藁城8901與豫麥50籽粒淀粉粒的粒度分布特征

閆素輝，李文陽，王振林

(1.安徽科技學院農學院，安徽鳳陽 233100； 2.山東農業大學作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018)

藁城8901與豫麥50籽粒淀粉粒的粒度分布特征

閆素輝1，李文陽1，王振林2

(1.安徽科技學院農學院，安徽鳳陽 233100； 2.山東農業大學作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018)

為研究小麥籽粒發育過程中胚乳淀粉粒形成與粒度分布特征，以小麥品種藁城8901與豫麥50為材料，研究了籽粒胚乳淀粉粒形成、生長與分布特征。結果表明，花后4 d，小麥胚乳出現不同范圍大小的淀粉粒，最大粒徑8 μm?；ê? d，籽粒中淀粉粒增多增大，最大粒徑20 μm左右?；ê?0～14 d，淀粉粒體積繼續增大，并產生了一個新的小淀粉粒群體。花后17 d，淀粉粒以體積增大為主?；ê?1 d，淀粉粒最大粒徑較成熟期變化較小。花后24 d，小于0.6 μm的淀粉粒數目急劇增加，大于0.6 μm的淀粉粒數目占比則明顯減少，表明這一時期又產生了一個新淀粉粒群體(后期形成的B型淀粉粒)。花后24～28 d，小于0.6 μm的淀粉粒數目仍不斷增加，而直徑較大的淀粉粒數目增加減少，表明籽粒中新淀粉粒的產生仍在繼續，但以小粒徑淀粉粒為主?；ê?8 d至成熟期，最小粒徑淀粉粒進一步生長，其他淀粉粒粒徑變化相對較小。

小麥；藁城8901；豫麥50；淀粉粒；粒度分布

小麥淀粉主要存在于籽粒胚乳中，淀粉粒是小麥淀粉的存在形式[1]，小麥淀粉粒根據粒徑大小可分為>10 μm的A型淀粉粒和<10 μm的B型淀粉粒[2-3]。A、B型淀粉粒由于體積、表面積大小的差異，結合蛋白質、脂類和水等的能力存在顯著差異[4-5]。B型淀粉粒數目增多，淀粉粒表面積增加，面粉吸水率升高，而A型淀粉粒數目增多，表面積降低，面粉吸水率下降[6-7]。

小麥籽粒A、B型淀粉粒結構的形成、發育是一個受籽粒生長調節的過程，籽粒不同生長階段所形成的淀粉粒大小及組分組成有顯著差異[8]。研究表明，在小麥開花后4 d或之前，最初的、微小的球形淀粉粒開始在質體中形成，并成為淀粉粒核，粒狀核在成熟期形成大的、透鏡狀的A型淀粉粒[9]。B型淀粉粒產生于A型淀粉體[10-11]。通過對不同發育階段的籽粒淀粉粒的發育進行觀察，發現花后10～12 d在淀粉體上會產生一些突起，這些突起進一步分裂成單獨的質體，B型淀粉粒由這些分裂出的質體形成[11]。

遺傳分析表明，小麥籽粒中B型淀粉粒比例由加性基因效應決定[2]。強筋、弱筋小麥籽粒胚乳中淀粉粒大小分布、性質與結構存在顯著差異[12]。本研究選用小麥品種藁城8901(強筋小麥)和豫麥50(弱筋小麥)，研究小麥籽粒淀粉粒產生與生長發育特征，以揭示小麥籽粒淀粉形成與生長發育特征，為改善小麥淀粉品質的形成與調控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2007年10月至2008年6月在山東農業大學農學實驗站(36°09′N，117°09′E)進行。選用強筋小麥品種藁城8901(濕面筋含量為35.1%)和強筋品種豫麥50(濕面筋含量24.8%)為供試材料。試驗地為壤土，前茬作物為玉米。田間種植密度為180×104株·hm-2，小區面積 9 m2(3 m×3 m)。田間管理按小麥一般高產栽培技術規程進行。在小麥開花期，選擇生長、開花一致的主莖穗掛牌標記，于開花后4 d、7 d、10 d、12 d、14 d、17 d、21 d、24 d、28 d 和成熟期取樣，用于籽粒胚乳淀粉粒分析。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 淀粉粒的提取與分析

淀粉粒提取參考Peng 等[13]和戴忠民等[14]的方法，用美國貝克曼庫爾特公司LS 13320 激光衍射粒度分析儀進行淀粉粒粒徑分析。

1.2.2 淀粉粒形態、結構觀察

參考Baldwin等[15]的方法，用日本JEOL-1200EX型透射電鏡觀察、拍照。

2 結果與分析

2.1 淀粉粒數目的變化

小麥籽粒發育的不同時期，淀粉粒數目呈單峰或雙峰曲線，峰值出現在0.5～1.5 μm之間(圖1)?；ê? d，已可檢測到不同粒徑大小的淀粉粒，淀粉粒數目呈單峰曲線分布，峰值出現在1.3 μm左右；最大粒徑為8.5 μm，這些早期形成的淀粉粒將會發育成A型淀粉粒。花后7 d，淀粉粒數目呈單峰曲線，淀粉粒的數目和粒徑繼續增加，藁城8901的峰值出現在0.9 μm，最大粒徑20.0 μm，豫麥50的峰值出現在0.5 μm，最大粒徑為23 μm。

花后10 d，藁城8901淀粉粒數目呈雙峰曲線，峰值分別出現在0.5 μm和1.3 μm，豫麥50淀粉粒的數目呈單峰曲線，峰值出現在0.8 μm。推測藁城8901在這一時期產生了一個新的小淀粉粒群體，即B型淀粉粒。說明強筋小麥藁城8901產生B型淀粉粒的時間較弱筋小麥豫麥50早?；ê?2 d，兩個品種的淀粉粒數目分布均呈雙峰曲線，峰值分別出現在0.45 μm和1.45 μm，此時藁城8901淀粉粒的最大粒徑為27 μm，豫麥50淀粉粒的最大粒徑為38 μm，<10 μm的淀粉粒數目占總數目的99.6%。花后14 d，兩個品種淀粉粒的數目分布呈單峰曲線，峰值為1.1 μm?；ê?1 d，兩個品種淀粉粒數目分布趨勢基本一致，均呈單峰曲線，淀粉粒粒徑基本達到最大，峰值出現在1.0 μm左右。這一趨勢一直保持到花后35 d。

2.2 淀粉粒體積的變化

小麥胚乳淀粉粒的體積分布呈單峰或雙峰曲線?；ê? d，兩個品種的淀粉粒體積分布呈單峰曲線，峰值出現在3.0 μm左右(圖2)?；ê? d，兩個品種的淀粉粒的體積仍呈單峰曲線，峰值出現在10.3 μm，藁城8901和豫麥50的淀粉粒最大粒徑分別為20.0 μm 和23.0 μm。

花后10 d，淀粉粒的粒徑繼續增大。藁城8901的淀粉粒體積分布呈雙峰曲線，峰值出現在5.4 μm和15 μm。此時，<10 μm的淀粉粒體積占總體積的44.8%?；ê?2 d，豫麥50和藁城8901的淀粉粒體積分布均呈雙峰曲線，峰值出現在5.4 μm和16.4 μm左右。此時，<10 μm的淀粉粒體積占總體積的34.6%?；ê?4 d，2品種淀粉粒體積分布均呈雙峰曲線。藁城8901的峰值出現在3.4 μm和18 μm，豫麥50的峰值出現在2.3 μm和18 μm，2峰的分界點為7.1 μm?；ê?7 d，兩品種淀粉粒的體積分布呈雙峰曲線，峰值分別出現在2.8 μm和19.8 μm?；ê?1 d，淀粉粒體積分布的2個峰值分別出現在5.4 μm和21.7 μm，2個峰的分界點在8.6 μm，淀粉粒的粒徑變化幅度較小。花后24 d，淀粉粒的體積分布呈雙峰曲線。花后28 d，淀粉粒的體積呈雙峰曲線，藁城8901的峰值分別為4.4和21.7 μm，豫麥50的峰值分別為5.4和23.8 μm。

圖1 小麥籽粒淀粉粒的數目分布

成熟期(花后35 d)，淀粉粒最大粒徑為42.5 μm～45 μm，藁城8901淀粉粒體積分布的峰值出現在4.4 μm和21.7 μm，2個峰的分界點在10 μm。自花后21 d至成熟，淀粉粒的最大粒徑變化較小，結合數目分布變化趨勢，說明在花后21 d，A型淀粉粒的體積和數目基本不再增加，而B型淀粉粒的數目和體積至成熟一直在增加。與弱筋小麥豫麥50相比，強筋小麥藁城8901有較高的B型淀粉粒體積分布比。

圖2 小麥籽粒淀粉粒的體積分布

2.3 淀粉粒表面積的變化

花后4 d，兩個品種淀粉粒的表面積分布呈單峰曲線，峰值出現在2.3 μm(圖3)?；ê? d，兩個品種淀粉粒的表面積分布呈雙峰曲線，藁城8901的峰值出現在1.5 μm和7.8 μm，豫麥50的峰值分別出現在0.8 μm和7.1 μm，說明早期的淀粉粒發育進程不同。

花后10 d，藁城8901的淀粉粒表面積分布呈多峰分布，說明此時產生的淀粉粒群體大小不一；豫麥50淀粉粒表面積分布仍呈雙峰曲線?；ê?2 d，兩個品種的表面積分布均呈多峰分布?；ê?4 d，兩個品種淀粉粒的表面積分布為雙峰曲線，藁城8901峰值分別出現在1.9 μm和18 μm，2個峰的分界點為7.8 μm；豫麥50淀粉粒表面積峰值分別出現在1.9 μm和16.4 μm，兩個峰的分界點為7.1 μm。花后17 d，兩個品種淀粉粒的表面積分布呈雙峰曲線，峰值出現在1.7 μm和18 μm，2個峰的分界點在7.8 μm?；ê?1 d，兩個品種淀粉粒表面積分布的2個峰值出現在1.7 μm和19.8 μm，2個峰的分界點在11.3 μm；<10 μm的淀粉粒的表面積占總表面積的81.3%左右。花后24 d，淀粉粒的表面積呈3峰曲線?；ê?8 d，藁城8901的淀粉粒表面積分布呈雙峰曲線，峰值分別出現在2.5 μm和21.7 μm，豫麥50呈3峰曲線分布，峰值分別出現在1.6 μm、5.0 μm和21.7 μm。

花后35 d，兩個品種淀粉粒的表面積分布均呈雙峰曲線，藁城8901的峰值分別出現在2.5 μm和19.8 μm，豫麥50的峰值分別出現在1.5 μm和19.8 μm，2個峰的分界點在10 μm。結合淀粉粒的數目、體積變化趨勢，說明成熟期的淀粉粒存在2種類型，即A型(>10 μm)和B型(<10 μm)。

2.4 淀粉粒的發育

通過透射電鏡對淀粉粒的發育進行觀察，花后4 d可觀察到淀粉粒的存在?；ê? d淀粉粒繼續增大。花后10～14 d，在胚乳細胞中觀察到新的小淀粉粒的產生?；ê?8 d，胚乳細胞中存在2種類型的淀粉粒，即A型和B型淀粉粒(圖4)。

圖3 小麥籽粒淀粉粒的表面積分布

3 討 論

小麥籽粒中淀粉由胚乳中的雙層膜結構的淀粉質體合成[10]。小麥胚乳淀粉的增長即是淀粉粒數目的增加和淀粉粒體積的增大[16]。小麥籽粒發育不同階段所形成的淀粉粒的形態、體積和組成不同[7,17]。本研究對小麥籽粒不同灌漿階段胚乳淀粉粒分布特征進行了分析，結果表明，花后4 d，小麥胚乳已出現不同大小的淀粉粒，最大粒徑8 μm。花后7 d，淀粉粒增多增大，最大粒徑20 μm左右?；ê?0～14 d，淀粉粒體積繼續增大，并產生了一個新的小淀粉粒群體?；ê?7 d，淀粉粒以體積增大為主?；ê?1 d，淀粉粒最大粒徑較成熟期變化較小?；ê?4 d，小于0.6 μm的淀粉粒數目急劇增加，大于0.6 μm的淀粉粒數目占比則明顯減少，表明這一時期又產生了一個新淀粉粒群體(后期形成B型淀粉粒)?；ê?4～28 d，小于0.6 μm的淀粉粒數目仍不斷增加，而粒徑較大的淀粉粒占比不斷減少，表明籽粒中新淀粉粒的產生仍在繼續，但以小粒徑淀粉粒為主?；ê?8 d至成熟，主要是小粒徑淀粉粒的生長，其他粒徑淀粉粒粒徑的變化相對較小。說明小麥籽粒A型淀粉粒的形成和發育時期基本在花后21 d之前，而B型淀粉粒在成熟前，其體積和數目一直在增加。

圖4 小麥胚乳第二層細胞淀粉粒的超微結構

Briarty等[18]認為，A型淀粉粒到成熟時最大直徑為35 μm，而本研究所選品種籽粒A型淀粉粒直徑可生長到45 μm。Bechtel等[16]研究表明，成熟期小麥淀粉粒的體積百分比呈三峰趨勢。本研究則發現，成熟期小麥淀粉粒的體積分布呈雙峰曲線。以上結果差異的原因可能是由于所選供試品種(如強筋、弱筋小麥品種差異)或淀粉粒分析測定方法不同。強筋小麥有較多的B型淀粉粒，淀粉粒和蛋白骨架結合致密，在磨面過程中淀粉粒破碎率較高，面團形成過程中吸水也較多，適合制作面包，而弱筋小麥與之相反，胚乳中有較多的A型淀粉粒，淀粉粒和蛋白骨架結合疏松，在磨面過程中在淀粉粒破碎率較低，面團形成過程中吸水也較少，適合制作糕點[19-20]。本研究發現，與弱筋小麥豫麥50相比，強筋小麥藁城8901產生B型淀粉粒時間較早，在成熟期有較高的B型淀粉粒體積分布比和較低的A型淀粉粒體積分布比。原因可能是弱筋小麥籽粒淀粉合成能力較強，其淀粉積累速率和合成相關酶活性均高于強筋小麥[19,21-22]。

[1] PAUL C.The structure of starch [J].Nature,1997,389:338.

[2] STODDARD F L.Survey of starch particle-size distribution in wheat and related species [J].CerealChemistry,1999,76:146.

[3] XIONG F,YU X,ZHOU L,etal.Effect of nitrogen fertilizer on distribution of starch granules in different regions of wheat endosperm [J].TheCropJournal,2014,2:47.

[4] ZHOU G,WILLETT J L,CARRIERE C J,etal.Effect of starch granule size on viscosity of starch-filled poly(hydroxy ester ether) composites [J].JournalofPolymersandtheEnvironment,2015,8:148.

[5] 李文陽,尹燕枰,時俠清,等.小麥籽粒A、B 型淀粉粒淀粉構成與糊化特性的比較[J].華北農學報,2011,26(1):138.LI W Y,YIN Y P,SHI X Q,etal.Comparison of starch composition and pasting properties between A and B type starch granule in wheat grain [J].ActaAgriculturaeBoreali-Sinica,2011,26(1):138.

[6] GAINES C S,RAEKER M O,TILLEY M.Associations of starch gel hardness,granule size,waxy allelic expression,thermal pasting,milling quality,and kernel texture of 12 soft wheat cultivars [J].CerealChemistry,2000,77(2):166.

[7] DAI Z,YIN Y,WANG Z.Starch granule size distribution from wheat cultivars under different water rengimes [J].CerealChemistry,2009,86:85.

[8] PARKER M L.The relationship between A-type and B-type starch granules in the developing endosperm of wheat [J].JournalofCerealScience,1985,3:271.

[9] EVERS A D.Scanning electron microscopy of wheat starch.Ⅲ.Granule development in the endosperm [J].Starch/St?rke,1971,23:159.

[10] 盛 婧,郭文善,朱新開,等.不同專用類型小麥籽粒淀粉粒形成過程[J].作物學報,2004,30(9):954.SHENG J,GUO W S,ZHU X K,etal.Starch granules development in grain endosperm of wheat for different end uses [J].ActaAgronomicaSinica,2004,30(9):954.

[11] EVERS A D,LINDLEY J.The particle-size distribution in wheat endosperm starch [J].JournaloftheScienceofFoodandAgriculture,1977,28:100.

[12] LI W Y,YAN S H,YIN Y P,etal.Comparison of starch granule size distribution between hard and soft wheat cultivars in eastern China [J].AgriculturalSciencesinChina,2008,7(8):913.

[13] PENG M,GAO M,ABDEL-AAL S M,etal.Separation and characterization of A- and B-type starch granules in wheat endosperm [J].CerealChemistry,1999,76:376.

[14] 戴忠民,王振林,張 敏,等.不同品質類型小麥籽粒淀粉粒度的分布特征[J].作物學報,2008,34(3):466.DAI Z M,WANG Z L,ZHANG M,etal.Starch granule size distribution in grains of strong and weak gluten wheat cultivars [J].ActaAgronomicaSinica,2008,34(3):466.

[15] BALDWIN P M,JEREMY A,DAVIES M C,etal.Holes in starch granules:Confocal,SEM and light microscopy studies of starch granule structure [J].Starch/St?rke,1994,46(9):343.

[16] BECHTEL D B,ZAYAS L,DEMPSTER R,etal.Size-distribution of starch granules isolated from hard red winter and soft red winter wheats [J].CerealChemistry,1990,70:239.

[17] 戴忠民,尹燕枰,王振林.魯麥21和濟南17胚乳發育過程中淀粉粒的動態變化[J].中國農業科學,2009,42(3):818.DAI Z M,YIN Y P,WANG Z L,etal.Starch particle size distribution in developing endosperm of wheat cultivars Lumai 21 and Jinan 17 [J].ScientiaAgriculturaSinica,2009,42(3):818.

[18] BRIARTY L G,HUGHES C E,EVERS A D.The developing endosperm of wheat-a stereological analysis [J].AnnalsofBotany,1979,44:645.

[19] CHIOTELLI E,MESTE M L.Effect of small and large wheat starch granules on thermo mechanical behavior of starch [J].CerealChemistry,2002,79:289.

[20] TURNBULL K M,RAHMAN S.Endosperm texture in wheat.[J].JournalofCerealScience,2002,36:333.

[21] LI W,YAN S,WANG Z.Effect of spikelet position on starch proportion,granule distribution and related enzymes activity in wheat grain [J].PlantSoilandEnvironment,2013,59:573.

[22] 閆素輝,王振林,戴忠民,等.兩個直鏈淀粉含量不同的小麥品種籽粒淀粉合成酶活性與淀粉積累特征的比較[J].作物學報,2007,33(1):88.YAN S H,WANG Z L,DAI Z M,etal.Activities of enzymes involved in starch synthesis and accumulation in grains of two wheat cultivars with a different amylose content [J].ActaAgronomicaSinica,2007,33(1):88.

Size Distribution of Starch Granule in Grain of Wheat Cultivars Gaocheng 8901 and Yumai 50

YAN Suhui1,LI Wenyang1,WANG Zhenlin2

(1.College of Agronomy,Anhui Science and Technology University,Fengyang,Anhui 233100,China; 2.National Key Laboratory of Crop Biology,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong 271018,China)

Formation and size distribution of starch granule of wheat endosperm in wheat cultivars,Gaocheng 8901 and Yumai 50,were studied during grain development in this study. The results showed that the starch granules initiated at 4 DAA(day after anthesis),and increased in size to a broad band of variously sized granules up to about 20 μm in diameter at 7 DAA. The diameter band of starch granules continued to grow up and a burst of synthesis created a new population of small starch granules during 10 to 14 DAA,which reduced the number proportion of big starch granules. At 17 DAA,starch granules in grain mainly increased in volume. At 21 DAA,the biggest diameter of starch granule ceased basically.At 24 DAA,the number of starch granules less than 0.6 μm increased sharply and the ratio of more than 0.6 μm reduced evidently,indicating that a new distinct class of small granules was synthesized at this stage,but the increase rate was reduced.From 28 DAA to maturity(35 DAA),the granules with the smallest diameter continued to develop,but not the other granules.

Winter wheat; Gaocheng 8901; Yumai 50; Starch granule; Size distribution

10.7606/j.issn.1009-1041.2017.06.10

時間：2017-06-07

2016-09-17

2016-10-27

安徽省自然科學基金項目(1408085QC54)；國家星火計劃項目(2015GA710018)

E-mail：yansh@ahstu.edu.cn

王振林(E-mail:zlwang@sdau.edu.cn)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)06-0794-07

網絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170607.1004.018.html