耕作措施對旱作春小麥籽粒糖代謝特征和產(chǎn)量的影響

劉雪寧，李玲玲，謝軍紅，杜常亮，曾敏，王進斌

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070)

小麥是世界上重要的糧食作物之一，全球有1/3以上的人以小麥為主要糧食，小麥在中國口糧消費總量中占43%左右.春小麥為甘肅省主要糧食作物，隴中旱農(nóng)區(qū)是甘肅省春小麥主要分布區(qū)之一，是典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，作物生長完全依賴自然降水，水土流失嚴重[1-2]，而且傳統(tǒng)的精耕細作和農(nóng)田休閑期的地表裸露更是加劇了土壤的侵蝕，造成小麥生產(chǎn)水平低下[3].保護性耕作是通過對農(nóng)田實行免耕、少耕，盡可能減少土壤擾動，并用作物秸稈或殘茬覆蓋地表從而提高抗旱能力、保持水土的一項技術(shù)[4-5].研究表明，保護性耕作能減輕土壤水分蒸發(fā)，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率[6-7].免耕秸稈覆蓋能減少棵間蒸發(fā)量[8]，降低土壤容重，增加土壤總孔隙度[9]，增加土壤養(yǎng)分[10]，從而提高產(chǎn)量.在隴中旱農(nóng)區(qū)前人多從土壤理化性質(zhì)和水分等方面揭示保護性耕作增產(chǎn)的機理，而在生理機制方面的研究還十分欠缺.

小麥籽粒中淀粉含量占70%左右，淀粉積累量對作物產(chǎn)量高低有直接影響[11].開花至成熟是小麥籽粒產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時期，小麥開花后，葉片通過光合作用合成蔗糖運輸?shù)阶蚜?，在酶的作用下降解為尿苷二磷酸葡萄糖和果糖，為淀粉的合成提供原料[12].蔗糖含量多少反映了淀粉合成底物的供應(yīng)水平，小麥植株體內(nèi)蔗糖的積累、分配和轉(zhuǎn)運是決定小麥產(chǎn)量的關(guān)鍵[13]，蔗糖含量變化與籽粒淀粉積累和粒質(zhì)量關(guān)系密切[14].蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)是蔗糖代謝的兩個關(guān)鍵酶[15]，蔗糖磷酸合成酶參與蔗糖合成，蔗糖合成酶催化蔗糖分解.淀粉的合成和積累與源的供應(yīng)能力、庫的容量和物質(zhì)轉(zhuǎn)運能力密切相關(guān)，并在很大程度上受環(huán)境影響[16-17].土壤理化性狀又是影響作物光合產(chǎn)物積累和向籽粒分配的重要因素[18].目前關(guān)于小麥灌漿期蔗糖合成、降解、淀粉積累動態(tài)研究鮮見報道，耕作措施影響小麥產(chǎn)量的糖代謝機制尚不明確.所以從糖代謝特征入手是探究耕作措施影響小麥產(chǎn)量內(nèi)在機制的重要突破口之一.

為此，本研究擬依托2001年在隴中旱農(nóng)區(qū)建立的長期定位試驗，在不同耕作措施下通過對籽粒蔗糖代謝和淀粉積累進行研究，旨在從籽粒糖代謝角度揭示耕作措施影響春小麥產(chǎn)量的生理機制，為該區(qū)春小麥可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本研究是在2001年開始的長期定位大田試驗基礎(chǔ)上，于2020年3～8月在甘肅農(nóng)業(yè)大學旱作農(nóng)業(yè)綜合實驗站進行.試區(qū)位于黃土高原西部，屬于典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū).多年平均日照時數(shù)2 476.6 h，太陽輻射量為592.9 kg/cm2；年均氣溫為6.4 ℃，≥10 ℃年積溫為2 239.1 ℃，年均無霜期為140 d；年蒸發(fā)量達到1 531 mm，為典型一年一熟雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū).試驗區(qū)土壤類型為黃綿土，質(zhì)地均勻，貯水性良好(表1).多年平均降水量為390.9 mm，2020年總降水量為550.4 mm(圖1)，為豐水年，其中小麥生育期內(nèi)降水量為288.8 mm.

表1 試驗地土壤主要理化特性

圖1 2020年試驗區(qū)降水量

1.2 試驗設(shè)計

本研究所依托的長期定位試驗采用春小麥-豌豆雙序列年間輪作的方式，本研究在2020年小麥序列進行.共設(shè)4個處理(表2)，3次重復(fù)，12個小區(qū)，小區(qū)面積為80 m2(4 m×20 m)，試驗采用二因素隨機區(qū)組設(shè)計.小麥品種為定西40號，播種量為187.5 kg/hm2，2020年春小麥于3月21日播種，7月29日收獲.各處理均施純P2O5105 kg/hm2(過磷酸鈣656.25 kg/hm2)，純N 105 kg/hm2(尿素226.29 kg/hm2)，播種時隨籽粒施入，在整個生育期不灌溉、不施肥，田間雜草人工拔除.

表2 試驗處理及代碼描述

1.3 測定項目及方法

在小麥開花期，對同一天開花的麥穗作標記，分別于花后第5、10、15、20、25天取樣.將麥穗中部籽粒取下，一半放入液氮中冷凍10 min后放入-80 ℃冰箱保存，用于酶活性測定，另一半放入105 ℃烘箱中烘30 min后80 ℃烘干至恒重，粉碎后過100目篩，用于蔗糖和淀粉含量測定.

1.3.1 可溶性糖含量測定 參照高俊鳳[19]的蒽酮比色法測定.

1.3.2 蔗糖含量測定 參照張志良等[20]的間苯二酚法測定.

1.3.3 SS和SPS酶活性測定 酶液提取參照Douglas等[21]方法，SPS酶活性測定參考Wardlaw[22]的方法，測定SS酶活性時將6-磷酸果糖換成果糖，其他步驟與SPS測定方法相同.

1.3.4 淀粉含量及其積累速率測定 取烘干至恒重的籽粒，采用蒽酮比色法測定淀粉含量，淀粉積累量由淀粉含量乘以粒質(zhì)量求得，籽粒淀粉積累速率按照Rn=(Cn-Cn-5)/5計算.其中n表示開花后的天數(shù)，Rn表示第n天的籽粒淀粉積累速率，Cn表示第n天的單粒淀粉含量，Cn-5表示第n-5天的單粒淀粉含量.

1.3.5 產(chǎn)量測定 春小麥成熟時，小區(qū)邊緣剔除0.25 m，籽粒產(chǎn)量按小區(qū)(3.5 m×19.5 m)單收記產(chǎn)；收獲時每個小區(qū)取15株風干后進行考種，指標包括穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016對數(shù)據(jù)進行整理，用SPSS 19.0分析試驗數(shù)據(jù)，采用最小顯著差異法(LSD)進行統(tǒng)計分析,用Sigmaplot 12.5作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作措施對春小麥籽?？扇苄蕴呛驼崽呛康挠绊?/h3>

由表3可知，耕作效應(yīng)對花后25 d籽?？扇苄蕴呛坑绊憳O顯著，秸稈覆蓋效應(yīng)對花后15～25 d籽?？扇苄蕴呛坑绊憳O顯著，對花后10 d籽粒蔗糖含量影響達到極顯著，耕作和秸稈覆蓋效應(yīng)兩者交互效應(yīng)對花后籽粒可溶性糖含量和蔗糖含量影響均不顯著.

表3 耕作措施對春小麥花后籽?？扇苄蕴?、蔗糖和淀粉含量的影響

由圖2可知，不同耕作措施下小麥籽粒可溶性糖(WSC)和蔗糖含量變化趨勢一致，均隨著灌漿進程呈現(xiàn)下降趨勢，小麥籽?？扇苄蕴呛驼崽蔷诨ê蟮?天含量最高.花后5～15 d可溶性糖急劇下降，但不同耕作措施之間降低速度不同，T、NT、TS、NTS分別下降76.13%、77.84%、71.95%、72.43%，15 d后籽粒可溶性糖含量下降有所減緩.

不同豎直短線表示0.05水平上的最小顯著性差異值.

籽粒蔗糖含量在花后15 d內(nèi)下降迅速，T、NT、TS、NTS下降幅度分別為68.74%、78.26%、74.17%、73.52%.NTS在花后5 d較T不僅增加籽粒可溶性糖含量，而且顯著增加籽粒蔗糖含量，從花后20 d開始籽?？扇苄蕴呛亢驼崽呛拷档?花后25 d內(nèi)，TS與NTS處理間可溶性糖和蔗糖含量差異均不顯著，且處理間籽粒平均可溶性糖含量表現(xiàn)為NTS>T>NT>TS，平均蔗糖含量表現(xiàn)為NTS>TS>NT>T，NTS較T提高了可溶性糖和蔗糖含量，因此，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋提高了籽粒蔗糖代謝能力.

2.2 耕作措施對春小麥籽粒蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影響

由表4可知，耕作效應(yīng)、秸稈覆蓋效應(yīng)對花后5 d和10 d籽粒SPS活性影響均顯著，耕作效應(yīng)和秸稈效應(yīng)二者交互效應(yīng)對SPS活性影響不顯著，耕作效應(yīng)對花后5 d籽粒SS活性影響顯著，秸稈覆蓋效應(yīng)對籽粒SS活性影響不顯著，耕作效應(yīng)和秸稈效應(yīng)兩者交互效應(yīng)對花后10 d籽粒SS活性影響極顯著.

表4 耕作措施對春小麥花后籽粒蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影響

由圖3可知，不同耕作措施下小麥籽粒蔗糖磷酸合成酶活性變化趨勢一致，均呈下降趨勢，各處理均在花后5 d酶活性最高.花后5 d SPS活性大小表現(xiàn)為NTS>NT>TS>T，與T相比，NT、NTS和TS均增強花后5 d內(nèi)蔗糖磷酸合成酶活性，在花后5 d免耕處理(NT、NTS)的SPS活性較耕作處理(T、TS)增加28.49%，秸稈還田處理SPS活性較無秸稈處理增加13.49%，在花后10 d免耕處理SPS活性較耕作處理降低22.94%，秸稈還田處理SPS活性較無秸稈處理降低25.29%.因此，免耕和秸稈還田處理均能提高花后5 d籽粒蔗糖磷酸合成酶活性.

不同豎直短線表示0.05水平上的最小顯著性差異值.

小麥籽粒SS活性變化呈單峰曲線，各處理均在花后10 d活性最高.花后5 d免耕處理SS活性較耕作處理增加13.90%，NTS活性顯著高于T，NTS(花后15 d除外)和TS(花后10 d除外)耕作措施下小麥籽粒酶活性均高于T，NT在花后10～25 d酶活性均低于T.與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作秸稈翻入均提高小麥籽粒蔗糖合成酶活性，免耕在花后10～25 d降低了小麥籽粒蔗糖合成酶活性.

2.3 耕作措施對春小麥籽粒淀粉含量、淀粉積累量和淀粉積累速率的影響

由圖4可知，不同耕作措施條件下小麥籽粒淀粉含量與可溶性糖含量、蔗糖含量變化趨勢相反，隨灌漿進程呈上升趨勢，在花后25 d淀粉含量最高，且表現(xiàn)為NTS>TS>NT>T.耕作效應(yīng)和秸稈效應(yīng)在花后20 d對籽粒淀粉含量都影響極顯著(表2)，免耕處理的淀粉含量較耕作處理增加6.57%，秸稈還田處理較無秸稈處理增加5.71%.與T相比，TS和NTS分別顯著增加14.89%、29.24%.綜上所述，保護性耕作較傳統(tǒng)耕作能提高籽粒淀粉含量.

圖4 不同耕作措施下春小麥花后籽粒淀粉含量和淀粉積累量的變化

在籽粒灌漿過程中，不同耕作措施條件下籽粒淀粉積累量均呈逐漸上升的趨勢，花后25 d淀粉積累量達到最大值.花后10 d，NT較NTS顯著增加60.87%；花后25 d，TS和NTS較T顯著增加32.61%、21.28%，TS、NTS處理間差異不顯著，淀粉積累大小表現(xiàn)為NTS>TS>NT>T，因此，保護性耕作能提高籽粒淀粉積累量.

由圖5可知，耕作措施下籽粒淀粉積累速率隨花后天數(shù)的增加呈先上升后下降的變化，T和NT下的淀粉積累速率在花后15 d最高，處理TS和NTS淀粉積累速率在花后20 d最高；5～25 d內(nèi)小麥籽粒淀粉積累速率平均水平為NTS>TS>NT>T.花后10 d，NTS較T顯著降低40.35%；花后20 d，NTS較T顯著增加63.64%；花后25 d，NT、TS和NTS的淀粉積累速率較T分別顯著增加155.52%、200.00%和217.39%.免耕秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作能顯著提高灌漿后期籽粒淀粉積累速率.

圖5 不同耕作措施下春小麥花后籽粒淀粉積累速率的變化

2.4 耕作措施對春小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

由表5可知，秸稈覆蓋效應(yīng)對小麥產(chǎn)量影響顯著，在產(chǎn)量構(gòu)成因素中，秸稈覆蓋效應(yīng)對小麥穗數(shù)影響極顯著，對穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量無顯著影響；耕作效應(yīng)對小麥穗數(shù)和千粒質(zhì)量影響極顯著，對穗粒數(shù)影響顯著；二者交互效應(yīng)對穗數(shù)影響顯著.

表5 耕作措施對春小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

與耕作處理(T和TS)相比，免耕處理(NT和NTS)下小麥穗數(shù)增加27.82%，穗粒數(shù)減少7.57%，千粒質(zhì)量增加6.78%；與無秸稈處理(T和NT)相比，秸稈還田處理(TS和NTS)穗數(shù)增加22.23%，穗粒數(shù)增加4.16%，千粒質(zhì)量增加0.26%，產(chǎn)量提高18.65%.免耕秸稈覆蓋的產(chǎn)量較傳統(tǒng)耕作顯著增加23.90%.與T相比，NT、TS和NTS穗數(shù)分別顯著提高18.42%、13.05%、53.93%，NTS的千粒質(zhì)量顯著提高6.95%，NTS的穗粒數(shù)減少3.77%.雖然免耕秸稈覆蓋的穗粒數(shù)沒有增加，但穗數(shù)和千粒質(zhì)量得到有效提高，這是免耕秸稈覆蓋獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵.

2.5 糖代謝指標與千粒質(zhì)量及產(chǎn)量相關(guān)性分析

由表6可知，淀粉含量和淀粉積累量與SPS分別呈顯著負相關(guān)(r=-0.632)和極顯著負相關(guān)(r=-0.880)關(guān)系，兩者之間呈極顯著正相關(guān)(r=0.883)；淀粉含量與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)(r=0.576)，蔗糖含量(r=0.622)和淀粉積累量(r=0.576)與產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān).

表6 糖代謝指標與千粒質(zhì)量及產(chǎn)量的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 耕作措施對產(chǎn)量的影響

葉元生等[23]在西北地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋能顯著增加小麥產(chǎn)量，但張君玉等[24]在半濕潤區(qū)研究發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋使出苗率和穗數(shù)降低，造成冬小麥減產(chǎn).由此可見，保護性耕作具有區(qū)域性，在不同地區(qū)對作物產(chǎn)量影響不同.穗數(shù)、千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)是產(chǎn)量構(gòu)成三大要素，研究發(fā)現(xiàn)，在豐水年，免耕、傳統(tǒng)耕作秸稈覆蓋和免耕秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作產(chǎn)量提高2.92%～23.90%，穗數(shù)增加13.05%～53.93%，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕和免耕秸稈覆蓋的穗粒數(shù)分別減少5.39%、3.77%，千粒質(zhì)量分別增加3.74%、6.95%，傳統(tǒng)耕作秸稈覆蓋穗粒數(shù)增加6.50%，千粒質(zhì)量降低2.67%.因此，穗數(shù)和千粒質(zhì)量增加是免耕和免耕秸稈覆蓋獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵.

3.2 耕作措施影響產(chǎn)量的糖代謝機制

淀粉是籽粒中重要組成部分，籽粒又是小麥收獲的主要部位，因此，淀粉含量直接影響小麥產(chǎn)量和品質(zhì).蔗糖是淀粉合成的底物，其含量的高低與淀粉積累密切相關(guān)[14].本研究中，不同耕作措施下春小麥籽?？扇苄蕴呛驼崽呛烤氏陆第厔?，而淀粉含量剛好相反呈上升趨勢，這與前人研究結(jié)果一致[25-26].與傳統(tǒng)耕作相比，免耕、傳統(tǒng)耕作秸稈翻入和免耕秸稈覆蓋的籽?？扇苄蕴呛吭黾?.78%～7.44%，蔗糖含量增加22.79%～31.82%，說明保護性耕作能提高籽?？扇苄蕴呛驼崽呛?其中免耕秸稈覆蓋能提高籽?？扇苄蕴呛驼崽呛?，這可能與免耕秸稈覆蓋提高光合速率，運送到籽粒光合產(chǎn)物增多有關(guān)[27-28].目前研究多認為SPS主要在源器官中進行蔗糖的合成，SS主要在庫細胞中進行蔗糖的降解[29]，本研究發(fā)現(xiàn)免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作秸稈翻入的籽粒SS活性較傳統(tǒng)耕作分別平均提高2.64%、6.86%，SPS活性分別平均提高3.27%、1.57%，說明免耕秸稈覆蓋和傳統(tǒng)耕作秸稈翻入能提高籽粒的庫的物質(zhì)轉(zhuǎn)化能力，這可能與秸稈覆蓋改變土壤溫度有關(guān)[30-31].本研究結(jié)果表明，免耕秸稈覆蓋較傳統(tǒng)耕作能明顯增加產(chǎn)量；作物產(chǎn)量與蔗糖含量和淀粉積累量均呈顯著正相關(guān)，說明提高籽粒蔗糖含量和淀粉積累量對增產(chǎn)的重要性；淀粉含量與千粒質(zhì)呈顯著正相關(guān)，說明籽粒淀粉含量高有利于增加粒質(zhì)量.此外，免耕秸稈覆蓋的淀粉含量和淀粉積累量較傳統(tǒng)耕作分別增加18.99%、32.61%.因此，與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋可提高蔗糖含量、淀粉含量和積累量，從而增加粒質(zhì)量，使作物產(chǎn)量增加.

4 結(jié)論

不同耕作措施條件下，隴中旱農(nóng)區(qū)春小麥灌漿過程中籽?？扇苄蕴呛驼崽呛砍氏陆第厔?，淀粉含量呈上升趨勢.與傳統(tǒng)耕作相比，免耕秸稈覆蓋增加籽粒前期可溶性糖和蔗糖含量，提高春小麥灌漿期籽粒蔗糖合成酶活性，提高糖代謝水平，促進籽粒淀粉積累，有效增加粒質(zhì)量，顯著提高穗數(shù)，從而提高了春小麥籽粒產(chǎn)量.