钾肥叶面喷施对冬小麦品质形成的影响及其机理

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钾肥对小麦产量和品质具有显著影响。然而,受西北地区土壤“富K”传统概念的影响,小麦生产中多施用氮、磷肥而忽视钾肥的投入。但是,随着高生物量小麦品种的应用与作物产量水平的提高,加速了土壤中的钾肥消耗,土壤的供钾能力日趋下降。小麦生育后期根系易产生衰老,造成吸钾能力减弱,也会导致缺钾现象的发生。因此,合理施钾对于西北地区小麦的生产具有十分重要的意义。叶面喷肥具有易吸收、肥效快等优点,是土壤施肥的重要补充措施。此外,我国多以消费小麦籽粒加工后的面粉为主,小麦面粉中营养物质的变化更能反映钾肥的施用效果。目前,关于生长后期叶面喷施钾肥对面粉中各品质指标影响的研究较少。因此,探究钾肥叶面喷施对小麦面粉加工品质和营养品质的影响及其生理机制具有非常重要的意义。本研究设置了钾肥喷施时期、浓度、类型和施用方式试验,分析了不同种类面粉中湿面筋、蛋白及蛋白组分、高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)、微量元素及植酸含量、沉降值、面团稳定时间和形成时间的变化情况,明确钾肥对小麦面粉营养品质和加工品质的影响。同时,结合钾肥喷施后叶片中关键酶活性变化及RNA-Seq分析结果,拟揭示钾肥影响籽粒品质的生理机制。本研究主要结论如下:(1)钾肥叶面喷施对三种类型面粉的品质指标均有一定的提升作用。籽粒加工成面粉后,湿面筋、总蛋白、清蛋白、球蛋白、铁(Fe)、锰(Mn)、锌(Zn)、植酸含量和沉降值都有所变化,三种面粉中总体上表现为全粉>85%全粉>70%全粉。而醇溶蛋白、谷蛋白和HMW-GS含量、面团的形成时间和稳定时间却表现出不同的趋势,均表现为85%全粉>全粉>70%全粉。植酸与微量元素(Fe、Mn、Zn)的摩尔比,则表现为全粉<85%全粉<70%全粉。钾肥喷施显著减少了两品种面粉中清蛋白含量,但是对球蛋白含量影响不显著。与其他两个时期相比,钾肥喷施在开花期K2(60mmol·L-1)浓度下显著增加了西农20中蛋白、湿面筋、沉降值和谷蛋白含量,降低了植酸与微量元素的摩尔比,但是在花后10天喷施K2浓度更有利于面团稳定时间的延长。对于小偃22,蛋白质、湿面筋以及面筋形成时间均在开花期K2浓度条件下显著增加,降植酸与微量元素的摩尔比显著降低。两品种HMW-GS组成和含量具有显著的基因型差异。喷施K2浓度钾肥显著提高了两品种各亚基含量,但最适时期略有不同,且西农20亚基含量增加更为明显。钾肥叶面喷施对产量的影响存在基因型差异,只有利于小偃22产量的增加。相对于钾肥叶面喷施,籽粒磨粉处理对小麦品质指标的影响更为显著。(2)钾肥叶面喷施有利于小偃22弱势籽粒灌浆速率的提高,进而增加了粒重,但对强势粒籽重和灌浆速率的影响较小,并且对西农20强弱势粒粒重和灌浆速率均无显著影响。钾肥叶面喷施降低了上三叶抗氧化酶活性,提高了叶片丙二醛(MDA)含量,同时提高了上三叶和籽粒中氮代谢关键酶活性及游离氨基酸(FAA)含量。RNA-Seq分析结果表明,差异表达基因主要富集在“生物过程的调节”以及“代谢过程”等途径上,这表明钾肥叶面喷施或是通过调节半胱氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸等物质的代谢以及光合生物的固碳作用等生物过程来调控弱势粒灌浆。同时钾肥叶面喷施还影响了上三叶和籽粒中相关酶活性和MDA含量。相关酶活性变化结合RNA-Seq分析结果揭示了钾肥影响籽粒品质的机理。(3)缺钾条件下,小麦的生长状况和籽粒品质较差。钾肥叶面喷施后,可增加上三叶中叶绿素含量和光合速率、增强硝酸还原酶活性,进而延缓了叶片衰老,提高了籽粒面粉品质。本试验通过盆栽试验,设置了两种不同的根部钾浓度处理,研究了叶面喷施钾肥是否可以缓解缺钾带来的危害。试验结果表明,低钾处理下叶片中叶绿素含量、光合速率和硝酸还原酶活性显著低于高钾处理,开花期喷施钾肥虽然可以促进其含量和酶活性增强,但是却不能完全替代高钾浓度的营养液。低钾供应时籽粒产量和品质指标(蛋白质、湿面筋、沉降值、微量元素、面团的稳定时间和形成时间)都较低,叶面喷施钾肥提高了产量和面粉品质,但是效果却低于高钾处理。不同钾肥处理条件下,HMW-GS中的7+8亚基含量变化不显著,1、4+12亚基含量却随着营养液钾肥浓度的提高而增加,钾肥喷施有利于低钾浓度栽培条件下亚基含量的提高。低钾和高钾处理下植酸与微量元素的摩尔比相差不大,低钾处理下叶面喷施有利于其摩尔比值的降低。这表明低钾处理下叶片光合特性、产量和品质指标都较低,喷施钾肥可以弥补缺钾带来的损害,但是效果却低于高钾水平。(4)钾与氮、磷配施对籽粒产量和品质的提高起到协同作用,喷施硝酸钾(K+N)提升效果最为明显,其次是磷酸二氢钾(K+P)。钾与其他元素配合喷施对籽粒加工得到的三种面粉品质提升效果相似。磨粉处理后三种面粉中湿面筋含量、沉降值、面团的形成时间和稳定时间、植酸与微量元素摩尔比均发生显著变化。叶面喷施三种肥料对面筋含量、沉降值、面团的形成时间和稳定时间的影响表现为硝酸钾(K+N)>磷酸二氢钾(K+P)>氯化钾(K)>对照(CK)。总体上,喷施硝酸钾湿面筋和沉降值表现为全粉和85%全粉含量相近,都高于70%全粉;面团的形成时间和稳定时间则表现为85%全粉>全粉>70%全粉;植酸与微量元素的摩尔比表现为全粉与85%全粉相差不大,均低于70%全粉;HMW-GS含量均表现为85%全粉>全粉>70%全粉。此外,叶面喷施氯化钾(K)和硝酸钾(K+N)有利于植酸与摩尔比的降低,但是喷施磷酸二氢钾(K+P)却提高了其摩尔比。钾肥叶面喷施氯化钾和磷酸钾不改变各品质指标含量在各层中的分布情况,但是喷施硝酸钾却使85粉和全粉中相关营养品质指标含量相近。综合分析表明,三种喷施肥料中,硝酸钾对面粉中各品质指标的提升最为明显。因此,开花期叶面喷施钾肥可以成为西北地区较理想的肥料补充措施,对提高籽粒产量和面粉品质,缓解缺钾造成的负面影响具有非常重要的意义。
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