小麥淀粉理化特性遺傳改良研究進展

王紅日　王利民　戴雙等

摘要：近年來小麥淀粉理化特性遺傳改良取得了顯著進展，育成一系列高、低直鏈淀粉含量和糯性小麥，所用方法主要是常規雜交選育，化學誘變和轉基因技術也得到廣泛應用。但小麥淀粉理化特性遺傳改良仍然存在諸多限制，最主要的是種質資源匱乏，另外淀粉檢測技術也在很大程度上限制了淀粉特性的改良。

關鍵詞：小麥；淀粉；理化特性；遺傳改良

中圖分類號：S512.101 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2013）08-0137-04

小麥淀粉的用途非常廣泛，不僅可以制作面包、面條、饅頭等各種食品，還可用于造紙和紡織，也可作為生產葡萄糖漿、膠帶等的原料_[1～3]。淀粉占小麥籽粒干重的60%～70%、面粉的65%～75%，與籽粒和面粉產量關系密切_[4]。對加拿大33個春小麥的研究表明，淀粉含量與籽粒產量呈正相關（r=0.56，P=0.01）_[5]。許多學者提出了各種提高籽粒產量的措施，如促進光合器官中碳水化合物的合成及其向籽粒的分配，但歸根結底還是促進籽粒中淀粉的合成和積累_[6～9]。

淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。淀粉在小麥胚乳中以淀粉粒的形式存在。淀粉粒由結晶層和未定形層交替形成的重復生長環組成。支鏈淀粉鏈成束排列，在束內淀粉鏈以雙螺旋排列成整齊的結晶層，結構致密；直鏈淀粉在淀粉粒內以單螺旋形式存在，主要分布在淀粉粒未定形區_{[1～3，10，11]}。淀粉的合成需要一系列酶的參與，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）催化合成ADP-葡萄糖，成為淀粉合成的直接底物，對淀粉生物合成起著重要的樞紐作用。小麥AGPase酶活性升高，淀粉含量升高，籽粒產量增加_{[1～3，10，11]}。淀粉合酶（SS）催化淀粉的形成，分為兩類：淀粉粒結合淀粉合酶（GBSS，又稱Wx蛋白），負責直鏈淀粉的合成，普通六倍體小麥含有三種Wx蛋白亞基（Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1）；可溶性淀粉合成酶（SSS），主要在支鏈淀粉合成中起作用。淀粉分支酶（SBE）形成支鏈。Wx蛋白突變/缺失或利用RNAi抑制GBSS活性，直鏈淀粉含量下降；支鏈淀粉合成相關的基因突變，直鏈淀粉含量相對升高_{[2，3，12，13]}。1淀粉理化特性對小麥營養保健和加工品質至關重要

淀粉在胚乳中沉積的特性對淀粉含量、籽粒硬度、淀粉粒大小分布與形狀、脂類的結合、支鏈淀粉結構、直/支鏈淀粉比例等均有重要影響，進而影響到利用時淀粉對熱和水的反應，最終表現出不同的理化特性和加工品質_[14～16]。淀粉粒的大小和分布是決定小麥磨粉/加工品質的重要因素。軟質小麥淀粉粒和蛋白骨架結合疏松，而硬質小麥結合致密，在磨面過程中，軟質小麥在淀粉粒和蛋白骨架之間破裂，而硬質小麥在淀粉粒和蛋白骨架內部破裂，因此硬質小麥淀粉破碎率高，和面時吸水也多，適合制作面包、面條，而軟質小麥正相反，適合制作餅干、糕點_[17]。

直鏈淀粉含量對面包體積和質地有巨大影響，含量過低，面團發粘，盡管面包體積有所增大，但結構變差，氣泡大而不勻，總體質量下降_[18]；而直鏈淀粉含量過高，面包品質也顯著下降_[19]。淀粉理化特性對饅頭和面條加工品質也有重要影響。Huang等（1996）_[20]研究表明，淀粉糊化參數中，除峰值時間外，所有粘度參數均與饅頭比容呈正相關，其中峰值粘度與饅頭體積、比容、結構和評分間的相關系數分別達到顯著和極顯著水平。面條的食用品質主要受淀粉（面粉）品質性狀的影響，多數面條品質參數，特別是食用品質（如面條軟度、光滑性及口感等）受面粉中淀粉特性的影響，直鏈淀粉含量較低的小麥品種或面粉在面條軟度、粘性、光滑性、口感和綜合評分等品質參數上有較好的表現_[21]。

淀粉的糊化特性主要與淀粉粒大小和比例、直鏈淀粉的含量、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例有關_[14～17]。高的峰值粘度和稀懈值、低的最終粘度和反彈值總是與低的直鏈淀粉含量同時出現_[22]。直鏈淀粉含量接近零時，為糯小麥，其淀粉（支鏈淀粉）結晶程度高，回生慢，可以推遲烘烤食品的凝沉進程，延長烘烤食品的貨架壽命，從而可以替代昂貴的添加劑來提高面團的水合力_{[18， 23， 24]}。直鏈淀粉含量升高可以形成更多的抗性淀粉_[25]。抗性淀粉是一種新型膳食纖維，對于肥胖、糖尿病、心血管疾病、結腸癌等一系列迅速蔓延的慢性非傳染性疾病具有很好的預防和治療作用_[42]，盡管目前抗性淀粉產品主要來源于玉米，但由于小麥加工食品的多樣性及其獨特的口感，人們更希望在小麥抗性淀粉研究方面取得突破。因此，淀粉理化特性對小麥產量、營養保健和加工品質都有非常重要的影響，淀粉理化特性遺傳改良也成為世界范圍內研究的熱點_{[2，3，12，13]}。

2小麥淀粉品質遺傳改良成效顯著

從目前情況看，雜交選育仍是小麥淀粉品質改良的主要和首選方法。目前得到的糯性小麥大多是用此種方法得到的_[23]，我國的優質面包、面條小麥品種也基本上是通過這種方法選出的_[9]。Nakamura等（1995）_[26]用關東107（缺失Wx-A1和Wx-B1蛋白）作母本，分別與Aldura （杜倫小麥，AABB）和白火麥（缺失Wx-D1蛋白）雜交，經系統選育，首次得到了糯性小麥。Hegstad等（1998）_[27]將半糯性六倍體小麥與硬粒小麥雜交，得到了糯性硬粒小麥。Miura等（2002）_[28]通過關東107與白火麥雜交得到了全部8種不同Wx組合類型。Zhao和Sharp（1996）_[29]也得到了糯性六倍體小麥。中國農業大學用關東107和Ike分別與江蘇白火麥和內鄉白火麥雜交也得到了糯性株系_[30]。Yamamori等（2000）_[31]通過雜交選育，從Kanto79/Turkey116 F2//Chousen57后代中選育出高直鏈淀粉含量小麥品系。

化學誘變具有誘發突變率高、染色體畸變少、對處理材料損傷輕、所需設備簡單、成本低、誘變效果好等特點，在小麥淀粉品質改良方面得到廣泛應用。Kiribuchi-Octobe等（1998）_[24]用甲基磺酸乙酯（EMS）處理關東107小麥得到糯性植株K107Wx1和K107Wx2，用疊氮化鈉處理Tanikei A6099得到糯性變異品系Tanikei A6599-4（直鏈淀粉含量1.6%）和H1881（直鏈淀粉含量0.4%）。隨著新技術的不斷創新，誘變方法已發展成為定向誘導基因組局部突變（TILLING）方法，由于其具有高通量、大規模、高靈敏度和自動化等特點，得到更加廣泛的應用_[32～34]。Slade等（2005）_[33]用TILLING法檢測1 920份變異材料，其中246份材料淀粉合成基因發生變異。但通過化學誘變創造高抗性淀粉含量富保健功能小麥種質的研究報道很少。

隨著生物技術的發展，轉基因技術在改良淀粉理化特性方面發揮出越來越大的作用，基因工程改良淀粉品質成為國際研究的熱點，并取得顯著進展_[35]。Stark等（1992）_[36]將大腸桿菌K12突變株系618轉入煙草，淀粉含量比對照增長近2倍。Chibbar等（1998）_[37]利用遺傳工程方法得到富含支鏈淀粉的小麥。Baga等（1999）_[35]用基因槍法得到了缺失1個或2個GBSSI位點的小麥品系。Regina等（2006）_[25]利用RNAi技術獲得了直鏈淀粉含量高達70%的小麥突變體，抗性淀粉含量也明顯增加。

3小麥淀粉品質遺傳改良仍存在諸多限制

盡管小麥淀粉理化特性遺傳改良近年來取得顯著進展，但與水稻、玉米等其它作物相比差距仍然非常大。困擾小麥淀粉品質改良的一個主要問題是遺傳資源的匱乏，淀粉特異性材料稀少嚴重制約了淀粉理化特性改良。自然條件下小麥Wx蛋白的多態性非常低，同時缺失兩種亞基的材料非常少，而缺失Wx-D1蛋白的材料目前報道僅有我國的白火麥，3種亞基均缺失的糯小麥目前還沒有報道，但在玉米、水稻、大麥等作物中均發現了天然的糯性突變類型_[38]。我們對323份面粉材料的檢測表明，我國小麥面粉直鏈淀粉的變異幅度為16.18%～31.79%，平均為23.24%，變異系數僅9.5%，日本小麥品種直鏈淀粉含量的變異幅度為22%～30%。從樣品分布看，直鏈淀粉含量低于19%和高于29%的樣品只有17份，淀粉特異性材料非常少_[21]。

TILLING技術近年來在淀粉品質改良中得到廣泛應用，但主要用于創制突變體進行理論研究。由于需要的儀器設備相對昂貴，很難在育種單位尤其是我國的育種單位得到廣泛應用。另外，由于小麥染色體組的龐大和海量非編碼區和微衛星重復序列的存在，檢測到的大量突變體未必會導致性狀（淀粉理化特性）的變異，進一步影響了TILLING技術在小麥淀粉品質改良上的應用。由于染色體組的復雜性等原因，小麥轉基因技術也發展緩慢，基因槍法重復性好，但發生頻率極低的轉基因植株絕大部分為多拷貝插入，容易發生基因沉默現象；農桿菌介導法轉入拷貝數少，可以降低轉基因沉默頻率，但在小麥上掌握該技術的報道非常少_[39]。另外，再加上小麥組培技術尚沒有完全過關，進一步限制了轉基因技術在小麥上的應用，導致轉基因效率遠低于水稻、玉米等其它作物_[35，39]。

影響淀粉品質改良的另一重要因素是淀粉特性的檢測。目前直鏈淀粉含量測定用得較多的是I2-KI比色法，而溶液的pH值、溫度、反應時間等反應條件均強烈影響顯色結果，從而帶來誤差_[40]。而糯小麥成功培育報道較多也是因為糯性胚乳I2-KI染色呈棕紅色、而其它非糯材料染色呈紫黑色，檢測簡便易行_[32，33]。抗性淀粉的測定是模擬人體內的消化過程，需要多種酶的連續作用，過程復雜，耗時長且成本高_[41～43]。面包、饅頭、面條等食品加工品質鑒定程序更加繁瑣、耗時，而且需要大量樣品_[9]。小麥營養保健和加工品質與籽粒直鏈淀粉含量密切相關，直鏈淀粉含量與淀粉糊化特性高度相關，而淀粉糊化特性的測定儀器價格較低，宜于操作，重現性好，用樣量少。因此我們研究建立了使用甲基磺酸乙酯EMS誘導淀粉理化特性變異，經過淀粉糊化特性初篩，然后測定直鏈淀粉含量進一步精選，最后測定抗性淀粉含量和進行食品制作評價確認，這種淀粉理化特性特異性材料創制方法，初步試驗結果證明是高效可行的_[44]。

EMS是一種烷化劑，在多倍體小麥中，誘變頻率極高。Slade等（2005）_[33]研究發現，六倍體小麥經EMS誘變后，每24 kb就有一個堿基突變，在四倍體小麥中每40 kb就有一個突變。我們通過EMS誘變濟麥20和濟麥22得到大量淀粉理化特性變異群體，初步檢測表明其淀粉糊化參數、直鏈淀粉含量變異系數都在10%以上，有的參數甚至達到40%，遠高于自然條件下的變異幅度。經過淀粉糊化特性篩選，從誘變群體中發現了直鏈淀粉含量顯著下降和抗性淀粉含量明顯升高的突變材料，分子標記檢測表明，部分材料淀粉合成關鍵酶基因發生了突變_[45]。

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