楊 茂，黃 琴，張 震，劉 洋，王志敏，張英華

(中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，北京 100193)

小麥是我國重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量的提高對促進國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。隨著我國人民生活水平逐漸提高，消費者對小麥品質(zhì)有了更高的要求。小麥產(chǎn)量由穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重三個因素構成，三者之間具有負相關性，只有當三因素協(xié)調(diào)發(fā)展時，小麥才可能獲得高產(chǎn)[1-2]。在高種植密度條件下，小穗第3、第4位小花以及基部與頂部小穗第1、第2位小花結實率下降，從而導致小麥穗粒重和穗粒數(shù)隨著種植密度的增加而下降[3]，因此高種植密度下進一步提高小麥產(chǎn)量需要增加穗粒數(shù)和粒重。小麥穗粒數(shù)主要與花前同化物積累分配有關，粒重則主要與花后同化物的積累分配有關，在小麥同化物量一定的情況下，穗粒數(shù)和粒重相互消長[4]。開花后的早期階段(籽粒形成期)是決定穗粒重的關鍵時期，此期蔗糖供給量的變化對穗粒數(shù)和粒重均有顯著調(diào)控作用[5]。目前關于蔗糖供應對穗粒數(shù)和粒重的調(diào)控潛力的研究鮮見報道。

小麥籽粒蛋白質(zhì)含量主要受基因、環(huán)境、管理措施及其互作的影響。在管理措施中，氮肥被普遍認為是對籽粒蛋白質(zhì)含量最具影響力的因子。增施氮素能提高小麥籽粒蛋白質(zhì)含量，且籽粒蛋白質(zhì)含量隨氮濃度的增大而持續(xù)增加[6]。而周洪華等[7]研究表明，離體培養(yǎng)下小麥籽粒蛋白質(zhì)含量與氮素濃度呈極顯著的二次曲線關系。小麥蛋白質(zhì)合成除了受到源的限制外，籽粒淀粉積累、籽粒大小等與庫相關的因素也影響了其生物合成[8]。因此，在充足的氮源供給條件下，探究籽粒蛋白質(zhì)合成潛力對實際生產(chǎn)具有重要意義。

在大田條件下，田間環(huán)境復雜多變，且因素間交互影響，小麥植株器官之間物質(zhì)、能量、信息相互交錯，使得在大田環(huán)境中具體研究某一特定因素對作物的影響比較困難，而離體穗培養(yǎng)技術可通過人為地控制培養(yǎng)基中物質(zhì)供應濃度來考察庫的反應，恰好可以彌補這個缺點[9]。因此，本研究通過離體培養(yǎng)，控制小麥“碳源”(培養(yǎng)基中的蔗糖)和“氮源”(培養(yǎng)基中的硝酸銨)，探究C、N供給時期和供給水平對小麥籽粒建成及蛋白質(zhì)含量的影響，以期為小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017-2018年在中國農(nóng)業(yè)大學科學園試驗田進行。供試小麥品種為濟麥22，于2017年10月30日播種，進行正常的田間水肥管理，在2018年小麥抽穗期選擇抽穗程度一致、生長整齊的植株掛牌標記，于開花期、花后7 d取樣進行離體穗培養(yǎng)。

1.2 離體培養(yǎng)方法及試驗設計

離體穗培養(yǎng)的方法采用Singh和Jenner改良法[10]。取樣時，選取田間標記的植株，從基部斜45度剪斷，插入水中，帶回實驗室。將此離體帶穗莖段，去掉旗葉(保留旗葉鞘)，將整穗先用70%酒精浸泡半分鐘，然后用次氯酸鈉(含0.5%有效氯)表面滅菌10 min，再用無菌水沖洗3～4次，在莖段插入培養(yǎng)基之前于滅菌水中將旗葉節(jié)下的節(jié)間剪去2 cm，離體莖段通過棉塞插入帶培養(yǎng)基的玻璃瓶中，穗器官露出瓶外。培養(yǎng)容器選擇500 mL廣口瓶，盛放400 mL培養(yǎng)液，每瓶培養(yǎng)7穗。培養(yǎng)瓶置于1～2 ℃的低溫冰臺上，低光強(不低于80 μmol·m-2·s-1)下培養(yǎng)，每日光照12～16 h。

(1)蔗糖供給試驗：培養(yǎng)液采用無N培養(yǎng)基[11]，培養(yǎng)液pH值為5，硝酸銨濃度為1.14 g·L-1，蔗糖濃度設20、40和80 g·L-1三個水平，分別用C1、C2、C3表示。

(2)N供給試驗：蔗糖濃度為40 g·L-1，硝酸銨濃度為0.57、1.14、2.28和4.56 g·L-1四個水平，分別用N1、N2、N3、N4表示。

兩個實驗中每個處理重復3次。每隔5 d更換一次培養(yǎng)液，每次換液時將浸液節(jié)間剪去約 2 cm(蒸餾水液面下進行)。培養(yǎng)結束后，考種，測定籽粒蛋白質(zhì)含量。

1.3 分析測定項目及方法

籽粒成熟期收獲，每個處理每個重復各取5個穗，考察其每個小穗位強勢粒和弱勢粒數(shù)量。將籽粒按小穗位分裝在種子袋中，于80 ℃烘箱烘干至恒重，稱量各小穗位的強勢粒重及弱勢粒重，粉碎。粉碎后的樣品采用半微量凱氏定氮法測定小籽粒含氮量，再乘以蛋白質(zhì)系數(shù)6.25，換算成籽粒蛋白質(zhì)含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用Excel2010進行數(shù)據(jù)處理用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行方差分析，用Duncan新復極差法檢測差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 離體穗培養(yǎng)下C、N供給對小麥穗粒數(shù)的 影響

2.1.1 C供給對小麥穗粒數(shù)的影響

開花期開始培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)隨蔗糖濃度的增加而增加(表1)，C3處理的穗粒數(shù)、強勢粒數(shù)、弱勢粒數(shù)較C1處理分別增加23.5%、 5.7%和100.0%。C3處理對小麥穗粒數(shù)的促進作用主要表現(xiàn)在增加了穗基部第1、第2小穗位和頂部第14～第19小穗位的強勢粒數(shù)(圖1A)，并增加了各小穗位弱勢粒數(shù)(圖1B)。

表1 不同C供給水平下小麥穗粒數(shù)、粒重、蛋白質(zhì)含量及蛋白質(zhì)積累量的變化Table 1 Changes in grain number per spike,grain weight,protein content and protein accumulation of wheat under different C supply levels

花后7 d開始培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)在不同蔗糖處理間差異不顯著，各小穗位的強勢和弱勢粒數(shù)均無明顯變化規(guī)律(圖1C和圖1D)。在C1、C2、C3處理下，花后7 d培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)相比于開花期培養(yǎng)的麥穗分別降低3.07%、8.07%、 17.24%，說明開花期外源碳供給對小麥穗粒數(shù)的調(diào)節(jié)效果較顯著，且隨著碳濃度的增加而增強。

2.1.2 N供給對小麥穗粒數(shù)的影響

開花期培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)隨著N濃度升高呈先增后減的趨勢(表2)，以N3處理最多。N3處理的穗粒數(shù)、強勢粒數(shù)、弱勢粒數(shù)相比于N1處理分別增加了8.2%、3.4%和24.5%；N4處理的穗粒數(shù)、強勢粒數(shù)、弱勢粒數(shù)相對于N3處理分別下降11.6%、4.8%和29.6%。N3處理的強勢粒數(shù)顯著高于其他處理，主要在于N3處理第2、第16、第17、第19小穗位的強勢粒數(shù)較其他處理多(圖2A)，而該處理下第6～第14小穗位的弱勢粒數(shù)均高于其他處理，從而導致N3處理的弱勢粒數(shù)也顯著高于其他處理；N4處理的弱勢粒數(shù)顯著低于其他處理是由于其第4～第10小穗位的弱勢粒數(shù)均低于其他處理(圖2B)。由此可見，N對小麥弱勢粒數(shù)的調(diào)控作用大于強勢粒數(shù)，高濃度N供應對小麥穗粒數(shù)的抑制作用主要在于其阻礙了小麥弱勢粒的形成。

表2 不同N供給水平下小麥穗粒數(shù)、粒重、蛋白質(zhì)含量及蛋白質(zhì)積累量的變化Table 2 Changes in grain number per spike,grain weight,protein content and protein accumulation of wheat under different N supply levels

由于花后7 d時小麥籽粒已形成，N供應對花后7 d開始培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)無顯著影響(表2)。各處理的強勢粒數(shù)從第1小穗位到第3小穗位逐漸增加，在第3～第16小穗位基本穩(wěn)定，之后隨小穗位的提高而減少；弱勢粒數(shù)則表現(xiàn)為從第1～第14小穗位呈先增后減趨勢。

2.2 離體穗培養(yǎng)下C、N供給對小麥粒重的影響

2.2.1 C供給對小麥粒重的影響

隨著蔗糖濃度的增加，小麥強勢粒重、弱勢粒重及平均粒重顯著增加(表1)。當蔗糖濃度由20 g·L-1增加到40 g·L-1時，開花期培養(yǎng)的小麥強勢粒重、弱勢粒重和平均粒重分別增加 42.9%、81.9%和53.1%，花后7 d培養(yǎng)的小麥分別增加22.1%、42.7%和28.2%；當蔗糖濃度由40 g·L 1增加到80 g·L-1時，開花期培養(yǎng)的小麥強勢粒重、弱勢粒重和平均粒重分別增加 21.6%、19.3%和20.8%，花后7 d培養(yǎng)的小麥分別增加9.8%、11.4%和10.3%?？梢姡_花期增加蔗糖供給對粒重的調(diào)控效應強于花后7 d，且弱勢粒重對糖供應更敏感。

開花期開始培養(yǎng)的小麥強勢粒重從穗基部到穗頂部呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，以穗中部的強勢粒重最高，C3處理下弱勢粒重隨小穗位的上升呈現(xiàn)出下降趨勢，而其他兩個處理變化與強勢粒重的變化趨勢相似(圖3)?；ê? d開始培養(yǎng)的小麥強、弱勢粒重與開花期培養(yǎng)小麥的強勢粒重變化趨勢相似。小麥不同小穗位的強勢粒重和弱勢粒重均隨著蔗糖濃度升高而增加，蔗糖濃度由20 g·L-1升至40 g·L-1時，粒重增幅較大，繼續(xù)升高到80 g·L-1時則增幅減小。

2.2.2 N供給對小麥粒重的影響

開花期培養(yǎng)的小麥平均粒重、強勢粒重和弱勢粒重隨著N濃度的增加呈先增后減的變化趨勢，均以N3處理的粒重最高(表2)。N3處理的強勢粒重、弱勢粒重、平均粒重相對于N1處理分別增加5.2%、18.0%和10.2%；N4處理的強勢粒重、弱勢粒重、平均粒重相對于N3處理分別降低19.2%、18.9%和19.0%。N3處理粒重較高的原因主要是該處理下第11～第18小穗位的強勢粒重(圖4A)以及第9～第15小穗位的弱勢粒重較其他處理高(圖4B)。平均粒重和強勢粒重均以N4處理顯著低于其他處理，而弱勢粒重以N1和N4處理較其他處理顯著降低，說明開花期小麥弱勢粒重受N濃度的影響較大，該時期氮素不足或過高均會造成弱勢粒重的顯著降低，氮素不足(N1)造成了第1～第5小穗位及第13～第15小穗位弱勢粒重降低，氮素過高(N4處理)則導致第1～第12小穗位弱勢粒重均降低(圖4B)。

花后7 d開始培養(yǎng)的小麥粒重以N2處理相對較高，但N1、N2、N3處理之間差異不顯著，三者均顯著高于N4處理，N4處理相對于N2處理強勢粒重、弱勢粒重、平均粒重分別降低17.6%、43.0%和27.1%(表2)。N4處理各小穗位的強勢粒重以及第2～第12小穗位弱勢粒重均低于其他處理，導致其平均強弱勢粒重均低于其他處理(圖4C、圖4D)。N1處理的第1～第11小穗位強勢粒重低于N2處理，除第8、第12、第18小穗位外其余小穗位的強勢粒重均低于N3處理(圖4C)，導致N1處理平均強勢粒重顯著低于N2、N3處理。N3處理弱勢粒重顯著低于N1、N2處理，主要由于N3處理下第3、第9、第10小穗位以及第12～第14穗位的弱勢粒重低于N1處理，第2～第5小穗位以及第7、第12、第13小穗位的弱勢粒重低于N2處理(圖4D)。可見，花后7 d氮素不足或過高均不利于小麥粒重提高，且弱勢粒重對高氮素濃度反應更敏感。

2.3 離體穗培養(yǎng)下C、N供給對小麥穗粒重的 影響

由表1可知，開花期培養(yǎng)的小麥穗粒重隨著蔗糖濃度的增加而增加，不同處理間差異均達到顯著水平。花后7 d開始培養(yǎng)的小麥穗粒重也隨蔗糖濃度的增加而增加，但C2、C3處理間無顯著差異，二者顯著高于C1處理，說明開花期增加蔗糖供給調(diào)控穗粒重的效果更顯著。從穗粒數(shù)和穗粒重的增幅來看，穗粒重的增幅明顯大于穗粒數(shù)的增幅，可能C供給對穗粒重的影響更大。

從表2中可以看出，兩個時期培養(yǎng)的小麥穗粒重隨著N濃度的增加而呈先增后減的變化趨勢，以N3處理的穗粒重最高；N4處理穗粒重下降主要由于穗粒數(shù)和粒重均低于其他處理，且粒重降幅大于穗粒數(shù)降幅。總之，N濃度過高不利于穗粒重的提升。

2.4 離體穗培養(yǎng)下C、N供給對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

2.4.1 C供給對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

在離體穗培養(yǎng)條件下，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨著蔗糖濃度的升高而下降，兩個時期培養(yǎng)的小麥的處理間差異均達到顯著水平(表1)。當蔗糖濃度由20 g·L-1增加到40 g·L-1時，開花期及花后7 d開始培養(yǎng)的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量分別下降28.9%和26.3%；當蔗糖濃度由40 g·L-1增至80 g·L-1時，二者分別下降36.9%和 33.9%。由此可見，過高的外源碳供應對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量提升不利。不同穗位籽粒的蛋白質(zhì)含量均表現(xiàn)為隨著蔗糖濃度的升高而下降，且同一處理不同小穗位之間無明顯差異(圖5)。

2.4.2 N供給對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

不同時期培養(yǎng)的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨著N濃度增加而增加(表2)，各小穗位籽粒表現(xiàn)一致，無明顯差異(圖6)。開花期開始培養(yǎng)的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量在不同處理間均差異顯著，N2處理較N1處理增加了43.7%，N3處理較N2處理增加了49.7%，N4處理較N3處理增加了48.2%?；ê? d開始培養(yǎng)的小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨著N濃度的升高也顯著增加，N2處理較N1處理增加了28.9%，N3處理較N2處理增加了48.9%，N4處理較N3處理增加了34.2%?？梢姡黾拥毓┙o可顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量，且開花期調(diào)控效果較好。

2.5 離體穗培養(yǎng)下C、N供給對小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量的影響

2.5.1 C供給對小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量的影響

離體穗培養(yǎng)條件下，小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量隨著蔗糖濃度的升高而下降，兩個時期C3處理均顯著低于C1和C2處理，C1、C2處理間無顯著性差異(表1)。當蔗糖濃度由20 g·L-1增加到40 g·L-1時，開花期開始培養(yǎng)的小麥及花后7 d開始培養(yǎng)的小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量分別下降 0.3%和5.8%；當蔗糖濃度由40 g·L-1增加到80 g·L-1時，二者分別下降26.5%、31.1%。由此可見，增加蔗糖供給不利于籽粒蛋白質(zhì)的積累，高糖(C3處理)影響更顯著。

在外源C供應條件下，小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量從穗基部到穗頂部整體呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，麥穗蛋白質(zhì)積累量表現(xiàn)為穗中部>穗基部>穗頂部(圖7)。開花期開始培養(yǎng)的小麥的C3處理各小穗位的蛋白質(zhì)積累量均低于C1、C2處理，C1處理從第12～第18小穗位的蛋白質(zhì)積累量均略高于C2處理；花后7 d開始培養(yǎng)的小麥各小穗位籽粒蛋白質(zhì)積累量均隨蔗糖濃度的增加而下降，且以高糖處理(C3處理)降幅較大。

2.5.2 N供給對小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量的影響

不同時期培養(yǎng)的小麥籽粒蛋白質(zhì)積累量均表現(xiàn)為隨著N濃度增加而增加(表2)。開花期開始培養(yǎng)的小麥蛋白質(zhì)積累量在不同處理間差異均顯著，N2處理較N1處理增加42.8%，N3處理較N2處理增加51.3%，N4處理較N3處理增加24.7%。花后7 d開始培養(yǎng)的小麥的N2處理籽粒蛋白質(zhì)積累量較N1處理增加了45.3%，N3處理較N2處理增加了39.9%，N4處理較N3處理增加了9.3%，且只有N4處理與N3處理間無顯著性差異。由此可知，過高的N素投入對小麥籽粒蛋白質(zhì)合成的促進作用并不會持續(xù)地增加。

兩個時期培養(yǎng)的小麥各小穗位的籽粒蛋白質(zhì)積累量隨著N濃度的增加而增加，麥穗蛋白質(zhì)積累量表現(xiàn)為穗中部>穗基部>穗頂部(圖8)。

3 討 論

在小麥生長發(fā)育過程中，很多因素制約著小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，如穗粒數(shù)與粒重的矛盾、粒重與蛋白質(zhì)含量的矛盾。前人對小麥離體培養(yǎng)的研究結果顯示，隨著蔗糖濃度的上升，穗結實率和粒重增加，但蔗糖濃度超過4%時，均開始下降[12-13，5,14]。本研究中，在高蔗糖(80 g·L-1)供應下，開花期培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)和粒重均顯著增加，并未顯示出下降趨勢(表1)，高蔗糖處理增加了小麥的弱勢粒數(shù)及穗頂部的強勢粒數(shù)，也增加了各小穗位的強弱勢粒重，且弱勢粒增幅大于強勢粒(圖1、圖3)。增加蔗糖供應對花后7 d培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)無顯著影響(表1)，與前人研究結果相一致，小麥開花后的小花退化(主要是第3、第4位花退化)發(fā)生在開花后的4～5 d內(nèi)，在此期間增加同化物供給可以減少小花退化，增加結實率，但開花后第5天以后，增加同化物供給已不能增加穗粒數(shù)[15]?；ê? d增加蔗糖供應可顯著增加粒重，但粒重增幅小于開花期培養(yǎng)的小麥(表1)，說明開花期小麥對蔗糖供應的響應較花后7 d敏感。在相同蔗糖濃度下，開花期開始培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)高于花后7 d培養(yǎng)的小麥，但粒重以花后7 d開始培養(yǎng)的小麥高于開花期培養(yǎng)的小麥(表1)，說明小麥穗粒數(shù)和粒重的調(diào)控是存在矛盾的，這可能與小麥穗粒數(shù)和粒重的發(fā)育順序有關，即小麥穗粒數(shù)的形成先于粒重[2]。小麥穗粒重隨培養(yǎng)基C、N濃度的增加而增加，但高氮下穗粒重顯著降低，且穗粒重受粒重的影響較大，主要由于粒重的變幅大于穗粒數(shù)的變幅(表1、表2)。

氮是植物生長發(fā)育過程中必需的大量元素，對小麥產(chǎn)量的形成具有重要意義。研究顯示，小麥穗粒數(shù)隨著氮素濃度升高呈先增后減的趨勢，在氮素濃度為0.06%時穗粒數(shù)達最高[7,16]。也有研究表明，氮素濃度為0.064%時，穗粒數(shù)顯著減少[17]。外源氮可促進離體穗干物質(zhì)的積累[18-19]，隨著培養(yǎng)基N濃度的增加，粒重表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢[12,20]。本研究中，開花期開始培養(yǎng)的小麥穗粒數(shù)和粒重隨著N濃度的增加也呈現(xiàn)先增后降的趨勢，以N3處理最高，繼續(xù)增加N供給，穗粒數(shù)和粒重顯著下降(表2)，主要由于高N處理(N4)抑制了麥穗中部的弱勢粒形成(圖2)。花后7 d，小麥籽粒已形成，所以在該時期氮素的供應水平并未對穗粒數(shù)造成顯著影響，但高氮處理顯著降低粒重，且以弱勢粒降幅較大(表2)。兩個時期比較，開花期氮素供應水平對小麥粒重的影響較花后7 d培養(yǎng)的小麥大，較低或過高的氮素水平都不利于粒重的提高，N3處理對小麥粒重的提高主要表現(xiàn)在其促進了小麥穗中上部的強勢粒重和弱勢粒重的增加，而N4處理導致了各個穗位的強、弱勢粒重均低于其他處理(圖4)，因而平均粒重顯著下降。

蛋白質(zhì)含量是影響小麥面粉品質(zhì)特性的關鍵性狀[21-22]，因此對小麥蛋白質(zhì)含量的研究具有重要意義。前人研究表明，籽粒蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為隨蔗糖濃度增大而持續(xù)降低[12]，隨氮素濃度的增加而增加[7,12,23]。在本研究也顯示，小麥籽粒蛋白質(zhì)含量隨著蔗糖濃度的增加而持續(xù)下降，但在一定范圍內(nèi)(蔗糖濃度≤40 g·L-1)蔗糖濃度的增加對籽粒中蛋白質(zhì)的積累量并無顯著影響，說明粒重的增加對小麥蛋白質(zhì)含量有稀釋作用；蔗糖濃度過高(蔗糖濃度≥80 g·L-1)則不利于籽粒中蛋白質(zhì)的合成。隨著硝酸銨濃度的增加，小麥的蛋白質(zhì)含量和蛋白質(zhì)積累量持續(xù)增加，說明小麥籽粒對氮素的吸收是相對不受限制的[24]。但由于高濃度的氮素供給會對小麥粒重的形成造成不利影響，且在花后7 d開始培養(yǎng)的小麥中，N4處理的蛋白質(zhì)積累量較N3處理增幅小，差異不顯著，說明若再持續(xù)增加氮素濃度，由于粒重的限制，蛋白質(zhì)含量可能不會再增加。

綜上，離體穗培養(yǎng)條件下，C、N的供給水平對小麥穗粒數(shù)、粒重及蛋白質(zhì)含量的調(diào)控作用明顯，以開花期增加C、N供給增粒增重效果較顯著，以弱勢粒反應更敏感。此外，穗粒數(shù)與粒重、粒重與蛋白質(zhì)含量的調(diào)控是具有矛盾性的，對穗粒數(shù)與粒重的調(diào)控應具有一定的順序性，在小麥產(chǎn)量形成關鍵期應保證有充足的同化物供應給籽粒，使穗粒數(shù)與粒重的乘積達最大；對小麥粒重和蛋白質(zhì)的調(diào)控則涉及到小麥內(nèi)部碳氮代謝的強弱程度，如何使其達到內(nèi)部協(xié)調(diào)、平衡發(fā)展仍需進一步研究。