筋力小麦淀粉黏滞谱特征值的影响

小麦淀粉黏滞谱特征值因高温胁迫的影响而改变,不同品种淀粉黏滞谱特征值改变的规律不同,且不同灌浆时期高温胁迫对小麦淀粉黏滞谱特征值改变的程度不同。由表1可知,S1和S2 使JM22的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、崩解值和峰值时间经高温胁迫后均较CK 升高,分别提高2.81%和18.63%、7.71%和19.51%、2.45%和4.08%、1.88%和12.22%、2.45%和4.08%,而回复值则分别降低了10.17%和2.03%。S1的糊化温度与CK 变化不大,S2则降低了21.83%。S2的最终黏度、崩解值与CK和S1 差异均显著,而S1与CK间差异不显著,S2对JM22 淀粉黏滞谱特征值的影响大于S1;S1的回复值显著低于CK,但S2的回复值与CK相比差异不显著。

S1和S2 使XM26的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、崩解值、回复值、糊化温度均较CK 降低,分别降低12.95%和31.21%、1.81%和27.18%、2.50%和22.22%、37.92%和40.23%、3.57%和14.39%、0.10%和3.95%。而峰值时间分别提高了2.04%和2.35%。其中,S2、S1与CK 三者之间的峰值黏度均达显著水平,S2与S1间、S1与CK间的低谷黏度、最终黏度、回复值差异均不显著。S2对XM26 淀粉黏滞谱参数的影响大于S1(表1)。

表1 灌浆期高温胁迫对不同品种小麦淀粉糊化特性的影响Table1 Effects of high temperature stress on pasting of starch in different wheat cultivars during grain-filling stages

2.3 灌浆期高温胁迫对不同筋力小麦蛋白质组分含量的影响

S1和S2 使JM22的蛋白质含量分别降低2.04%和1.53%,XM26 分别增加2.96%和1.61%(表2)。高温胁迫也改变了不同筋力小麦品种籽粒中蛋白质各组分的含量。S1和S2 使JM22 籽粒中不可溶蛋白含量分别增加8.42%和5.29%,而可溶蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白含量分别降低9.96%和5.73%、0.87%和0.40%、4.52%和6.01%,且谷醇比降低。JM22的S2除谷蛋白含量较CK显著减低外,蛋白总量及其余蛋白组分与CK 均差异不显著。与CK相比,S1和S2 均增加了XM26 谷蛋白和不可溶蛋白含量,谷蛋白含量分别增加13.66%和17.27%,不可溶蛋白增加28.95%和34.80%,S1与S2 差异不显著,而S2与CK间差异显著;可溶蛋白、醇溶蛋白、清球蛋白含量则减少,其中S1与CK的可溶蛋白差异显著,S2与CK 无显著差异,而S2与CK 醇溶蛋白差异显著,S1与CK无显著差异。此外,S2的谷醇比较CK显著增加。

表2 灌浆期高温胁迫对不同品种小麦蛋白质组分及含量的影响Table2 Effects of high temperature stress on component and content of protein in different wheat cultivars during grain-filling stages

2.4 灌浆期高温胁迫对不同品种小麦面团揉混参数的影响

由表3可知,灌浆期高温胁迫使JM22的峰值时间较CK显著延长,衰落角α 减小,S1和S2间差异均不显著。与CK相比,JM22 经S1 处理后,其峰值高度显著升高,峰值宽度和8 min 带宽显著增加,但S2与CK 差异均不显著。其中灌浆时期高温胁迫对JM22峰值高度、峰值宽度、8 min 带宽的影响程度表现为S1＞S2。高温胁迫同样使XM26的峰值时间较CK显著延长,且S1 较S2 也显著延长;S1和S2的峰值高度和8 min 带宽均较CK显著增加,但S1与S2 差异不显著。

3 讨论

温度被认为是影响小麦生长发育和品质的主要因素[23],特别是在花后灌浆期高温会严重影响小麦的品质。小麦籽粒硬度决定小麦磨粉品质和食品加工品质,是衡量小麦品质评价的重要指标之一[24-25]。本研究发现,XM26的面筋强度大于JM22,其硬度指数也大于JM22,证实了硬度较高的小麦面团筋力强[26]的结论。JM22和XM26的籽粒硬度指数受高温胁迫的影响均升高,且XM26 籽粒硬度指数受高温胁迫的影响大于JM22;两品种硬度指数的变化与试验结果中反映面筋强度的揉混参数衰落角α的变化相吻合。面团筋力与硬度指数之间是否存在相关关系有待于采用更多的品种进行验证。

淀粉是小麦粉的主要成分,其淀粉糊化特性是反映淀粉品质的重要指标[27]。本试验结果表明,灌浆期高温胁迫降低了XM26的淀粉糊化品质,这与王晨阳等[7]得出的灌浆期高温处理降低小麦淀粉糊化品质的结论一致。本研究还发现,中筋小麦JM22的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和峰值时间在灌浆期高温胁迫后较CK 提高,即JM22的面条弹性、韧性等品质由于高温胁迫而有所改善。这与李咏等[10]研究发现灌浆中期高温胁迫显著提高中筋小麦新春11的峰值黏度等糊化指标相吻合。综上可知,高温胁迫对不同品种淀粉糊化特性的影响是不同的。研究表明,淀粉组成对淀粉糊化特性有一定影响,且直链淀粉含量、淀粉直/支比与淀粉的糊化特性之间均存在显著相关关系[26-30]。小麦支链淀粉含量与峰值黏度、稀澥值呈显著负相关[30]。灌浆初期和灌浆中期,正是小麦籽粒淀粉积累的重要时期,高温胁迫影响直链淀粉和支链淀粉的酶活,不仅降低了两品种淀粉总量,也改变了其直/支比,从而影响其淀粉糊化特性。高温胁迫对小麦淀粉组成以及含量影响的生理机制,将在后续试验中进一步探究。

蛋白质是小麦籽粒的重要成分,各蛋白组分含量和比例与小麦品质密切相关。清蛋白和球蛋白是影响小麦营养品质的结构蛋白;醇溶蛋白和谷蛋白是决定面团黏弹性的储藏蛋白,对面粉加工品质产生重要影响[31]。Randall 等[32]和Blumenthal 等[33]认为不同小麦品种蛋白质含量对高温胁迫的响应是不同的。本研究发现,S1和S2对同一小麦品种蛋白质组分及含量的影响表现一致,但灌浆期高温胁迫对不同品种小麦蛋白质含量及组分的影响不同。灌浆期高温胁迫使JM22 蛋白质总含量降低,不可溶蛋白含量增加,可溶蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白含量降低,谷/醇比降低;而灌浆期高温胁迫使XM26 蛋白质总含量增加,不可溶蛋白和谷蛋白含量增加,谷醇比增加,可溶蛋白、醇溶蛋白和清球蛋白含量降低。卢红芳等[9]盆栽试验研究表明,灌浆前期高温胁迫均显著提高强筋和中筋两小麦品种蛋白质总含量及各组分含量,但降低了谷醇比,这可能是由于试验处理的温度及时间等条件不同。本研究品种之间比较发现,XM26 蛋白质总含量及其组分含量对高温胁迫的敏感性大于JM22,表明不同品种小麦蛋白质组分对高温胁迫的敏感性不同。

揉混参数主要反映面团在揉混、搅拌过程中的塑性、弹性和黏性特征,是面团流变学特性的重要参数。峰值时间越长,面团形成所需的搅拌时间越长;峰值高度越大,面粉对搅拌的耐受力越大;峰值宽度越大,面筋弹性越大;8 min 带宽越大,面粉对搅拌的耐受力和面团的弹性越大;衰落角α 越小,面筋强度越大[34-35]。本研究发现,灌浆期高温胁迫使中筋小麦JM22的峰值时间延长,衰落角α 减小;峰值高度、峰值宽度和8 min 带宽增加,尤其是S1与CK 差异显著,说明灌浆期高温胁迫增强了JM22 面粉对搅拌的耐受力,并改善了其面筋弹性和面筋强度等面粉品质,且S1对JM22面粉揉混参数的影响大于S2。对于XM26,高温胁迫使其峰值时间较CK显著延长,且S1＞S2;峰值高度和8 min 带宽显著增加,但S1与S2 差异不显著,说明S1和S2 均显著改善了XM26的面团特性。

4 结论

灌浆期高温胁迫改善JM22和XM26的面团揉混特性,但降低了JM22的蛋白质含量,提高了其淀粉糊化品质;提高了XM26的蛋白质含量,但降低了其淀粉糊化品质。S1对蛋白质含量及面团特性的影响大于S2,而S2对淀粉糊化品质的影响大于S1。淀粉组成及其含量影响淀粉糊化品质[7],而面团特性则与高分子量麦谷蛋白亚基表达量有关。因此,研究高温胁迫对不同筋力小麦品种淀粉组成与结构、高分子量谷蛋白亚基表达的影响,进而阐明灌浆期高温胁迫对不同筋力小麦品种品质的影响机理,将是下一步研究的方向。