张 霞 徐学欣 赵金科 孙 芹 郝天佳 赵长星 王维华 石 岩

(青岛农业大学农学院/山东省旱作农业技术重点实验室，山东 青岛 266109)

小麦(TriticumaestivumL.)是我国重要的粮食作物，是食物中淀粉和蛋白质的重要来源。山东是我国小麦第二大主产省，也是我国优质专用小麦优势产区之一[1-2]。近年来随着人们生活水平的改善，对小麦食品的种类和质量需求也不断提高[3]。为此，探究快速高效的小麦品质分类和评价方法，为小麦品质育种和栽培提供理论依据，对保障我国粮食安全和优质小麦供应意义重大。

小麦品质指标是决定小麦用途的重要参考，是籽粒硬度[4]、沉降值[5]、湿面筋含量[6]、蛋白质含量[7]、粉质参数[8]、拉伸参数[9]等性状的综合评价。现代近红外光谱分析技术具有快速高效、多组分、成本低、非破坏性、无环境污染等优点，在小麦生产加工[10]、病菌鉴定[11]、虫害识别[12]、抗性鉴定[13]等方面应用广泛。目前，近红外光谱分析技术在作物品质分析和评价、品种资源鉴定和品质育种中发展迅速，是谷物品质分析与检测的重要手段[14-15]。Mutlu等[16]利用近红外光谱分析技术对小麦蛋白质含量、水分含量、Zeleny沉降值、吸水率、面团发育时间、面团稳定时间、延展性等指标进行测定，测定结果与化学方法测定结果具有良好的一致性。前人研究结果表明籽粒形态(大小)与产量呈正相关关系[17-18]，与品质呈负相关关系[19-20]，籽粒形态可有效预测小麦产量和品质。种子图像分析技术作为测定小麦形态指标的技术手段，具有经济、快速等优点，且不易受测量者主观因素的影响，测定结果准确性和稳定性较高[21-22]。然而，目前鲜见结合近红外光谱技术和种子图像分析技术研究小麦品质性状的报道，且小麦品质与籽粒形态关系仍需进一步研究[17]。基于此，本研究在雨养旱作下，采用11个中筋小麦品种和5个强筋小麦品种，通过近红外光谱分析技术测定小麦籽粒品质，结合种子图像分析技术测定籽粒形态，探究近红外光谱分析技术预测小麦品质的可行性，并明确小麦品质、籽粒形态和千粒重三者之间的相互关系，旨在为优质小麦品种的筛选与品质鉴定提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2020年小麦生长季，在山东省胶州市青岛农业大学胶州现代农业示范园(35.53°N，119.58°E)，雨养条件下开展田间试验。三年度前茬作物玉米收获后播种，试验田土壤质地为砂姜黑土，播种前0～20 cm土层土壤养分状况见表1，三年土壤基础肥力基本一致。2017—2018年、2018—2019年和2019—2020年小麦季降雨量分别为154.0、122.7和257.1 mm。

表1 试验地0～20 cm土层土壤养分状况

1.2 试验设计

试验选用16个小麦品种，包括11个中筋小麦品种(郯麦98、烟农999、济麦22、良星99、烟农173、青农2号、鑫麦296、泰农33、山农28、DH51202、泰麦1918)，5个强筋小麦品种(师栾02-1、济麦20、济南17、洲元9369、泰科麦33)。采用单因素试验设计，每个品种3次重复，随机区组排列，共48个小区。2018年试验小区面积为8.4 m×4.1 m=34.4 m2，2019年和2020年试验小区面积为8.4 m×8.4 m=70.6 m2，小麦播种前将前茬玉米秸秆粉碎还田旋耕2遍，播种方式为条播，行距为22 cm，基本苗为250万株·hm-2。3年分别于2017年10月13日、2018年10月13日和2019年10月13日播种，于2018年6月14日、2019年6月12日和2020年6月16日收获。底施基肥为施可丰复合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，施肥量为1 066.7 kg·hm-2(总养分含量为480 kg·hm-2)，后期不追肥、不灌溉，其他管理同一般高产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦产量测定 于小麦成熟期调查小麦的穗数、穗粒数及千粒重，并在各小区随机选取3 m2收获测产，籽粒含水量为13.0%。

1.3.2 小麦籽粒形态测定 使用SC6000TR 种子图像分析系统(Next Instrument，澳大利亚)对16个中、强筋小麦的长度、宽度、厚度、长/宽、圆度进行测定。称量一定体积(37.81 mL)小麦籽粒，将籽粒摆放入托盘扫描测定。

1.3.3 小麦品质性状测定 近红外光谱品质检测模型建立：用Antaris Ⅱ 傅里叶变换近红外光谱品质分析仪(ThermoFisher Scienticfic Inc，美国)扫描400份样品，测定400份小麦样品的硬度[23]、容重[24]、蛋白质含量[25]、湿面筋含量[26]、沉降值[27]、吸水率[28]、面团稳定时间[28]、形成时间、延展性[29]和最大抗延阻力[29]。采用全光谱数据建立偏最小二乘法(partial least squares,PLS)模型，以交互验证均方根误差(root mean square error of calibration,RMSEC)确定最优预处理方法，对光谱信息进行标准化、一阶求导、二阶求导等预处理，消除干扰因素的影响。其中吸水率、硬度、沉降值、容重、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力的RMSEC分别为1.16%、3.12%、2.32%、5.67%、0.26%、0.61%、0.41%、0.31%、4.36%、64.00%，线性相关系数(R2)分别为0.946、0.816、0.912、0.840、0.982、0.979、0.935、0.914、0.953、0.691。

试验样品检测：人工分拣去除小麦样品杂质，采用近红外光谱分析仪进行扫描，每个样品重复装样扫描3次，求平均光谱值。

小麦品质国家标准测定方法验证近红外光谱分析技术测定的小麦品质的可行性：采用近红外光谱分析技术与国家标准方法[23-29]分别测定2018—2019年和2019—2020年16个小麦品种的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力，其相关性分析结果见表2。

表2 近红外品质测定与国家标准方法测定结果相关性分析

1.4 数据分析

采用Excel 2016对试验数据进行处理并制图，利用SPSS 18.0统计软件进行聚类分析、差异性检验分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种品质性状、籽粒形态、产量相关性状的方差分析

由表3可知，所有指标的品种效应均达极显著水平(P<0.01)，除年份间籽粒硬度(P<0.05)、厚度(P<0.01)和品种与年份互作的面团形成时间(P<0.01)指标外，其余指标年份间和品种与年份互作效应均达极显著水平(P<0.001)。

表3 小麦品质性状、籽粒形态和产量相关性状均方差值

2.2 不同小麦品种品质分类及品质性状分析

由图1可知，对3年度不同小麦品种品质参数进行聚类分析，可将16个小麦品种分为5类。2017—2018年，第Ⅰ类：郯麦98、良星99、鑫麦296、烟农173、泰农33、DH51202；第Ⅱ类：烟农999、青农2；第Ⅲ类：济麦22；第Ⅳ类：山农28、泰麦1918、洲元9369、济南17、济麦20；第Ⅴ类：泰科麦33、师栾02-1。2018—2019年，第Ⅰ类：郯麦98、良星99、鑫麦296、烟农173、泰农33、DH51202、青农2；第Ⅱ类：烟农999、泰麦1918；第Ⅲ类：济麦22、山农28、泰科麦33、洲元9369；第Ⅳ类：济麦20；第Ⅴ类：师栾02-1。2019—2020年、第Ⅰ类：郯麦98、良星99、济南17；第Ⅱ类：烟农999、济麦22、山农28、烟农173、泰农33、泰麦1918、DH51202、洲元9369；第Ⅲ类：青农2号、鑫麦296；第Ⅳ类：泰科麦33；第Ⅴ类：济麦20、师栾02-1。

图1 2017—2020年度不同小麦品种品质的聚类树状图

由表4可知，第Ⅴ类小麦品种沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、形成时间、延展性显著高于其余类小麦品种，第Ⅳ类小麦沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量和延展性低于第Ⅴ类小麦品种，显著高于其余类小麦品种。2017—2018年，第Ⅴ类小麦品种的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力均值分别为61.6%、55.3%、795.0 g·L-1、36.8 mL、14.9%、32.4%、7.5 min、4.4 min、151.0 mm、275.9 YU，其吸水率、籽粒硬度、最大抗延阻力显著高于其余类小麦品种，第Ⅳ类小麦品种硬度、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力低于第Ⅴ类小麦品种，显著高于其余类小麦品种，但第Ⅳ类小麦品种容重最低。2018—2019年，第Ⅴ类小麦品种的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力值分别为60.1%、56.3%、792.3 g·L-1、42.0 mL、15.8%、34.9%、6.1 min、4.6 min、155.7 mm、399.1 YU，其吸水率、籽粒硬度和最大抗延阻力显著高于其余类小麦品种，而容重显著低于其余类小麦品种，第Ⅳ类小麦品种吸水率、硬度、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力低于第Ⅴ类小麦品种，显著高于其余类小麦品种。2019—2020年，第Ⅴ类小麦品种的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力均值分别为56.9%、54.6%、795.3 g·L-1、33.8 mL、14.4%、30.7%、6.0 min、3.6 min、135.6 mm、245.6 YU，其沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、延展性较其他类小麦品种最高。而其容重相较其他类小麦品种最低，第Ⅳ类小麦品种沉降值、蛋白质含量湿面筋含量、延展性低于第Ⅴ类小麦品种，但高于其余类小麦品种。表明第Ⅴ类小麦品种品质较高是吸水率、籽粒硬度、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、形成时间、延展性和最大抗延阻力的共同表现，而容重与其他品质指标表现相反，第Ⅳ类小麦品种品质表现仅次于第Ⅴ类小麦品种，师栾02-1、济麦20、泰科麦33较其余小麦品种品质表现更优，而郯麦98和良星99品质表现较差。

表4 2017—2020年不同小麦品种品质性状

2.3 不同小麦籽粒形态性状及产量性状分析

由表5可知，第Ⅴ类小麦的籽粒长度、宽度、厚度、面积最低。2017—2018年，第Ⅴ类小麦籽粒长宽比显著高于其余类小麦品种，但籽粒圆度与千粒重最低。2018—2019年，第Ⅳ类与第Ⅴ类小麦的长宽比无显著相关性，但显著高于其余类小麦品种，而第Ⅳ类小麦的圆度最低，第Ⅴ类小麦品种千粒重最低。2019—2020年，第Ⅰ类小麦籽粒长宽比显著高于其余类小麦品种，而籽粒圆度最低，第Ⅳ类小麦品种千粒重最低。综合三年度五类冬小麦千粒重表现为：Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ>Ⅳ>Ⅴ，均值分别为42.9、42.9、42.1、40.7、39.1 g。三年度强筋小麦产量均值由高到低依次：济麦20、济南17、洲元9369、师栾02-1、泰科麦，产量分别为8 086.2、7 850.7、7 102.6、6 717.0、6 532.1 kg·hm-2，中筋小麦品种产量由高到低依次为烟农999、泰麦1918、烟农173、泰农33、山农28、鑫麦296、济麦22、良星99、DH51202、洲元9369、青农2，产量分别为8 767.7、8 750.0、8 500.2、7 952.9、7 886.0、7 870.1、7 671.8、7 597.9、7 593.8、7 102.6、6 479.5 kg·hm-2。

表5 2017—2020年不同小麦品种籽粒形态及产量性状

2.4 小麦籽粒形态与千粒重相关性分析

由表6可知，籽粒千粒重与籽粒宽度、面积呈极显著正相关关系，与籽粒厚度呈显著正相关关系，籽粒面积与籽粒长度、宽度、厚度呈极显著正相关关系；籽粒长宽比与圆度呈显著或极显著负相关关系，与籽粒宽度呈显著负相关关系；籽粒长度与籽粒圆度呈极显著负相关关系，而籽粒宽度与厚度呈极显著正相关关系。2018—2019年，籽粒长度分别与千粒重和籽粒长宽比呈显著正相关关系，与籽粒圆度呈极显著负相关关系，籽粒长宽比分别与籽粒宽度和籽粒厚度呈显著负相关关系。2019—2020年，籽粒长度与千粒重呈显著正相关关系，与籽粒圆度呈极显著负相关关系。

表6 2017—2020年不同小麦品种籽粒形态及千粒重的相关关系

2.5 不同小麦品种品质性状与籽粒形态及千粒重性状之间的相关性分析

由表7可知，2017—2018年，籽粒长度与籽粒硬度和蛋白质含量呈显著负相关关系，与容重呈极显著正相关关系；籽粒宽度与沉降值、湿面筋含量、面团形成时间和最大抗延阻力呈显著负相关关系，与籽粒硬度、蛋白质含量和延展性呈极显著负相关关系，而与容重呈极显著正相关关系；籽粒厚度与沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间呈显著负相关关系，与籽粒硬度呈极显著负相关关系；籽粒面积与籽粒硬度、沉降值、湿面筋含量、面团形成时间和最大抗延阻力呈显著负相关关系，与蛋白质含量和延展性呈极显著负相关关系；千粒重与蛋白质含量呈显著负相关关系，而与容重呈极显著正相关关系。2018—2019年，籽粒长度与容重呈显著正相关关系，而与蛋白质含量呈极显著负相关关系；籽粒宽度与面团形成时间、延展性呈显著负相关关系，与蛋白质含量呈极显著负相关关系；籽粒厚度与沉降值、面团形成时间和最大抗延阻力呈显著负相关关系、与蛋白质含量和延展性呈极显著负相关关系；籽粒面积与延展性呈显著负相关关系，与蛋白质含量呈极显著负相关关系，但与容重呈显著正相关关系；千粒重与面团形成时间呈显著负相关关系，与蛋白质含量呈极显著负相关关系，而与容重呈显著正相关关系。2019—2020年，籽粒长度与沉降值呈显著负相关关系，与蛋白质含量呈极显著负相关关系；籽粒宽度与籽粒硬度、面团形成时间呈显著负相关关系，与蛋白质含量呈极显著负相关关系；籽粒厚度与蛋白质含量呈极显著负相关关系；籽粒面积与沉降值、面团形成时间和延展性呈显著负相关关系，与蛋白质含量呈极显著负相关关系。

表7 2017—2020年小麦品质性状和籽粒形态及千粒重的相关关系

3 讨论

随着人民生活水平的不断提高，小麦供给与生产之间的矛盾越来越突出，主要表现为优质小麦的生产严重不足，且我国小麦的总体品质较差，因此，转变小麦生产导向，由“高产为主”向“量质并重，提质增效”的转变势在必行[30-32]。传统上，多采用物化方法测定小麦品质指标，进行品质改良与品种筛选，胡学旭等[33]以2000—2015年我国北部、黄淮冬小麦区1 589份样品为材料，分析我国近几十年育成和审定品种的品质变化趋势，为小麦品质遗传改良和品种审定提供了参考；王冬梅等[34]对1999—2018年山东省审定的125个品种的蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、吸水量和稳定时间进行分析，为小麦品质改良提供了依据；赵广才等[35]以7个强筋小麦为材料，测定小麦的湿面筋含量、降落数值、沉降值、粉质指标、拉伸指标和烘烤特性，认为在一定施氮范围内，小麦的主要加工品质性状随施氮量的增加而改善。与传统化学方法相比，近红外光谱分析技术可快速、高效检测小麦品质指标，段国辉等[36]利用近红外光谱分析技术和国家标准方法分别测定小麦的蛋白质含量，结果表明近红外品质测定蛋白质含量与国家标准方法测定结果吻合程度较好。孔欣欣等[37]利用近红外光谱技术分析小麦籽粒水分、蛋白质含量和湿面筋含量，对大批量育种材料品质性状进行初步筛选，为种质资源早期评价提供重要参考；陈锋等[38]通过近红外光谱技术为小麦硬度的测定提供了快速、有效的分级测试方法。本试验中近红外光谱分析技术测定的16个小麦品种的吸水率、籽粒硬度、容重、沉降值、蛋白质含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力与国家标准方法测定的结果相关性较高，因此，利用近红外光谱分析技术测定小麦品质指标是可行的，且综合以上指标分析表明，强筋小麦品种师栾02-1、济麦20、泰科麦33品质表现较为稳定，均优于其余品种，其中师栾02-1的吸水率、硬度、沉降值、蛋白质含量、湿面筋含量、面团稳定时间、面团形成时间、延展性和最大抗延阻力最优，而济麦20在供试强筋小麦品种中产量最高。中筋小麦品种烟农999、泰麦1918和烟农173产量显著高于其余小麦品种，在中筋小麦品种中，泰麦1918品质较好且较稳定。因此，在胶东地区半湿润偏旱的气候环境雨养条件下，济麦20和泰麦1918是适宜此地区种植的高产优质冬小麦品种。

小麦千粒重和单位面积粒数共同决定了籽粒产量[39]，而千粒重与籽粒形态(籽粒长度、宽度、厚度)密切相关[40-41]，二者是预测小麦产量和品质的重要指标[42-45]。前人研究表明，小麦千粒重和籽粒形态对小麦品质具有重要影响[46]，小麦千粒重与面粉产量呈显著正相关关系[47]，而与十二烷基硫酸钠(sodium dodecyl sulfate, SDS)-沉降值、降落值和面粉粉质指数呈极显著负相关关系[48]，籽粒长度与面团形成时间和面团稳定时间呈极显著负相关关系，籽粒宽度与湿面筋含量呈显著负相关关系[49]，小麦籽粒长度和籽粒宽度与蛋白质含量呈显著负相关关系[50]。与传统手工测定籽粒形态相比，利用种子图像分析技术获取小麦籽粒形态信息，实现了小麦籽粒的形态参数量化测定[51-52]。本研究采用种子图像分析技术测定结果表明，千粒重不仅与籽粒宽度、厚度呈显著正相关关系，还与籽粒面积呈显著正相关关系。千粒重与品质指标容重具有显著正相关关系，但与面团稳定时间、蛋白质含量呈显著负相关关系；其中籽粒蛋白质含量随千粒重的增加而降低，这可能与Blanco等[53]提出的千粒重对籽粒蛋白质含量具有稀释作用有关。籽粒长度、宽度、厚度、面积均与蛋白质含量呈现显著负相关关系(P<0.05)，且籽粒宽度和籽粒面积与蛋白质含量呈极显著负相关关系(P<0.01)。综上，通过测定籽粒形态指标(籽粒长度、宽度、厚度、籽粒面积)可以有效预测籽粒蛋白质含量和千粒重。

4 结论

本研究利用近红外光谱分析技术对供试品种的品质进行分析归类，发现强筋小麦品种中济麦20产量最高，中筋小麦品种中泰麦1918产量较高且品质较好，因此，强筋小麦品种济麦20和中筋小麦品种泰麦1918是适宜鲁东地区雨养条件下种植的高产优质小麦品种。小麦籽粒形态(籽粒、宽度、厚度、面积)和千粒重分别与蛋白质含量呈显著负相关关系，籽粒形态(籽粒长度、宽度、厚度、面积)和千粒重的增加会导致小麦品质下降。综合利用近红外光谱分析技术测定小麦品质指标和种子图像分析技术测定籽粒形态指标，可快速高效鉴定小麦品质和筛选种质资源。