拔节期渍水对小麦籽粒品质相关性状的影响

宋桂成 史高玲 张平平 王化敦 张 鹏 马鸿翔

(江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省农业生物学重点实验室,江苏 南京 210014)

根据联合国粮农组织的报告和国际土壤学协会绘制的世界土壤图估算,全球受渍害影响的耕地约占12%[1]。我国长江中下游麦区春季雨量相对较多,涝渍害频发于沿江及长江以南地区,会造成30%以上年份的冬小麦减产[2],尤其是3―5月份,小麦拔节至成熟期是降雨多发季,易造成严重的湿害[3-4]。稻麦轮作地区的渍害是影响小麦产量与品质的主要问题之一[5]。小麦生育期无论受渍害时间长短,均会使粒重和产量下降[6]。拔节至灌浆期是小麦生长发育的重要时期,也是小麦对渍害的敏感时期,此时渍害易导致根系发育不良,活力衰退,叶片光合受阻,影响成熟期干物质积累,从而降低穗粒数和千粒重,导致产量降低[7-8]。研究发现,渍水胁迫不仅影响小麦产量,还影响小麦的品质特性,降低蛋白质含量[9-10]。姜东等[11]研究认为,花后渍水降低了小麦籽粒淀粉含量,不同渍水处理的淀粉含量存在差异。渍水胁迫下,小麦籽粒的淀粉和蛋白质含量下降,蛋白组分中麦谷蛋白和醇溶蛋白含量降低,导致面粉面筋特性和加工品质特性降低[12]。

至今,国内外学者关于渍害对小麦产量和品质的影响已有较多研究,但不同生育期渍水对小麦产量和品质影响的研究结果不同,且研究多集中在抽穗期和花后,有关拔节期渍害胁迫对小麦品质影响及耐渍资源筛选的报道较少。在渍害对小麦品质影响中,较少涉及面团流变学特性及溶剂保持力(solvent retention capacity,SRC)等性状,而SRC是预测小麦加工品质的重要技术手段之一[13],小麦粉乳酸SRC值、水SRC值与小麦粉蛋白质含量、面筋、硬度及黏弹性均相关,其中,小麦粉的水SRC值与小麦粉蛋白质含量的相关系数(r=0.899 4)高于乳酸SRC值与小麦粉蛋白质含量的相关系数(r=0.782 6)[14]。多元逐步回归分析表明,籽粒硬度可以解释72.6%的乳酸SRC变异,蛋白质含量可以解释30.7%的蔗糖SRC变异[15]。为筛选拔节期渍水对小麦品质的影响及耐渍筛选指标,本研究以34份小麦品种(系)为材料,通过分析处理前后籽粒特性、面团流变学特性及4种SRC,探究拔节期渍害对小麦籽粒特性及品质的影响,旨在为小麦耐渍选育提供参考依据,并为完善渍害对小麦生长发育的影响提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料均为长江中下游麦区主栽小麦品种或培育新品系(表1),由国家现代农业技术产业技术体系提供。

表1 试验小麦品种(系)和来源Table1 The wheat varieties(lines)in this study and source of wheat varieties(lines)

1.2 试验设计

试验于2017―2018年在江苏省农业科学院六合基地试验大棚进行,棚顶采用塑料薄膜覆盖防止雨水影响土壤水分,四周通风。根据34份品种(系)的拔节期时间,于2017年10月30日至11月3日播种,试验采用裂区设计,渍水和对照为主处理区组,品种为副区组,3次重复,每品种(系)3行一小区,行长2 m,行距0.25 m,株距0.05 m。渍水组和对照组分播种于2个大棚内。渍水组大棚内砌池,渍水处理期保持池内地面3 cm水位。生长管理参照大田标准,总施肥量144 kg·hm2复合肥(N、P、K比例分别为18%),60%作为基肥,40%淹水处理后施用。2018年2月23日,34份小麦品种(系)进入拔节期(据观察34份品种的拔节时期相差较小),淹水处理2周,保持池内地面以上3 cm水位。2018年5月28日至30日收获,将收获的籽粒进行相关品质性状的测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 出粉率 采用Quadrumat Junior小型布拉本德试验磨粉机(德国布拉本德公司)磨粉,并根据公式计算出粉率[10]:

出粉率=面粉重量/籽粒重量×100%

1.3.2 籽粒硬度和千粒重 采用SKCS4100单粒谷物质量分析仪(瑞典波通仪器公司)测定籽粒硬度和千粒重[12]。

1.3.3 籽粒蛋白和面粉蛋白含量测定 采用DA7200近红外分析仪(瑞典波通仪器公司)测定籽粒蛋白含量和面粉蛋白含量[13]。

1.3.4 面团流变学特性 采用Mixograph揉混仪(美国National公司)测定,参照AACC 54-40A法操作[13],记录峰值时间和峰值积分面积。

1.3.5 溶剂保持力 参照GB/T 35866-2018[16]采用微量法(1 g)测定水、50%乳酸、5%碳酸钠和50%蔗糖4种溶剂的SRC值。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理,SPSS 18.0进行方差分析,采用Duncan′smultiple range test法显著性检验。采用K-Means法对材料进行聚类分析[13]。

2 结果与分析

2.1 渍水对小麦籽粒和面团流变学特性的影响

性状的方差分析表明,品种对调查的籽粒性状和面团流变学特性有极显著影响(P＜0.01)。渍水处理对千粒重、面团流变学特性的峰值时间和峰值面积影响极显著(P＜0.01),对其他籽粒性状、面粉和面团特性影响不显著。品种和渍水胁迫对以上指标的互作效应均不显著(P＞0.05)。表明,试验品种的耐渍性存在显著差异,且千粒重和面团流变学特性的峰值时间和峰值面积对渍水胁迫较为敏感。

由表2可知,与对照组相比,渍水组的千粒重、硬度、出粉率、峰值时间和峰值面积均降低,其中千粒重和峰值面积降低幅度较大;籽粒蛋白、面粉蛋白和湿面筋含量升高,面粉蛋白含量提高幅度最大。籽粒特性中,不同品种间硬度的变异系数最大,其次是千粒重和籽粒蛋白含量,不同品种间出粉率的变异较小;渍水组与对照组比较,籽粒性状中千粒重和硬度差异极显著(P＜0.01),千粒重降幅最大,为9.09%,这种显著差异可能源于品种间耐渍性的差异。面粉和面团流变学特性中,品种间峰值时间和峰值面积变异系数最大,其次是面粉蛋白含量,湿面筋含量变异较小;渍水组峰值时间和峰值面积较对照组降低幅度较大,分别为6.86%和7.49%,差异达极显著水平(P＜0.01),而面粉蛋白和湿面筋含量较对照组升高,但渍水组与对照组差异不显著。以上结果表明,渍水对籽粒的千粒重和硬度、面团的峰值时间和峰值面积影响较大,对出粉率和湿面筋含量等影响较小。

表2 渍水对小麦籽粒、面团特性和SRC的影响Table2 Effect of waterlogging on characteristics of wheat grains,dough and SRC

2.2 渍水对溶剂保持力的影响

由方差分析可知,品种对4种SRC有极显著影响(P＜0.01),渍水处理以及品种与渍水互作效应对4种SRC的影响同样极显著(P＜0.01)。说明不同基因型品种的4种SRC对渍水耐受性差异较大,且受渍水胁迫影响较大。

由表2可知,渍水组4种SRC值的品种间变异系数均比对照组大,其中渍水组乳酸SRC值的变异系数最大,为15.47%,碳酸钠SRC值的变异系数次之,为11.12%;对照组的乳酸SRC值和水SRC值的变异系数最大,表明品种间乳酸SRC值差异较大。与对照组相比,渍水组4种SRC值均降低,且乳酸SRC值降低幅度最大,为4.39个百分点,其次是蔗糖SRC值,降低2.68个百分点,水SRC值和碳酸钠SRC值降低幅度较小。渍水组与对照组的蔗糖SRC值和乳酸SRC值差异达极显著水平(P＜0.01),水SRC值差异达显著水平(P＜0.05),表明渍水对乳酸SRC值和蔗糖SRC值的影响较大。有研究表明,乳酸SRC值与谷蛋白特性相关,碳酸钠SRC值可反映淀粉破损情况,蔗糖SRC值与醇溶蛋白特性相关,面粉组成成分影响水的SRC值[15]。以上结果表明,拔节期渍水影响籽粒谷蛋白和淀粉特性。

2.3 小麦籽粒品质相关性状间的相关分析

由表3可知,在对照组和渍水组中,千粒重均与出粉率呈极显著正相关,硬度均与出粉率、水SRC值和碳酸钠SRC值呈极显著正相关,籽粒蛋白含量均与面粉蛋白含量、湿面筋含量呈极显著正相关,面粉蛋白含量均与湿面筋含量呈极显著正相关,湿面筋含量均与面团流变学特性和SRC无显著相关性,峰值时间均与峰值面积、乳酸SRC值呈极显著正相关,峰值面积均与乳酸SRC值呈极显著正相关,水SRC值均与碳酸钠SRC值、蔗糖SRC值呈极显著正相关,碳酸钠SRC值均与蔗糖SRC值和乳酸SRC值呈显著或极显著正相关,蔗糖SRC值与乳酸SRC值呈显著正相关。不同的是,对照组的硬度与湿面筋含量呈极显著正相关、渍水组的硬度与湿面筋含量呈显著负相关;渍水组的籽粒蛋白含量与蔗糖SRC值呈极显著正相关,对照组的籽粒蛋白与蔗糖SRC值无显著相关性;渍水组的面粉蛋白含量与蔗糖SRC值呈极显著正相关,对照组的面粉蛋白含量与蔗糖SRC值无显著相关性。以上结果表明,渍水对蔗糖SRC值、乳酸SRC值的影响与籽粒蛋白含量、面粉蛋白含量及面团流变学特性有关,蔗糖SRC值和乳酸SRC值在一定程度上可以反映蛋白含量和面团流变学特性。由表2的分析结果和相关系分析的结果表明,千粒重、峰值面积、蔗糖SRC值和乳酸SRC值对渍水较为敏感,可以将这些性状在渍水条件下的变幅作为耐渍筛选的指标;千粒重最为直观,且千粒重可体现产量及籽粒性状两个方面,可作为初筛的重要指标,但其与面团流变学特性及SRC相关性较小,对小麦加工品质影响不大,因此可另选择蔗糖SRC值和乳酸SRC值作为小麦耐渍性品质筛选指标。

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2.4 不同小麦品种对渍水敏感性的分析

渍水胁迫下,千粒重、面团流变学特性的峰面积、蔗糖SRC值和乳酸SRC值与对照相比变幅较大,且蔗糖SRC值与籽粒硬度和蛋白含量相关性达极显著水平、乳酸SRC值与面团流变学特性指标相关性达极显著进行。因此,根据千粒重、峰面积、蔗糖SRC值和乳糖SRC值对渍水敏感的变异系数,按K-Means法将34份材料进行聚类分析,可分为4类(表3),第1类在渍水胁迫下籽粒性状和品质相关指标变异较小,对渍水胁迫不敏感,共4份材料;第2类在渍水胁迫下籽粒性状和品质相关指标变异中等,对渍水中等耐渍,共7份材料;第3类在渍水胁迫下籽粒性状和品质相关指标变异较大,对渍水中等敏感,共22份材料;第4类在籽粒性状和品质相关指标对渍水胁迫敏感,共1份材料。结果表明,宁麦9号、扬16-157、皖西麦7号、鄂麦6 046具有较好的品质耐渍性。

表4 小麦品种对渍水胁迫敏感性的聚类分析Table4 Cluster analysis of sensitivity of wheat varieties to waterlogging stress

3 讨论

小麦不同生育时期对渍水的敏感程度不同,产量也不尽相同[17]。姜东等[11]研究表明,花后渍害胁迫导致小麦叶片早衰,造成光合速率下降,物质积累转运降低,最终导致生育后期灌浆速率减慢,粒重下降。光合减弱、物质转运降低是产量降低的内在因素。本研究发现,拔节期渍水胁迫同样降低千粒重、硬度和出粉率,其中千粒重下降幅度最大,是渍水后产量降低的关键因素,这与丁锦峰等[18]的研究结果基本一致。

渍水影响小麦干物质和氮素的积累和转运,随着渍水时间延长,其对干物质、氮素积累及转运影响的趋势增大,进而影响小麦籽粒品质[19-23]。研究表明,渍水后不同耐渍性品种小麦的蛋白含量和淀粉含量变化有差异[24]。谭维娜[25]研究发现,花后渍水处理扬麦9号和豫麦34,其籽粒蛋白质含量均显著降低,分别比对照下降11.8%和6.0%;蛋白组分的清蛋白、球蛋白和谷蛋白含量显著降低;面粉的面筋含量、沉降值和降落值均显著下降。小麦花后短暂渍水,会降低籽粒蛋白质产量和组分含量、谷蛋白与醇溶蛋白比、淀粉支直比和含量,但提高了直链淀粉的含量[26]。李金才等[21]研究认为,不同生育期对小麦产量和品质的影响不同,花后渍水对小麦产量和籽粒蛋白含量及品质的影响较其他时期大。本研究的发现与前者不同,拔节期渍水2周,籽粒蛋白含量、面粉蛋白含量和湿面筋含量均增加,但处理组与对照组差异未达到显著水平。这可能由于渍水胁迫导致籽粒千粒重的显著下降进而导致蛋白质和湿面筋含量的相对升高。

蛋白含量的变化可能是改变其他籽粒品质性状的原因。Setter等[27]和黄正金[28]研究认为,拔节至灌浆期渍水降低籽粒和面粉蛋白含量,导致品质特性改变。迟晓元等[29]研究认为,小麦品质特性的变化与蛋白质含量和组分有关。本研究发现,渍水处理籽粒和面粉蛋白质含量增加,可能是导致渍水处理组和对照组的面团流变学特性和3种SRC显著差异的原因之一。面团流变学特性是影响小麦加工品质的重要因素。李诚永等[30]研究发现,花前渍水处理降低了小麦面粉湿面筋含量、粉质和拉伸参数。本研究发现,拔节期渍水对面团特性的峰值时间和峰值面积影响最为显著,渍水导致揉混峰值面积较对照组降低7.49%。面团的峰值时间和峰值面积能够反映面粉中的面筋质量特性,说明渍水不仅影响小麦籽粒品质,还影响其面筋特性,从而影响小麦终端产品的加工品质。

SRC值较面团流变学特性检测相对简便,多用于预测软质和硬质小麦的面粉品质和烘焙特性[31]。在一定范围内,乳酸SRC值与面筋特性显著正相关;蔗糖SRC值与醇溶蛋白特性显著相关;碳酸钠SRC值与破损淀粉含量相关;水SRC值则与面粉组分的综合特性显著相关[32]。拔节期渍水对SRC的影响鲜见报道,本研究发现,处理组的4种SRC值均较对照组降低,其中,乳酸SRC值降低幅度最大,为4.39个百分点,其次是蔗糖SRC值,降低2.68个百分点,水SRC值降低1.05个百分点和碳酸钠SRC值降低0.61个百分点;说明渍水对面筋和醇溶蛋白的特性影响较大。相关性分析结果表明,峰值时间和峰值面积与乳酸SRC值极显著正相关,张勇等[13]的研究认为SRC在一定程度上能反映面团峰值时间和峰值面积特性的变化,因此乳酸SRC值和蔗糖SRC值在渍水胁迫后的变化可以作为品种耐渍性的筛选参数,指示品质特性的变化。

不同小麦品种耐渍性存在较大差异[33-36],按KMeans法[13,35]对34份供试材料进行聚类分析,其中,中等耐渍品种(系)7份,中等敏感型品种(系)22份,耐渍和完全不耐渍的品种(系)相对较少。筛选出的宁麦9号、扬16-157、皖西麦7号、鄂麦6046等4份品质耐渍型品种可作为育种亲本在耐渍性品种选育中加以利用。

4 结论

本研究表明,拔节期渍水影响小麦的千粒重及籽粒品质相关性状,渍水处理使籽粒性状中的千粒重和硬度、面团流变学特性中的峰值面积和峰值时间以及蔗糖SRC值和乳酸SRC值等指标均降低。渍水前后的品质变化及相关性发现,千粒重、蔗糖SRC值和乳酸SRC值可以作为小麦品质耐渍性筛选指标,为小麦耐渍育种及耐渍性筛选提供参考。基于此,本研究筛选出宁麦9号、扬16-157、皖西麦7号和鄂麦6046品质耐渍性较好品种(系),可作为培育耐渍品种(系)加以利用。本研究补充了渍害对小麦拔节期品质相关性状的研究,但关于拔节期渍水对小麦品质影响的机理尚待进一步研究。