大麥表皮蠟質組分及晶體結構的差異性分析

康朝麒,朱 娟,洪 益,張宇航,呂 超,郭寶健,王菲菲,許如根

(植物功能基因組學教育部重點實驗室/江蘇省作物基因組學與分子育種重點實驗室/江蘇糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學農業科技發展研究院,江蘇揚州 225009)

蠟質是指覆蓋在植物表皮細胞外的一層疏水結構,多數植物的莖、葉、果實等器官表面均有分布[1]。表皮蠟質主要由特長鏈脂肪酸及其衍生物組成,分為內層蠟質和外層蠟質,二者分布方式迥異,內層蠟質零星點綴于角質之間,外層蠟質則以各式形狀晶體或者薄膜形式附著在植物器官表面[2-3];其合成是發生在表皮細胞中的一個復雜生理過程,需要多種酶以及細胞器參與,首先在質體中進行C16和C18脂肪酸的從頭合成,進而脂肪酸碳鏈延長形成超長鏈脂肪酸,最后通過脫羰途徑和酰基還原途徑將超長鏈脂肪酸衍生成多種蠟質組分[4-6]。表皮蠟質結構及組分受多種因素影響,Samuels等[7-8]研究表明,不同物種之間,其蠟質組分、結構以及含量存在較大差異;同一物種不同器官、不同生育時期蠟質的分布也有差異。蠟質的組分、結構及含量除受遺傳因素控制外,對外部環境響應較敏感,當存在環境脅迫因子時,蠟質改變自身晶體微觀結構及化學組分,以適應外部環境脅迫[9]。

大麥是世界上第四大禾谷類作物,用途廣泛,具有較強抗性。表皮蠟質作為大麥植株表面的第一道防線,可通過在器官表面建立物理邊界來應對生物和非生物逆境。Lewandowska等[10]研究表明,蠟質能在一定程度上防止植物因過度蒸騰造成水分損失過多,抗紫外線輻射,抵御害蟲和其他病原體的侵襲。Daszkowska-Golec等[11]發現,干旱脅迫下,大麥材料CBP20表皮蠟質含量相較野生型有所增加,葉片失水較少,更利于適應干旱環境。Tsuimuk等[12]研究表明,大麥對蚜蟲的抗性與表皮蠟質含量呈正相關。明確大麥表皮蠟質組分及結構有助于明晰大麥表皮蠟質與抗旱、抗蟲性關系,對于抗性大麥品種的選育有著重要意義,而目前相關研究鮮見。本研究以鄂9706、QS、蘇農91-7112等7份大麥品種(系)為材料,通過對其開花期3個不同器官表皮蠟質組分和結構測定、觀察與分析,了解不同大麥品種(系)間蠟質組分與結構差異性、不同器官表皮蠟質組分與晶體結構的關系,為大麥表皮蠟質合成機理及抗性機制研究及抗逆性大麥品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 參試材料

以鄂9706、QS、蘇農91-7112、Y5S086、FR、SYR01、早熟3號為材料,其來源及特性見表1。

1.2 方 法

1.2.1 大麥表皮蠟質樣品制備及蠟質成分分析

參試材料于2021年秋播種于揚州大學農學院育種試驗地;于2022年大麥開花期選取倒二葉、穗下節、穗進行表皮蠟質提取,采用Trace ISQ氣相色譜質譜聯用儀(Trace ISQ,美國賽默飛世爾)進行蠟質成分測定,3次重復。蠟質提取方法、氣質聯用儀分析條件和升溫程序均參照孫瑜琳[13]的方法。

根據質譜數據庫,對蠟質各組分進行定性分析和鑒定。利用Xcalibur軟件對各組分離子峰面積進行積分,參照內標正二十四烷含量定量分析蠟質各組分化合物。

1.2.2 蠟質晶體結構觀察

參照孫瑜琳[13]的方法,將大麥各器官樣品于50 ℃烘干,切成5 mm×5 mm小塊,用導電膠將其固定在托盤上,抽真空后鍍金;在S-4800II場發射掃描電子顯微鏡(Hitachi,S-4800)上觀察各部位表皮蠟質晶體結構并拍照。

1.3 數據處理

利用SPSS statistics 21和Excel 2016進行數據分析和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 大麥表皮蠟質組分及碳鏈分布分析

由表2可知,參試大麥品種(系)不同器官表皮蠟質共分5類、20種,分別是5種烷烴、5種初級醇、4種醛、4種脂肪酸及2種二酮,其中烷烴均為碳鏈長度處于C25～C33之間的奇數碳原子直鏈飽和烴類;初級醇碳鏈長度為C22、C24、C26、C28、C30;醛與初級醇類似,碳鏈長度變化范圍為C24～C30,且為偶數碳原子;脂肪酸主要由碳鏈長度為 C22～C28偶數碳原子脂肪酸組成;二酮類組分碳鏈長度均為C31,包含β-二酮和羥基-β-二酮2種物質。由表3可知,不同器官5類蠟質組分含量及總蠟質含量在品種(系)間均存在顯著差異;初級醇、烷烴、醛及脂肪酸含量及蠟質組分總含量均以倒二葉最高,二酮含量均以穗下節最高。

表2 大麥表皮蠟質組分及組成Table 2 Wax components on different organs of different varieties (lines)

表3 參試品種(系)不同器官表皮蠟質組分含量Table 3 Wax components and contents on different organs of different varieties (lines) μg·g-1

2.2 大麥穗下節表皮蠟質組分及含量分析

由表3可知,大麥穗下節表皮蠟質主要由二酮、初級醇、烷烴、醛、脂肪酸組成,以二酮含量最高,占比約為57.66%～79.13%;醇和烷烴次之,占比分別為10.25%～18.35%和6.44%～ 19.22%;醛類物質較少,占比2.57%～4.27%;脂肪酸含量最低,占比0.76%～2.14%。SYR01的穗下節無白霜覆蓋,其二酮含量和總蠟質含量均顯著(P<0.05)低于其余穗下節有白霜覆蓋的品種(系)。

由圖1可知,穗下節表皮蠟質組分中,蘇農91-7112、鄂9706、Y5S086、早熟3號中C28醇含量最高,QS、FR中以C26醇為主,SYR01則以C24醇為主。供試材料的烷烴以C29或C31烷為主,C33烷含量最低;脂肪酸以C26酸為主,醛類物質以C28醛所占比重最高;二酮類物質包括β-二酮和羥基-β-二酮,且在部分品種(系)間二酮含量差異顯著,其中SYR01穗下節表皮蠟質中β-二酮和羥基-β-二酮含量明顯低于其余6個白霜型品種(系)。

相同組分圖柱上不同小寫字母表示品種(系)間差異在0.05水平顯著。下圖同Different letters above columns of same componert indicate significant difference among varieties(lines). at 0.05 level. The same in figures 2 and 3.圖1 參試品種(系)穗下節蠟質組分碳鏈長度分布Fig.1 Carbon chain length distribution of wax on peduncles of different varieties(lines)

2.3 參試大麥品種(系)穗表皮蠟質組分及含量

參試品種(系)穗表皮蠟質組分及含量見表3。大麥穗部表皮蠟質主要包括二酮、烷烴、初級醇、醛、脂肪酸。穗部有白霜覆蓋品種(系)表皮蠟質中,二酮占57.09%～68.24%,烷烴占11.45%～ 21.57%,初級醇占9.62%～19.39%,醛占 3.36%～11.31%,脂肪酸占0.43%～1.61%。穗部無白霜覆蓋的品種(系)表皮蠟質組分較穗部有白霜覆蓋品種(系)差異明顯,其二酮含量極低;以烷烴和初級醇為主,分別占39.24%～71.04%和 22.98%～ 41.43%;醛類和脂肪酸較少,分別占 3.78%～ 17.66%和1.50%～1.74%。無白霜覆蓋品種(系)穗部表皮蠟質總量顯著低于白霜型品種(系)(P<0.05)。

由圖2可知,穗部表皮蠟質烷烴組分中,C31或C29烷含量最高;醇類含量較烷烴含量略低,除Y5S086以C28醇為主、SYR01以C24醇為主外,其余品種(系)醇類組分以C26醇為主;醛類碳鏈長度多為C26或C28;所有品種(系)脂肪酸類含量均很低,且多以C28酸為主。白霜型大麥表皮蠟質二酮含量與無白霜大麥差異顯著,白霜型大麥穗部表皮蠟質中有大量二酮類物質積累,其中β-二酮含量均高于羥基-β-二酮,且不同品種(系)間,β-二酮和羥基-β-二酮含量均存在較大差異。QS、SYR01、FR共3個穗部無白霜覆蓋品種表皮蠟質中二酮含量極低,僅有極少量β-二酮和羥基-β-二酮存在,3者間差異不顯著。

圖2 參試品種(系)穗部蠟質組分碳鏈長度分布Fig.2 Carbon chain length distribution of wax on spikes of different varieties(lines)

2.4 參試大麥品種(系)葉片表皮蠟質組分及含量

由表3可知,參試品種(系)葉片表皮蠟質組分中,初級醇含量最高,占蠟質總量74.91%～86.23%;其次是醛、烷烴、脂肪酸,分別占6.25%～14.93%、5.43%～8.91%和0.90%～1.95%;二酮含量最少,占比僅為0.14%～0.54%。

由圖3可知,參試品種(系)葉片表皮蠟質中初級醇組分多為C26醇;烷烴含量與醛含量接近,不同品種(系)間有所差異,其中鄂9706、Y5S086、FR和SYR01葉片表皮蠟質中,醛類組分含量高于烷烴含量,僅次于初級醇;其余3品種(系)葉片表皮蠟質第二大組分則為烷烴。所有品種(系)表皮蠟質中烷烴主要為C29烷,醛類則以C28或C26醛為主。脂肪酸在各品種(系)葉表皮蠟質中積累較少,且多為C28酸。參試品種(系)葉表皮蠟質中僅檢測到極少量β-二酮和羥基-β-二酮物質,且多數品種間差異不明顯。

圖3 參試品種(系)葉片蠟質組分碳鏈長度分布Fig.3 Carbon chain length distribution of wax on leaves of different varieties (lines)

2.5 參試大麥品種不同器官表皮蠟質晶體結構

由圖4、圖5可知,不同器官表皮蠟質晶體結構存在明顯差異。穗下節表皮蠟質晶體均呈棒狀,其中無白霜覆蓋的SYR01穗下節表皮蠟質晶體分布較其余6個品種(系)更為稀疏(圖4K)。白霜型大麥品種(系)穗部表皮蠟質晶體均呈棒狀,光滑表型品種(系)QS和FR穗部表面僅有少量片狀晶體附著(圖4D、圖4J),而SYR01穗部無蠟質晶體附著(圖4L)。倒二葉近軸面、遠軸面表皮蠟質晶體均呈片狀結構,且附著密度較為一致,差異不明顯。

A和B:鄂9706穗下節和穎殼;C和D:QS穗下節和穎殼;E和F:蘇農91-7112穗下節和穎殼;G和H:Y5S086穗下節和穎殼;I和J:FR穗下節和穎殼;K和L:SYR01穗下節和穎殼;M和N:早熟3號穗下節和穎殼。A and B: Peduncle surface and glume surface of E 9706; C and D: Peduncle surface and glume surface of QS; E and F: Peduncle surface and glume surface of Sunong 91-7112; G and H: Peduncle surface and glume surface of Y5S086; I and J: Peduncle surface and glume surface of FR; K and L: Peduncle surface and glume surface of SYR01; M and N: Peduncle surface and glume surface of Zaoshu 3.圖4 參試品種(系)穗下節和穗表皮蠟質晶體結構Fig.4 Cuticular wax crystals on the stem and glume surfaces of different varieties(lines)

A和B:鄂9706倒二葉近軸面和遠軸面;C和D:QS倒二葉近軸面和遠軸面;E和F:蘇農91-7112倒二葉近軸面和遠軸面;G和H:Y5S086倒二葉近軸面和遠軸面;I和J:FR倒二葉近軸面和遠軸面;K和L:SYR01倒二葉近軸面和遠軸面;M和N:早熟3號倒二葉近軸面和遠軸面。A and B: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of E 9706; C and D: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of QS; E and F: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Sunong 91-7112; G and H: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Y5S086; I and J: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of FR; K and L: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of SYR01; M and N: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Zaoshu 3.圖5 參試品種(系)葉片表皮蠟質晶體結構Fig.5 Cuticular wax crystals on the leaf surface of different varieties(lines)

3 討 論

本研究利用GC-MS測定了7個大麥品種穗、穗下節、倒二葉表皮蠟質組分及含量,分析結果表明,參試品種(系)表皮蠟質均由20種成分構成,其中初級醇5種、烷烴5種、醛4種、脂肪酸4種、二酮2種,但不同品種(系)、不同器官表皮蠟質組分含量差異顯著,這與前人研究結果一致[14]。

3.1 蠟質組分對蠟質晶體結構的影響

Barthlott等[15]研究表明,植物表皮蠟質晶體結構存在多種表現形式,以片狀和棒狀最為常見,棒狀晶體的形成與蠟質中的二酮類物質密切相關。Li等[16]發現,無蠟材料w5葉鞘蠟質β-二酮含量顯著低于高蠟小麥濟麥22,二者蠟質晶體結構均為棒狀,但w5晶體附著量較濟麥22少。Zhou等[17]發現,無蠟大麥突變體材料cer-b.2葉鞘表皮蠟質結構呈片狀,二酮含量為零,顯著低于蠟質晶體結構呈棒狀的白霜型品種Bowman;初級醇、烷烴等成分含量明顯高于Bowman。本研究中,參試品種(系)穗下節和4個白霜型品種(系)穗部表皮蠟質組分均以二酮含量最高,且蠟質晶體均呈棒狀,QS、FR及SYR01穗表皮蠟質中僅含有極少量二酮物質,穗部無棒狀蠟質晶體附著;SYR01穗下節表皮蠟質二酮含量(57.66%)明顯低于6白霜型品種(系)(70.26%～79.14%),同時SYR01穗下節棒狀蠟質晶體密度明顯小于其余品種(系),說明大麥表皮蠟質晶體呈現棒狀結構可能與表皮蠟質中二酮含量有關,二酮含量可能在一定程度上影響棒狀蠟質晶體的附著密度。

Richardson等[18]研究表明,大麥成熟葉片表皮蠟質中1-二十六烷醇占有很大比例;Wang等[19]也發現,小麥葉片表皮蠟質各組分中初級醇含量最高。本研究結果與此類似,大麥葉片表皮蠟質中初級醇蠟質組分約占蠟質總量74.91%～86.23%,占絕對主導地位,葉片近軸面、遠軸面表皮蠟質晶體結構均為片狀,緊密附著于葉表面,說明較高的初級醇含量可能是葉片表皮蠟質晶體呈現片狀的誘因。

趙 帥等[20]發現,濟麥6097穗部蠟質二酮占比(84.21%)顯著高于泰山4447(58.38%),而初級醇和烷烴比重則較泰山4447低;泰山4447穗部蠟質晶體呈片狀和棒狀,濟麥6097穗部蠟質晶體則均呈棒狀,本研究與之存在一定差異,可能是因為本研究中主要成分二酮比例降低,穗部蠟質中占比提升的烷烴或初級醇促進了片狀蠟質晶體的合成,出現蠟質層片狀、棒狀晶體共存的現象。張蕓蕓等[21]認為,白霜型小麥倒二葉上表皮蠟質多為致密片狀晶體,而下表皮蠟質多以管狀晶體形式存在。本研究結果與此不一致,可能是因為大麥葉片上下表皮蠟質組分與小麥存在差異,導致大、小麥葉片擁有不同的表皮蠟質晶體結構。

3.2 蠟質組分對白霜表型的影響

Zhang等[22]研究表明,W1、W2基因功能缺失或者Iw1、Iw2基因的存在會導致小麥旗葉鞘表皮蠟質β-二酮合成受阻,葉鞘出現無白霜表型。Adamskin等[23]也認為,二酮含量與小麥白霜表型關系密切。本研究發現,除SYR01外的6個品種(系)穗下節及鄂9706、蘇農97-7112、Y5S086、早熟3號穗部表面均有明顯白霜狀物質覆蓋,有白霜覆蓋的器官表皮蠟質中二酮占比最高,無白霜覆蓋的器官表皮蠟質中二酮組分含量顯著低于有白霜覆蓋器官。說明,不同器官蠟質白霜表型不同是因為表皮二酮含量差異引起的。

3.3 蠟質對大麥抗性的影響

González等[24]研究表明,干旱處理下高蠟質大麥品種籽粒產量及抗旱性相較低蠟質品種均有較大提高。黃 玲等[25]認為,高蠟質小麥品種干旱脅迫下葉片細胞膜穩定性強,細胞失水少,水分利用效率和產量較高。本研究中,植株表面蠟質覆蓋較多的品種早熟3號曾是長江中下游主體推廣大麥品種,表現較好的抗性與豐產性;穗下節、穗部蠟質含量較低的品系FR則易感蚜蟲。大麥穗、穗下節及上部葉片表皮蠟質與大麥的抗旱性及抗蟲性可能存在一定的關系,尚需進一步研究探討。