零氮供应下小麦地方品种和栽培品种的酚酸与籽粒蛋白质含量

《Journal of Agriculture and Food Research》：Phenolic acids and grain protein content in wheat landraces and cultivars under zero nitrogen supply

　　

酚酸是小麦中主要的酚类化合物，具有显著的健康促进益处。理解氮（N）供应对小麦遗传资源中酚酸含量的影响，对于确保可持续农业系统下的高籽粒品质至关重要。在本研究中，研究人员在两年内，将29个硬粒小麦和面包小麦地方品种及栽培品种种植于两种不同氮水平（0和80 kg N ha^-1）下。评估了酚酸积累和籽粒蛋白质含量（GPC）与产量组分的关系。结果显示，籽粒产量和品质性状均存在强烈的氮水平×年份互作效应。在较高氮供应下，硬粒小麦和面包小麦的GPC在两年中均显著增加。在N₀条件下，检测到单穗粒重和千粒重的补偿效应。对通常在小麦中鉴定的六种主要酚酸进行了定量。其中，阿魏酸（ferulic acid）含量最高，在N₀下略有增加。相关性分析显示酚酸和GPC与产量组分呈负相关，表明初级生长与次级代谢产物之间存在权衡。通过应用阿魏酸和籽粒蛋白质偏差指数，研究人员鉴定了在N₀条件下保持高酚酸和GPC的硬粒小麦和普通小麦基因型，尤其是地方品种和古老栽培品种。总体而言，这些结果表明，考虑到更可持续的农业系统，特别是在边缘地区，小麦地方品种和古老栽培品种可能是低氮投入栽培的宝贵选择。

在全球粮食生产中，小麦作为主要口粮作物，其产量与品质受氮素（N）供应强烈影响。现代集约化农业依赖高氮肥投入以最大化产量，但由此引发的环境问题（如硝酸盐淋溶、富营养化及温室气体排放）日益突出。转向低氮可持续农业系统，亟需挖掘能在氮素限制条件下保持高营养品质的遗传资源。酚酸（phenolic acids, PA）作为小麦籽粒中最丰富的酚类化合物，具有抗炎、抗癌及心血管保护等健康益处，但其积累受氮素调控的机制尚不明确。地方品种（landraces）和古老栽培品种（old cultivars）可能因适应低投入环境而保留更高的次级代谢物合成能力，但相关研究多集中于现代品种，对不同遗传背景在零氮供应下的协同响应关注不足。为此，研究人员在《Journal of Agriculture and Food Research》发表论文，系统评估了零氮供应对硬粒小麦（durum wheat）和面包小麦（bread wheat）地方品种、古老及现代栽培品种的酚酸积累与籽粒蛋白质含量（grain protein content, GPC）的影响，并揭示其与产量组分的关联，旨在为低氮可持续农业筛选优质基因型。

研究人员基于两年（2024和2025年）田间试验，在意大利巴里Valenzano的试验中心（土壤为砂质黏壤土，典型地中海气候）对29个基因型（15个硬粒小麦和14个普通小麦，涵盖地方品种、古老及现代栽培品种，表1列出具体品种及来源）实施两种氮水平处理（N₀：0 kg N ha^-1；N₈₀：80 kg N ha^-1）。主要关键技术方法包括：（1）酚酸提取与高效液相色谱-二极管阵列检测（HPLC-DAD）分析，对籽粒全粉进行碱水解、酸化和乙酸乙酯萃取后，定量六种主要酚酸（p-羟基苯甲酸、丁香酸、香草酸、p-香豆酸、阿魏酸和芥子酸）；（2）产量组分（单穗粒重GYS、千粒重TKW、每穗粒数KNS、抽穗期HT）及GPC（近红外反射光谱法）测定；（3）统计建模采用线性混合模型（LMM）评估年份、氮水平、物种及基因型嵌套效应，主成分分析（PCA）可视化酚酸变异，Spearman秩相关分析性状关联，并基于最佳线性无偏预测（BLUP）计算籽粒蛋白质偏差（GPD）和阿魏酸偏差（FERD），以剔除产量稀释效应，识别内在高营养品质基因型。

研究结果分三个部分展开：

**3.1 酚酸积累与氮供应的关系**：通过HPLC-DAD定量，硬粒小麦和普通小麦中阿魏酸均占主导（占总酚酸TPA>80%），其次为芥子酸、p-香豆酸、香草酸、p-羟基苯甲酸和丁香酸。PCA显示，第一主成分（PC1, 57.7%）主要分离年份，2025年样本在N₀下阿魏酸含量显著高于N₈₀（硬粒小麦：511.9 vs 407.8 μg g^-1 d.m.；普通小麦：594.4 vs 506.0 μg g^-1 d.m.），而2024年干旱条件下N水平间差异不显著，表明酚酸积累受年份×氮互作主导，环境胁迫（如干旱）可掩盖氮效应。相关性分析表明，各酚酸间呈正相关，且氮供应未改变其协同积累模式，提示氮素并非调控酚酸合成的核心驱动因子。

**3.2 籽粒蛋白质含量与产量组分的关系**：LMM显示年份、氮水平及其互作显著影响多数性状。GPC在N₈₀下均显著高于N₀（硬粒小麦：2024年14.4% vs 12.2%，2025年12.1% vs 9.1%；普通小麦：2024年15.0% vs 13.6%，2025年13.0% vs 10.6%），证实氮素是GPC的主要决定因子。产量组分方面，2025年N₀下GYS和KNS显著降低，但2024年干旱与N₀组合中，硬粒小麦KNS和TKW未下降，普通小麦则出现KNS减少而TKW增加的补偿效应，表明物种间存在不同的胁迫适应策略。

**3.3 氮供应下基因型对籽粒蛋白质和酚酸的影响**：相关性分析显示，酚酸和GPC与GYS、TKW多呈负相关，尤其阿魏酸与GYS在N₀下显著负相关，指向产量与品质间的权衡。通过GPD和FERD指数（基于GYS和TKW回归残差），研究人员筛选出在N₀下同时维持高GPC和高阿魏酸含量的基因型：硬粒小麦中，地方品种Saragolla locale di Puglia和古老栽培品种Appulo表现最优；普通小麦中，地方品种Gentil Rosso和现代品种Blasco、Aca 360兼具正GPD和FERD值。这一结果说明，部分现代品种也能保留低氮适应潜力，但地方品种和古老品种在低氮条件下更稳定地保持高营养品质，尤其在硬粒小麦中。

讨论部分指出，氮素与气候条件的互作是影响酚酸和GPC响应的关键因素，多年度评估对准确筛选低氮适应基因型至关重要。研究结论（翻译自原文CONCLUSIONS）：氮肥施用影响了硬粒小麦和普通小麦的GPC，但对两种小麦的酚酸积累影响较小。氮素与气候条件的互作可能影响了氮素吸收、再动员以及籽粒产量和品质，这凸显了在评估基因型在不同氮素水平下的表现时进行多年度评价的重要性。通过使用GPD和FERD指数，研究人员鉴定了那些真正偏离预期籽粒产量-品质权衡的基因型，主要突出了在特定产量水平下维持较高GPC和/或阿魏酸水平的地方品种和古老栽培品种。本研究表明，在N₀和接近最佳氮素条件下，鉴定出积累高含量酚酸的基因型是可能的。地方品种和古老栽培品种是改善低氮投入下籽粒营养和功能品质的有用遗传资源。