石玉,張永麗,于振文*

(1山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,山東泰安271018;2山東省泰安市農(nóng)業(yè)局,山東泰安271000)

小麥子粒中的蛋白質(zhì)按其溶解度及其提取方法不同,可分為清蛋白、球蛋白、谷蛋白和醇溶蛋白[1]。清蛋白和球蛋白以參與代謝活動(dòng)的酶類為主,與面粉的營養(yǎng)品質(zhì)密切相關(guān);醇溶蛋白和谷蛋白是貯藏蛋白,是小麥面筋的主要成分。研究表明,醇溶蛋白決定面團(tuán)的延展性和粘性,谷蛋白決定面團(tuán)的彈性和韌性[2-3],谷蛋白是決定小麥面粉筋力的主要因素,對(duì)面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間,沉淀值等有明顯的影響[4-7]。氮素營養(yǎng)對(duì)小麥子粒蛋白質(zhì)及其組分含量具有明顯的調(diào)節(jié)作用,影響小麥子粒的加工品質(zhì)。施用氮肥可以顯著提高子粒蛋白質(zhì)含量,但氮素對(duì)蛋白質(zhì)各組分影響的結(jié)果不盡相同[2-11],有研究認(rèn)為,氮肥對(duì)谷蛋白和醇溶蛋白的影響要大于清蛋白和球蛋白[6],隨施氮量增加,醇溶蛋白和谷蛋白含量的增加幅度大于清蛋白和球蛋白含量的增幅[12]。另有研究表明,隨施氮量增加,清蛋白和谷蛋白含量減少,球蛋白和醇溶蛋白增加[11]。目前關(guān)于施氮量對(duì)子粒谷蛋白亞基(HMW-GS和LMW-GS)含量的調(diào)控作用報(bào)道尚少。本試驗(yàn)選用品質(zhì)類型不同的3個(gè)小麥品種,采用Wieser的RP-HPLC分析方法,研究了施氮量對(duì)小麥子粒蛋白質(zhì)組分、谷蛋白亞基含量的影響,分析了其與子粒加工品質(zhì)的關(guān)系,以期為不同品質(zhì)類型小麥優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培的氮肥運(yùn)籌提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2004～2005小麥生長季在山東泰安山東農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場進(jìn)行。前茬為玉米,播種前0—20 cm土壤養(yǎng)分含量為:有機(jī)質(zhì)1.21 g/kg,全氮0.09 g/kg,堿解氮76.5 mg/kg,速效磷 69.5 mg/kg,速效鉀82.0 mg/kg。供試品種為強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20、中筋小麥泰山23和弱筋小麥寧麥9號(hào)。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),施氮量為主區(qū),品種為副區(qū),主副區(qū)內(nèi)隨機(jī)排列,3次重復(fù)。設(shè)N 0、180、240、360 kg/hm24 個(gè)施氮水平,分別以 N0、N180、N240、N360表示。氮肥分底施1/2和拔節(jié)期(雌雄蕊原基分化期)追施1/2兩次施用;所有處理均施入磷(P2O5)105 kg/hm2、鉀(K2O)75 kg/hm2作底肥。氮肥用尿素(N 46%),磷肥為過磷酸鈣(P2O510%),鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)。小麥播前玉米秸稈全部粉碎翻壓還田。小區(qū)面積1.5 m×10 m。濟(jì)麥20和泰山23于2004年10月7日播種,寧麥9號(hào)于2004年11月1日播種,基本苗均為150株/m2。其余管理措施同大田的高產(chǎn)栽培方式。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 子粒蛋白質(zhì)總量測定 采用GB2905-1982谷類、豆類作物種子粗蛋白質(zhì)測定法(半微量凱氏法)測定子粒氮素含量,含氮量乘以指數(shù)5.7為蛋白質(zhì)含量[13]。

1.2.2 子粒蛋白質(zhì)組分測定 參照Herbert Wieser的方法[14]。色譜系統(tǒng)為美國Waters公司產(chǎn)474色譜儀+996檢測器,樣品環(huán)體積為1.2 mL,工作站軟件Millium32。色譜柱為Nucleosil 300-5 C8柱(4.6 mm×240 mm)。

試劑配制:A液—0.4 mol/L NaCl+0.067 mol/L HKNaPO4(pH=7.6);

B液—60%乙醇;

C液—50%1-PrOH+2 mol/L尿素 +0.05 mol/L Tris-HCl(pH=7.5)+1%DTE(在氮?dú)鈼l件下)。

蛋白質(zhì)組分提取過程:稱取全麥粉100 mg于2 mL離心管中,加入1.0 mL A液,漩渦振蕩2 min,在20℃條件下用智能型恒溫混合器(德國Eppendorf公司產(chǎn)TMC5355型)振蕩10 min后,7000 r/min離心15 min,連續(xù)提取2次,收集上清夜,并用提取液定容至2 mL(清蛋白+球蛋白)。殘余物中加入0.5 mL B液,漩渦振蕩2 min,在20℃條件下用智能型恒溫混合器振蕩10 min后,7000 r/min離心20 min,連續(xù)提取3次,收集上清液,并用提取液定容至1.5 mL(醇溶蛋白)。殘余物在氮?dú)鈼l件下加入1.0 mL C液,漩渦振蕩2 min后,在60℃條件下用智能型恒溫混合器振蕩20 min,懸浮液在20℃恒溫下7000 r/min離心20 min,連續(xù)提取2次,收集上清液,并用提取液定容至2 mL(谷蛋白)。樣品測定前過0.45 μ m濾膜,在進(jìn)樣前后分別注入500 μ L 0.1%(V/V)三氟乙酸,清蛋白+球蛋白、醇溶蛋白、谷蛋白進(jìn)樣體積分別為 200 、80 、100 μ L 。

1.2.3 子粒品質(zhì)測定 用880101小型實(shí)驗(yàn)?zāi)ブ品?德國Brabender公司產(chǎn)),出粉率為60%。面團(tuán)形成時(shí)間和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間用810106002型粉質(zhì)儀測定(德國Brabender公司產(chǎn));沉降值用BAU-A型沉降值儀(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)產(chǎn)),按GB/T 15685-1995測定。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮量對(duì)不同品質(zhì)類型小麥子粒蛋白質(zhì)組分含量的影響

隨施氮量增加,強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20和中筋小麥泰山23子粒的醇溶蛋白、清蛋白+球蛋白和總蛋白含量均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,施氮處理間無顯著差異,且顯著高于不施氮處理;谷蛋白含量和貯藏蛋白含量表現(xiàn)為N0處理顯著低于N180處理,N180處理顯著低于N240和N360處理,N240和N360處理間無顯著差異(表1)。表明強(qiáng)筋和中筋品種在施氮量為N 240 kg/hm2時(shí),即可獲得較高的蛋白質(zhì)組分含量;施氮量增加至N 360 kg/hm2,各蛋白質(zhì)組分含量無顯著提高。施氮處理,弱筋小麥寧麥9號(hào)品種的清蛋白+球蛋白含量無顯著差異,但隨施氮量增加,其谷蛋白、醇溶蛋白和貯藏蛋白含量顯著增加,這是其加工品質(zhì)隨施氮量增加而下降的生理原因。

比較不同處理的蛋白質(zhì)組分含量可以看出,施氮以后,谷蛋白、醇溶蛋白和清蛋白+球蛋白含量的增加幅度分別為 10.6%～ 21.3%、9.4%～36.6%和2.8%～5.6%,表明增施氮肥對(duì)清蛋白+球蛋白的調(diào)控作用較小,而對(duì)谷蛋白和醇溶蛋白的調(diào)節(jié)作用較大,這一特性有利于強(qiáng)筋和中筋小麥加工品質(zhì)的改善。

強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20與中筋小麥泰山23比較,二者總蛋白質(zhì)含量及醇溶蛋白含量無顯著差異,但濟(jì)麥20的谷蛋白含量和貯藏蛋白含量及Glu/Gli較高,表明較高的谷蛋白含量及Glu/Gli是形成強(qiáng)筋小麥加工品質(zhì)的重要原因;弱筋小麥寧麥9號(hào)的貯藏蛋白含量和清蛋白+球蛋白含量均最低。

表1 施氮量對(duì)子粒蛋白質(zhì)組分含量的影響Table 1 Effects of N-fertilizer rates on protein components contents in kernel

2.2 施氮量對(duì)不同品質(zhì)類型小麥HMW-GS、LMWGS含量及HMW/LMW的影響

表2看出,與不施氮處理比較,施氮顯著提高了各品種子粒中谷蛋白、HMW-GS及 LMW-GS含量。隨施氮量的增加,濟(jì)麥20和泰山23品種的谷蛋白和LMW-GS含量呈增加趨勢,N240和N360處理顯著高于N180處理;HMW-GS含量呈先增加后降低的趨勢,N240處理顯著高于N180和N360處理,N180和N360處理之間無顯著差異,表明適量施氮有利于子粒中HMW-GS的積累,過量施氮顯著降低了HMW-GS含量,這是過量施氮導(dǎo)致強(qiáng)筋和中筋小麥子粒蛋白質(zhì)品質(zhì)變劣的原因之一。施氮量對(duì)弱筋小麥寧麥9號(hào)的調(diào)節(jié)作用不同,谷蛋白、HMW-GS及LMW-GS含量均隨施氮量的增加而增加,施氮處理顯著高于不施氮處理,且N240和N360處理顯著高于N180處理,表明增施氮肥不利于保持弱筋小麥谷蛋白含量低的特性。N360處理顯著降低了濟(jì)麥20和泰山23兩品種子粒的HMW/LMW,表明氮肥對(duì)強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20和中筋小麥泰山23兩品種的HMW/LMW有調(diào)節(jié)作用,而對(duì)弱筋小麥寧麥9號(hào)無顯著影響。

表2還看出,隨施氮量的增加,HMW-GS和LMW-GS含量的增加幅度分別為3.4%～ 6.3%和6.6%～15.6%,表明氮肥對(duì)LMW-GS的調(diào)節(jié)作用高于HMW-GS。

同一施氮處理的谷蛋白、HMW-GS、LMW-GS含量和HMW/LMW表現(xiàn)出濟(jì)麥20＞泰山23＞寧麥9號(hào)。這是品種間加工品質(zhì)存在差異的原因之一。

表2 施氮量對(duì)子粒谷蛋白各組分含量的影響Table 2 Effects of N-fertilizer rates on glutenin fractions contents in kernel

2.3 施氮量對(duì)不同品質(zhì)類型小麥子粒谷蛋白大聚合體含量的影響

谷蛋白大聚合體(GMP)是小麥胚乳貯藏蛋白中分子量最大的一部分蛋白質(zhì),在面粉中的含量反映了谷蛋白聚合體的粒度分布情況,其含量的高低能反應(yīng)加工品質(zhì)的優(yōu)劣。表3看出,隨施氮量的增加,濟(jì)麥20和泰山23的GMP含量呈先增加后降低的趨勢,且顯著高于N0處理。表明適量施氮促進(jìn)了強(qiáng)筋和中筋小麥子粒GMP的積累,這與谷蛋白含量和HMW-GS含量變化一致。隨施氮量的增加,寧麥9號(hào)的GMP含量呈一直增加的趨勢,N240和N360處理顯著高于N180處理。品種間GMP含量為濟(jì)麥20＞泰山23＞寧麥9號(hào),這與品種間谷蛋白含量差異一致。

表3 施氮量對(duì)子粒谷蛋白大聚合體含量的影響(%)Table 3 Effects of N-fertilizer rates on kernel GMP content

2.4 施氮量對(duì)不同品質(zhì)類型小麥子粒加工品質(zhì)和子粒產(chǎn)量的影響

表4顯示,隨施氮量增加,濟(jì)麥20和泰山23的面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間均呈先增加后降低的趨勢,N240處理顯著高于N180和N360處理。隨施氮量增加,寧麥9號(hào)的面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間顯著增加。3個(gè)小麥品種的濕面筋含量對(duì)氮肥響應(yīng)不同,施氮顯著提高了濟(jì)麥20和泰山23的濕面筋含量,但施氮處理間無顯著差異;寧麥9號(hào)則隨施氮量的增加而增加,N240和N360處理顯著高于N180處理。施氮量對(duì)沉降值亦具有顯著影響,隨施氮量的增加,寧麥9號(hào)的沉降值呈增加趨勢,且差異達(dá)到顯著水平;濟(jì)麥20的施氮處理間無顯著差異,泰山23的N240和N360處理顯著高于N180處理。

隨施氮量增加,濟(jì)麥20和泰山23的子粒產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢,以N240處理最高,但濟(jì)麥20的N240和N360處理無顯著差異,泰山23的N180、N240和N360處理無顯著差異,寧麥9號(hào)的子粒產(chǎn)量隨施氮量增加顯著增加,以N360處理最高。

綜上所述,在本試驗(yàn)基本苗均為150株/m2條件下,對(duì)于強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20和中筋小麥泰山23,適量施氮(240 kg/hm2)有利于改善子粒加工品質(zhì),提高子粒產(chǎn)量,當(dāng)施氮量至360 kg/hm2時(shí),加工品質(zhì)變劣,產(chǎn)量降低;對(duì)于弱筋小麥寧麥9號(hào),N180處理是本試驗(yàn)條件下的兼顧產(chǎn)量與品質(zhì)的最佳處理。

表4 施氮量對(duì)子粒面團(tuán)形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、濕面筋含量和沉降值的影響Table 4 Effects of N-fertilizer rates on dough development time,stability time,wet gluten content and sedimentation volume in kernel

2.5 小麥子粒蛋白質(zhì)組分含量與加工品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)分析

由表5可知,谷蛋白含量、貯藏蛋白含量、HMWGS含量、LMW-GS含量和GMP含量均與各品質(zhì)指標(biāo)呈顯著或極顯著正相關(guān);Glu/Gli和HMW/LMW與面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和沉降值均呈極顯著正相關(guān),但與濕面筋含量相關(guān)不顯著;總蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量呈極顯著正相關(guān),與沉降值呈顯著正相關(guān),與面團(tuán)形成時(shí)間和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間相關(guān)不顯著;清蛋白+球蛋白含量僅與濕面筋含量呈極顯著正相關(guān);醇溶蛋白含量與各品質(zhì)指標(biāo)均無顯著相關(guān)。以上結(jié)果表明,谷蛋白含量、貯藏蛋白含量、HMW-GS含量、LMW-GS 含量 、GMP 含量 、Glu/Gli和HMW-GS/LMW與子粒加工品質(zhì)相關(guān)密切,而總蛋白質(zhì)含量、清蛋白+球蛋白含量和醇溶蛋白含量對(duì)子粒加工品質(zhì)影響較小。

3 討論

3.1 施氮量對(duì)不同品質(zhì)類型小麥子粒蛋白質(zhì)組分含量及加工品質(zhì)的影響

關(guān)于氮肥對(duì)小麥子粒蛋白質(zhì)組分含量影響的結(jié)論頗不一致。有研究認(rèn)為,氮肥從N 225增加到300 kg/hm2,小麥子粒蛋白質(zhì)及其組分含量相應(yīng)遞增[15];有報(bào)道表明,隨著施氮量增加,清蛋白和谷蛋白含量有減少的趨勢,球蛋白和醇溶蛋白含量增加[11];另有研究認(rèn)為,隨著施氮量的增加蛋白質(zhì)及各組分含量均顯著增加[10]。關(guān)于蛋白質(zhì)組分含量的測定方法,前人多采用傳統(tǒng)的連續(xù)提取法[10,16-18],RP-HPLC定性定量分析蛋白及多肽混合組分是近幾年國外采用的主要方法[11,19-21]。在國內(nèi),已有采用RP-HPLC方法對(duì)小麥子粒蛋白質(zhì)組分分析的報(bào)道研究[22-23]。本試驗(yàn)用這種方法進(jìn)行研究的結(jié)果表明,施氮量對(duì)小麥蛋白質(zhì)組分的影響因品種而異。隨施氮量的增加,強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20和中筋小麥泰山23品種子粒的蛋白質(zhì)及各組分含量均呈先增加后降低的趨勢,施氮量為N 240 kg/hm2時(shí),蛋白質(zhì)各組分含量較高。弱筋小麥寧麥9號(hào)則隨施氮量的增加子粒的蛋白質(zhì)各組分含量逐漸增加,這是其加工品質(zhì)隨施氮量增加而下降的生理原因。不同蛋白質(zhì)組分含量比較,施氮對(duì)谷蛋白和醇溶蛋白含量的提高幅度顯著高于清蛋白+球蛋白,表明增施氮肥對(duì)清蛋白+球蛋白的調(diào)控作用較小,而對(duì)谷蛋白和醇溶蛋白的調(diào)節(jié)作用較大。這一特性為調(diào)控強(qiáng)筋和中筋小麥子粒加工品質(zhì)提供了依據(jù)。

表5 子粒蛋白質(zhì)組分含量與加工品質(zhì)的相關(guān)關(guān)系(r)Table 5 Correlation coefficients between protein components contents and processing quality

本研究結(jié)果還表明,隨施氮量的增加,濟(jì)麥20和泰山23的HMW-GS和LMW-GS含量呈先增加后降低的趨勢,N240處理的HMW-GS含量顯著高于N180和N360處理,表明過量施氮抑制了HMW-GS的合成,這是過量施氮導(dǎo)致強(qiáng)筋和中筋小麥子粒加工品質(zhì)變劣的原因之一。寧麥9號(hào)的HMW-GS和LMW-GS含量均隨施氮量的增加而增加,說明在本試驗(yàn)條件下,施氮不利于保持弱筋小麥的谷蛋白含量低的特性。

3.2 不同品質(zhì)類型小麥蛋白質(zhì)各組分含量與加工品質(zhì)性狀的關(guān)系

有研究表明,小麥子粒蛋白質(zhì)含量與加工品質(zhì)有時(shí)呈正相關(guān),有時(shí)相關(guān)不顯著,這種結(jié)果不一致性的原因是小麥子粒的加工品質(zhì)不僅與子粒蛋白質(zhì)含量有關(guān),亦與蛋白質(zhì)的質(zhì)量即蛋白質(zhì)各組分的類型、含量、比例以及蛋白質(zhì)亞基組成、含量密切相關(guān)[24-28]。本研究結(jié)果顯示,強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20和中筋小麥泰山23的總蛋白質(zhì)含量和醇溶蛋白含量無顯著差異;但強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20的谷蛋白、貯藏蛋白、HMW-GS、LMW-GS和 GMP含量及 Glu/Gli與HMW/LMW均高于中筋小麥泰山23,與強(qiáng)筋小麥濟(jì)麥20的面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間長于泰山23相一致。相關(guān)分析亦表明,上述指標(biāo)與子粒加工品質(zhì)呈顯著正相關(guān),說明較高的谷蛋白、貯藏蛋白、HMWGS、LMW-GS和GMP含量及Glu/Gli與 HMW/LMW是濟(jì)麥20和泰山23分別具有強(qiáng)筋小麥和中筋小麥品質(zhì)特點(diǎn)的主要原因。弱筋小麥寧麥9號(hào)的谷蛋白、貯藏蛋白、清蛋白+球蛋白、HMW-GS和LMWGS含量及HMW/LMW顯著低于濟(jì)麥20和泰山23的相應(yīng)處理,僅清蛋白+球蛋白含量與濕面筋含量呈極顯著正相關(guān),表明較低的谷蛋白、貯藏蛋白、HMW-GS和LMW-GS含量及HMW/LMW,是調(diào)控寧麥9號(hào)弱筋品質(zhì)形成的主要因素。

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