耕作措施對旱作春小麥籽粒糖代謝特征和產量的影響

劉雪寧，李玲玲，謝軍紅，杜常亮，曾敏，王進斌

(甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070)

小麥是世界上重要的糧食作物之一，全球有1/3以上的人以小麥為主要糧食，小麥在中國口糧消費總量中占43%左右.春小麥為甘肅省主要糧食作物，隴中旱農區是甘肅省春小麥主要分布區之一，是典型的半干旱雨養農業區，作物生長完全依賴自然降水，水土流失嚴重[1-2]，而且傳統的精耕細作和農田休閑期的地表裸露更是加劇了土壤的侵蝕，造成小麥生產水平低下[3].保護性耕作是通過對農田實行免耕、少耕，盡可能減少土壤擾動，并用作物秸稈或殘茬覆蓋地表從而提高抗旱能力、保持水土的一項技術[4-5].研究表明，保護性耕作能減輕土壤水分蒸發，提高作物產量和水分利用效率[6-7].免耕秸稈覆蓋能減少棵間蒸發量[8]，降低土壤容重，增加土壤總孔隙度[9]，增加土壤養分[10]，從而提高產量.在隴中旱農區前人多從土壤理化性質和水分等方面揭示保護性耕作增產的機理，而在生理機制方面的研究還十分欠缺.

小麥籽粒中淀粉含量占70%左右，淀粉積累量對作物產量高低有直接影響[11].開花至成熟是小麥籽粒產量形成的關鍵時期，小麥開花后，葉片通過光合作用合成蔗糖運輸到籽粒，在酶的作用下降解為尿苷二磷酸葡萄糖和果糖，為淀粉的合成提供原料[12].蔗糖含量多少反映了淀粉合成底物的供應水平，小麥植株體內蔗糖的積累、分配和轉運是決定小麥產量的關鍵[13]，蔗糖含量變化與籽粒淀粉積累和粒質量關系密切[14].蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)是蔗糖代謝的兩個關鍵酶[15]，蔗糖磷酸合成酶參與蔗糖合成，蔗糖合成酶催化蔗糖分解.淀粉的合成和積累與源的供應能力、庫的容量和物質轉運能力密切相關，并在很大程度上受環境影響[16-17].土壤理化性狀又是影響作物光合產物積累和向籽粒分配的重要因素[18].目前關于小麥灌漿期蔗糖合成、降解、淀粉積累動態研究鮮見報道，耕作措施影響小麥產量的糖代謝機制尚不明確.所以從糖代謝特征入手是探究耕作措施影響小麥產量內在機制的重要突破口之一.

為此，本研究擬依托2001年在隴中旱農區建立的長期定位試驗，在不同耕作措施下通過對籽粒蔗糖代謝和淀粉積累進行研究，旨在從籽粒糖代謝角度揭示耕作措施影響春小麥產量的生理機制，為該區春小麥可持續發展提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本研究是在2001年開始的長期定位大田試驗基礎上，于2020年3～8月在甘肅農業大學旱作農業綜合實驗站進行.試區位于黃土高原西部，屬于典型的半干旱雨養農業區.多年平均日照時數2 476.6 h，太陽輻射量為592.9 kg/cm2；年均氣溫為6.4 ℃，≥10 ℃年積溫為2 239.1 ℃，年均無霜期為140 d；年蒸發量達到1 531 mm，為典型一年一熟雨養農業區.試驗區土壤類型為黃綿土，質地均勻，貯水性良好(表1).多年平均降水量為390.9 mm，2020年總降水量為550.4 mm(圖1)，為豐水年，其中小麥生育期內降水量為288.8 mm.

表1 試驗地土壤主要理化特性

圖1 2020年試驗區降水量

1.2 試驗設計

本研究所依托的長期定位試驗采用春小麥-豌豆雙序列年間輪作的方式，本研究在2020年小麥序列進行.共設4個處理(表2)，3次重復，12個小區，小區面積為80 m2(4 m×20 m)，試驗采用二因素隨機區組設計.小麥品種為定西40號，播種量為187.5 kg/hm2，2020年春小麥于3月21日播種，7月29日收獲.各處理均施純P2O5105 kg/hm2(過磷酸鈣656.25 kg/hm2)，純N 105 kg/hm2(尿素226.29 kg/hm2)，播種時隨籽粒施入，在整個生育期不灌溉、不施肥，田間雜草人工拔除.

表2 試驗處理及代碼描述

1.3 測定項目及方法

在小麥開花期，對同一天開花的麥穗作標記，分別于花后第5、10、15、20、25天取樣.將麥穗中部籽粒取下，一半放入液氮中冷凍10 min后放入-80 ℃冰箱保存，用于酶活性測定，另一半放入105 ℃烘箱中烘30 min后80 ℃烘干至恒重，粉碎后過100目篩，用于蔗糖和淀粉含量測定.

1.3.1 可溶性糖含量測定 參照高俊鳳[19]的蒽酮比色法測定.

1.3.2 蔗糖含量測定 參照張志良等[20]的間苯二酚法測定.

1.3.3 SS和SPS酶活性測定 酶液提取參照Douglas等[21]方法，SPS酶活性測定參考Wardlaw[22]的方法，測定SS酶活性時將6-磷酸果糖換成果糖，其他步驟與SPS測定方法相同.

1.3.4 淀粉含量及其積累速率測定 取烘干至恒重的籽粒，采用蒽酮比色法測定淀粉含量，淀粉積累量由淀粉含量乘以粒質量求得，籽粒淀粉積累速率按照Rn=(Cn-Cn-5)/5計算.其中n表示開花后的天數，Rn表示第n天的籽粒淀粉積累速率，Cn表示第n天的單粒淀粉含量，Cn-5表示第n-5天的單粒淀粉含量.

1.3.5 產量測定 春小麥成熟時，小區邊緣剔除0.25 m，籽粒產量按小區(3.5 m×19.5 m)單收記產；收獲時每個小區取15株風干后進行考種，指標包括穗數、穗粒數、千粒質量.

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2016對數據進行整理，用SPSS 19.0分析試驗數據，采用最小顯著差異法(LSD)進行統計分析,用Sigmaplot 12.5作圖.

2 結果與分析

2.1 耕作措施對春小麥籽?？扇苄蕴呛驼崽呛康挠绊?/h3>

由表3可知，耕作效應對花后25 d籽粒可溶性糖含量影響極顯著，秸稈覆蓋效應對花后15～25 d籽?？扇苄蕴呛坑绊憳O顯著，對花后10 d籽粒蔗糖含量影響達到極顯著，耕作和秸稈覆蓋效應兩者交互效應對花后籽?？扇苄蕴呛亢驼崽呛坑绊懢伙@著.

表3 耕作措施對春小麥花后籽粒可溶性糖、蔗糖和淀粉含量的影響

由圖2可知，不同耕作措施下小麥籽?？扇苄蕴?WSC)和蔗糖含量變化趨勢一致，均隨著灌漿進程呈現下降趨勢，小麥籽粒可溶性糖和蔗糖均在花后第5天含量最高.花后5～15 d可溶性糖急劇下降，但不同耕作措施之間降低速度不同，T、NT、TS、NTS分別下降76.13%、77.84%、71.95%、72.43%，15 d后籽?？扇苄蕴呛肯陆涤兴鶞p緩.

不同豎直短線表示0.05水平上的最小顯著性差異值.

籽粒蔗糖含量在花后15 d內下降迅速，T、NT、TS、NTS下降幅度分別為68.74%、78.26%、74.17%、73.52%.NTS在花后5 d較T不僅增加籽?？扇苄蕴呛?，而且顯著增加籽粒蔗糖含量，從花后20 d開始籽?？扇苄蕴呛亢驼崽呛拷档?花后25 d內，TS與NTS處理間可溶性糖和蔗糖含量差異均不顯著，且處理間籽粒平均可溶性糖含量表現為NTS>T>NT>TS，平均蔗糖含量表現為NTS>TS>NT>T，NTS較T提高了可溶性糖和蔗糖含量，因此，與傳統耕作相比，免耕秸稈覆蓋提高了籽粒蔗糖代謝能力.

2.2 耕作措施對春小麥籽粒蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影響

由表4可知，耕作效應、秸稈覆蓋效應對花后5 d和10 d籽粒SPS活性影響均顯著，耕作效應和秸稈效應二者交互效應對SPS活性影響不顯著，耕作效應對花后5 d籽粒SS活性影響顯著，秸稈覆蓋效應對籽粒SS活性影響不顯著，耕作效應和秸稈效應兩者交互效應對花后10 d籽粒SS活性影響極顯著.

表4 耕作措施對春小麥花后籽粒蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性的影響

由圖3可知，不同耕作措施下小麥籽粒蔗糖磷酸合成酶活性變化趨勢一致，均呈下降趨勢，各處理均在花后5 d酶活性最高.花后5 d SPS活性大小表現為NTS>NT>TS>T，與T相比，NT、NTS和TS均增強花后5 d內蔗糖磷酸合成酶活性，在花后5 d免耕處理(NT、NTS)的SPS活性較耕作處理(T、TS)增加28.49%，秸稈還田處理SPS活性較無秸稈處理增加13.49%，在花后10 d免耕處理SPS活性較耕作處理降低22.94%，秸稈還田處理SPS活性較無秸稈處理降低25.29%.因此，免耕和秸稈還田處理均能提高花后5 d籽粒蔗糖磷酸合成酶活性.

不同豎直短線表示0.05水平上的最小顯著性差異值.

小麥籽粒SS活性變化呈單峰曲線，各處理均在花后10 d活性最高.花后5 d免耕處理SS活性較耕作處理增加13.90%，NTS活性顯著高于T，NTS(花后15 d除外)和TS(花后10 d除外)耕作措施下小麥籽粒酶活性均高于T，NT在花后10～25 d酶活性均低于T.與傳統耕作相比，免耕秸稈覆蓋和傳統耕作秸稈翻入均提高小麥籽粒蔗糖合成酶活性，免耕在花后10～25 d降低了小麥籽粒蔗糖合成酶活性.

2.3 耕作措施對春小麥籽粒淀粉含量、淀粉積累量和淀粉積累速率的影響

由圖4可知，不同耕作措施條件下小麥籽粒淀粉含量與可溶性糖含量、蔗糖含量變化趨勢相反，隨灌漿進程呈上升趨勢，在花后25 d淀粉含量最高，且表現為NTS>TS>NT>T.耕作效應和秸稈效應在花后20 d對籽粒淀粉含量都影響極顯著(表2)，免耕處理的淀粉含量較耕作處理增加6.57%，秸稈還田處理較無秸稈處理增加5.71%.與T相比，TS和NTS分別顯著增加14.89%、29.24%.綜上所述，保護性耕作較傳統耕作能提高籽粒淀粉含量.

圖4 不同耕作措施下春小麥花后籽粒淀粉含量和淀粉積累量的變化

在籽粒灌漿過程中，不同耕作措施條件下籽粒淀粉積累量均呈逐漸上升的趨勢，花后25 d淀粉積累量達到最大值.花后10 d，NT較NTS顯著增加60.87%；花后25 d，TS和NTS較T顯著增加32.61%、21.28%，TS、NTS處理間差異不顯著，淀粉積累大小表現為NTS>TS>NT>T，因此，保護性耕作能提高籽粒淀粉積累量.

由圖5可知，耕作措施下籽粒淀粉積累速率隨花后天數的增加呈先上升后下降的變化，T和NT下的淀粉積累速率在花后15 d最高，處理TS和NTS淀粉積累速率在花后20 d最高；5～25 d內小麥籽粒淀粉積累速率平均水平為NTS>TS>NT>T.花后10 d，NTS較T顯著降低40.35%；花后20 d，NTS較T顯著增加63.64%；花后25 d，NT、TS和NTS的淀粉積累速率較T分別顯著增加155.52%、200.00%和217.39%.免耕秸稈覆蓋較傳統耕作能顯著提高灌漿后期籽粒淀粉積累速率.

圖5 不同耕作措施下春小麥花后籽粒淀粉積累速率的變化

2.4 耕作措施對春小麥產量及產量構成的影響

由表5可知，秸稈覆蓋效應對小麥產量影響顯著，在產量構成因素中，秸稈覆蓋效應對小麥穗數影響極顯著，對穗粒數和千粒質量無顯著影響；耕作效應對小麥穗數和千粒質量影響極顯著，對穗粒數影響顯著；二者交互效應對穗數影響顯著.

表5 耕作措施對春小麥產量及產量構成的影響

與耕作處理(T和TS)相比，免耕處理(NT和NTS)下小麥穗數增加27.82%，穗粒數減少7.57%，千粒質量增加6.78%；與無秸稈處理(T和NT)相比，秸稈還田處理(TS和NTS)穗數增加22.23%，穗粒數增加4.16%，千粒質量增加0.26%，產量提高18.65%.免耕秸稈覆蓋的產量較傳統耕作顯著增加23.90%.與T相比，NT、TS和NTS穗數分別顯著提高18.42%、13.05%、53.93%，NTS的千粒質量顯著提高6.95%，NTS的穗粒數減少3.77%.雖然免耕秸稈覆蓋的穗粒數沒有增加，但穗數和千粒質量得到有效提高，這是免耕秸稈覆蓋獲得高產的關鍵.

2.5 糖代謝指標與千粒質量及產量相關性分析

由表6可知，淀粉含量和淀粉積累量與SPS分別呈顯著負相關(r=-0.632)和極顯著負相關(r=-0.880)關系，兩者之間呈極顯著正相關(r=0.883)；淀粉含量與千粒質量呈顯著正相關(r=0.576)，蔗糖含量(r=0.622)和淀粉積累量(r=0.576)與產量均呈顯著正相關.

表6 糖代謝指標與千粒質量及產量的相關性分析

3 討論

3.1 耕作措施對產量的影響

葉元生等[23]在西北地區研究發現免耕秸稈覆蓋能顯著增加小麥產量，但張君玉等[24]在半濕潤區研究發現免耕秸稈覆蓋使出苗率和穗數降低，造成冬小麥減產.由此可見，保護性耕作具有區域性，在不同地區對作物產量影響不同.穗數、千粒質量和穗粒數是產量構成三大要素，研究發現，在豐水年，免耕、傳統耕作秸稈覆蓋和免耕秸稈覆蓋較傳統耕作產量提高2.92%～23.90%，穗數增加13.05%～53.93%，與傳統耕作相比，免耕和免耕秸稈覆蓋的穗粒數分別減少5.39%、3.77%，千粒質量分別增加3.74%、6.95%，傳統耕作秸稈覆蓋穗粒數增加6.50%，千粒質量降低2.67%.因此，穗數和千粒質量增加是免耕和免耕秸稈覆蓋獲得高產的關鍵.

3.2 耕作措施影響產量的糖代謝機制

淀粉是籽粒中重要組成部分，籽粒又是小麥收獲的主要部位，因此，淀粉含量直接影響小麥產量和品質.蔗糖是淀粉合成的底物，其含量的高低與淀粉積累密切相關[14].本研究中，不同耕作措施下春小麥籽?？扇苄蕴呛驼崽呛烤氏陆第厔?，而淀粉含量剛好相反呈上升趨勢，這與前人研究結果一致[25-26].與傳統耕作相比，免耕、傳統耕作秸稈翻入和免耕秸稈覆蓋的籽?？扇苄蕴呛吭黾?.78%～7.44%，蔗糖含量增加22.79%～31.82%，說明保護性耕作能提高籽?？扇苄蕴呛驼崽呛?其中免耕秸稈覆蓋能提高籽?？扇苄蕴呛驼崽呛?，這可能與免耕秸稈覆蓋提高光合速率，運送到籽粒光合產物增多有關[27-28].目前研究多認為SPS主要在源器官中進行蔗糖的合成，SS主要在庫細胞中進行蔗糖的降解[29]，本研究發現免耕秸稈覆蓋和傳統耕作秸稈翻入的籽粒SS活性較傳統耕作分別平均提高2.64%、6.86%，SPS活性分別平均提高3.27%、1.57%，說明免耕秸稈覆蓋和傳統耕作秸稈翻入能提高籽粒的庫的物質轉化能力，這可能與秸稈覆蓋改變土壤溫度有關[30-31].本研究結果表明，免耕秸稈覆蓋較傳統耕作能明顯增加產量；作物產量與蔗糖含量和淀粉積累量均呈顯著正相關，說明提高籽粒蔗糖含量和淀粉積累量對增產的重要性；淀粉含量與千粒質呈顯著正相關，說明籽粒淀粉含量高有利于增加粒質量.此外，免耕秸稈覆蓋的淀粉含量和淀粉積累量較傳統耕作分別增加18.99%、32.61%.因此，與傳統耕作相比，免耕秸稈覆蓋可提高蔗糖含量、淀粉含量和積累量，從而增加粒質量，使作物產量增加.

4 結論

不同耕作措施條件下，隴中旱農區春小麥灌漿過程中籽?？扇苄蕴呛驼崽呛砍氏陆第厔?，淀粉含量呈上升趨勢.與傳統耕作相比，免耕秸稈覆蓋增加籽粒前期可溶性糖和蔗糖含量，提高春小麥灌漿期籽粒蔗糖合成酶活性，提高糖代謝水平，促進籽粒淀粉積累，有效增加粒質量，顯著提高穗數，從而提高了春小麥籽粒產量.