磷素水平對小麥突變體農(nóng)藝性狀和品質(zhì)特性的影響

賈子穎,白 陽,李 剛,劉翔宇,李 誠,李春艷

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室,新疆石河子 832003; 2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,新疆吐魯番838000)

磷素在小麥生長發(fā)育過程中有重要作用。小麥對磷素較為敏感,缺磷會引起干物質(zhì)下降、分蘗減少和產(chǎn)量降低等問題[1]。而過量施磷則會降低肥料的利用效率,增加生產(chǎn)成本,還可能造成土壤和水體污染[2-3]。新疆小麥生產(chǎn)面臨土壤磷素缺乏、利用率低和磷高效小麥種質(zhì)資源匱乏的問題,生產(chǎn)中常通過大量施用磷肥提高產(chǎn)量。挖掘磷高效種質(zhì)資源對培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效小麥品種有重要意義。不同小麥基因型對磷素的響應(yīng)不同,表現(xiàn)為農(nóng)藝性狀、灌漿特性、產(chǎn)量和品質(zhì)在不同供磷水平下存在差異[4-6]。小麥籽粒干物質(zhì)積累主要受灌漿持續(xù)時間和灌漿速率影響[7]。旗葉是小麥進行光合作用的重要器官,其葉肉細(xì)胞中葉綠素含量和光合速率均較高[8],對籽粒灌漿貢獻重大。邱 悅等[9]研究發(fā)現(xiàn),施磷量為105 kg·hm-2最有利于提高旗葉的葉綠素含量和灌漿后期植株的持綠性。在缺磷土壤上施用磷肥能提高分蘗成穗率以及開花后 0～10 d、15～25 d 籽粒灌漿速率,顯著提高穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重,最終提高產(chǎn)量[10-11]。磷素對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量及組分有重要影響[12],并對淀粉合成特性、淀粉粒形態(tài)和品質(zhì)有顯著影響[13]。研究表明,105 kg·hm-2施磷條件下,淀粉合成關(guān)鍵酶基因相對表達(dá)量較不施磷和過量施磷提高,胚乳中淀粉粒與蛋白的嵌合度增加,導(dǎo)致淀粉特性發(fā)生變化、粒重增加[14]。小麥株高與籽粒磷含量呈顯著負(fù)相關(guān),而穎殼、穗軸和節(jié)間磷含量均與籽粒磷含量呈顯著正相關(guān)[15]。與磷低效基因型相比,磷高效小麥基因型在磷素匱乏條件下能增強磷代謝,通過改善植株光反應(yīng)活性和能量代謝提高干物質(zhì)積累量和籽粒產(chǎn)量[16]。

目前,關(guān)于不同施磷量對小麥生長發(fā)育效應(yīng)的研究多以常規(guī)品種為材料,有關(guān)小麥突變體材料與其野生型此方面的研究尚未見報道。ZC5和ZC7為小麥品種鄭麥9023經(jīng)EMS誘導(dǎo)的脆桿小麥,其植株的根、莖等組織失去韌性,影響根系對水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及莖葉對營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運[17]。本研究以鄭麥9023及其突變體ZC5和ZC7為供試材料,分析其在三種磷素水平下、不同發(fā)育時期的旗葉葉面積、SPAD值、灌漿特性和成熟期農(nóng)藝性狀、千粒重、籽粒淀粉、蛋白質(zhì)、磷含量等指標(biāo),為磷高效型小麥育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗材料選用冬小麥品種鄭麥9023及其突變體ZC5和ZC7,兩個突變體的纖維素含量較鄭麥9023顯著下降[17]。試驗于2019年10月—2020年6月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗站進行,采用隨機區(qū)組設(shè)計,每個處理3次重復(fù),小區(qū)面積為2.4 m×3.0 m,行距20 cm,播種量為5.25×106?！m-2, 小區(qū)間隔離帶寬50 cm。

該地塊前茬作物為大豆,土壤為灰漠土。0～20 cm土層含有機質(zhì)15.4 g·kg-1、堿解氮63 mg·kg-1、速效磷15 mg·kg-1、速效鉀208 mg·kg-1。試驗?zāi)M農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上不施磷、常規(guī)施磷和過量施磷三種施肥方式,設(shè)置3個施磷(P2O5)水平,分別為:0 kg·hm-2(對照,P0)、105 kg·hm-2(常規(guī)施磷,LP)和210 kg·hm-2(過量施磷,HP)。所用磷肥為過磷酸鈣,含P2O515.75%。施肥方式為條施,在播種后160 d(大約5%的植株已返青)施入。播種時基施尿素75 kg·hm-2,在拔節(jié)期、抽穗期和揚花期分別隨水滴施45、75和 120 kg·hm-2尿素。灌溉方式為滴灌,冬前澆水3次,返青至成熟期每隔10～12 d澆水1次,共澆6次。其他田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2 測定項目與方法

1.2.1 旗葉葉面積和SPAD值測定

開花后每隔7 d測定一次旗葉的長、寬,直至開花后35 d,每個處理選擇10片葉。籽粒灌漿后期部分旗葉開始卷曲變干,取樣時隨機選擇10片展平持綠葉片。旗葉葉面積=旗葉長×旗葉寬×0.83。

從孕穗期開始利用SPAD-502葉綠素儀測定10片旗葉SPAD值,每隔7 d測定一次,直至開花后35 d[18]。

1.2.2 灌漿特征參數(shù)測定及計算

開花后標(biāo)記長勢、花期一致的主莖穗,每隔7 d取一次樣,每次摘取20穗,至開花后35 d,剝?nèi)∷胫?、上部籽?測千粒重;用Logistic方程對灌漿過程進行擬合,并將灌漿過程分為三個階段:漸增期、快增期和緩增期,計算相關(guān)灌漿參數(shù)[19]。

1.2.3 籽粒淀粉含量測定

取1.2.3中20穗全部籽粒,烘干后粉碎,用分光光度計法測定淀粉含量[20]。

1.2.4 籽粒蛋白質(zhì)含量測定

通過DA7250型近紅外光譜谷物品質(zhì)分析儀(Perten,瑞典)測定成熟期小麥籽粒蛋白含量,掃描波長850～1 050 nm,步長為2 nm,具體操作過程參考儀器說明書。

1.2.5 籽粒磷含量測定

取成熟期籽粒烘干、磨細(xì)后用消化、滴定法測磷含量,比色波長700 nm[21]。

1.2.6 農(nóng)藝性狀測定

成熟期每個小區(qū)選取10株長勢均勻的植株進行考種,測株高、穗粒數(shù)、有效小穗數(shù),按小區(qū)收獲后測千粒重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均重復(fù)3次。采用Excel 2022、SPSS 25.0和Origin 2021進行數(shù)據(jù)、方差與相關(guān)性分析,多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 施磷量對小麥旗葉面積的影響

由表1可知,除花后7 d,基因型對各時期旗葉葉面積均有顯著或極顯著影響;除花后21 d,磷水平對各時期旗葉葉面積均有顯著影響;基因型與磷素互作僅對孕穗期旗葉葉面積有極顯著效應(yīng)。孕穗期,鄭麥9023的HP處理旗葉面積最大,ZC5 的HP處理最小;花后7 d,ZC7 的HP處理和鄭麥3023的 P0處理葉面積顯著低于其LP處理,其余處理間差異均不顯著;花后14～35 d,各處理間均以ZC7的LP處理旗葉面積最大。

表1 三種磷水平下不同小麥基因型的旗葉面積

2.2 施磷量對小麥旗葉SPAD值的影響

如表2所示,除花后28 d,基因型對各時期旗葉SPAD值均有極顯著影響;磷水平對各時期旗葉SPAD值均有顯著或極顯著影響;基因型與磷素互作僅對孕穗期和花后7 d旗葉SPAD值有極顯著效應(yīng)。孕穗期、花后7 d、14 d和21d鄭麥9023的旗葉SPAD值整體高于ZC5和ZC7。孕穗期到花后35 d,同一基因型、三種磷處理間比較,除鄭麥9.23孕穗期外,3個基因型LP處理的SPAD值均高于HP和P0,部分處理間差異顯著。

表2 三種磷水平下不同小麥基因型的旗葉SPAD值

2.3 施磷量對小麥籽粒淀粉含量的影響

除花后35d,基因型對各時期籽粒淀粉含量均有顯著或極顯著影響;磷水平對花后7 d和14 d籽粒淀粉含量有極顯著影響;除花后7 d,基因型與磷素互作對各時期籽粒淀粉含量均有顯著效應(yīng)(表3)?；ê? d和14 d,三種磷處理下ZC7籽粒淀粉含量整體高于其他兩個基因型;花后21 d、28 d和35 d,三個磷處理下鄭麥9023籽粒淀粉含量整體高于ZC5和ZC7,其中ZC5 的HP、ZC7的 P0和LP與鄭麥9023的P0、LP之間差異不顯著,但高于同一時期的其他處理。

表3 三種磷水平下不同小麥基因型的籽粒淀粉含量

2.4 施磷量對小麥灌漿特性的影響

通過Logistic方程分析不同磷素供應(yīng)下ZC5、ZC7和鄭麥9023的籽粒灌漿特征參數(shù),由表4可知,籽粒最大灌漿速率出現(xiàn)在花后14.04 ～16.964 d,ZC5早于鄭麥9023 1 d左右。ZC5和鄭麥9023的LP和HP處理的最大灌漿速率出現(xiàn)時間均早于其P0處理;三種基因型的LP和HP處理最大灌漿速率和平均灌漿速率均高于P0。

表4 基因型和磷處理對小麥灌漿速率的影響

對灌漿特征值分析發(fā)現(xiàn)(表5),三個基因型在不同磷處理下漸增期天數(shù)為9.090～10.275 d,灌漿速率為0.965～1.172 g·d-1,千粒重增長量為8.774～11.438 g;快增期天數(shù)為9.902～13.507 d,灌漿速率為2.148～2.534 g·d-1,千粒重增長量為23.987～31.171 g;緩增期天數(shù)12.344～16.807 d,灌漿速率為0.514～0.713 g·d-1,千粒重增長量為7.214～10.755 g;整個灌漿期灌漿平均速率為1.274～1.401 g·d-1。ZC7 的LP處理漸增期持續(xù)時間最長且籽粒干物質(zhì)積累量最多,P0的灌漿速率最大;ZC7 的P0和鄭麥9023的 P0快增期持續(xù)時間最長;ZC7 的P0緩增期持續(xù)時間最長;ZC5 的HP處理灌漿速率最大;整個灌漿過程,平均灌漿速率最大的是鄭麥9023的HP處理。

表5 基因型和磷處理對灌漿速率的影響

小麥籽粒千粒重均呈“慢-快-慢”的變化趨勢(圖1)。P0、LP和HP處理對ZC5千粒重的貢獻率分別為35.5%、31.5%和33.1%,對ZC7千粒重的貢獻率分別為32.7%、34.4%和33.0%,對鄭麥9023千粒重的貢獻率分別為32.2%、34.5%和33.4%,HP對粒重的貢獻率在基因型之間差異不大。

圖1 不同基因型千粒重的增長進程

2.5 施磷量對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量的影響

由圖2可見,基因型、磷水平及其二者的互作對小麥籽粒蛋白質(zhì)含量均存在顯著影響。鄭麥9023和ZC5籽粒蛋白質(zhì)含量在三個磷水平間差異不顯著;ZC7的 HP處理籽粒蛋白質(zhì)含量顯著高于P0和LP處理,P0顯著高于LP處理。相同P0和HP水平下,ZC7籽粒蛋白質(zhì)含量均顯著高于鄭麥9023和ZC5。不同處理間比較,以ZC7 的HP處理籽粒蛋白質(zhì)含量最高。

G:基因型; P:磷水平。圖柱上不同字母表示處理間差異顯著。下同。

2.6 不同施磷量對小麥籽粒磷含量的影響

基因型和磷處理對小麥籽粒磷含量存在極顯著影響,二者互作效應(yīng)不顯著(圖3)。成熟期鄭麥9023籽粒磷含量在LP和HP水平下顯著高于P0;ZC5籽粒磷含量在HP水平下顯著高于P0和LP;ZC7籽粒全磷含量在LP水平下顯著高于P0;所有處理比較,ZC7的LP籽粒磷含量最高。

圖3 不同磷素下不同小麥基因型的籽粒磷含量

2.7 施磷量對小麥農(nóng)藝性狀的影響

基因型對株高、穗粒數(shù)、有效小穗數(shù)和千粒重存在極顯著影響;基因型與磷水平互作效應(yīng)對成熟期千粒重存在顯著影響,對株高、有效小穗數(shù)和穗粒數(shù)影響不顯著。磷處理對成熟期的小麥株高、穗粒數(shù)、有效小穗數(shù)和千粒重影響均不顯著。成熟期相關(guān)農(nóng)藝性狀分析表明,以ZC7 的LP處理株高、有效小穗數(shù)和穗粒數(shù)最高,且顯著高于ZC5和鄭麥9023(圖4)。千粒重以鄭麥9023 的P0處理最高。同一基因型不同處理比較,ZC7 的LP處理株高顯著高于HP和P0處理,LP處理的穗粒數(shù)顯著高于HP處理,LP處理的千粒重顯著高于P0處理;鄭麥9023 的HP處理穗粒數(shù)顯著高于P0處理;ZC5 的HP處理千粒重顯著高于P0和LP處理。

圖4 不同基因型和磷水平下的株高、有效小穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重

2.8 不同小麥性狀的相關(guān)性分析

對小麥灌漿參數(shù)與籽粒蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、全磷含量以及農(nóng)藝性狀進行相關(guān)分析,由圖5可以看出,漸增期灌漿速率與旗葉葉面積、SPAD值、株高、穗粒數(shù)、有效小穗數(shù)和千粒重均呈極顯著正相關(guān),快增期持續(xù)時間、緩增期持續(xù)時間、漸增期積累量、快增期積累量、緩增期積累量、旗葉葉面積和SPAD值均與株高和穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān),籽粒淀粉含量與千粒重呈顯著正相關(guān)。

V1漸增期灌漿速率;V2快增期灌漿速率;V3緩增期灌漿速率;T1:漸增期持續(xù)時間;T2:快增期持續(xù)時間;T3:緩增期持續(xù)時間;Y1:漸增期積累量;Y2:快增期積累量;Y3:緩增期積累量。

3 討論

3.1 施磷量對小麥旗葉的影響

旗葉是小麥進行光合作用的重要器官,葉片SPAD值可以反映葉綠素含量。隨著施磷量增加,小麥旗葉SPAD值呈先升高后降低的趨勢[22]。磷可減緩花后小麥葉綠素的降解,有效延緩植株生長后期的衰老[23]。也有研究表明,增施磷肥對旗葉SPAD值存在負(fù)效應(yīng)[24]。本研究中,基因型對小麥孕穗期和花后旗葉SPAD值有極顯著影響。胡煒晨[17]對ZC5與鄭麥9023的差異基因進行富集分析發(fā)現(xiàn),根據(jù)顯著性排序的前三位分別為卟啉和葉綠素代謝、光合生物體中的碳固定和碳代謝。推斷突變體基因型纖維素合成相關(guān)基因的突變可能會影響小麥葉片卟啉和葉綠素代謝過程,進而影響旗葉SPAD值。關(guān)于此方面的研究尚需進一步深入。

3.2 施磷量對小麥灌漿特性的影響

增施磷肥使小麥灌漿高峰期提前[25];籽粒漸增期和快增期的持續(xù)時間、最大灌漿速率與施磷量成正比[26]。研究表明,水稻穗長和一次枝梗結(jié)實率與大維管束數(shù)和木質(zhì)部面積呈極顯著正相關(guān),整穗結(jié)實率與大維管束數(shù)、大維管束面積和木質(zhì)部面積呈極顯著正相關(guān)[27]。本研究中,突變體的植株厚壁組織和維管束解剖結(jié)構(gòu)與野生型的存在明顯差異[17]。解剖結(jié)構(gòu)的變化必定影響植物體內(nèi)同化產(chǎn)物的運輸和分配,特別是“流”作為連接植物“源”和“庫”的樞紐,對營養(yǎng)物質(zhì)的運輸和積累有決定性作用。這可能是本研究中不同施磷量下灌漿特征參數(shù)與以往研究結(jié)果[25-26]存在差異的重要原因。

以往研究表明,籽粒漸增期灌漿速率、最大灌漿速率、平均灌漿速率均與千粒重呈極顯著正相關(guān)[28-29]。本研究中,ZC7千粒重高于ZC5和鄭麥9023,施磷后ZC7籽粒灌漿漸增期和快增期持續(xù)時間均長于ZC5和鄭麥9023。結(jié)合相關(guān)分析的結(jié)果,進一步證明小麥籽粒灌漿漸增期和快增期持續(xù)時間對粒重有重要貢獻。

與其他處理相比,ZC5的HP處理最大灌漿速率最高,但千粒重低于ZC7和鄭麥9023,可能是由于漸增期、快增期和緩增期持續(xù)時間均小于ZC7和鄭麥9023。結(jié)合方差分析和相關(guān)分析的結(jié)果,說明提高最大灌漿速率并不一定能增加粒重,需同時延長灌漿持續(xù)時間。

3.3 不同施磷量對小麥品質(zhì)和農(nóng)藝特性的影響

纖維素和淀粉同屬于多糖類物質(zhì),淀粉是構(gòu)成粒重的主要成分。本研究中,ZC7千粒重最高,其次是鄭麥9023和ZC5;而纖維素含量則為鄭麥9023最高,其次為ZC7和ZC5[17]?；ê?～14 d,三個磷處理下ZC7籽粒淀粉含量均高于鄭麥9023,而成熟期P0和LP處理淀粉含量卻低于野生型。處理ZC7的粒重高于其野生型,說明可能存在某種補償機制,在一定程度上降低纖維素含量卻能促進淀粉的積累。三個磷處理下ZC7的籽粒蛋白含量均最高,說明蛋白的積累對粒重有積極作用。

磷肥主要通過增加穗粒數(shù)和千粒重提高產(chǎn)量[30]。也有研究認(rèn)為,施磷量的增加對小麥籽粒產(chǎn)量無明顯正效應(yīng),但地上部生物量和穗粒數(shù)均明顯降低,千粒重和收獲指數(shù)明顯增加,磷肥可促進干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移,增加籽粒飽滿度[31]。本研究中,ZC7株高和有效小穗數(shù)均顯著高于ZC5和鄭麥9023,地上部生物量較高,其LP處理的穗粒數(shù)顯著高于HP,千粒重顯著高于P0。說明較高的光合同化產(chǎn)物、花后28 d相對較高的旗葉SPAD值以及較長的緩增期持續(xù)時間,以及上述提及的補償效應(yīng),共同造就了ZC7相對野生型更高的粒重。同時也發(fā)現(xiàn),三個基因型對磷素的敏感性不同,并非磷素越多越好。

胡煒晨等[17]的研究表明,禾本科細(xì)胞壁遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜,纖維素含量的降低并不會導(dǎo)致某個農(nóng)藝性狀發(fā)生顯著改變。本研究中,成熟期以ZC7的LP處理株高、有效小穗數(shù)和穗粒數(shù)最高,且顯著高于ZC5和鄭麥9023(圖4)。說明磷營養(yǎng)對農(nóng)藝性狀有重要調(diào)控作用,在改良小麥細(xì)胞壁成分的過程中,不同類型的細(xì)胞壁合成成員突變類型不同,可以為我們提供更多揭示營養(yǎng)物質(zhì)吸收利用、多糖類物質(zhì)代謝差異等豐富的變異資源,培育高效、綠色、高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源提供了可能。

4 結(jié)論

ZC5為磷敏感基因型,施磷可提早ZC5最大灌漿速率出現(xiàn)日期,提高最大灌漿速率和平均灌漿速率,且隨著施磷量的增加籽粒蛋白質(zhì)和全磷含量增加。纖維素合成相關(guān)基因突變對旗葉SPAD值、葉面積、籽粒淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、全磷含量、株高、有效小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均存在顯著影響。改良小麥細(xì)胞壁成分可以為小麥育種提供豐富的遺傳變異資源。