小麥強弱勢粒胚乳淀粉體和蛋白體發育及物質積累研究

汪巧菊，陳昕鈺，冉莉萍，李 波，董召娣，余徐潤，熊 飛

(1. 揚州大學生物科學與技術學院，江蘇揚州 225000； 2. 揚州大學廣陵學院，江蘇揚州 225000)

胚乳是小麥穎果的重要組成部分，占粒重的85%以上，其主要的貯藏物質是淀粉和蛋白質。淀粉和蛋白質的種類及其組分的比例與小麥的加工品質密切相關[1-2]。近年來，有關小麥穎果胚乳發育的研究較多。王蔚華等[3]和封超年等[4]系統闡述了小麥胚乳細胞增殖的動態過程及其與粒重的關系。王 忠等[5]系統研究了小麥胚乳細胞及其淀粉粒、蛋白體的發育過程。荊彥平等[6]從細胞水平研究了內胚乳細胞的發育和淀粉體的生長規律。Chen等[7]對關于不同發育階段小麥胚乳空間結構內的蛋白體發育規律的研究表明，小麥胚乳不同區域內蛋白體的積累和分布存在顯著差異。Yu等[8]還對不同發育天數的軟、硬質小麥胚乳淀粉粒發育和淀粉組分和理化性質進行了深入研究。

穎果發育與穗位密切相關。一般將穗上生長發育早、充實好、粒重高的穎果稱為強勢粒；而穗上生長發育遲、充實差、粒重低的穎果則被稱為弱勢粒[9]。弱勢粒的發育不良不僅嚴重限制了大穗型小麥高產潛力的發揮，還直接影響小麥品質。因此，弱勢粒充實差、粒重低、品質差的原因分析和控制途徑已成為農業技術人員的研究熱點。國內外學者主要從組織形態學角度研究了谷類作物的強弱勢粒胚乳發育的差異，研究作物以水稻為主。靳德明[10]通過光鏡、透射電鏡和掃描電鏡觀察，發現水稻強勢籽粒胚乳細胞的發育是個連續的過程，而弱勢籽粒胚乳細胞的發育是個不連續的過程。關于小麥，已有研究主要從不同小麥品種胚乳發育過程中蛋白體和淀粉體的發育差異或同一品種強弱勢粒淀粉積累和酶活性等方面進行了研究[11-13]，而有關小麥強弱勢粒發育差異的研究尚不多見，尤其從細胞學角度對小麥強弱勢粒胚乳淀粉體和蛋白體發育的研究還鮮見報道。因此，本研究以大穗型小麥品種寧麥13為材料，觀察其穎果發育過程中的外觀形態變化以及胚乳儲藏物質的積累過程，旨在揭示小麥強、弱勢粒發育差異的機理，為提高小麥產量、改善小麥品質提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年9月至2017年5月在江蘇省揚州大學農學院試驗田進行。小麥品種為寧麥13，由國家小麥改良中心提供。在小麥開花期采用記號筆點開穎花與植株上掛牌相結合的方法來標記穎花的開花日期，在小麥生長期進行常規化管理。

1.2 小麥強弱勢粒劃分

穎果強弱勢粒的劃分參照Wang等[14]的方法。強勢粒為麥穗中部的4～12小穗的第1、2穗位籽粒，而弱勢粒位于麥穗上部和下部(若小穗有4個籽粒，取第3、4位籽粒；若小穗有3個籽粒，取第3位籽粒；若有2個或1個籽粒則視為弱勢粒)。

1.3 穎果形態觀察

采集花后3、5、7、9、11、14、17、20、24和28 d的小麥穎果，每時期均隨機選取有代表性的穎果在體視顯微鏡下觀察穎果外部形態的發育過程。

1.4 穎果淀粉、蛋白質及其組分含量的測定

取成熟的小麥穎果，參照Zhu等[15]的方法測定穎果的總淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉含量，參照鄭先哲[16]的方法測定穎果的蛋白質及其組分含量。每個樣品隨機統計3個穎果作為重復，各穎果均取自不同的麥穗。

1.5 強弱勢粒顯微結構的觀察和淀粉粒度分布統計

采集花后8、10、12、15和20 d的小麥穎果，參照Xiong等[17]的方法觀察其顯微結構，每個樣品隨機統計3個穎果作為重復，各穎果均統計6張顯微照片。參照Yu等[18]的方法統計淀粉粒徑分布。

1.6 胚乳細胞中淀粉體和蛋白體相對面積的統計

參照Xiong等[19]的方法統計胚乳細胞中淀粉體和蛋白體的相對面積。

1.7 數據處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0軟件分析處理數據，采用LSD法進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 小麥強弱勢粒的形態變化

從圖1可以看出，花后3～17 d，小麥強弱勢粒的形態變化明顯，增長較快，隨后緩慢增長。弱勢粒的形態大小始終小于強勢粒，且花后3～11 d時表現尤為明顯。穎果顏色呈現出由白色變為綠色再變為黃棕色的變化趨勢，且強勢粒的綠色時間持續較長。

2.2 小麥強弱勢粒胚乳發育的差異

由圖2可知，花后8 d，弱勢粒的背部和腹部均未出現蛋白體，而強勢粒的背部和腹部有較小的蛋白體，且強勢粒的平均淀粉體數(圖2-C和圖2-D)較弱勢粒(圖2-A和圖2-B)多2.8個，強勢粒淀粉體的相對面積較弱勢粒大0.022(圖3)。花后10 d，強勢粒背部的淀粉體數多于弱勢粒(圖2-E和圖2-G)，但腹部無明顯差異(圖2-F和2-H)，強勢粒的淀粉體相對面積較弱勢粒大0.018，其淀粉體數較弱勢粒多1.3個(圖3-A和圖4)；強弱勢粒腹部的蛋白體積累量高于背部(圖2-E和圖2-G)，且強勢粒的蛋白體相對面積較弱勢粒大0.006(圖3-B)。花后12 d，強弱勢粒腹部的蛋白體和淀粉體數(圖2-J和圖2-L)均多于背部(圖2-I和圖2-K)，其中強勢粒的蛋白體和淀粉體的相對面積分別較弱勢粒大0.004和0.057，其淀粉體數較弱勢粒多1.4個(圖3和圖4)。花后15 d，弱勢粒腹部出現小淀粉體，而背部無變化(圖2-M和圖2-N)，強勢粒的背部和腹部均出現小淀粉體(圖2-O和圖2-P)，且其淀粉體和蛋白體的相對面積分別較弱勢粒大0.057和0.004，淀粉體數則較弱勢粒多9.5個(圖3和圖4)。花后20 d，弱勢粒腹部的小淀粉體數少于背部(圖2-Q和圖2-R)，而強勢粒則表現為腹部多于背部(圖2-S和圖2-T)，且強勢粒的淀粉體數以及淀粉體、蛋白體的相對面積均高于或大于弱勢粒(圖3和圖4)。此外，掃描電鏡結果(圖5)顯示，強勢粒的胚乳質地較致密，胚乳淀粉體和蛋白體的充實度飽滿，而弱勢粒的胚乳質地較疏松，胚乳內蛋白體和淀粉體結合不緊密。綜上所述，強弱勢粒胚乳蛋白體和淀粉體的積累量在小麥不同部位的發育程度均存在顯著差異，整體表現為強勢粒的胚乳結構更緊致、充實度更高。

圖下方的數字為穎果發育天數。

Numbers atthe bottom of the picture represent days of caryopsis development.

圖1小麥強弱勢粒穎果形態發育過程

Fig.1Morphologicaldevelopmentofsuperiorandinferiorgrainsinwheat

A、E、I、M、Q：花后8、10、12、15、20 d的小麥弱勢粒胚乳背部；B、F、J、N、R：花后8、10、12、15、20 d的小麥弱勢粒胚乳腹部；C、G、K、O、S：花后8、10、12、15、20 d的小麥強勢粒胚乳背部；D、H、L、P、T：花后8、10、12、15、20 d的小麥強勢粒胚乳腹部；Nu：細胞核；SG：淀粉粒；PB：蛋白體；標尺：10 μm。

A，E,I,M,Q：The endosperm back of inferior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；B,F,J,N,R：The endosperm belly of inferior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；C,G,K,O,S：The endosperm back of superior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；D,H,L,P,T： The endosperm belly of superior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；Nu：Nucleus；SG：Starch granules；PB：Protein； Scale bar：10 μm.

圖2強弱勢粒胚乳細胞發育過程

Fig.2Endospermcelldevelopmentprocessofsuperiorandinferiorgrains

2.3 小麥強弱勢粒粒徑分布的差異

以10 μm為界限劃分小麥胚乳中A、B型淀粉粒的粒徑，粒徑<10 μm為B型淀粉粒，粒徑>10 μm為A型淀粉粒。由圖6可知，強勢粒(圖6-A和圖6-C)的B型淀粉粒數多于弱勢粒(圖6-B和圖6-D)；強勢粒和弱勢粒的淀粉粒徑分布均呈單峰型(圖6-C和圖6-D)，強勢粒中0～2 μm的淀粉粒數顯著高于弱勢粒，在其他粒徑范圍內兩者的差異不明顯。

圖3 強弱勢粒胚乳細胞中淀粉體(A)和蛋白體(B)相對面積的差異

圖4 強弱勢粒胚乳細胞中淀粉體數目的差異

2.4 小麥強弱勢粒蛋白質和淀粉含量的差異

蛋白質和淀粉的積累量直接決定小麥產量，而兩者組分的含量及其比例又直接影響小麥的品質和加工用途。由表1可知，強勢粒的蛋白質、醇溶蛋白、麥谷蛋白、淀粉及支鏈淀粉的含量均顯著高于弱勢粒，但弱勢粒的直鏈淀粉含量顯著高于強勢粒。

圖5 小麥強弱勢粒胚乳細胞超微結構的差異

A：強勢粒淀粉粒光學顯微鏡圖；B：弱勢粒淀粉粒光學顯微鏡圖；C：強勢粒淀粉粒度分布；D：弱勢粒淀粉粒度分布。

A：Optical microscope images of starch granulesin superior grains；B：Optical microscope images of starch granulesin inferior grains；C：Starch size distribution in superior grains；D：Starch size distribution in inferior grains.

圖6 小麥強弱勢粒淀粉粒形態觀察及其粒度分布

表中數據為“平均值±標準差”。同列數據后小寫字母不同表示數據間差異顯著(P<0.05)。

The data in the table are “mean±standard deviation”.Different lower-case letters following data within same column indicate significant differences at 0.05 level.

3 討 論

小麥穎果發育前期以果皮發育為主，后期隨著果皮逐步降解變薄胚乳開始發育，主要表現為胚乳細胞的增殖和生長。郭艷艷等[20]和顧蘊潔等[21]研究發現，小麥胚乳細胞從花后6 d急劇增加，花后20～23 d胚乳細胞數目基本穩定，這與本研究觀察到的強弱勢粒穎果的形態特征基本一致。這可能是因為胚乳細胞的增殖和生長對穎果體積的變化有一定的時間效應[22]，前期胚乳細胞的增殖和生長是穎果體積變化的重要因素，而后期胚乳細胞的生長體積已經逐漸飽和，表現為細胞內儲藏物質的積累，故體積變化相對不明顯。而強弱勢粒穎果的形態差異也可能與其胚乳細胞增殖的多少以及單個細胞的形態大小有關[13,23-24]。

本研究表明，小麥不同部位的強弱勢粒的蛋白體和淀粉體的積累均存在明顯差異，這可能與營養物質的運輸有關。Chen等[7]認為小麥胚乳營養運輸是通過“篩管-維管束-珠心”途徑運輸，然后珠心突起傳遞細胞再經胚乳傳遞細胞裝載至胚乳細胞，那么從胚乳腔運輸至背部的距離就長于腹部，而運輸的養分也可能先沉積在遠離胚乳腔的位置而后再沉積在距胚乳腔較近的位置，這可能是強弱勢粒中不同位置的蛋白體和淀粉體的積累存在明顯差異的原因。而Yu等[8]研究發現珠心突起傳遞細胞和胚乳傳遞細胞分別在花后6 d和9 d開始分化，因此強、弱勢粒間淀粉體和蛋白體的積累差異可能與兩者的分化時間有關。另外，強勢粒中的小淀粉粒較多，這可能與胚乳發育過程中小淀粉體的出現時間以及強弱勢粒的灌漿時間有關。

本研究顯示，強勢粒的總淀粉含量高于弱勢粒，而其直鏈淀粉含量低于弱勢粒，這與Wang等[14]的研究結果一致。蛋白質及其組分的含量是影響小麥面粉加工品質的主要因素[26]，其中醇溶蛋白和谷蛋白為儲藏蛋白，且在發育階段占穎果質量的8%～10%[27]。谷蛋白是影響面團強度(彈性)的主要因素，而醇溶蛋白關系則與面團的黏度和延展性有關[28]。一般情況下，小麥的蛋白含量與其面粉加工品質呈正相關，蛋白含量越高，面粉加工品質也較高。本研究中，強、弱勢粒的谷蛋白和醇溶蛋白含量存在差異，這可能與蛋白中高分子量谷蛋白亞基和低分子量谷蛋白亞基含量不同有關[29]。