不同蛋白质含量小麦品质特性对氮肥的响应及其生理机制

【摘要】：本研究采用大田和盆栽试验相结合的方式进行。大田试验以河南省当前推广的10个蛋白质含量存在差异的小麦品种(6个高蛋白质含量品种和4个低蛋白含量品种)为材料,在郑州、南阳和信阳3个地点,设置4个氮肥水平(0、120、225和330 kg/hm~2),系统分析了基因型、环境和不同氮肥水平对小麦产量、氮肥利用效率和品质性状的影响。盆栽试验以大田试验中2个蛋白质含量差异显著的小麦品种(高蛋白质含量品种宛麦16和低蛋白质含量品种洛麦24)为材料,设置3个氮肥水平(0、120和330 kg/hm~2),系统研究了氮肥水平对小麦灌浆期GS基因表达水平、GS酶活性和籽粒蛋白质、GMP含量的积累动态的影响。两个试验相结合,旨在探讨氮代谢的分子和生理机制、氮代谢与籽粒品质形成的关系及其对氮肥水平的响应,为小麦高产和品质调优以及氮肥高效运筹提供理论依据。主要研究结果如下:一、环境和基因型对小麦籽粒产量和品质的调控效应品种、地点和氮肥对小麦籽粒产量、氮肥利用效率、营养品质和加工品质均有显著的影响,且存在显著的互作效应;其中,籽粒产量、氮肥利用效率、淀粉含量和特性受地点调控效应较大,蛋白质、球蛋白、醇溶蛋白和麦谷蛋白的氮肥效应最大,而面粉粉质特性和清蛋白含量则主要受品种遗传特性的控制。此外,小麦籽粒中氨基酸及组分含量也受3个因子及其互作效应的显著影响,而氨基酸评价值EAAI和PDCAAS受品种和氮肥水平主效应以及品种×地点和地点×氮肥互作效应的显著影响。在3个因素中,环境对小麦籽粒氨基酸含量和组成的调控效应远大于基因型;其中,地点对小麦籽粒中赖氨酸、苏氨酸、异亮氨酸和EAA含量的影响最大,而亮氨酸、苯丙氨酸、TAA则受氮肥水平的调控效应最大。因此,在小麦品种改良和栽培管理中应充分考虑实际生产中各因子的调控效应,以实现小麦优质高效的生产目标。二、不同类型小麦品种产量和氮肥利用效率的差异及其对施氮水平的响应小麦产量在两种品种类型间无显著差异,但低蛋白质含量品种的氮肥农学利用效率显著高于高蛋白质含量品种。增施氮肥显著提高了籽粒产量,但却显著降低了氮肥偏生产力和农学利用效率。综合产量和氮肥利用效率,3个地点在施氮量为120kg/hm~2可使两类小麦品种获得高产。从产量构成因素看,增施氮肥条件下小麦产量的提高主要是由穗数和穗粒数的增加造成的。此外,不同类型小麦品种在花后籽粒干物质积累和灌浆速率方面亦存在差异,这是导致籽粒蛋白质含量差异的根本原因。三、不同类型小麦品种籽粒氨基酸组成的差异及其对氮肥水平的响应高蛋白质含量品种具有较高的必需氨酸组分含量、EAA、TAA和EAAI,且在南阳点差异均达到显著水平,而信阳点仅赖氨酸和苏氨酸的差异达到显著水平。增施氮肥显著提高了籽粒中各氨基酸组分的含量,但使EAAI和PDCAAS显著下降;其中,低蛋白质含量小麦品种具有较高的氮肥利用效率。综合各氨基酸组分含量和评价指标可得,南阳和信阳分别在施氮肥为225 kg/hm~2和120 kg/hm~2条件下获得了较高的籽粒营养品质。四、氮肥水平对小麦籽粒蛋白质和淀粉含量及加工品质的影响提高氮肥水平可显著促进籽粒中蛋白质及其组分和GMP含量,氮肥主要促进了醇溶蛋白和麦谷蛋白的提高。不同类型小麦品种对氮肥的响应存在差异,氮肥对麦谷蛋白和GMP的调控效应表现为HPCLPC,这也是在一定施氮量条件下HPC蛋白质含量高于LPC的根本原因。增施氮肥降低了总淀粉、直链淀粉和直/支比例。此外,增加氮肥水平显著延长了面团形成时间和稳定时间,提高了粉质质量,但降低了各黏度参数和面粉白度。本试验条件下,郑州和南阳点施氮量为225 kg/hm~2,信阳点施氮量为120 kg/hm~2可获得较高的小麦面粉加工品质。因此,综合考虑小麦产量、营养和加工品质可知,郑州和南阳高产优质高效的氮肥水平为225 kg/hm~2,而信阳在120 kg/hm~2的氮肥水平下即可达到此生产目标。五、氮肥水平对不同类型小麦品种花后氮代谢影响盆栽试验表明,小麦籽粒中蛋白质和GMP含量在灌浆期呈“高-低-高”的变化趋势;2品种相比,宛麦16籽粒蛋白质含量明显高于洛麦24。较高的施氮水平更有利于高蛋白质含量品种宛麦16籽粒中蛋白质和GMP合成,而对于低蛋白质含量品种洛麦24来说,较低的施氮量即可以达到同样的效果。花后小麦旗叶和籽粒中GS酶活性随着灌浆进程而逐渐下降,灌浆前期下降缓慢,而后期下降迅速。宛麦16比洛麦24具有较高的GS酶活性。氮肥均提高了旗叶和籽粒中GS酶活性,且这种作用主要体现在灌浆前期,灌浆后期逐渐减弱。花后旗叶和籽粒中GS1和GS2基因表达水平与GS酶活性相似,即随灌浆进程逐渐下降。与施氮处理相比,不施氮诱导了2个基因的表达;两施氮处理相比,高氮处理(N330)显著提高了开花期和灌浆前期,旗叶和籽粒中GS2基因表达水平,和籽粒中GS1基因表达水平。2品种相比,宛麦16旗叶和籽粒中GS2基因的表达量在开花期和灌浆前期是洛麦24的1.5-3.3倍。这说明,缺氮诱导了旗叶和籽粒中GS1和GS2基因表达,高氮水平显著提高了2基因表达;籽粒中蛋白质含量主要受GS2基因的调控,这是宛麦16具有较高蛋白质含量的分子基础。

【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S512.1