磷素水平对小麦突变体农艺性状和品质特性的影响

贾子颖,白 阳,李 刚,刘翔宇,李 诚,李春艳

(1.石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,新疆石河子 832003; 2.新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所,新疆吐鲁番838000)

磷素在小麦生长发育过程中有重要作用。小麦对磷素较为敏感,缺磷会引起干物质下降、分蘖减少和产量降低等问题[1]。而过量施磷则会降低肥料的利用效率,增加生产成本,还可能造成土壤和水体污染[2-3]。新疆小麦生产面临土壤磷素缺乏、利用率低和磷高效小麦种质资源匮乏的问题,生产中常通过大量施用磷肥提高产量。挖掘磷高效种质资源对培育高产、优质、高效小麦品种有重要意义。不同小麦基因型对磷素的响应不同,表现为农艺性状、灌浆特性、产量和品质在不同供磷水平下存在差异[4-6]。小麦籽粒干物质积累主要受灌浆持续时间和灌浆速率影响[7]。旗叶是小麦进行光合作用的重要器官,其叶肉细胞中叶绿素含量和光合速率均较高[8],对籽粒灌浆贡献重大。邱 悦等[9]研究发现,施磷量为105 kg·hm-2最有利于提高旗叶的叶绿素含量和灌浆后期植株的持绿性。在缺磷土壤上施用磷肥能提高分蘖成穗率以及开花后 0～10 d、15～25 d 籽粒灌浆速率,显著提高穗数、穗粒数和千粒重,最终提高产量[10-11]。磷素对小麦籽粒蛋白质含量及组分有重要影响[12],并对淀粉合成特性、淀粉粒形态和品质有显著影响[13]。研究表明,105 kg·hm-2施磷条件下,淀粉合成关键酶基因相对表达量较不施磷和过量施磷提高,胚乳中淀粉粒与蛋白的嵌合度增加,导致淀粉特性发生变化、粒重增加[14]。小麦株高与籽粒磷含量呈显著负相关,而颖壳、穗轴和节间磷含量均与籽粒磷含量呈显著正相关[15]。与磷低效基因型相比,磷高效小麦基因型在磷素匮乏条件下能增强磷代谢,通过改善植株光反应活性和能量代谢提高干物质积累量和籽粒产量[16]。

目前,关于不同施磷量对小麦生长发育效应的研究多以常规品种为材料,有关小麦突变体材料与其野生型此方面的研究尚未见报道。ZC5和ZC7为小麦品种郑麦9023经EMS诱导的脆杆小麦,其植株的根、茎等组织失去韧性,影响根系对水分和营养物质的吸收以及茎叶对营养物质的转运[17]。本研究以郑麦9023及其突变体ZC5和ZC7为供试材料,分析其在三种磷素水平下、不同发育时期的旗叶叶面积、SPAD值、灌浆特性和成熟期农艺性状、千粒重、籽粒淀粉、蛋白质、磷含量等指标,为磷高效型小麦育种提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验材料选用冬小麦品种郑麦9023及其突变体ZC5和ZC7,两个突变体的纤维素含量较郑麦9023显著下降[17]。试验于2019年10月—2020年6月在石河子大学农学院实验站进行,采用随机区组设计,每个处理3次重复,小区面积为2.4 m×3.0 m,行距20 cm,播种量为5.25×106粒·hm-2, 小区间隔离带宽50 cm。

该地块前茬作物为大豆,土壤为灰漠土。0～20 cm土层含有机质15.4 g·kg-1、碱解氮63 mg·kg-1、速效磷15 mg·kg-1、速效钾208 mg·kg-1。试验模拟农业生产上不施磷、常规施磷和过量施磷三种施肥方式,设置3个施磷(P2O5)水平,分别为:0 kg·hm-2(对照,P0)、105 kg·hm-2(常规施磷,LP)和210 kg·hm-2(过量施磷,HP)。所用磷肥为过磷酸钙,含P2O515.75%。施肥方式为条施,在播种后160 d(大约5%的植株已返青)施入。播种时基施尿素75 kg·hm-2,在拔节期、抽穗期和扬花期分别随水滴施45、75和 120 kg·hm-2尿素。灌溉方式为滴灌,冬前浇水3次,返青至成熟期每隔10～12 d浇水1次,共浇6次。其他田间管理措施同当地大田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 旗叶叶面积和SPAD值测定

开花后每隔7 d测定一次旗叶的长、宽,直至开花后35 d,每个处理选择10片叶。籽粒灌浆后期部分旗叶开始卷曲变干,取样时随机选择10片展平持绿叶片。旗叶叶面积=旗叶长×旗叶宽×0.83。

从孕穗期开始利用SPAD-502叶绿素仪测定10片旗叶SPAD值,每隔7 d测定一次,直至开花后35 d[18]。

1.2.2 灌浆特征参数测定及计算

开花后标记长势、花期一致的主茎穗,每隔7 d取一次样,每次摘取20穗,至开花后35 d,剥取穗中、上部籽粒,测千粒重;用Logistic方程对灌浆过程进行拟合,并将灌浆过程分为三个阶段:渐增期、快增期和缓增期,计算相关灌浆参数[19]。

1.2.3 籽粒淀粉含量测定

取1.2.3中20穗全部籽粒,烘干后粉碎,用分光光度计法测定淀粉含量[20]。

1.2.4 籽粒蛋白质含量测定

通过DA7250型近红外光谱谷物品质分析仪(Perten,瑞典)测定成熟期小麦籽粒蛋白含量,扫描波长850～1 050 nm,步长为2 nm,具体操作过程参考仪器说明书。

1.2.5 籽粒磷含量测定

取成熟期籽粒烘干、磨细后用消化、滴定法测磷含量,比色波长700 nm[21]。

1.2.6 农艺性状测定

成熟期每个小区选取10株长势均匀的植株进行考种,测株高、穗粒数、有效小穗数,按小区收获后测千粒重。

1.3 数据处理

所有数据均重复3次。采用Excel 2022、SPSS 25.0和Origin 2021进行数据、方差与相关性分析,多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 施磷量对小麦旗叶面积的影响

由表1可知,除花后7 d,基因型对各时期旗叶叶面积均有显著或极显著影响;除花后21 d,磷水平对各时期旗叶叶面积均有显著影响;基因型与磷素互作仅对孕穗期旗叶叶面积有极显著效应。孕穗期,郑麦9023的HP处理旗叶面积最大,ZC5 的HP处理最小;花后7 d,ZC7 的HP处理和郑麦3023的 P0处理叶面积显著低于其LP处理,其余处理间差异均不显著;花后14～35 d,各处理间均以ZC7的LP处理旗叶面积最大。

表1 三种磷水平下不同小麦基因型的旗叶面积

2.2 施磷量对小麦旗叶SPAD值的影响

如表2所示,除花后28 d,基因型对各时期旗叶SPAD值均有极显著影响;磷水平对各时期旗叶SPAD值均有显著或极显著影响;基因型与磷素互作仅对孕穗期和花后7 d旗叶SPAD值有极显著效应。孕穗期、花后7 d、14 d和21d郑麦9023的旗叶SPAD值整体高于ZC5和ZC7。孕穗期到花后35 d,同一基因型、三种磷处理间比较,除郑麦9.23孕穗期外,3个基因型LP处理的SPAD值均高于HP和P0,部分处理间差异显著。

表2 三种磷水平下不同小麦基因型的旗叶SPAD值

2.3 施磷量对小麦籽粒淀粉含量的影响

除花后35d,基因型对各时期籽粒淀粉含量均有显著或极显著影响;磷水平对花后7 d和14 d籽粒淀粉含量有极显著影响;除花后7 d,基因型与磷素互作对各时期籽粒淀粉含量均有显著效应(表3)。花后7 d和14 d,三种磷处理下ZC7籽粒淀粉含量整体高于其他两个基因型;花后21 d、28 d和35 d,三个磷处理下郑麦9023籽粒淀粉含量整体高于ZC5和ZC7,其中ZC5 的HP、ZC7的 P0和LP与郑麦9023的P0、LP之间差异不显著,但高于同一时期的其他处理。

表3 三种磷水平下不同小麦基因型的籽粒淀粉含量

2.4 施磷量对小麦灌浆特性的影响

通过Logistic方程分析不同磷素供应下ZC5、ZC7和郑麦9023的籽粒灌浆特征参数,由表4可知,籽粒最大灌浆速率出现在花后14.04 ～16.964 d,ZC5早于郑麦9023 1 d左右。ZC5和郑麦9023的LP和HP处理的最大灌浆速率出现时间均早于其P0处理;三种基因型的LP和HP处理最大灌浆速率和平均灌浆速率均高于P0。

表4 基因型和磷处理对小麦灌浆速率的影响

对灌浆特征值分析发现(表5),三个基因型在不同磷处理下渐增期天数为9.090～10.275 d,灌浆速率为0.965～1.172 g·d-1,千粒重增长量为8.774～11.438 g;快增期天数为9.902～13.507 d,灌浆速率为2.148～2.534 g·d-1,千粒重增长量为23.987～31.171 g;缓增期天数12.344～16.807 d,灌浆速率为0.514～0.713 g·d-1,千粒重增长量为7.214～10.755 g;整个灌浆期灌浆平均速率为1.274～1.401 g·d-1。ZC7 的LP处理渐增期持续时间最长且籽粒干物质积累量最多,P0的灌浆速率最大;ZC7 的P0和郑麦9023的 P0快增期持续时间最长;ZC7 的P0缓增期持续时间最长;ZC5 的HP处理灌浆速率最大;整个灌浆过程,平均灌浆速率最大的是郑麦9023的HP处理。

表5 基因型和磷处理对灌浆速率的影响

小麦籽粒千粒重均呈“慢-快-慢”的变化趋势(图1)。P0、LP和HP处理对ZC5千粒重的贡献率分别为35.5%、31.5%和33.1%,对ZC7千粒重的贡献率分别为32.7%、34.4%和33.0%,对郑麦9023千粒重的贡献率分别为32.2%、34.5%和33.4%,HP对粒重的贡献率在基因型之间差异不大。

图1 不同基因型千粒重的增长进程

2.5 施磷量对小麦籽粒蛋白质含量的影响

由图2可见,基因型、磷水平及其二者的互作对小麦籽粒蛋白质含量均存在显著影响。郑麦9023和ZC5籽粒蛋白质含量在三个磷水平间差异不显著;ZC7的 HP处理籽粒蛋白质含量显著高于P0和LP处理,P0显著高于LP处理。相同P0和HP水平下,ZC7籽粒蛋白质含量均显著高于郑麦9023和ZC5。不同处理间比较,以ZC7 的HP处理籽粒蛋白质含量最高。

G:基因型; P:磷水平。图柱上不同字母表示处理间差异显著。下同。

2.6 不同施磷量对小麦籽粒磷含量的影响

基因型和磷处理对小麦籽粒磷含量存在极显著影响,二者互作效应不显著(图3)。成熟期郑麦9023籽粒磷含量在LP和HP水平下显著高于P0;ZC5籽粒磷含量在HP水平下显著高于P0和LP;ZC7籽粒全磷含量在LP水平下显著高于P0;所有处理比较,ZC7的LP籽粒磷含量最高。

图3 不同磷素下不同小麦基因型的籽粒磷含量

2.7 施磷量对小麦农艺性状的影响

基因型对株高、穗粒数、有效小穗数和千粒重存在极显著影响;基因型与磷水平互作效应对成熟期千粒重存在显著影响,对株高、有效小穗数和穗粒数影响不显著。磷处理对成熟期的小麦株高、穗粒数、有效小穗数和千粒重影响均不显著。成熟期相关农艺性状分析表明,以ZC7 的LP处理株高、有效小穗数和穗粒数最高,且显著高于ZC5和郑麦9023(图4)。千粒重以郑麦9023 的P0处理最高。同一基因型不同处理比较,ZC7 的LP处理株高显著高于HP和P0处理,LP处理的穗粒数显著高于HP处理,LP处理的千粒重显著高于P0处理;郑麦9023 的HP处理穗粒数显著高于P0处理;ZC5 的HP处理千粒重显著高于P0和LP处理。

图4 不同基因型和磷水平下的株高、有效小穗数、穗粒数及千粒重

2.8 不同小麦性状的相关性分析

对小麦灌浆参数与籽粒蛋白质含量、淀粉含量、全磷含量以及农艺性状进行相关分析,由图5可以看出,渐增期灌浆速率与旗叶叶面积、SPAD值、株高、穗粒数、有效小穗数和千粒重均呈极显著正相关,快增期持续时间、缓增期持续时间、渐增期积累量、快增期积累量、缓增期积累量、旗叶叶面积和SPAD值均与株高和穗粒数呈极显著正相关,籽粒淀粉含量与千粒重呈显著正相关。

V1渐增期灌浆速率;V2快增期灌浆速率;V3缓增期灌浆速率;T1:渐增期持续时间;T2:快增期持续时间;T3:缓增期持续时间;Y1:渐增期积累量;Y2:快增期积累量;Y3:缓增期积累量。

3 讨论

3.1 施磷量对小麦旗叶的影响

旗叶是小麦进行光合作用的重要器官,叶片SPAD值可以反映叶绿素含量。随着施磷量增加,小麦旗叶SPAD值呈先升高后降低的趋势[22]。磷可减缓花后小麦叶绿素的降解,有效延缓植株生长后期的衰老[23]。也有研究表明,增施磷肥对旗叶SPAD值存在负效应[24]。本研究中,基因型对小麦孕穗期和花后旗叶SPAD值有极显著影响。胡炜晨[17]对ZC5与郑麦9023的差异基因进行富集分析发现,根据显著性排序的前三位分别为卟啉和叶绿素代谢、光合生物体中的碳固定和碳代谢。推断突变体基因型纤维素合成相关基因的突变可能会影响小麦叶片卟啉和叶绿素代谢过程,进而影响旗叶SPAD值。关于此方面的研究尚需进一步深入。

3.2 施磷量对小麦灌浆特性的影响

增施磷肥使小麦灌浆高峰期提前[25];籽粒渐增期和快增期的持续时间、最大灌浆速率与施磷量成正比[26]。研究表明,水稻穗长和一次枝梗结实率与大维管束数和木质部面积呈极显著正相关,整穗结实率与大维管束数、大维管束面积和木质部面积呈极显著正相关[27]。本研究中,突变体的植株厚壁组织和维管束解剖结构与野生型的存在明显差异[17]。解剖结构的变化必定影响植物体内同化产物的运输和分配,特别是“流”作为连接植物“源”和“库”的枢纽,对营养物质的运输和积累有决定性作用。这可能是本研究中不同施磷量下灌浆特征参数与以往研究结果[25-26]存在差异的重要原因。

以往研究表明,籽粒渐增期灌浆速率、最大灌浆速率、平均灌浆速率均与千粒重呈极显著正相关[28-29]。本研究中,ZC7千粒重高于ZC5和郑麦9023,施磷后ZC7籽粒灌浆渐增期和快增期持续时间均长于ZC5和郑麦9023。结合相关分析的结果,进一步证明小麦籽粒灌浆渐增期和快增期持续时间对粒重有重要贡献。

与其他处理相比,ZC5的HP处理最大灌浆速率最高,但千粒重低于ZC7和郑麦9023,可能是由于渐增期、快增期和缓增期持续时间均小于ZC7和郑麦9023。结合方差分析和相关分析的结果,说明提高最大灌浆速率并不一定能增加粒重,需同时延长灌浆持续时间。

3.3 不同施磷量对小麦品质和农艺特性的影响

纤维素和淀粉同属于多糖类物质,淀粉是构成粒重的主要成分。本研究中,ZC7千粒重最高,其次是郑麦9023和ZC5;而纤维素含量则为郑麦9023最高,其次为ZC7和ZC5[17]。花后7～14 d,三个磷处理下ZC7籽粒淀粉含量均高于郑麦9023,而成熟期P0和LP处理淀粉含量却低于野生型。处理ZC7的粒重高于其野生型,说明可能存在某种补偿机制,在一定程度上降低纤维素含量却能促进淀粉的积累。三个磷处理下ZC7的籽粒蛋白含量均最高,说明蛋白的积累对粒重有积极作用。

磷肥主要通过增加穗粒数和千粒重提高产量[30]。也有研究认为,施磷量的增加对小麦籽粒产量无明显正效应,但地上部生物量和穗粒数均明显降低,千粒重和收获指数明显增加,磷肥可促进干物质向籽粒转移,增加籽粒饱满度[31]。本研究中,ZC7株高和有效小穗数均显著高于ZC5和郑麦9023,地上部生物量较高,其LP处理的穗粒数显著高于HP,千粒重显著高于P0。说明较高的光合同化产物、花后28 d相对较高的旗叶SPAD值以及较长的缓增期持续时间,以及上述提及的补偿效应,共同造就了ZC7相对野生型更高的粒重。同时也发现,三个基因型对磷素的敏感性不同,并非磷素越多越好。

胡炜晨等[17]的研究表明,禾本科细胞壁遗传调控网络比较复杂,纤维素含量的降低并不会导致某个农艺性状发生显著改变。本研究中,成熟期以ZC7的LP处理株高、有效小穗数和穗粒数最高,且显著高于ZC5和郑麦9023(图4)。说明磷营养对农艺性状有重要调控作用,在改良小麦细胞壁成分的过程中,不同类型的细胞壁合成成员突变类型不同,可以为我们提供更多揭示营养物质吸收利用、多糖类物质代谢差异等丰富的变异资源,培育高效、绿色、高产优质的种质资源提供了可能。

4 结论

ZC5为磷敏感基因型,施磷可提早ZC5最大灌浆速率出现日期,提高最大灌浆速率和平均灌浆速率,且随着施磷量的增加籽粒蛋白质和全磷含量增加。纤维素合成相关基因突变对旗叶SPAD值、叶面积、籽粒淀粉含量、蛋白质含量、全磷含量、株高、有效小穗数、穗粒数和千粒重均存在显著影响。改良小麦细胞壁成分可以为小麦育种提供丰富的遗传变异资源。