离体穗培养条件下C、N供给对小麦穗粒数、粒重及蛋白质含量的影响

杨 茂，黄 琴，张 震，刘 洋，王志敏，张英华

(中国农业大学农学院，北京 100193)

小麦是我国重要的粮食作物之一，其产量的提高对促进国民经济发展具有重要意义。随着我国人民生活水平逐渐提高，消费者对小麦品质有了更高的要求。小麦产量由穗数、穗粒数和粒重三个因素构成，三者之间具有负相关性，只有当三因素协调发展时，小麦才可能获得高产[1-2]。在高种植密度条件下，小穗第3、第4位小花以及基部与顶部小穗第1、第2位小花结实率下降，从而导致小麦穗粒重和穗粒数随着种植密度的增加而下降[3]，因此高种植密度下进一步提高小麦产量需要增加穗粒数和粒重。小麦穗粒数主要与花前同化物积累分配有关，粒重则主要与花后同化物的积累分配有关，在小麦同化物量一定的情况下，穗粒数和粒重相互消长[4]。开花后的早期阶段(籽粒形成期)是决定穗粒重的关键时期，此期蔗糖供给量的变化对穗粒数和粒重均有显著调控作用[5]。目前关于蔗糖供应对穗粒数和粒重的调控潜力的研究鲜见报道。

小麦籽粒蛋白质含量主要受基因、环境、管理措施及其互作的影响。在管理措施中，氮肥被普遍认为是对籽粒蛋白质含量最具影响力的因子。增施氮素能提高小麦籽粒蛋白质含量，且籽粒蛋白质含量随氮浓度的增大而持续增加[6]。而周洪华等[7]研究表明，离体培养下小麦籽粒蛋白质含量与氮素浓度呈极显著的二次曲线关系。小麦蛋白质合成除了受到源的限制外，籽粒淀粉积累、籽粒大小等与库相关的因素也影响了其生物合成[8]。因此，在充足的氮源供给条件下，探究籽粒蛋白质合成潜力对实际生产具有重要意义。

在大田条件下，田间环境复杂多变，且因素间交互影响，小麦植株器官之间物质、能量、信息相互交错，使得在大田环境中具体研究某一特定因素对作物的影响比较困难，而离体穗培养技术可通过人为地控制培养基中物质供应浓度来考察库的反应，恰好可以弥补这个缺点[9]。因此，本研究通过离体培养，控制小麦“碳源”(培养基中的蔗糖)和“氮源”(培养基中的硝酸铵)，探究C、N供给时期和供给水平对小麦籽粒建成及蛋白质含量的影响，以期为小麦高产优质生产提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017-2018年在中国农业大学科学园试验田进行。供试小麦品种为济麦22，于2017年10月30日播种，进行正常的田间水肥管理，在2018年小麦抽穗期选择抽穗程度一致、生长整齐的植株挂牌标记，于开花期、花后7 d取样进行离体穗培养。

1.2 离体培养方法及试验设计

离体穗培养的方法采用Singh和Jenner改良法[10]。取样时，选取田间标记的植株，从基部斜45度剪断，插入水中，带回实验室。将此离体带穗茎段，去掉旗叶(保留旗叶鞘)，将整穗先用70%酒精浸泡半分钟，然后用次氯酸钠(含0.5%有效氯)表面灭菌10 min，再用无菌水冲洗3～4次，在茎段插入培养基之前于灭菌水中将旗叶节下的节间剪去2 cm，离体茎段通过棉塞插入带培养基的玻璃瓶中，穗器官露出瓶外。培养容器选择500 mL广口瓶，盛放400 mL培养液，每瓶培养7穗。培养瓶置于1～2 ℃的低温冰台上，低光强(不低于80 μmol·m-2·s-1)下培养，每日光照12～16 h。

(1)蔗糖供给试验：培养液采用无N培养基[11]，培养液pH值为5，硝酸铵浓度为1.14 g·L-1，蔗糖浓度设20、40和80 g·L-1三个水平，分别用C1、C2、C3表示。

(2)N供给试验：蔗糖浓度为40 g·L-1，硝酸铵浓度为0.57、1.14、2.28和4.56 g·L-1四个水平，分别用N1、N2、N3、N4表示。

两个实验中每个处理重复3次。每隔5 d更换一次培养液，每次换液时将浸液节间剪去约 2 cm(蒸馏水液面下进行)。培养结束后，考种，测定籽粒蛋白质含量。

1.3 分析测定项目及方法

籽粒成熟期收获，每个处理每个重复各取5个穗，考察其每个小穗位强势粒和弱势粒数量。将籽粒按小穗位分装在种子袋中，于80 ℃烘箱烘干至恒重，称量各小穗位的强势粒重及弱势粒重，粉碎。粉碎后的样品采用半微量凯氏定氮法测定小籽粒含氮量，再乘以蛋白质系数6.25，换算成籽粒蛋白质含量。

1.4 数据分析方法

采用Excel2010进行数据处理用DPS数据处理系统进行方差分析，用Duncan新复极差法检测差异显著性。

2 结果与分析

2.1 离体穗培养下C、N供给对小麦穗粒数的 影响

2.1.1 C供给对小麦穗粒数的影响

开花期开始培养的小麦穗粒数随蔗糖浓度的增加而增加(表1)，C3处理的穗粒数、强势粒数、弱势粒数较C1处理分别增加23.5%、 5.7%和100.0%。C3处理对小麦穗粒数的促进作用主要表现在增加了穗基部第1、第2小穗位和顶部第14～第19小穗位的强势粒数(图1A)，并增加了各小穗位弱势粒数(图1B)。

表1 不同C供给水平下小麦穗粒数、粒重、蛋白质含量及蛋白质积累量的变化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开始培养的小麦穗粒数在不同蔗糖处理间差异不显著，各小穗位的强势和弱势粒数均无明显变化规律(图1C和图1D)。在C1、C2、C3处理下，花后7 d培养的小麦穗粒数相比于开花期培养的麦穗分别降低3.07%、8.07%、 17.24%，说明开花期外源碳供给对小麦穗粒数的调节效果较显著，且随着碳浓度的增加而增强。

2.1.2 N供给对小麦穗粒数的影响

开花期培养的小麦穗粒数随着N浓度升高呈先增后减的趋势(表2)，以N3处理最多。N3处理的穗粒数、强势粒数、弱势粒数相比于N1处理分别增加了8.2%、3.4%和24.5%；N4处理的穗粒数、强势粒数、弱势粒数相对于N3处理分别下降11.6%、4.8%和29.6%。N3处理的强势粒数显著高于其他处理，主要在于N3处理第2、第16、第17、第19小穗位的强势粒数较其他处理多(图2A)，而该处理下第6～第14小穗位的弱势粒数均高于其他处理，从而导致N3处理的弱势粒数也显著高于其他处理；N4处理的弱势粒数显著低于其他处理是由于其第4～第10小穗位的弱势粒数均低于其他处理(图2B)。由此可见，N对小麦弱势粒数的调控作用大于强势粒数，高浓度N供应对小麦穗粒数的抑制作用主要在于其阻碍了小麦弱势粒的形成。

表2 不同N供给水平下小麦穗粒数、粒重、蛋白质含量及蛋白质积累量的变化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时小麦籽粒已形成，N供应对花后7 d开始培养的小麦穗粒数无显著影响(表2)。各处理的强势粒数从第1小穗位到第3小穗位逐渐增加，在第3～第16小穗位基本稳定，之后随小穗位的提高而减少；弱势粒数则表现为从第1～第14小穗位呈先增后减趋势。

2.2 离体穗培养下C、N供给对小麦粒重的影响

2.2.1 C供给对小麦粒重的影响

随着蔗糖浓度的增加，小麦强势粒重、弱势粒重及平均粒重显著增加(表1)。当蔗糖浓度由20 g·L-1增加到40 g·L-1时，开花期培养的小麦强势粒重、弱势粒重和平均粒重分别增加 42.9%、81.9%和53.1%，花后7 d培养的小麦分别增加22.1%、42.7%和28.2%；当蔗糖浓度由40 g·L 1增加到80 g·L-1时，开花期培养的小麦强势粒重、弱势粒重和平均粒重分别增加 21.6%、19.3%和20.8%，花后7 d培养的小麦分别增加9.8%、11.4%和10.3%。可见，开花期增加蔗糖供给对粒重的调控效应强于花后7 d，且弱势粒重对糖供应更敏感。

开花期开始培养的小麦强势粒重从穗基部到穗顶部呈现出先上升后下降的趋势，以穗中部的强势粒重最高，C3处理下弱势粒重随小穗位的上升呈现出下降趋势，而其他两个处理变化与强势粒重的变化趋势相似(图3)。花后7 d开始培养的小麦强、弱势粒重与开花期培养小麦的强势粒重变化趋势相似。小麦不同小穗位的强势粒重和弱势粒重均随着蔗糖浓度升高而增加，蔗糖浓度由20 g·L-1升至40 g·L-1时，粒重增幅较大，继续升高到80 g·L-1时则增幅减小。

2.2.2 N供给对小麦粒重的影响

开花期培养的小麦平均粒重、强势粒重和弱势粒重随着N浓度的增加呈先增后减的变化趋势，均以N3处理的粒重最高(表2)。N3处理的强势粒重、弱势粒重、平均粒重相对于N1处理分别增加5.2%、18.0%和10.2%；N4处理的强势粒重、弱势粒重、平均粒重相对于N3处理分别降低19.2%、18.9%和19.0%。N3处理粒重较高的原因主要是该处理下第11～第18小穗位的强势粒重(图4A)以及第9～第15小穗位的弱势粒重较其他处理高(图4B)。平均粒重和强势粒重均以N4处理显著低于其他处理，而弱势粒重以N1和N4处理较其他处理显著降低，说明开花期小麦弱势粒重受N浓度的影响较大，该时期氮素不足或过高均会造成弱势粒重的显著降低，氮素不足(N1)造成了第1～第5小穗位及第13～第15小穗位弱势粒重降低，氮素过高(N4处理)则导致第1～第12小穗位弱势粒重均降低(图4B)。

花后7 d开始培养的小麦粒重以N2处理相对较高，但N1、N2、N3处理之间差异不显著，三者均显著高于N4处理，N4处理相对于N2处理强势粒重、弱势粒重、平均粒重分别降低17.6%、43.0%和27.1%(表2)。N4处理各小穗位的强势粒重以及第2～第12小穗位弱势粒重均低于其他处理，导致其平均强弱势粒重均低于其他处理(图4C、图4D)。N1处理的第1～第11小穗位强势粒重低于N2处理，除第8、第12、第18小穗位外其余小穗位的强势粒重均低于N3处理(图4C)，导致N1处理平均强势粒重显著低于N2、N3处理。N3处理弱势粒重显著低于N1、N2处理，主要由于N3处理下第3、第9、第10小穗位以及第12～第14穗位的弱势粒重低于N1处理，第2～第5小穗位以及第7、第12、第13小穗位的弱势粒重低于N2处理(图4D)。可见，花后7 d氮素不足或过高均不利于小麦粒重提高，且弱势粒重对高氮素浓度反应更敏感。

2.3 离体穗培养下C、N供给对小麦穗粒重的 影响

由表1可知，开花期培养的小麦穗粒重随着蔗糖浓度的增加而增加，不同处理间差异均达到显著水平。花后7 d开始培养的小麦穗粒重也随蔗糖浓度的增加而增加，但C2、C3处理间无显著差异，二者显著高于C1处理，说明开花期增加蔗糖供给调控穗粒重的效果更显著。从穗粒数和穗粒重的增幅来看，穗粒重的增幅明显大于穗粒数的增幅，可能C供给对穗粒重的影响更大。

从表2中可以看出，两个时期培养的小麦穗粒重随着N浓度的增加而呈先增后减的变化趋势，以N3处理的穗粒重最高；N4处理穗粒重下降主要由于穗粒数和粒重均低于其他处理，且粒重降幅大于穗粒数降幅。总之，N浓度过高不利于穗粒重的提升。

2.4 离体穗培养下C、N供给对小麦籽粒蛋白质含量的影响

2.4.1 C供给对小麦籽粒蛋白质含量的影响

在离体穗培养条件下，小麦籽粒蛋白质含量随着蔗糖浓度的升高而下降，两个时期培养的小麦的处理间差异均达到显著水平(表1)。当蔗糖浓度由20 g·L-1增加到40 g·L-1时，开花期及花后7 d开始培养的小麦籽粒蛋白质含量分别下降28.9%和26.3%；当蔗糖浓度由40 g·L-1增至80 g·L-1时，二者分别下降36.9%和 33.9%。由此可见，过高的外源碳供应对小麦籽粒蛋白质含量提升不利。不同穗位籽粒的蛋白质含量均表现为随着蔗糖浓度的升高而下降，且同一处理不同小穗位之间无明显差异(图5)。

2.4.2 N供给对小麦籽粒蛋白质含量的影响

不同时期培养的小麦籽粒蛋白质含量随着N浓度增加而增加(表2)，各小穗位籽粒表现一致，无明显差异(图6)。开花期开始培养的小麦籽粒蛋白质含量在不同处理间均差异显著，N2处理较N1处理增加了43.7%，N3处理较N2处理增加了49.7%，N4处理较N3处理增加了48.2%。花后7 d开始培养的小麦籽粒蛋白质含量随着N浓度的升高也显著增加，N2处理较N1处理增加了28.9%，N3处理较N2处理增加了48.9%，N4处理较N3处理增加了34.2%。可见，增加氮素供给可显著提高籽粒蛋白质含量，且开花期调控效果较好。

2.5 离体穗培养下C、N供给对小麦籽粒蛋白质积累量的影响

2.5.1 C供给对小麦籽粒蛋白质积累量的影响

离体穗培养条件下，小麦籽粒蛋白质积累量随着蔗糖浓度的升高而下降，两个时期C3处理均显著低于C1和C2处理，C1、C2处理间无显著性差异(表1)。当蔗糖浓度由20 g·L-1增加到40 g·L-1时，开花期开始培养的小麦及花后7 d开始培养的小麦籽粒蛋白质积累量分别下降 0.3%和5.8%；当蔗糖浓度由40 g·L-1增加到80 g·L-1时，二者分别下降26.5%、31.1%。由此可见，增加蔗糖供给不利于籽粒蛋白质的积累，高糖(C3处理)影响更显著。

在外源C供应条件下，小麦籽粒蛋白质积累量从穗基部到穗顶部整体呈现出先升后降的趋势，麦穗蛋白质积累量表现为穗中部>穗基部>穗顶部(图7)。开花期开始培养的小麦的C3处理各小穗位的蛋白质积累量均低于C1、C2处理，C1处理从第12～第18小穗位的蛋白质积累量均略高于C2处理；花后7 d开始培养的小麦各小穗位籽粒蛋白质积累量均随蔗糖浓度的增加而下降，且以高糖处理(C3处理)降幅较大。

2.5.2 N供给对小麦籽粒蛋白质积累量的影响

不同时期培养的小麦籽粒蛋白质积累量均表现为随着N浓度增加而增加(表2)。开花期开始培养的小麦蛋白质积累量在不同处理间差异均显著，N2处理较N1处理增加42.8%，N3处理较N2处理增加51.3%，N4处理较N3处理增加24.7%。花后7 d开始培养的小麦的N2处理籽粒蛋白质积累量较N1处理增加了45.3%，N3处理较N2处理增加了39.9%，N4处理较N3处理增加了9.3%，且只有N4处理与N3处理间无显著性差异。由此可知，过高的N素投入对小麦籽粒蛋白质合成的促进作用并不会持续地增加。

两个时期培养的小麦各小穗位的籽粒蛋白质积累量随着N浓度的增加而增加，麦穗蛋白质积累量表现为穗中部>穗基部>穗顶部(图8)。

3 讨 论

在小麦生长发育过程中，很多因素制约着小麦高产优质，如穗粒数与粒重的矛盾、粒重与蛋白质含量的矛盾。前人对小麦离体培养的研究结果显示，随着蔗糖浓度的上升，穗结实率和粒重增加，但蔗糖浓度超过4%时，均开始下降[12-13，5,14]。本研究中，在高蔗糖(80 g·L-1)供应下，开花期培养的小麦穗粒数和粒重均显著增加，并未显示出下降趋势(表1)，高蔗糖处理增加了小麦的弱势粒数及穗顶部的强势粒数，也增加了各小穗位的强弱势粒重，且弱势粒增幅大于强势粒(图1、图3)。增加蔗糖供应对花后7 d培养的小麦穗粒数无显著影响(表1)，与前人研究结果相一致，小麦开花后的小花退化(主要是第3、第4位花退化)发生在开花后的4～5 d内，在此期间增加同化物供给可以减少小花退化，增加结实率，但开花后第5天以后，增加同化物供给已不能增加穗粒数[15]。花后7 d增加蔗糖供应可显著增加粒重，但粒重增幅小于开花期培养的小麦(表1)，说明开花期小麦对蔗糖供应的响应较花后7 d敏感。在相同蔗糖浓度下，开花期开始培养的小麦穗粒数高于花后7 d培养的小麦，但粒重以花后7 d开始培养的小麦高于开花期培养的小麦(表1)，说明小麦穗粒数和粒重的调控是存在矛盾的，这可能与小麦穗粒数和粒重的发育顺序有关，即小麦穗粒数的形成先于粒重[2]。小麦穗粒重随培养基C、N浓度的增加而增加，但高氮下穗粒重显著降低，且穗粒重受粒重的影响较大，主要由于粒重的变幅大于穗粒数的变幅(表1、表2)。

氮是植物生长发育过程中必需的大量元素，对小麦产量的形成具有重要意义。研究显示，小麦穗粒数随着氮素浓度升高呈先增后减的趋势，在氮素浓度为0.06%时穗粒数达最高[7,16]。也有研究表明，氮素浓度为0.064%时，穗粒数显著减少[17]。外源氮可促进离体穗干物质的积累[18-19]，随着培养基N浓度的增加，粒重表现为先升高后降低的趋势[12,20]。本研究中，开花期开始培养的小麦穗粒数和粒重随着N浓度的增加也呈现先增后降的趋势，以N3处理最高，继续增加N供给，穗粒数和粒重显著下降(表2)，主要由于高N处理(N4)抑制了麦穗中部的弱势粒形成(图2)。花后7 d，小麦籽粒已形成，所以在该时期氮素的供应水平并未对穗粒数造成显著影响，但高氮处理显著降低粒重，且以弱势粒降幅较大(表2)。两个时期比较，开花期氮素供应水平对小麦粒重的影响较花后7 d培养的小麦大，较低或过高的氮素水平都不利于粒重的提高，N3处理对小麦粒重的提高主要表现在其促进了小麦穗中上部的强势粒重和弱势粒重的增加，而N4处理导致了各个穗位的强、弱势粒重均低于其他处理(图4)，因而平均粒重显著下降。

蛋白质含量是影响小麦面粉品质特性的关键性状[21-22]，因此对小麦蛋白质含量的研究具有重要意义。前人研究表明，籽粒蛋白质含量表现为随蔗糖浓度增大而持续降低[12]，随氮素浓度的增加而增加[7,12,23]。在本研究也显示，小麦籽粒蛋白质含量随着蔗糖浓度的增加而持续下降，但在一定范围内(蔗糖浓度≤40 g·L-1)蔗糖浓度的增加对籽粒中蛋白质的积累量并无显著影响，说明粒重的增加对小麦蛋白质含量有稀释作用；蔗糖浓度过高(蔗糖浓度≥80 g·L-1)则不利于籽粒中蛋白质的合成。随着硝酸铵浓度的增加，小麦的蛋白质含量和蛋白质积累量持续增加，说明小麦籽粒对氮素的吸收是相对不受限制的[24]。但由于高浓度的氮素供给会对小麦粒重的形成造成不利影响，且在花后7 d开始培养的小麦中，N4处理的蛋白质积累量较N3处理增幅小，差异不显著，说明若再持续增加氮素浓度，由于粒重的限制，蛋白质含量可能不会再增加。

综上，离体穗培养条件下，C、N的供给水平对小麦穗粒数、粒重及蛋白质含量的调控作用明显，以开花期增加C、N供给增粒增重效果较显著，以弱势粒反应更敏感。此外，穗粒数与粒重、粒重与蛋白质含量的调控是具有矛盾性的，对穗粒数与粒重的调控应具有一定的顺序性，在小麦产量形成关键期应保证有充足的同化物供应给籽粒，使穗粒数与粒重的乘积达最大；对小麦粒重和蛋白质的调控则涉及到小麦内部碳氮代谢的强弱程度，如何使其达到内部协调、平衡发展仍需进一步研究。