CN113661888B - 一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法 - Google Patents

一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法 Download PDF

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Abstract

一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法，包括品种选择、播种方式、水肥管理和化学防控四个步骤；所述品种选择步骤为通过计算计算耐热指数HTIS＝SS.N 2×SS.H ‑1×SCK.H×SCK.N ‑2对小麦耐热性进行鉴定，选择耐热品种，其中，SS.N为正常处理待测材料的沉降值，SS.H为热胁迫下待测材料的沉降值，SCK.H为热胁迫处理对照品种的沉降值，SCK.N为正常处理下对照品种的沉降值；所述播种方式为通过立体匀播技术产生差异蛋白；所述水肥管理为底肥50％+拔节肥35％+花后7天肥15％；所述化学防控为：发生热害前，采取预防措施，从花后7‑14天开始，叶面喷施质量百分数为2％de硫酸锌溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷防3次；发生热害后，采取调控措施，从花后21天开始，叶面喷施质量百分数为2％的硫酸锌溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷施3次。

Description

一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法
技术领域
本发明涉及一种小麦栽培管理方法，具体涉及一种从产量和品质方面提高小麦灌浆期抗热性能的方法，属于农业栽培领域。
背景技术
干热风是出现在小麦籽粒灌浆期间、导致小麦乳熟期受害秕粒的一种干而热的风，其中高温胁迫是最重要因素。高温胁迫危害面积较大，且比较频繁，随着全球气候逐渐变暖，势必严重影响小麦产量和品质。如果在小麦生育前期和后期发生干热风，会加剧其呼吸作用，降低光合效率，细胞膜透性增大，植株老化加速，造成穗粒数和粒重下降，最终导致产量下降达3.5％-7.1％，严重的可达10％-20％，并影响其品质。在小麦灌浆期日均气温15.8-27.7℃范围内，温度每升高1℃，灌浆时间约缩短3.1d，单粒重下降2.8mg。
发明内容
一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法主要是由品种选择、播种方式、水肥管理和化学防控等措施构成的减灾技术体系，可针对小麦花后不同时间发生的热害，进行预防调控，以减轻热害对小麦产量和品质的危害。
根据本发明的一实施例，提供了一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法，包括品种选择、播种方式、水肥管理和化学防控四个步骤；所述品种选择步骤为通过计算沉降值耐热指数HTIS＝SS.H 2×SS.N -1×SCK.N×SCK.H -2对小麦品质耐热性进行鉴定并根据田间表征产量抗热性能的叶片持绿性和灌浆籽粒饱满度筛选高温胁迫后产量稳定的品种，其中，SS.N为正常处理待测材料的沉降值，SS.H为热胁迫下待测材料的沉降值，SCK.H为热胁迫处理对照品种的沉降值，SCK.N为正常处理下对照品种的沉降值；所述播种方式为通过立体匀播技术播种上述选择的热稳定品种；针对上述立体匀播的品种，采用水肥管理，所述水肥管理为底肥50％+拔节肥35％+花后7天肥15％；针对上述水肥管理后的品种，进行化学防控，所述化学防控为：发生热害前，采取预防措施，从花后7-14天开始，叶面喷施质量百分数为2％的硫酸锌溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷防3次；发生热害后，采取调控措施，从花后21天开始，叶面喷施质量百分数为2％的硫酸锌溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷施3次。
根据本发明的提高小麦灌浆期抗热性能的方法，其特征在于，所述叶面喷施采用无人机执行。
根据本发明的一实施例，提供了一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法，包括播种方式、水肥管理和化学防控四个步骤；所述播种方式为通过立体匀播技术播种上述选择的热稳定品种以产生差异蛋白来改变细胞组成；针对上述立体匀播的品种，采用水肥管理，所述水肥管理为底肥50％+拔节肥35％+花后7天肥15％；针对上述水肥管理后的品种，进行化学防控，所述化学防控为：在热害发生后喷施质量百分数为2％的硫酸锰溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷施3次。
附图说明
图1和图2是小麦品质沉降值热稳定性鉴定图
图3和4立体匀播技术与条播在常温和高温下蛋白质组学KEGG分析
图5扫描电镜观察化学防控对小麦淀粉粒的影响
具体实施方式
1、品种选择：对小麦耐热性进行鉴定，选择耐热品种。
为实现快捷准确的鉴定筛选方法，申请人通过测试65个品种的不同参数，经过反复实验，最终确定首先利用沉降值耐热指数进行品质热稳定品种的筛选，既能保证筛选的准确性，又能降低筛选时间，其次根据田间可表征产量抗热性能的指标如叶片持绿性、灌浆籽粒饱满度等指标进一步筛选高温胁迫后产量也较稳定的品种，该类小麦品种具有从产量和品质方面提高灌浆期抗热性能的潜力，为后续相对应栽培措施的实施奠定品种基础。发明人经过试验发现冬小麦品种衡S29在高温胁迫时其沉降值稳定，品质为中筋，具有较为广泛的代表性，并且灌浆后期落黄漂亮，籽粒饱满，因此设其为对照品种，待80％的小麦开花后15天，将大田小区专用抗热棚(专利号：zl201621249461.3)覆盖高温胁迫处理区材料。高温胁迫处理温度设置为比正常处理温度高5±0.5℃，待材料蜡熟收获。利用微量沉降值法对小麦沉降值进行检测，计算耐热指数HTIS＝SS.H 2×SS.N -1×SCK.N×SCK.H -2，其中，SS.N为正常处理待测材料的沉降值，SS.H为热胁迫下待测材料的沉降值，SCK.H为热胁迫处理对照品种的沉降值，SCK.N为正常处理下对照品种的沉降值，选取65份材料(见表3)进行高温胁迫及正常处理，分析发现新建立的沉降值耐热指数与高温处理下沉降值极显著正相关(R2＝0.6977，图1)，与高温胁迫下沉降值的相对变化率极显著负相关(R2＝0.5505，图2)。以小麦品质热稳定品种衡S29为对照，参照新建立的小麦热稳定性分级标准(表1)，结合田间产量抗热性能相关的指标，鉴定了衡观35、衡T277、衡7001、师栾02-1、小偃81等29个热稳定性较好的品种(表2)，可应用后续栽培措施提高小麦抗热性能。上述实验数据亦充分证明了使用上述沉降值耐热指数公式的准确性和便捷性。
表1 小麦品质耐热指数HTI分级标准
Figure BDA0003264458750000031
表2 小麦热稳定性较好的品种
Figure BDA0003264458750000032
表3 检测的65份小麦材料
Figure BDA0003264458750000033
2、播种方式：小麦立体匀播就是使小麦种子相对均匀合理地分布在土壤中的立体空间内，出苗后无行无垄，均匀分布。传统观点认为立体匀播和条播方式对于提高小麦灌浆期抗热性能并无影响，但是我们通过试验结果对比发现，两种播种方式对于提高小麦灌浆期抗热性会表现出不同的影响，具体来说，相对于条播，立体匀播播种方式更有利于提高热稳定品种小麦(例如师栾02-1)的抗热性能(见表10中A6-A10措施)，相对于现有技术来说，这种选择产生了意料不到的技术效果。
试验中，发明人选取热稳定品种师栾02-1、热敏感品种石优20和生产中大面积推广的济麦22进行下一步试验。采取立体匀播和条播方式进行对比。我们首先对小麦品种师栾02-1热胁迫，匀播和条播播种方式的籽粒蛋白质组变化差异进行分析，通过GO分析可知，差异蛋白(DEP)主要定位在细胞、细胞器中，占总数58％；具有参与催化活性、结合的差异蛋白数量最多，占83％；参与代谢过程、细胞过程、应激反应的蛋白占66％。通过KEGG分析常温条件下匀播比条播蛋白表达量以下调为主。在高温后匀播比条播蛋白表达量以上调为主。
热胁迫后，材料师栾02-1匀播种植下的籽粒差异蛋白(见表4)：1、差异最显著的蛋白是系链复合体，有11个，其中3个是匀播种植下不存在的特异差异蛋白(A0A3B5XX78、A0A3B6H2S3、A0A3B6PPP6)，与产量负相关。2、表达量上调最多的蛋白是P04568，属于EM蛋白，通过脱落酸(ABA)和渗透胁迫诱导，为细胞质提供保护，是小麦胚在萌发初期合成的主要蛋白质之一。这说明匀播促使该材料提升抗热性能，并且提高了后代在热胁迫下的存活能力。3、差异数量最多的是膜固有成分蛋白，共149个。总而言之，材料师栾02-1匀播种植下差异蛋白主要是系链复合体、EM蛋白、膜固有成分蛋白，这三类蛋白属于细胞组成部分，因此匀播技术主要通过改变细胞组成提升了热稳定品种的抗热性能。
表4 师栾02-1匀播种植和条播种植在热胁迫下差异蛋白表达情况
Figure BDA0003264458750000041
进一步地，我们利用非标记定量蛋白质组学技术(Label free)对两类材料(小麦热敏感和热稳定材料)进行高温下匀播技术和条播技术的蛋白质组差异分析，结果发现两种播种技术在细胞分化(GO:0030154)、高尔基体到液泡的运输(GO:0006896)、多糖结合(GO:0030247)、毛状分化(GO:0010026)等4个生物过程和系链复合体(GO:0099023)1个细胞组成中均存在显著差异。其中匀播技术种植下的小麦材料有一种特有蛋白(A0A3B5Y4U7)，条播技术下的小麦材料也存在一种特有蛋白(A0A3B5XX78和A0A3B6H2S3)；与产量相关的有4种蛋白质(A0A3B6GQZ2、A0A3B5Y533、A0A3B5ZYE2、A0A3B6PPP6)，他们相关的蛋白表达量见表5。通过对比两类材料的蛋白质组分差异，也进一步验证了匀播技术主要通过改变细胞组成提升了热稳定品种的抗热性能。
表5 两类材料高温下匀播技术和条播技术的差异蛋白质表达情况
Figure BDA0003264458750000051
3、水肥管理：为了节水，现有技术中水肥管理方式一般为底肥50％+拔节肥50％，水肥后移技术水肥管理方式一般是底肥50％+孕穗肥50％，其中，小麦全生育期施纯N240kg/hm2、P2O5 100kg/hm2、K2O 112.5kg/hm2；N肥基施部分和P、K肥在播种前撒施地表进而浇水50方/亩；拔节期或者开花期、孕穗期追施N肥，常规做法为撒施地表进而浇水50方/亩。现有技术中还存在调节底肥和孕穗肥比例的技术，例如比例设定为3:7，4:6等，亦有设置基肥：拔节肥：开花肥＝4:3:3(杨明达等，2015)以及基肥：拔节肥：孕穗肥＝3:5:2、1:1:1进行水肥管理(吴进东等，2013；裴雪霞等，2009)，但是发明人在实际种植中发现，这种方式仅是用于提高产量，但是对于促进耐热性并不良好。江文文等(2014)对基肥+拔节肥或者基肥+孕穗肥对抗热性能影响进行了试验，但是未对基肥+拔节肥+花后肥的水肥管理方式进行研究，且没有研究后移水肥的具体操作方式。针对该发现，发明人针对立体匀播的利用耐热指数筛选出的品种经过多次试验，最终提出如下水肥管理方式：底肥50％+拔节肥35％+花后7天肥15％。也即将现有技术中拔节肥的50％分成两部分，将其中的15％后移到开花后的第7天，为了节水和控制植株功能期延长的时间不至于过长，本次水肥管理措施采取喷灌方式，喷施浓度为0.03％，水量定为20方/亩。通过这种方式可促使植株功能期适当延长，增加光合速率，经试验验证，可显著提高热稳定品种(例如师栾02-1)灌浆时期耐热性(具体可参见表10的A3、A4、A8、A9措施)。除了上述方式以外，其他水肥管理方式对于根据前面步骤筛选出的品种均未表现出较显著的耐热性提高。
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4、化学防控：在上述水肥管理的基础上，针对不同时间发生的热害，进行预防和调控两种化学防控措施。
⑴发生热害前，采取预防措施，在小麦花后第7-14天，采用无人机叶面喷施2％硫酸锌叶面肥，每间隔3天喷施一次，连续喷防3次。
例如在小麦花后第14天未发生热害情况下，喷施硫酸锌可显著减少之后高温造成的产量损失，比不喷施的材料平均增产9.8％，其中师栾02-1增产7.1％，石优20增产12.5％；并且喷施硫酸锌会显著提高小麦的品质，平均提高稳定时间39.35％，提升最大拉伸阻力14.3％，其中师栾02-1稳定时间提高51.3％，最大拉伸阻力提升10.7％，石优20稳定时间提高27.4％，最大拉伸阻力提升17.9％。
⑵发生热害后，采取调控措施，主要在小麦花后第21天，采用无人机叶面喷施2％硫酸锰，每间隔3天喷施一次，连续喷施3次。
需要注意的是，硫酸锌对不同品种间效果明显且差异较大，对第一步鉴定出的热稳定品种小麦，也即上面所筛选出的29个品种，以师栾02-1为例，在高温胁迫后喷施2％硫酸锌增产10.7％，而石优20(第一步鉴定的热敏感材料)减产8.9％。通常认为，常温即未发生热害的时候，喷施2％硫酸锰会导致减产。但是经过我们试验验证，发生热害以后，喷施2％硫酸锰，虽然在个别品种上效果不如硫酸锌明显，但是不同品种的小麦材料均可减轻热害危害，如小麦品种师栾02-1增产5.9％，石优20比不喷施硫酸锰的对照材料增产5.5％。意即如果未经第一步试验鉴定，不确定该小麦品种的抗热性能，可以在高温胁迫后喷施2％硫酸锰以减轻热害。
注：时间节点：小麦花后第7-14天，采取预防措施；小麦花后第21天，采取调控措施。该时间节点仅针对第一步筛选出的相对热稳定品种并仅针对硫酸锌适用，并且该时间节点非常重要，时间节点把握不准，则效果会下降非常多甚至不能产生作用。
通过利用扫描电镜进行观察(图5)，发现热胁迫下淀粉粒表层厚度变薄，形状更接近球体，大淀粉粒变小变少、小淀粉粒数量增加。喷施硫酸锰有利于淀粉粒大小构成趋于正常。
应用效果：
预防技术：在小麦花后第14天发生热害前，喷施2％硫酸锌可显著减少高温造成产量损失(表7)，比不喷施的材料平均增产9.8％，其中师栾02-1增产7.1％，石优20增产12.5％；并且喷施硫酸锌会显著提高小麦的品质，平均提高稳定时间39.35％，提升最大拉伸阻力14.3％，其中师栾02-1稳定时间提高51.3％，最大拉伸阻力提升10.7％，石优20稳定时间提高27.4％，最大拉伸阻力提升17.9％。其他28个相对热稳定品种的试验结果具有与师栾02-1相似结果，为节省篇幅，在此不再列举试验数据。
调控技术：热胁迫发生后喷施2％硫酸锌，小麦品种师栾02-1增产10.7％，石优20减产8.9％；热胁迫发生后，喷施2％硫酸锰，不同品种的小麦材料均可减轻热害危害，只是效果不如硫酸锌明显，如小麦品种师栾02-1增产5.9％，石优20比不喷施硫酸锰的对照材料增产5.5％。高温胁迫后喷施2％硫酸锰可使得石优20品质得到较大提升，面团稳定时间提升达40.95％，具体见表9。
表7 热胁迫前化学预防措施对小麦品种产量的影响
Figure BDA0003264458750000071
表8 热胁迫前喷施硫酸锌对小麦品种品质的影响
品种名称 稳定时间min B0：清水ck 较ck±％ 拉伸阻力EU B0：清水ck 较ck±％
C1：师栾02-1 35.70 29.90 19.40 984.00 832.00 18.27
C2：石优20 13.50 12.20 10.66 455.00 392.00 16.07
总和 49.2 42.1 30.06 1439.00 1224.00 34.34
平均 24.6 21.05 15.03 719.5 612 17.17
表9 热胁迫后喷施2％硫酸锰对小麦品种石优20品质的影响
Figure BDA0003264458750000072
Figure BDA0003264458750000081
综合效果
综上所述，对品种选择、播种方式、水肥管理和化学防控等措施效果进行综合评估(具体数值见表10)，得出如下结论：选取耐热小麦品种，播种方式采取立体匀播，水肥管理措施采取水肥后移技术(底肥50％+拔节肥35％+开花7天肥15％)，发生热害前在小麦花后第7-14天叶面喷施2％硫酸锌，发生热害后花后第21天喷施2％硫酸锌，更能有效提高小麦灌浆期抗热性能，达到所有试验结果中最高增产率14.49％。如果未经第一步鉴定，播种方式采取立体匀播，水肥管理措施采取水肥后移技术(底肥50％+拔节肥35％+开花7天肥15％)，发生热害后喷施2％硫酸锰，平均增产最多，达4.9％。
表10 热胁迫后各措施对小麦品种产量的影响
Figure BDA0003264458750000082
注：CK的措施：条播+热胁迫后喷施清水+正常水肥；
A1的措施：条播+热胁迫后喷施2％硫酸锌+正常水肥；
A2的措施：条播+热胁迫后喷施2％硫酸锰+正常水肥；
A3的措施：条播+热胁迫后喷施2％硫酸锌+水肥后移；
A4的措施：条播+热胁迫后喷施2％硫酸锰+水肥后移；
A5的措施：条播+热胁迫后喷施清水+水肥后移；
A6的措施：立体匀播+热胁迫后喷施2％硫酸锌+正常水肥；
A7的措施：立体匀播+热胁迫后喷施2％硫酸锰+正常水肥；
A8的措施：立体匀播+热胁迫后喷施2％硫酸锌+水肥后移；
A9的措施：立体匀播+热胁迫后喷施2％硫酸锰+水肥后移；
A10的措施：立体匀播+热胁迫后喷施清水+正常水肥；
产量单位为kg/亩。
本申请的四步骤栽培管理方法是前后相辅相成的一个方法，也即后面每个步骤都是针对前一步骤取得的结果进行作用，因为后面每一个步骤的优化和选取均是基于迁前一步骤做出，所以该方法中每个步骤的应用均应基于前一步骤，如果单独拿出某个步骤，或者在本发明之外的其他步骤之后应用本申请的某个步骤，则可能无法达到提高耐热性的效果，因为前一步骤采用其他方式的情形，后一步骤所采取的措施和方式可能根本无法匹配或适用，所以本申请的四步骤方法须作为一个整体来适用。

Claims (3)

1.一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法，包括品种选择、播种方式、水肥管理和化学防控四个步骤；所述品种选择步骤为通过计算沉降值耐热指数HTIS＝SS.H 2×SS.N -1×SCK.N×SCK.H -2对小麦品质耐热性进行鉴定并根据田间表征产量抗热性能的叶片持绿性和灌浆籽粒饱满度筛选高温胁迫后产量稳定的品种，其中，SS.N为正常处理待测材料的沉降值，SS.H为热胁迫下待测材料的沉降值，SCK.H为热胁迫处理对照品种的沉降值，SCK.N为正常处理下对照品种的沉降值；所述播种方式为通过立体匀播技术播种上述选择的热稳定品种；针对上述立体匀播的品种，采用水肥管理，所述水肥管理为底肥50％+拔节肥35％+花后7天肥15％；针对上述水肥管理后的品种，进行化学防控，所述化学防控为：发生热害前，采取预防措施，从花后7-14天开始，叶面喷施质量百分数为2％的硫酸锌溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷防3次；发生热害后，采取调控措施，从花后21天开始，叶面喷施质量百分数为2％的硫酸锌溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷施3次。
2.根据权利要求1的提高小麦灌浆期抗热性能的方法，其特征在于，所述叶面喷施采用无人机执行。
3.一种提高小麦灌浆期抗热性能的方法，包括品种选择、播种方式、水肥管理和化学防控四个步骤；所述品种选择步骤为通过计算沉降值耐热指数HTIS＝SS.H 2×SS.N -1×SCK.N×SCK.H -2对小麦品质耐热性进行鉴定并根据田间表征产量抗热性能的叶片持绿性和灌浆籽粒饱满度筛选高温胁迫后产量稳定的品种，其中，SS.N为正常处理待测材料的沉降值，SS.H为热胁迫下待测材料的沉降值，SCK.H为热胁迫处理对照品种的沉降值，SCK.N为正常处理下对照品种的沉降值；所述播种方式为通过立体匀播技术播种品种；针对上述立体匀播的品种，采用水肥管理，所述水肥管理为底肥50％+拔节肥35％+花后7天肥15％；针对上述水肥管理后的品种，进行化学防控，所述化学防控为：在热害发生后喷施质量百分数为2％的硫酸锰溶液，每间隔3天喷施一次，连续喷施3次。
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