模拟酸雨对小麦产量及籽粒蛋白质和淀粉含量及组分的影响

2013-09-15卞雅姣孙其松江海东

生态学报 2013年15期

卞雅姣，黄洁，孙其松，姜东，江海东，周琴

(南京农业大学农业部南方作物生理生态重点开放实验室/江苏省信息农业高技术研究重点实验室，南京 210095)

酸沉降是当前世界重大的环境问题之一［1］。我国重酸雨区的面积由2002年占国土面积的4.9%增加到2005年的6.1%［2］。小麦是江苏省第二大农作物，由于其主要在冬春季节生长，此期酸雨酸度较强［3］，遭受酸雨危害的频率更高。一定强度的酸雨会破坏植物叶表面的蜡质层和角质层，损害植物的表皮结构［4］，使叶片表面出现坏死斑点［5-6］，酸雨也会伤害叶绿体，降低叶绿素含量［7］，从而影响植物正常的光合作用［8-9］，最终导致生物量或产量下降。酸雨不仅影响农作物的产量，对品质也有明显影响。梁骏［6］研究显示酸雨胁迫导致油菜粗脂肪、可溶性糖含量下降，且随着酸度增强，粗脂肪与可溶性糖降低幅度增大。Khan［10］等通过盆栽试验发现，菜豆的糖、氮以及蛋白质含量随着酸雨酸度增强而下降，致使其品质降低。Evans［11］等的研究认为，酸雨胁迫会导致Amsoy品种大豆蛋白质的含量显著降低。麦博儒［12］研究显示小麦籽粒蛋白质和淀粉含量均随着酸雨酸度的增强逐步下降。淀粉和蛋白质是小麦籽粒的重要组成部分，其含量和组分决定了小麦籽粒的产量和品质。酸雨对小麦生长的影响，前人已有一定研究，但对小麦品质影响研究较少，尤其是对决定小麦籽粒营养品质和加工品质的蛋白质组分方面缺少研究，在人们对粮食品质要求越来越高的情况下，探讨酸雨对小麦品质的影响具有重要的现实意义。本试验以宁麦13和徐麦31两个小麦品种为试验材料，研究酸雨对小麦产量、籽粒蛋白质和淀粉含量及组分的影响，以期为小麦抗逆调优栽培及酸雨灾害评估提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试小麦品种为宁麦13和徐麦31。

1.2 模拟酸雨配置

电解质母液:制备酸雨成分1000倍的电解质母液，母液中含CaC123.1 g/L，NH4Cl 2.8 g/L，NaCl 0.91 g/L和KCl 0.75 g/L。

模拟酸雨:将电解质母液稀释1000倍，用酸母液将其调节至需要的pH值。模拟酸雨的pH值分别设为6.0、4.0、和2.0，其中以pH值6.0的溶液作为对照(CK)。

1.3 试验设计

试验于2010—2011在南京农业大学牌楼试验站进行，采用盆栽法，供试土壤为黄棕壤，自然风干后装入高20 cm，直径25 cm的塑料盆中，每盆土重7 kg。每盆施用全N 1.06 g，P2O50.74 g，K2O 2.43 g，其中氮肥基追比为3∶2，同时施用沼肥21 g，播种前基肥与土充分混匀后装盆，追肥于拔节期施用。每盆播种10粒，3叶期定苗，每盆留苗5株。于抽穗期(2011年4月14日)进行酸雨处理，酸雨酸度分别为pH值4.0和pH值2.0，以pH值6.0的为对照，每次喷施量相当于3 mm降雨量，喷施频率为1次/3 d，总喷施次数为12次。试验为随机区组设计，4次重复。开花期选择同一天开花麦穗挂牌标记，分别于开花期(2011年4月27日)、灌浆前期(2011年5月7日)和灌浆后期(2011年5月17日)取样，进行各项指标的测定，成熟期收获，调查产量构成因素，并进行品质性状测定。

1.4 测定项目与方法

生物量测定，选取大小一致的植株，按茎鞘、旗叶、其余叶和穗区分，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒量后称干重。产量构成因素:小麦成熟期测定单株有效穗数、单穗粒数和千粒重、退化小穗数、结实小穗数。

游离氨基酸总量测定采用茚三酮溶液显色法［14］。可溶性糖采用蒽酮比色法［14］。蛋白质组分采用连续提取法［15］，蛋白质含量测定采用半微量凯氏定氮法［14］，以含氮量乘以5.7计算籽粒蛋白质含量。籽粒直链淀粉、支链淀粉含量用双波长比色法测定［15］。脂肪含量采用索氏提取法提取［15］。

1.5 数据处理

采用Excel 2003软件处理试验数据，采用DPS软件的LSD法对试验数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 酸雨对小麦生物量的影响

2.1.1 对小麦叶片干重的影响

不同酸度酸雨对小麦叶片干重的影响如图1所示，酸雨处理后，两个品种小麦叶片干重总体呈下降趋势，且酸度越强，降低幅度越大。pH值2.0酸雨处理后，宁麦13各时期叶片干重分别较对照下降了19.7%、20.3%、33.3%、22.7%，差异显著;pH值4.0的酸雨处理的宁麦13各个时期叶片干重分别较对照下降了11.5%、6.2%、18.2%、4.5%，但仅灌浆后期与对照差异显著;pH值2.0酸雨处理后，徐麦31叶片干重各个时期较对照分别下降了15.7%、10.4%、17.1%、46.2%;pH值4.0的酸雨处理的徐麦31各个时期叶片干重较对照分别下降了23.5%、2.1%、22.8%、26.9%，pH值2.0和pH值4.0酸雨处理的徐麦31从灌浆后期与对照差异显著，其余时期与对照差异不显著。

2.1.2 对小麦茎鞘干重的影响

不同酸度酸雨对小麦茎鞘干重的影响如图2所示，各处理小麦的茎鞘干重随生育进程呈先略上升后下降的趋势。酸雨处理后，两个品种小麦茎鞘干重总体低于对照，且降低幅度随着酸雨酸度的增大而增大。经pH值2.0的模拟酸雨处理后，两个品种小麦各时期的茎鞘干重均与对照差异显著。pH值4.0酸雨处理后，宁麦13的茎鞘干重从灌浆前期开始显著低于对照(P＜0.05);徐麦31的茎鞘干重仅在开花期和灌浆后期显著低于对照(P＜0.05)，其余时期与对照差异不显著。

2.1.3 对小麦穗干重的影响

不同酸度酸雨对小麦穗干重的影响如图3所示，各处理小麦的穗干重均随时间呈上升的趋势。酸雨处理后，两个品种小麦穗干重在各个时期与对照相比均呈下降趋势，且下降幅度随酸度的增大而增大。pH值2.0酸雨处理后，宁麦13各时期的穗干重分别较对照下降了17.0%、26.5%、42.7%、47.2%，从灌浆前期开始与对照差异显著;徐麦31各时期分别较对照下降了20.0%、4.1%、20.1%、35.3%，从灌浆后期开始与对照差异显著。pH值4.0酸雨处理后，宁麦13灌浆后期和成熟期及徐麦31灌浆后期穗干重与对照差异显著，其余时期差异不显著。

图1 模拟酸雨对宁麦13和徐麦31叶片干重的影响Fig．1 Effects of acid rain on leaf dry weight of Ningmai 13 and Xumai 31

图2 模拟酸雨对宁麦13和徐麦31茎鞘干重的影响Fig．2 Effects of acid rain on stem dry weight of Ningmai 13 and Xumai 31

2.2 模拟酸雨对小麦产量及产量构成因素的影响

不同酸度酸雨对小麦产量及产量构成因素的影响如表1所示，酸雨处理对有效穗略有影响，宁麦13的pH值2.0的处理有效穗显著下降，降低幅度为9.6%，pH值4.0处理和对照差异不显著;而徐麦31的pH值4.0处理有效穗比对照略高，而pH值2.0处理略低，但均差异不显著。酸雨处理显著降低了两个小麦品种单穗粒数、结实小穗数和产量，显著增加了退化小穗数，且酸性越强，降低或增加幅度越大。与对照相比，pH值2.0酸雨处理宁麦13的单穗粒数和单茎产量分别下降了48.6%和56.7%，徐麦31分别下降了31.2%和39.7%，退化小穗数宁麦13和徐麦31分别较对照增加了10倍和29倍。

图3 模拟酸雨对宁麦13和徐麦31穗干重的影响Fig．3 Effects of acid rain on spike dry weight of Ningmai13 and Xumai31

表1 酸雨对两个品种小麦产量及产量构成因素的影响Table 1 Effects of acid rain on yield and yield components in two wheat cultivars

2.3 酸雨对小麦蛋白质含量及其组分的影响

不同酸度酸雨对小麦籽粒蛋白质含量及组分的影响如表2所示，酸雨处理提高了小麦籽粒中总蛋白、清蛋白、球蛋白和剩余蛋白含量，且酸度越强，增加幅度越大。宁麦13和徐麦31 pH值2.0处理的总蛋白含量分别比对照高20.6%和15.1%(P＜0.05)。宁麦13 pH值2.0处理的剩余蛋白含量显著高于对照，徐麦31球蛋白含量显著高于对照，而其它处理与对照差异不显著。醇溶蛋白含量随酸雨酸度的增加呈现先降低后增加的趋势，两个小麦品种趋势基本一致。酸雨处理降低了谷蛋白含量，尤其是徐麦31的pH值2.0处理，显著低于对照，仅为对照的84.8%。pH值4.0处理的谷/醇略高于对照，其它各酸雨处理的谷/醇均低于对照。

表2 酸度酸雨对两个品种小麦籽粒蛋白质及其组分含量的影响Table2 Effects of acid rain on contents of crude protein and its components in two wheat cultivars

2.4 酸雨对小麦籽粒淀粉及组分的影响

不同酸度酸雨对小麦籽粒淀粉及组分的影响如表3所示，酸雨处理降低了籽粒总淀粉、支链淀粉的含量和支/直比，且酸度越强，下降幅度越大，但对直链淀粉影响较小。pH值4.0酸雨处理后，宁麦13和徐麦31的总淀粉含量分别下降了6.5%和16.8%。pH值2.0酸雨处理后，宁麦13和徐麦31的总淀粉含量分别下降了11.8%和20.2%，与对照差异显著，支链淀粉分别下降了14.7%和23.1%，与对照差异不显著。

酸雨处理降低了籽粒中可溶性糖含量，宁麦13籽粒中可溶性糖含量与对照相比差异不显著;徐麦31 pH值2.0酸雨处理籽粒可溶性糖含量较对照低22.0%，与对照差异显著，pH值4.0酸雨处理与对照相比差异不显著。

各处理小麦籽粒中的氨基酸含量随着酸雨酸度的增大而增加。pH值2.0酸雨处理后，宁麦13和徐麦31小麦籽粒中氨基酸含量分别比对照高36.6%和30.9%，与对照差异显著。pH值4.0酸雨宁麦13籽粒中氨基酸与对照差异不显著，徐麦31显著高于对照。小麦籽粒的脂肪含量随着酸雨酸度增强而下降，pH值2.0酸雨处理后宁麦13和徐麦31的脂肪含量分别比对照低9.3%和10.8%，均与对照差异显著。

表3 酸度酸雨对两个品种小麦淀粉、可溶性糖、氨基酸和脂肪含量的影响Table 3 Effects of acid rain on contents of starch，soluble sugar，free amino acid and fat in two wheat cultivars

3 讨论

酸雨对植物的影响最终反映到植物的生长上，生物量和产量是小麦生长状况良好与否的重要指标。本研究结果显示强酸雨(pH值≤4.0)胁迫下，小麦的生物量和籽粒产量显著下降，这与麦博儒［7］，梁骏［6］等研究结论一致。在产量构成因素中，小麦穗粒数对酸雨胁迫最为敏感，这可能是因为抽穗期开始喷施酸雨，不仅对幼嫩麦穗产生直接伤害，也影响了小麦开花和受精，使得退化小穗和小花数显著增多，降低了籽粒结实率，从而最终显著影响产量。酸雨胁迫下，徐麦31生物量和产量降低幅度均小于宁麦13，表明徐麦31抗酸雨能力强于宁麦13。

蛋白质是小麦籽粒重要组成部分，既是重要的营养成分，衡量加工品质的重要指标［16］，同时也是氮代谢途径的重要产物。酸雨胁迫对作物含氮物质含量的影响，研究结果不尽一致，有研究者认为酸雨抑制氮代谢，降低蛋白质含量。如Solomonson［17］］研究结果指出，小麦籽粒总氮的含量在pH值5.0—4.0范围内变化不大，但是在pH值4.0及以下酸雨胁迫下，随酸雨pH值的降低而降低。麦博儒等［12］、郑有飞等［18］研究也显示，酸雨处理降低小麦和油菜籽粒中蛋白质含量，总体表现为酸度越强，下降幅度越大。但也有研究者持相反观点，认为酸雨对氮代谢有一定的促进作用。梁永超［19］研究显示酸雨处理提高了小麦根系和地上部的含N量。Kumaravelu等［20］的研究表明，在酸雨胁迫下，绿豆中叶片蛋白质含量升高。本试验结果与后者比较一致，酸雨处理提高了小麦籽粒游离氨基酸和蛋白质含量，且酸度越大，上升趋势越显著。这可能是由于酸度越强，酸雨中的N、S越多，氮是蛋白质合成的前体，硫是半胱氨酸、胱氨酸和蛋氨酸等含硫氨基酸的重要成分［18］。当喷施酸雨时，小麦在受到酸胁迫的同时，也相当于增施了氮、硫肥，因此小麦籽粒中游离氨基酸和总蛋白质含量上升。同时酸雨胁迫，对小麦生长有一定抑制作用，生物量和籽粒产量下降，也会对籽粒蛋白质含量有一个浓缩效应。不同研究者的结论不同，这可能和不同作物，不同抗性品种、不同喷施时期、不同酸雨成分及不同喷施频率和强度等因素有关。

酸雨对不同蛋白组分影响不同，清蛋白和球蛋白以参与代谢活动的酶类为主，与面粉的营养品质密切相关。本研究结果显示，酸雨处理提高了清蛋白和球蛋白含量，可见酸雨对小麦营养品质有明显的促进作用。醇溶蛋白和谷蛋白是贮藏蛋白，是小麦面筋的主要成分，与面粉加工品质密切相关，尤其谷蛋白是决定小麦面粉筋力的主要因素。本研究结果显示酸雨处理降低了谷蛋白含量，尤其是pH值2.0酸雨处理显著下降。由于稀酸会破坏谷蛋白大聚合体的一级结构，导致聚合体降解［21］，因此谷蛋白含量下降可能和谷蛋白大聚合体含量下降有关。pH值4.0处理降低了醇溶蛋白含量，而pH值2.0酸雨处理提高了醇溶蛋白含量，但pH值2.0和pH值4.0处理的小麦籽粒谷/醇比显著低于对照，可见酸雨处理尽管对营养品质有一定正面作用，但对加工品质有明显负面影响。两个小麦品种相比较，徐麦31各处理籽粒总蛋白含量总体高于宁麦13，酸雨处理后升高幅度低于宁麦13，而谷蛋白含量降低幅度要高于宁麦13，可见酸雨对徐麦31加工品质的负面影响要大于宁麦13。

淀粉是小麦籽粒的重要组成部分，其含量与支/直比决定了面条、馒头制品的品质［22］。本研究结果显示，酸雨处理降低了小麦籽粒淀粉含量，尤其是支链淀粉含量下降明显，这与麦博儒等［12］研究结论一致。淀粉含量的降低可能与酸雨胁迫抑制糖代谢有关，酸雨处理降低了籽粒中可溶性糖的含量，而可溶性糖是淀粉合成的前体物质，其含量的高低与淀粉积累密切相关［23］。麦博儒、梁俊等［6-7］也有类似报道。

尽管小麦籽粒中脂肪含量较低，但与面团品质、加工品质密切相关，脂肪可使面制品组织细腻、柔软，并延缓淀粉的老化［24-25］。本研究结果显示酸雨处理降低了小麦籽粒中脂肪含量，酸度越强，下降幅度越大。梁骏等［6］研究指出，双低油菜籽粒粗脂肪与酸雨pH值呈显著正相关。本研究结果与此一致。

可见酸雨不仅影响小麦的产量，而且对品质也有明显影响。酸雨处理提高了籽粒总蛋白含量，降低了淀粉含量，不同蛋白组分和淀粉组分对酸雨胁迫响应不同，清、球蛋白含量上升，谷蛋白含量下降，进而导致谷/醇比下降，支链淀粉含量也下降。而小麦籽粒淀粉和蛋白质组分的改变会影响其加工品质，因此未来还需进一步加强酸雨胁迫对加工品质影响的研究。

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