小麥細胞壁結構的地理差異及水分調控作用

朱杰偉 吳彩娥 應瑞峰 高笑全 李婷婷 王耀松 黃梅桂

(南京林業大學輕工與食品學院食品科學與工程系，南京 210037)

小麥是世界性的重要糧食作物，其種植具有較強的地域性。小麥籽粒的生化組成受多種內在因素和外在因素的影響，栽培品種和環境的對小麥成分的影響各不相同。小麥品質有明顯的地區間差異，環境對小麥品質的的影響顯著[1,2]。遺傳特性是小麥產量和品質的基礎，高溫和干旱是影響小麥產量和品質的主要原因[3]。

小麥籽粒由胚、胚乳和皮層三部分組分，在胚乳中，細胞壁占全組織的2%～7%，它們主要由阿拉伯木聚糖(AX)與(1-3), (1-4)-β-D-葡聚糖(BG)組成，其比例約為78∶22[4]。小麥糊粉層細胞壁為AX層與BG層交替重疊的復合多層層狀結構[5]。在高溫與干旱及其復合脅迫下，小麥籽粒中 AX 和 BG 的含量都發生了顯著改變[6]；Finnie 等[7]研究了栽培條件和環境對軟質小麥中水溶性、水不溶性和總阿拉伯木聚糖含量的影響，發現環境對小麥中阿拉伯木聚糖含量有顯著影響，水溶性阿拉伯木聚糖含量主要受基因型影響，而水不溶性阿拉伯木聚糖含量受環境影響較大；該研究結果是通過分析環境的變化(而不是識別或評定特定的環境)得出的，沒有具體研究哪些環境因素對阿拉伯木聚糖含量的影響較大。據相關報道[8]，燕麥和大麥的β-葡聚糖含量因產地、年份、灌溉水平和施氮量不同而存在差異。Peyron[9]探究了種植條件和施氮量對小麥糊粉層厚度的影響，結果表明種植條件的影響顯著，氮的添加效果影響不顯著。

目前小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁厚度及組分含量隨地理和種植環境的空間分布特征和變化規律的相關報道較少，本實驗研究了8個不同產區小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁厚度及其組分含量的地理差異，探討了地理因素中經緯度、海拔高度和氣象因子中小麥灌漿期溫度對小麥籽粒糊粉層細胞壁的影響，并以此為基礎探究了小麥糊粉層細胞壁對籽粒水分的調控作用，為深入研究糊粉層及細胞壁結構對小麥產量和品質的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

為了便于研究地理因素的累積效應對小麥糊粉層細胞壁的影響，所選小麥樣品籽粒皆為適應了當地環境的農家多代自留種的當地品種，經測定小麥千粒重為 44.23～49.32 g，所有樣品籽粒飽滿灌漿較好。各樣品產區的地理參數及氣象因子見表1。

表1 各產區的地理參數及氣象因子

Quanta 200環境掃描電子顯微鏡；ZK-82B/BB 電熱真空干燥箱； VTMR 20-010-T 低場核磁共振分析儀；TGL-18MS 高速臺式冷凍離心機；SpectraMax i3x 多功能酶標儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 籽粒的微觀結構觀察

將樣品置于相對濕度為 0 % 的真空干燥器中至恒重，分別挑選形態和粒重相近(誤差±0.003 0 g)的小麥籽粒用刀片橫切其中心位置得到的待測樣品，經干燥除氣和鍍膜噴金后，通過環境掃描電子顯微鏡(SEM)在真空環境下觀察小麥籽粒橫截面糊粉層細胞細胞壁的結構[10]。利用掃描電子顯微鏡測微尺測量和Image J 軟件統計小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁的厚度，設置 27 次重復。

1.2.2 含水量的測定

參照 GB 5009.3—2016 中的減壓干燥方法：用已恒重的稱量皿分別稱取2 g(精確至0.000 1 g)樣品籽粒，放入電熱真空干燥箱(ZK-82B/BB)中，設置溫度70 ℃ ，真空度267 Pa ，干燥10 h后取出置于干燥器中待冷卻后稱重計算出樣品含水量，設置3次重復。

1.2.3 (1-3), (1-4)-β-D-葡聚糖的定量分析

籽粒全粉：采用萬能粉碎機分別將不同產地的置于40 ℃ 烘箱中干燥至恒重的小麥籽粒粉碎，過40目篩得到谷物全粉，用自封袋密封包裝置于干燥器中保存。用于β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖含量的測定。

使用β-葡聚糖檢測試劑盒(Megazyme)，采用 AACC Method 32-23 法測定谷物籽粒中的β-葡聚糖含量，結果換算成干重籽粒全粉樣品的含量，用百分數(%)表示，每次測定重復3次。

1.2.4 阿拉伯基木聚糖的定量分析

采用在 Douglas[11]介紹的方法的基礎上略改進的間苯三酚-醋酸法[7]測定全麥粉中總阿拉伯木聚糖(Total arabinoxylan，TAX)和水溶性阿拉伯木聚糖(Water-soluble arabinoxylan ,WEAX)含量，非水溶性阿拉伯木聚糖(Water-insoluble arabinoxylan ,WUAX)含量用 TAX 含量與 WEAX 含量 的差值表示。結果換算成干重籽粒全粉樣品的含量，用百分數表示，每次測定重復3次。

1.2.5 籽粒水分的移動性研究

將8種小麥籽粒置于相對濕度為0%的真空干燥器中至恒重，挑選形態和粒重相近(粒重±0.003 0 g)的樣品籽粒各10顆，重復3次。配制飽和 NaCl 溶液置于真空干燥器中，將干燥器放入 20 ℃ 恒溫箱中直至平衡，此時相對濕度為 75%。將每組樣品放入相對濕度為 75% 的真空干燥器中，利用 CPMG 脈沖序列分別測定吸濕 0 h、1 h、2 h、3 h、4 h后樣品的 T2橫向弛豫時間[12]。

1.3 數據處理

使用 Excel 2003 和 SPSS(version 21.0) 軟件對數據進行統計分析。實驗結果表示為三次重復的平均值±標準偏差。使用 Pearson 相關性檢驗和主成分分析方法分析樣本籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量與不同產區地理參數及氣象因子間的關系。

2 結果與分析

2.1 小麥籽粒的糊粉層結構

由圖1可見，在放大800倍時，小麥籽粒從外到內為種皮、糊粉層、胚乳，籽粒糊粉層由單層呈立方體的細胞構成。利用 SEM 測微尺測量小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁的厚度(n=27)見表2。

2.2 籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量

本研究以8個不同產區的小麥品種(表1)為研究對象，主要研究小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量。由表1可見，甘肅白銀的海拔最高且灌漿期溫度較低，江蘇宿遷、廣西北海與山東濰坊的海拔最低且灌漿期溫度相對較高。由表2可知，小麥糊粉層細胞壁厚度最大的產區為甘肅白銀和山西芮城；廣西北海和山東濰坊生產的小麥糊粉層細胞壁厚度最小。結合表1可知，小麥糊粉層細胞壁厚度可能與小麥種植地區海拔和小麥灌漿期溫度有關。

注：A：江蘇宿遷 B：河南商丘 C：廣西北海 D：山西芮城 E：山東濰坊 F：甘肅白銀 G：四川成都 H：陜西寶雞圖1 谷物籽粒糊粉層細胞環境掃描電鏡圖(800×)

/μm/%BG/%WEAX/%WUAX/%TAX/%3.612±0.460bc8.223±0.068e0.604±0.008bc0.139±0.004e1.651±0.014d1.777±0.036e3.800±0.352abc8.443±0.002cd0.565±0.026bcd0.384±0.011b1.298±0.004h1.678±0.014f3.350±0.681c8.280±0.070e0.636±0.053ab0.167±0.005d1.549±0.013e1.710±0.023f4.547±0.416ab8.838±0.052a0.500±0.004d0.232±0.006c1.896± 0.016a2.117±0.035b3.556±0.453bc8.340±0.056de0.518±0.019d0.180±0.003d1.431±0.002f1.609±0.006g4.703±0.421a8.630±0.051b0.704±0.059a0.562±0.020a1.835±0.020b2.375±0.065a4.062±0.787abc8.893±0.025a0.628±0.016ab0.184±0.009d1.771±0.040c1.990±0.097c3.958±0.456abc8.501±0.062c0.531±0.045cd0.556±0.022a1.344±0.005g1.926±0.070d

注：BG、WEAX、WUAX、TAX含量皆為干基質量分數。

小麥的BG含量約為干重含量的0.500%～0.704%，其中甘肅白銀小麥的BG含量最高，山東濰坊和山西芮城小麥的BG含量最低。小麥的TAX含量約為干重的1.609%～2.375%，甘肅白銀產的小麥TAX含量最高，山東濰坊產的小麥TAX含量最低；小麥WEAX含量約為干重的0.139%～0.556%，相當于小麥TAX含量的7.88%～28.55%，其中，陜西寶雞產的小麥WEAX含量占TAX含量比例最高，江蘇宿遷的最低。TAX/BG約為2.686～4.213，其中廣西北海小麥的TAX/BG最低，山西芮城最高。Saulnier等[4]報道的小麥中AX/BG約為78∶22也在此范圍內。結合表1可知，籽粒組分含量可能與種植地區經緯度、海拔和小麥灌漿期溫度有關。

2.3 不同產區樣品各指標的相關性分析

糊粉層細胞壁厚度與不同產區地理參數及氣象因子相關性分析(表3)顯示，小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁厚度與海拔呈極顯著正相關(P<0.01)，與經度呈弱的負相關性，即海拔越高，經度越小，小麥糊粉層細胞壁厚度越厚。由于我國的地勢大體上西高東低，故籽粒糊粉層細胞壁厚度與經度的相關性和籽粒糊粉層細胞壁厚度與海拔的相關性在一定程度上體現出一致性，總體表現為海拔越高小麥糊粉層細胞壁厚度越厚。此外，小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁厚度與小麥灌漿期日均低溫呈一定的負相關性，與灌漿期日較差呈弱的正相關性。可能是海拔高度影響了小麥灌漿期日均低溫和氣溫日較差，海拔每升 100 m 日均氣溫下降 0.6 ℃ ，海拔越高，氣溫越低，從而影響了小麥糊粉層細胞壁厚度。除此之外，海拔還可能通過影響輻照強度、輻照時間和降水量等因素對小麥糊粉層細胞壁厚度造成影響。

小麥糊粉層細胞的細胞壁為復合多層結構，即 AX 層與 BG 層交替重疊的多層層狀結構，且小麥籽粒中的 AX 和 BG 主要分布在糊粉質及胚乳細胞壁中。理論上來說，若籽粒形態大小和粒重相近，籽粒糊粉層細胞壁越厚， AX 與 BG 含量越高。籽粒糊粉層細胞壁厚度與籽粒各組分含量之間的相關性(表3)顯示，小麥籽粒糊粉層細胞壁的厚度與籽粒中 TAX含量呈顯著正相關，與WUAX含量和 BG 含量呈弱相關性；小麥中總阿拉伯基木聚糖含量越高，籽粒糊粉層細胞細胞壁越厚。相關性分析顯示， TAX 含量與不同產區地理參數及氣象因子的相關性和籽粒糊粉層細胞壁厚度與不同產區地理參數及氣象因子的相關性有著高度的一致性。由于同一品種小麥籽粒糊粉層細胞細胞壁厚度范圍較大，測量過程繁瑣且數據量較大，在研究工作中可通過測量比較該品種小麥全粉中 TAX 的含量來比較各樣本籽粒糊粉層細胞壁的厚度。此外，籽粒糊粉層細胞壁厚度還與籽粒中的含水量呈顯著正相關(P<0.01)。原因可能是糊粉層像一座鑲在籽粒中的微型“水壩”，起著調控水分的作用[13, 14]。糊粉質可能可以控制籽粒體內的水分向外擴散，對籽粒體內的水分有一定的調控作用，糊粉層細胞壁越厚，其阻止籽粒水分散失的能力越強，保水性越好。同時，籽粒內水分含量越高，可能會在一定程度上使籽粒糊粉層細胞壁溶脹，導致細胞壁厚度增加。

表3 籽粒糊粉層細胞壁厚度及各組分含量與不同產區地理參數及氣象因子的相關性分析

注：* 表示在0.05水平(雙側)上顯著相關；** 表示在 0.01水平(雙側)上顯著相關。

由產區海拔與籽粒中各組分含量的相關性分析(表3)可知，籽粒的水分含量、 BG含量、 BG和TAX 的總含量與產區的海拔呈顯著正相關(P<0.05)，籽粒中 TAX 含量、 WUAX 含量與產區的海拔呈顯著正相關(P<0.01)。Moza[15]等研究了生長海拔對印度無殼大麥品種中 BG 和 TAX 含量的影響，發現在海拔1 200～3 500 m的高原栽培的無殼大麥品種中，β-葡聚糖總含量均比平原栽培品種(海拔 97～126 m)高7.5%～30.8% ，阿拉伯木聚糖總含量高39.8%～68.6%。

2.4 主成分分析

由相關性分析可知，影響籽粒糊粉層細胞壁厚度的因素較多，且諸多因素間存在一定的交互關系，致使與籽粒糊粉層細胞壁厚度相關的因素信息發生交織和重疊，應用主成分分析方法可用少數變量盡可能多的反映原來變量的信息[16]。本研究選取了8種小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量和產區的地理參數及氣象因子進行主成分分析，通過主成分分析來解釋總變量見表4和圖2。

表4 主成分分析的因子旋轉載荷矩陣和特征值及累計貢獻率

圖2 主成分分析PC1-PC2得分圖

依據提取主成分個數的累積貢獻率 ≥ 85% 的原則[17]，本研究提取了 3 個主成分因子，其方差累積貢獻率為 87.872%，能夠較全面反映樣本的信息。方差最大旋轉主成分分析(表4)顯示，主成分PC1、PC2、PC3分別對總方差的貢獻率為 43.083%、28.288%、16.546% 。

主成分的因子載荷反映各指標對主成分的貢獻大小，載荷因子絕對值越接近1就越能反映對主成分的貢獻程度。從表4所示的載荷矩陣數據可以看出， PC1主要綜合了籽粒糊粉層細胞壁厚度、水分含量、 WUAX含量、TAX含量、BG與 TAX總含量、產區海拔和緯度的信息；這7個變量的方差在PC1上的載荷都超過了70%，PC1與籽粒糊粉層細胞壁厚度、水分含量、WUAX含量、TAX含量、 BG與 TAX含量之和和產區緯度呈正相關，與海拔高度呈負相關； PC1增大時有利于籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量的增加，這些變量有助于區分各產區的小麥籽粒。 PC2和PC3 主要綜合小麥產區地理參數及其氣象因子的信息：PC2主要綜合了生長經度、灌漿期日均低溫、灌漿期氣溫日較差的信息，這3個變量的方差在PC2上的載荷分別是 0.880、-0.803、0.944。說明PC2較大時，樣品產區的經度越高，籽粒灌漿期氣溫日較差越大，灌漿期日均低溫越低。PC3主要提取綜合了灌漿期日均高溫的信息，灌漿期日均高溫的載荷為 0.860，在 PC3坐標上呈正向，即PC3越大，灌漿期日均高溫越高。

PC1和PC2分別包含了原來信息的43.083%和28.288%。由圖2可直觀地看出不同產區的小麥與PC1和PC2的關系以及不同產區的地理參數及氣象因子對小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量的影響。從圖2中可以看出，甘肅白銀和山西芮城的小麥屬于同一區域，且位于PC1和PC2正區間，小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度、含水量、WEAX含量、WUAX含量、TAX含量及生長緯度距離兩個樣品都比較近，說明它們對樣品的影響相似。同理，山東濰坊、河南商丘和陜西寶雞的小麥屬于同一區域，該區域的樣品主要受到海拔和氣溫日較差的影響。江蘇宿遷和廣西北海的小麥屬于同一區域，其中廣西北海在PC2的負向區間較大，說明經度、籽粒灌漿期氣溫日較差、灌漿期日均低溫對其影響很大。江蘇宿遷與甘肅白銀兩個產區附近的連線近似經過原點，且小麥籽粒水分含量、TAX含量及生長緯度十分靠近該連線，說明小麥籽粒水分含量、TAX含量及生長緯度對江蘇宿遷小麥的影響與它們對甘肅白銀小麥的影響的方向相反；同理，PC1和PC2對四川成都小麥的影響與對山東濰坊和河南商丘的小麥的影響相反，且四川成都的小麥自成一類游離在第四象限，該品種與PC1呈一定的正相關，與PC2呈一定的負相關性。

2.5 小麥籽粒水分的移動性

在核磁共振演擬合軟件(SIRT)迭代次數為10 000次的參數設置下，每個T2反演圖譜上均有2個波峰(圖3a)，各個峰的結束時間T2i表示第i種成分的橫向弛豫時間，各峰的峰面積A2i表示第i種成分的信號強度，對應各組分的含量[18]。根據水分的相態特征和弛豫時間T2的差異將水分劃分為2種存在狀態：將較短弛豫時間(0.01～10 ms)T21定義為自由度較低的組分(W1)，對應的峰面積為A21；較長弛豫時間(10～1 000 ms)T22定義為自由度較高的組分(W2)，對應的峰面積為A21；這兩個組分的峰面積和A2代表著樣品籽粒體內總含水量。

圖3 小麥籽粒迭代次數10 000次T2反演圖譜

由圖3b可知，小麥籽粒在相對濕度為75%的環境下，隨著籽粒吸濕時間的延長W1組分顯著增加，W2組分增幅不明顯。由圖4可知，糊粉層細胞壁較薄的廣西北海和山東濰坊產的小麥在吸濕2 h前增幅不明顯，2～4 h增幅顯著增加，在吸濕4 h后，總峰面積A2相比于吸濕0 h分別增加了207.70和 237.29，增幅分別為76.63%和64.88% 。而糊粉層細胞壁較厚的甘肅白銀與山西芮城的小麥在吸濕4 h的過程中總峰面積A2雖呈上升趨勢但增幅不大，相比于吸濕0 h 分別增加了97.31和78.30 ，增幅分別為30.22% 和36.93% 。實驗結果表明，在相同時間和吸濕條件下，糊粉層細胞壁越厚，籽粒吸水量越少，對環境中的水分吸收能力越差。反之，籽粒糊粉層細胞壁越厚，可能對籽粒的保水能力越好。這可能與小麥細胞壁中的多糖組分有關。

圖4 籽粒T21和T22組分的總峰面積

3 結論

在8個不同產區中，小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度及其組分含量差異顯著，細胞壁越厚，AX和BG含量越高；小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度與籽粒總阿拉伯木聚糖含量呈顯著正相關性(r=0.931，P<0.01)，相關性分析結果表明可通過測量比較各樣本籽粒全粉中TAX的含量來比較籽粒糊粉層細胞壁的厚度。小麥籽粒糊粉層細胞壁厚度與海拔呈顯著相關性(r=0.839，P<0.01)，與小麥灌漿期的溫度呈一定的相關性。低場核磁共振波譜分析的結果表明：相同時間相同吸濕條件下，糊粉層細胞壁越厚籽粒吸水量越少，糊粉層細胞壁結構對籽粒體內水分微環境有一定的調控作用。