遮陰時期對不同小麥品種淀粉組成結構及淀粉品質的影響

趙佳蓉 馬宏亮 吳東明 劉 瓊 樊高瓊

（西南作物基因資源發掘與利用國家重點實驗室/四川農業大學農學院/農業農村部西南作物生理生態與耕作重點實驗室，四川 成都 611130）

小麥（Triticum aestivumL.）是世界上最重要的糧食作物之一，世界約有35%～40%的人口以小麥為主要糧食作物，小麥的產量和品質對糧食生產至關重要［1］。光照強度是影響作物生長發育、產量和品質形成的重要因素［2］。1960—2009 年期間，由于快速的經濟增長和城市化進程，空氣污染物的排放量增加，導致地表接收的太陽有效輻射減少，超過84%城市的日照時數顯著下降，平均下降16.7%，四川盆地、華北平原和長江三角洲區域的日照時數分別減少22.4%、18.8%和18.2%［3］。四川位于我國第三大小麥優勢產區——西南麥區，近年來小麥種植面積穩定在60×104hm2左右，種植面積和總產分別約占全區的53.6%及63%［4］。四川盆地丘陵地區冬季和春季以層積云、濃積云為主，覆蓋寬廣，大氣環流減弱，常常受到弱光寡照的影響，年總輻射低于4 000 MJ·m-2［5］，小麥全生育期總輻射量僅有2 185 MJ·m-2［6］，比華北平原小麥全生育期總輻射量低720 MJ·m-2［7］，在時間分布上，播種-拔節期總輻射量最大，拔節-開花期總輻射量最小［6］。拔節-開花期的弱光使小麥生產受到嚴重危害［8］，但對小麥品質形成的影響仍未知。

淀粉是小麥籽粒的主要組成部分，占籽粒干重的57%～67%［9］，淀粉的含量及組成、粒度分布、熱力學等特性與營養品質、加工品質和食用品質有著密切聯系［10-12］。面條、粉條、饅頭等對淀粉品質的要求較高［13-15］，優質面條要求直鏈淀粉含量低、峰值黏度和膨脹勢高、蒸煮損失少［16］。近年來，不同栽培措施以及生態環境對小麥淀粉的影響是重要研究方向之一［17-19］，弱光對小麥淀粉理化性質和品質的影響已有較多的研究，大部分是設置不同的遮陰強度或僅在灌漿期遮陰進行的研究：楊俊華等［20］研究發現，淀粉最終黏度和回生值隨著遮陰強度的增加而增加，其他糊化特性參數則無顯著變化；袁建新等［21］研究表明，小麥灌漿期遮陰顯著降低了淀粉峰值黏度、低谷黏度、衰減值、最終黏度和回生值，對蒸煮品質產生了不利影響；李永庚等［22］研究發現，在灌漿前期、中期、后期遮光顯著提高了面粉的膨脹勢和峰值黏度，有利于淀粉品質的提高，且前期遮光影響最大，后期最小。綜上，花后弱光逆境對小麥淀粉品質影響的研究結論不盡一致。關于花前弱光、花后解除弱光對淀粉組成結構和品質的影響，以及淀粉品質的變化是否和淀粉自身組成結構有關仍未有定論。基于此，本研究以4 個代表性小麥品種為材料，在西昌生態點小麥拔節-開花期和拔節-成熟期進行人工遮陰，以期明確花前和花后弱光對小麥淀粉品質的影響規律，為深化小麥品質研究和指導小麥生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020—2021 年在西昌市安寧鎮涼山州農業科學研究院試驗基地（102.27°E，27.09°N）開展，該地區屬熱帶高原季風氣候。由圖1 可知，該地區氣候溫暖干燥，氣溫日較差大，降水量少，2020—2021 年小麥生長季降水量為36.8 mm，日照時間長達7.2 h，光照資源充足。試驗地耕層土壤（0～20 cm）土壤基礎理化性質如下：有機質含量24.80 g·kg-1、全氮0.70 g·kg-1、堿解氮34.91 mg·kg-1、速效磷29.13 mg·kg-1、速效鉀81.00 mg·kg-1、pH值7.69。

圖1 2020—2021年小麥生長季氣溫和降雨量Fig.1 Temperature and rainfall of wheat growing period from 2020 to 2021

1.2 試驗設計

采用二因素裂區設計，主區因素為品種，分別為蜀麥482、川麥39、綿麥51 和昌麥34，供試品種信息見表1，副區因素為遮陰時期，分別為拔節-開花期遮陰（S1）、拔節-成熟期遮陰（S2），以田間自然光強為對照處理（CK）。小麥于2020 年11 月4 日播種，播種方式為開溝條播，行距20 cm，每小區面積為6 m2，3 次重復，肥料按N∶P2O5∶K2O = 10∶8∶5（N、P2O5、K2O 施用量分別為150、120、75 kg·hm-2）比例施入，磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥設置基肥和拔節期追肥，基追比為6∶4。于小麥拔節期（2021 年1 月16 日）開始遮陰，拔節-開花期遮陰62～71 d，拔節-成熟期遮陰105～118 d。遮陽網離地面2 m 高，小麥群體內通風狀況良好，使用HiPoint HR-450手持式光譜計（臺灣海博特股份有限公司）測量正常光照和遮陰后的光強和光質，結果如表2 所示，遮光率為77.6%，表明遮陰后光質無顯著變化。

表1 供試品種信息Table 1 The wheat varieties basic situation

表2 遮陰對光強和光質的影響Table 2 The effect of shading on light intensity and light quality

1.3 測定項目與方法

1.3.1 淀粉含量和組分 使用淀粉總量檢測試劑盒（愛爾蘭Megazyme 公司）測定籽粒總淀粉含量，直鏈淀粉檢測試劑盒（愛爾蘭Megazyme 公司）測定籽粒直鏈淀粉含量，總淀粉含量與直鏈淀粉含量之差即為支鏈淀粉含量。

1.3.2 淀粉粒提取和粒度分布 淀粉粒提取參照Peng 等［23］的方法并稍作改動。用2% NaCl 溶液將適量小麥全麥粉或面粉揉成面團，用2% NaCl 溶液反復揉洗，收集淀粉漿過200目篩除去麩皮和面筋，3 500×g離心5 min，棄去上清液，此時沉淀大部分為淀粉，但含有少量的蛋白質。向離心后的沉淀中加入10% NaCl溶液，充分攪拌，3 500×g離心10 min，棄去上清液，并刮去上層黃色物質，重復2～3 次，用洗滌緩沖液［62.5 mmol·L-1tris-HCl，pH 值6.8；10 mmol·L-1EDTA-2Na；4%十二烷基硫酸鈉（sodium dodecyl sulfate，SDS）］清洗2 次，純水清洗2 次，丙酮清洗2 次，用濾紙過濾，在通風櫥內風干，獲得蛋白質含量低于0.5%的淀粉。稱0.5 g 淀粉于2 mL 離心管中，加1 mL 70%乙醇振蕩分散，利用Mastersizer 3000E 激光粒度分析儀（英國馬爾文儀器有限公司）測定淀粉粒徑。

1.3.3 面粉RVA 參數 使用RVA-TecMaster 快速黏度測定儀（rapid visco-analyzer，RVA，瑞典Perten 公司）測定面粉RVA參數。

1.3.4 膨脹勢 參考Mccormick 等［24］的方法。稱取面粉200 mg，置于10 mL 預先稱重的離心管中，分別加入5 mL 純 水 和5 mL 2 mmol·L-1AgNO3溶 液，混 勻。70 ℃晃動水浴10 min，移至100 ℃水浴10 min，冷水冷卻5 min，1 700×g離心4 min，小心棄去上清液，稱取沉淀重量，按以下公式計算膨脹勢：

1.3.5 降落值 使用FN1500 降落數值儀（瑞典Perten 公司），按照《AACC Method 56-81B Determination of falling number》［25］的方法進行測定。

1.3.6 α-淀粉酶活性 參考《AACC Method 22-05 Measurement of α-amylase in cereal grains and floursamylazyme method》［26］的方法，使用The CERALPHA 試劑盒（愛爾蘭Megazyme 公司）進行測定。稱取0.15 g全麥面粉，加入1 mL 提取緩沖液（pH 值5.4），40 ℃提取20 min，取50 μL α-淀粉酶提取液與50 μL 反應底物（淀粉酶HR 試劑）混合，40 ℃水浴20 min，水浴結束后迅速加入750 μL 終止試劑停止反應，劇烈振蕩搖勻，讀取400 nm 處待測液和空白對照液的吸光度值，酶活力單位為CU·g-1，表示1 min從對硝基苯麥芽庚糖苷（blockedp-nitrophenyl maltoheptaoside，BPNPG7）釋放1 μmol對硝基苯酚所需的酶量。

1.4 數據處理

使用Microsoft Excel 2013 軟件對試驗數據進行匯總；DPS 7.05 軟件進行統計分析，最小顯著性差異法（least significant difference，LSD）進行顯著性比較分析；Origin 2019b軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 遮陰時期對小麥籽粒淀粉含量和組分的影響

由表3可知，拔節-成熟期遮陰使小麥籽粒總淀粉含量、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量較CK 顯著下降，拔節-開花期遮陰使4個小麥品種總淀粉含量、直鏈淀粉含量和支鏈淀粉含量平均值較CK 分別下降了2.96、0.93、2.03 個百分點，拔節-成熟期遮陰分別下降5.34、1.71和3.63個百分點，表明遮陰時間越長，下降幅度越大。拔節-開花期遮陰對淀粉直/支比無顯著影響，拔節-成熟期遮陰對直/支比的影響因品種而異，僅顯著降低了昌麥34的淀粉直/支比。

表3 不同處理下小麥成熟期籽粒淀粉含量和組分Table 3 Starch content and components of wheat grains at maturity under different treatments

2.2 遮陰時期對成熟期小麥籽粒淀粉粒度分布的影響

2.2.1 淀粉粒數目分布 由表4 可知，A 型淀粉粒數目占比小于1%，B 型淀粉粒占比在3%～5%之間，C 型淀粉粒數目占比大于95%。品種間相比較，昌麥34 籽粒中B型和C型淀粉粒數目占比較多，A型淀粉粒數目占比較少。與CK 相比，拔節-成熟期遮陰使A 型淀粉粒數目顯著增加，對B 型淀粉粒數目分布的影響因品種而異，使川麥39 B型淀粉粒數目顯著減少，昌麥34 B型淀粉粒數目顯著增加。拔節-開花期遮陰顯著增加川麥39 A型淀粉粒數目，對其他品種影響較小。

表4 不同處理下小麥淀粉粒數目分布Table 4 Number distribution of wheat starch granules under different treatments

2.2.2 淀粉粒體積分布 由表5 可知，成熟期小麥籽粒中A 型淀粉粒體積占比最大，在68%以上，B 型淀粉粒和C 型淀粉粒分別占體積分布的10%～25%和0～10%。淀粉粒體積大小與品種和遮陰有關。4 個品種中，昌麥34籽粒中B型淀粉粒體積占比較大，A型淀粉粒體積占比較小。無論是拔節-開花期遮陰還是拔節-成熟期遮陰，均較CK 整體顯著降低了B 型淀粉粒體積占比，而增加A 型淀粉粒體積占比，拔節-成熟期遮陰使A 型淀粉粒體積占比顯著增加2.93～6.00 個百分點，B 型淀粉粒體積占比顯著降低3.03～5.20 個百分點。表明遮陰尤其是花后遮陰更有利于大淀粉粒形成。

表5 不同處理下小麥淀粉粒體積分布Table 5 Volume distribution of wheat starch granules under different treatments

2.2.3 淀粉粒表面積分布 淀粉粒表面積分布與體積分布相反（表6），C 型淀粉粒表面積占比最大，A 型淀粉粒次之，B 型淀粉粒表面積占比最小。品種間比較，昌麥34 籽粒胚乳淀粉中A 型淀粉粒表面積占比最小，平均比蜀麥482、川麥39和綿麥51低7.15、4.77和4.87 個百分點，表明昌麥34 淀粉粒的比表面積更大。與CK 相比，拔節-成熟期遮陰均顯著增加A 型淀粉粒表面積占比，減小B 型淀粉粒表面積占比，但對C 型淀粉粒影響不同，表現為＜1.5 μm 淀粉粒的表面積占比減小，1.5～3 μm 淀粉粒的表面積占比增加。川麥39拔節-開花期遮陰的各類型淀粉粒表面積占比與CK相比差異顯著，其他品種拔節-開花期遮陰與CK 相比基本無顯著差異。

表6 不同處理下小麥淀粉粒表面積分布Table 6 Surface area distribution of wheat starch granules under different treatments

2.3 遮陰時期對淀粉糊化特性的影響

由表7 可知，品種是影響淀粉RVA 特征值最主要的因素。綿麥51 淀粉糊化黏度整體偏低，峰值黏度、低谷黏度、最終黏度和回生值分別較其他品種低948.1～1 597.8、1 267.0～1 377.1、2 051.7～2 200.1和784.7～856.2 Pa·s；川麥39的糊化溫度比其他品種低12.3～20 ℃；昌麥34 淀粉崩解值較低，糊化溫度較高，說明其淀粉抗剪切性較強。不同遮陰時期對糊化參數的影響因品種而異。與CK 相比，拔節-開花期遮陰顯著提高了綿麥51 糊化時的黏度、峰值時間和糊化溫度，而對蜀麥482、川麥39 和昌麥34 影響不顯著；拔節-成熟期遮陰使綿麥51 面粉峰值黏度、崩解值和回生值較CK 降低29.8%，21.9%和50.0%，而對蜀麥482、川麥39 和昌麥34 影響較小，說明綿麥51 淀粉的糊化特性對光照環境的變化更加敏感。

表7 不同處理下小麥淀粉RVA特征值（加純水）Table 7 The RVA value of wheat starch under different treatments （adding distilled water）

為消除α-淀粉酶活性對淀粉糊化特性的影響，試驗使用2 mmol·L-1硝酸銀溶液抑制α-淀粉酶活性后測量淀粉糊化黏度。結果表明（表8），與使用純水測量相比，淀粉糊化黏度均有所增加，川麥39 增加的幅度最小，綿麥51 增加的幅度最大，峰值黏度、崩解值、回生值、峰值時間和糊化溫度分別增加了1 735 Pa·s、366 Pa·s、962 Pa·s，0.75 min 和5.2 ℃。消除α-淀粉酶干擾后，拔節-成熟期遮陰處理下，4 個品種峰值黏度、崩解值和回生值均值分別較CK 降低了6.5%、9.9%和0.2%，而拔節-開花期遮陰處理和CK 相比基本無顯著差異。說明花后弱光是降低淀粉糊化特性的關鍵時期，可能與花后遮陰降低面粉中淀粉含量有關。

2.4 遮陰時期對膨脹勢的影響

分別用純水、硝酸銀溶液測量膨脹勢，結果表明（圖2），純水系統測定的膨脹勢中，綿麥51對遮陰時期處理最敏感，拔節-開花期遮陰使其淀粉膨脹勢較CK顯著增加1.34 g·g-1，拔節-成熟期遮陰則顯著降低2.83 g·g-1，其余品種對遮陰處理敏感度低，川麥39 和昌麥34 各處理間差異均不顯著。綿麥51 可能具有較高的α-淀粉酶活性，使用硝酸銀溶液抑制α-淀粉酶活性后，和純水系統測定相比，所有品種淀粉膨脹勢均增加，綿麥51 增幅最大，且2 個遮陰處理和CK 相比差異不顯著，表明膨脹勢測定受α-淀粉酶活性干擾較大。

圖2 不同處理下小麥淀粉膨脹勢Fig.2 Swelling power of wheat starch under different treatments

2.5 遮陰時期對小麥面粉降落值和成熟期籽粒中α-淀粉酶活性的影響

進一步分析表明（圖3），品種對降落值有極顯著影響，以昌麥34 降落值最高，在400 s 以上，綿麥51 降落值最低，小于300 s。拔節-開花期遮陰對面粉降落值影響不顯著，拔節-成熟期遮陰使綿麥51 面粉的降落值較CK顯著下降了20.1%。與降落值對應的是，綿麥51 的α-淀粉酶活性最高，平均分別是蜀麥482、川麥39 和昌麥34 的1.79、2.61 和1.55 倍；拔節-開花期遮陰僅顯著影響了綿麥51 的α-淀粉酶活性，與CK 相比顯著降低28.6%；拔節-成熟期遮陰則顯著增加供試品種籽粒α-淀粉酶活性，與CK相比，蜀麥482、川麥39、綿麥51 和昌麥34 分別增加了66.2%、35.3%、25.6%和41.2%。

圖3 不同處理下小麥面粉降落值和成熟期籽粒α-淀粉酶活性Fig.3 Wheat flour falling number and α-amylase activity in grains under different treatments

2.6 淀粉理化性質和加工品質間的相關性

由表9 可知，A 型淀粉粒體積百分比和崩解值呈極顯著正相關，與回生值、峰值時間呈顯著或極顯著負相關，B 型淀粉粒（3～10 μm）體積百分比與之相反。降落值和峰值黏度、低谷黏度、最終黏度、回生值、峰值時間以及膨脹勢呈極顯著正相關，α-淀粉酶活性與之相反，呈極顯著負相關。上述結果表明，不同時期遮陰條件下，供試小麥品種淀粉糊化特性和膨脹勢與淀粉粒體積分布、α-淀粉酶活性的關系更密切。

表9 淀粉理化性質和加工品質間的相關性Table 9 Correlation between physicochemical properties of starch and flour processing quality

3 討論

3.1 遮陰時期對小麥籽粒淀粉含量和粒度分布的影響

光照是影響淀粉特性的重要環境因子，小麥生育期常遇陰雨寡照天氣，影響光合作用進行，阻礙光合產物積累。但花前弱光和花后弱光對小麥籽粒灌漿及淀粉含量和粒度分布的影響待進一步明確。本試驗表明，不同遮陰時期均降低了籽粒總淀粉、直鏈淀粉和支鏈淀粉含量，和前人研究結果一致［27］，但直/支比變化較小。小麥籽粒胚乳淀粉主要以A 型和B 型淀粉粒的形式存在，淀粉粒大小受溫度、水分、光照等環境因素調控［19，28-29］。袁建新等［21］研究表明灌漿期弱光顯著降低B 型淀粉粒的體積占比，增加A 型淀粉粒的體積占比，本研究結果與之一致。銀永安等［30］認為A 型淀粉粒形成時間最早，因而推測灌漿期弱光限制B 型淀粉粒數目增加，是因為有限的光合產物優先分配給已經形成的A型淀粉粒。拔節-開花期遮陰條件下，蜀麥482、綿麥51 和昌麥34 的A、B 型淀粉籽粒灌漿不受影響，粒數目、體積和表面積占比與對照相比無顯著差異，籽粒灌漿不受影響，進一步說明花后灌漿期是影響淀粉含量和粒度分布的主要時期。

3.2 小麥淀粉組成結構和α-淀粉酶活性對淀粉品質的影響

淀粉占小麥面粉的70%～80%，淀粉含量和組成結構是影響小麥淀粉品質的關鍵因素。Ye 等［31］將紅薯淀粉分為小、中、大三種尺寸，認為大淀粉粒所占比例與黏度參數呈正相關。本試驗中，拔節-成熟期遮陰使A 型淀粉粒體積占比增加，應當有利于提升淀粉品質，但仍降低了淀粉糊化黏度和膨脹勢，說明淀粉含量降低調控效應比淀粉粒徑調控作用更大。相關性分析表明，B 型淀粉粒體積占比越高，淀粉崩解值越小，糊化時間越長，推測是因為B 型淀粉粒的表面積占比大，能夠結合更多的脂質和蛋白質，使抗剪切性增強，從而延緩了顆粒的吸水膨脹。

α-淀粉酶也是影響淀粉品質的重要因素，尤其是在高α-淀粉酶活性品種—綿麥51上體現更顯著［32-34］。本試驗中，拔節-成熟期遮陰使綿麥51 籽粒α-淀粉酶活性較CK 提高25.6%，降落值下降20.1%，面粉峰值黏度、崩解值、回生值和膨脹勢降低29.8%、21.9%、50.0%和45.3%，表明遮陰能改變α-淀粉酶活性進而調控淀粉品質。小麥籽粒α-淀粉酶的存在形式主要有三種：第一種為收獲時發生穗發芽籽粒中合成的淀粉酶（prehavest sprouting，PHS）［35］；第二種為殘留α-淀粉酶，在種皮中合成，含量很低［36］；第三種為遲熟α-淀粉酶（late maturity α-amylase，LMA），是指在未發芽情況下，花后20～30 d 左右由α-Amy-1基因控制合成的高pI α-淀粉酶，被認為是一種遺傳缺陷并廣泛分布于普通小麥、專用小麥以及合成六倍體小麥中［37］。西昌生態點的降雨量極少，2020—2021 年度灌漿期間總降雨量僅有13.9 mm，小麥收獲時未發生穗發芽，綿麥51的降落值低于300 s，推測其籽粒灌漿后期積累了大量的LMA，而蜀麥482、川麥39 和昌麥34 的籽粒中主要是種皮殘留的α-淀粉酶，在磨粉時種皮與胚乳分離，面粉中淀粉酶活性較低，對淀粉品質的影響較小。Mares 等［38］和Cornford 等［39］認為LMA 在籽粒的糊粉層細胞中合成，并釋放到臨近胚乳細胞中，導致未發芽小麥降落值和糊化黏度顯著下降。Derkx 等［40］發現冬播小麥比夏播小麥籽粒的α-淀粉酶活性更高，是因為夏季高溫加速了籽粒發育進程，縮短了籽粒從生理成熟向成熟轉變的時間。本試驗中，遮陰時期影響小麥籽粒α-淀粉酶活性，這可能和遮陰時期改變灌漿期籽粒的發育進程有關，花后解除遮陰，葉片受到強光脅迫易衰老，灌漿時間縮短，籽粒脫水速度快，成熟度高；花后持續遮陰，葉片持綠時間長，籽粒發育緩慢，含水量高，脫水速度的快慢會影響糊粉層的發育，進而影響α-淀粉酶合成，但其影響機制還需進一步深入研究。

3.3 小麥淀粉品質受基因型和遮陰時期共同調控

小麥淀粉品質受遺傳因素控制。Tang 等［41］認為品種對淀粉品質起主導作用。王才林等［42］發現不同半糯粳稻品種（系）淀粉品質性狀對生態環境的反應敏感性不同。本研究結果顯示小麥淀粉品質主要受品種影響，存在品種×環境互作效應。高α-淀粉酶活性的小麥品種環境穩定性差，花后持續弱光易劣化淀粉品質。因此在花后多陰雨寡照地區，應選擇高降落值品種，避免加工制作的面條、涼皮和涼粉出現蒸煮損失、混湯和斷條等現象。

4 結論

遮陰處理降低了小麥籽粒中的淀粉含量，增加大淀粉粒的體積占比，以拔節-成熟期遮陰對淀粉含量及粒度分布的影響較大。拔節-成熟期遮陰不僅通過影響淀粉粒徑調節糊化特性，還通過提升α-淀粉酶活性降低降落值和糊化黏度，尤其是在綿麥51 上調控α-淀粉酶活性效應更強。花后恢復光照可提升淀粉加工品質，花后持續遮陰劣化淀粉加工品質。遮陰時期對淀粉品質的影響存在品種間差異，低降落值品種綿麥51 淀粉品質受遮陰時期影響較大，高降落值品種蜀麥482、川麥39和昌麥34環境穩定性較強。