蛋白质含量是决定小麦品质的重要指标之一。除了受小麦遗传特性控制外，还受温度和水分等环境条件的调控和影响^[1]。研究表明，土壤干旱和渍水会提高小麦籽粒中蛋白质含量，但降低蛋白质产量，影响籽粒品质^{[2, 3, 4]}。35 ℃以上短暂高温可以提高籽粒蛋白质含量，但会降低面团强度^[5]。蛋白质生物合成过程是在一系列酶的催化协同作用下共同完成的，最终决定蛋白质品质。其中，谷氨酰胺合成酶(glutamine synthetase,GS)和谷丙转氨酶(glutamic pyruvic transaminase,GPT)是调控小麦籽粒蛋白质形成的两个关键酶^[6]。GS是处于氮代谢中心的多功能酶，参与多种氮代谢调节，对氨基酸初步合成及氮的再同化有重要作用^{[6, 7, 8]}。GPT是一种重要的转氨酶，调控N从其主要载体谷氨酸向组成蛋白质的其它氨基酸转移，是催化生成丙氨酸的关键酶^[6]。GS和GPT活性显著受温度和水分等外界条件的影响。研究表明，土壤渍水和干旱导致小麦旗叶GS活性和籽粒GPT活性降低，籽粒蛋白质产量下降，品质变劣^[4]。但也有研究发现干旱提高小麦籽粒GPT活性，促进籽粒蛋白质形成^[9]。

小麦灌浆期是植株生长发育最易受不良环境条件影响的时期。在黄淮广大麦区，小麦灌浆期常出现38 ℃的极端高温天气^[10]，且高温常与干旱相伴发生，或形成典型的干热风，造成小麦减产10%—20%^[11]，并严重影响籽粒品质形成。以往结合高温、干旱单一胁迫的研究多集中在植株叶片GS、GPT活性等方面，围绕籽粒氮代谢关键酶及蛋白质合成酶学机制的研究相对较少，更缺乏复合胁迫影响的研究。基于此，本文采用盆栽与典型模拟相结合的方式，研究了花后高温、干旱及其复合胁迫对小麦籽粒GS、GPT活性及蛋白质组分的影响，以期为抗逆高产栽培及品质调优提供理论依据。

盆栽试验于2010—2012年在河南农业大学郑州科教示范园区采用完全随机设计进行。选用强筋小麦品种郑麦366(根据近红外谷物分析仪对2009—2010年度试验点大田试验测定结果，蛋白质含量16.4%，湿面筋含量32.9%)和中筋小麦品种豫农949(蛋白质含量15.4%，湿面筋含量29.7%)作为试验材料。盆栽用土取自大田0—20 cm耕层，土壤有机质含量18 g/kg，碱解氮 57 mg/kg，速效磷 67 mg/kg，速效钾 204 mg/kg。试验用盆采用底部带小孔的塑料盆钵，盆高27 cm、盆口直径24 cm，每盆装土10 kg。10月18日播种，播种前N、P、K施用量分别按每盆施1.1 g N,1.3 g P₂O₅ and 1.1 g K₂O作基肥(拔节期结合浇水按每盆1.1 g 追施N肥)，每盆定苗12株。开花期选取长势均匀一致的麦穗进行标记供取样。

高温处理采用人工气候室模拟方式进行。于花后7 d将长势均匀一致的供试盆栽转移至人工气候室。用100 W高压钠灯模拟自然光，光照强度约1400 μE/m²。以38 ℃高温处理4 d，处理时间为每天11:00—16:00，共5 h。每天处理结束后，把盆栽转移至大田环境条件下。所有处理结束后，全部处理均移至大田环境条件下生长至成熟。干旱及复合胁迫处理自高温处理前一周左右开始控制浇水，遮棚排除自然降水影响，采用称重法和TDR300(水分测定仪)相结合的方法测定盆栽土壤含水量，确保高温处理时达到目标含水量(轻度干旱，土壤相对含水量为50%)。以田间正常温度和正常供水条件下生长的小麦为对照(CK，土壤相对含水量为75%左右)。图 1为2010—2012生育期内高温处理期间大田生长环境的平均温度(x₁=27.6 ℃，2010—2011；x₂=27.4 ℃，2011—2012)。

图 1 2010—2011和2011—2012年度高温处理期间大田环境正常温度 Fig. 1 Air temperature of field environment for the periods of the high temperature applied during the 2010—2011 and 2011—2012 growing seasons

图选项

于开花期选择同一天开花、生长均匀一致的麦穗挂牌标记。高温处理前和结束后分别取样，之后每隔6 d取样至成熟。每次取样的新鲜籽粒一部分在液氮中速冻并保存在-40 ℃冰箱中，供测定GS和GPT酶活性，一部分烘干供测定蛋白质及其组分含量。

称取新鲜籽粒0.5 g，加5 mL Tris-HCl缓冲提取液(含1 mmol/L MgCl₂、1 mmol/L EDTA和2 mmol/L DTT，pH值=7.6)研磨成匀浆，匀浆液于13000 r/min离心25 min，取上清液，用于GS活性测定。测定方法参照《植物生理学实验指导》^[12]。GPT活性测定参照吴良欢等^[13]的方法。蛋白质及其组分含量测定采用全自动凯氏定氮法。蛋白质含量与全氮含量之间的换算系数为5.7。

用SPSS(Statistical Package for the Social Science) 软件对试验数据进行方差分析、相关分析和显著性测验。

从表 1可以看出，高温处理显著提高了两品种小麦籽粒总蛋白质含量及清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量，但对谷蛋白含量影响相对较小，使谷/醇比显著下降；两品种比较，高温处理对郑麦366的影响大于豫农949。干旱胁迫显著提高了两品种籽粒醇溶蛋白含量，但对清蛋白、球蛋白和谷蛋白的影响均较小，导致谷/醇比降低；豫农949籽粒总蛋白质含量在干旱胁迫下显著升高(两年结果一致)，而郑麦366在2010—2011年度下降，2011—2012年度显著升高。从表 1还可以看出，高温处理对籽粒蛋白质合成的影响大于干旱胁迫。复合胁迫显著提高了籽粒总蛋白质含量、清蛋白和球蛋白含量，但显著降低了谷蛋白含量(两品种表现一致)，但对醇溶蛋白含量的影响在品种间存在差异：复合胁迫显著提高了郑麦366醇溶蛋白含量，使谷/醇比显著下降，但对豫农949醇溶蛋白含量影响较小。

图 2所示，高温处理使郑麦366、豫农949籽粒 蛋白质产量分别下降20.9%(2010—2011)、20.7%(2011—2012)和11.3%(2010—2011)、12.4%(2011—2012)；粒重分别下降22.5%、23.2%和24.1%、24.0%。干旱胁迫下，郑麦366、豫农949籽粒蛋白质产量分别下降19.7%(2010—2011)、16.2%(2011—2012)和9.4%(2010—2011)、11.9%(2011—2012)；粒重分别下降18.8%、18.0%和16.9%、16.0%。复合胁迫使郑麦366、豫农949籽粒蛋白质产量分别下降27.0%(2010—2011)、26.1%(2011—2012)和16.2%(2010—2011)、15.8%(2010—2011)；粒重分别下降30.3%、29.9%和29.8%、28.9%。可见，2a试验结果基本一致。在试验条件下，高温处理的影响大于干旱胁迫，复合胁迫具有明显的叠加效应。两品种比较，强筋小麦郑麦366受逆境胁迫的影响较大。

图 2 高温、干旱及其互作对小麦蛋白质产量和粒重的影响 Fig. 2 Effects of heat,drought and its combination on the yield of wheat grain protein and dry grain weight 不同字母表示0.05水平显著性差异

图选项

随小麦灌浆进程的推进，两品种籽粒GS活性均呈逐渐下降趋势(图 3)。与对照比较，高温胁迫使灌浆期两品种籽粒GS活性平均分别提高12.0%和16.2%，复合胁迫下两品种GS活性分别提高10.8%和14.7%。干旱胁迫则使花后11 d和23 d的GS活性有不同程度下降，其它时期升高。复合胁迫加快了两品种籽粒灌浆进程，使灌浆持续期缩短6 d。从对籽粒GS活性的影响看，高温与干旱胁迫具有叠加效应。两品种比较，豫农949籽粒GS活性对逆境胁迫更为敏感(图 3)。

图 3 花后小麦籽粒GS活性的积累动态 (2011—2012) Fig. 3 Dynamic changes of GS activities in wheat grains after anthesis

图选项

小麦籽粒GPT活性先上升，于花后23 d达最大值，之后迅速下降(图 4)。花后8—23 d，高温、干旱及复合胁迫明显提高了籽粒GPT活性，之后影响迅速减小，使不同处理间籽粒GPT活性差异不大。高温处理显著提高了郑麦366花后8，17和23 d籽粒GPT活性和豫农949花后11，17和23 d GPT活性)。干旱胁迫显著提高了郑麦366花后17 d籽粒GPT活性和豫农949花后11和17 d GPT活性。复合胁迫使郑麦366花后8，17和23 d籽粒GPT活性显著升高，豫农949花后17和23 d籽粒GPT活性显著升高。花后29 d，单一胁迫使两品种籽粒GPT活性不同程度升高，而复合胁迫对两品种的影响存在差异：郑麦366籽粒GPT活性下降，而豫农949籽粒GPT活性升高。花后35 d，高温和干旱胁迫均使郑麦366籽粒GPT活性下降，而使豫农949籽粒GPT活性升高。

图 4 花后小麦籽粒GPT活性的积累动态 (2011—2012) Fig. 4 Dynamic changes of GPT activities in wheat grains after anthesis

图选项

表 2所示，不同时期籽粒GS活性与蛋白质含量、蛋白质产量和粒重的相关性存在有差异：花后8，17，23和29 d籽粒GS活性与蛋白质含量呈显著或极显著正相关；花后8，17，23，29 和35 d籽粒GS活性与籽粒产量呈显著或极显著负相关；花后23和35 d 籽粒GS活性与籽粒蛋白质产量呈极显著负相关。从表 3可以看出，花后11和17 d籽粒GPT活性与籽粒蛋白质含量呈极显著正相关；花后8、17和23 d籽粒GPT活性与籽粒蛋白质产量呈极显著负相关；花后8、11、17和23 d籽粒GPT活性与籽粒产量呈显著或极显著负相关。可见，籽粒GPT主要在灌浆前期起作用。

温度和水分是影响作物生长发育的关键生态因子，在很大程度上影响籽粒灌浆进程及籽粒品质、产量形成。有研究表明，高温降低叶光合同化效率，使叶片光合产物输出紊乱，抑制籽粒中光合产物的累积^[14]。尽管高温在短时间内提高籽粒胚乳细胞分裂速率，但由于分裂期明显缩短，最终胚乳细胞数减少，粒重显著降低^[15]。灌浆期间高温或干旱胁迫对蛋白质积累产生负面影响，使蛋白质产量下降^{[2, 3, 4, 16]}。本试验条件下，高温(38 ℃)分别降低了籽粒蛋白质产量20.7%—20.9%(郑麦366)和11.3%—12.4%(豫农949)，干旱降低16.2%—19.7%(郑麦366)和9.4%—11.9%(豫农949)，复合胁迫降低26.1%—27.0%(郑麦366)和15.8%—16.2%(豫农949)。表明高温处理的影响大于干旱胁迫，两者具有显著的叠加效应。两品种比较，强筋小麦品种郑麦366受逆境胁迫的影响较大。

籽粒蛋白质含量易受温度等环境影响，灌浆期温度升高往往使籽粒蛋白质含量提高^[16]，但含量相对高是籽粒淀粉合成受抑较大的缘故^[17]；不同品种对高温胁迫的敏感性存在显著差异^{[14, 15, 16, 17, 18]}。本研究结果表明，高温、干旱及其复合胁迫均显著提高籽粒蛋白质含量，其中中筋小麦品种豫农949受影响较大；单一因子比较，高温胁迫的影响大于干旱胁迫。小麦籽粒蛋白组分，尤其谷/醇比在很大程度上决定了籽粒品质的优劣，高温处理显著降低了谷／醇比，从而导致面团强度、面包体积和评分等烘烤品质变劣^{[5, 19, 20]}。本研究表明，高温处理显著提高了小麦籽粒总蛋白质含量及清蛋白、球蛋白和醇溶蛋白含量，但对谷蛋白含量的影响较小，使谷/醇比显著下降。干旱显著提高了小麦籽粒醇溶蛋白含量，但对清蛋白，球蛋白和谷蛋白的影响较小，谷/醇比亦降低。

GS和GPT是调控小麦籽粒蛋白质合成的两个关键酶，其活性显著受环境条件的影响。有研究表明，高温和干旱均导致小麦旗叶GS活性和籽粒GPT活性降低，使蛋白质合成受抑，籽粒蛋白质产量下降^{[4, 20, 21]}。小麦籽粒GPT活性与籽粒蛋白质产量显著正相关^[20]，而籽粒GS活性与蛋白质含量和产量的相关性均较小^{[4, 20]}。也有研究认为干旱胁迫提高籽粒GPT活性，促进蛋白质的合成^[9]。本研究表明，高温、干旱及其互作在一定时期均提高了小麦籽粒GS和GPT活性，其中豫农949更易受胁迫影响。不同时期小麦籽粒GS和GPT活性与籽粒蛋白质含量(正相关)及蛋白质产量(负相关)的相关性存在有差异。花后8，17，23和29 d的籽粒GS活性及花后11和17 d的籽粒GPT活性与蛋白质含量关系密切，花后23和35 d的籽粒GS活性及花后8、17和23 d的籽粒GPT活性与籽粒蛋白质产量密切相关。

综上所述，逆境胁迫下籽粒GS和GPT活性升高是导致籽粒蛋白质相对含量升高的重要原因，但不能提高粒重和蛋白质产量。籽粒GS活性对蛋白质合成都有重要影响，而籽粒GPT活性主要在生育前期起作用。蛋白质合成除受GS和GPT活性的影响外，还与其他蛋白质合成酶和淀粉合成酶有关，这方面有待深入研究。

灌浆前期高温和干旱胁迫显著提高了两品种小麦籽粒蛋白质含量，但导致谷/醇比降低，并使蛋白质产量显著下降。其中，高温使郑麦366和豫农949蛋白质产量分别下降20.7%和16.2%，干旱下降26.1%和12.4%，，复合胁迫下降1 1.9%和15.8%。同时，高温、干旱及其复合胁迫均使两品种小麦籽粒氮代谢关键酶活性升高，花后8，17，23和29 d的籽粒GS活性及花后11和17 d的籽粒GPT活性与蛋白质含量呈显著或极显著正相关；花后23和35 d的籽粒GS活性及花后8、17和23 d的籽粒GPT活性与籽粒蛋白质产量呈显著或极显著负相关。两年试验结果一致，从影响因子来看，高温胁迫对小麦蛋白质合成的影响大于干旱胁迫，复合胁迫具有明显的叠加效应。两品种比较，逆境胁迫下强筋小麦品种郑麦366蛋白质产量降幅较大，而豫农949蛋白质含量更易受影响。