小麥淀粉理化特性遺傳改良研究進(jìn)展

王紅日　王利民　戴雙等

摘要：近年來小麥淀粉理化特性遺傳改良取得了顯著進(jìn)展，育成一系列高、低直鏈淀粉含量和糯性小麥，所用方法主要是常規(guī)雜交選育，化學(xué)誘變和轉(zhuǎn)基因技術(shù)也得到廣泛應(yīng)用。但小麥淀粉理化特性遺傳改良仍然存在諸多限制，最主要的是種質(zhì)資源匱乏，另外淀粉檢測技術(shù)也在很大程度上限制了淀粉特性的改良。

關(guān)鍵詞：小麥；淀粉；理化特性；遺傳改良

中圖分類號：S512.101 文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2013）08-0137-04

小麥淀粉的用途非常廣泛，不僅可以制作面包、面條、饅頭等各種食品，還可用于造紙和紡織，也可作為生產(chǎn)葡萄糖漿、膠帶等的原料_[1～3]。淀粉占小麥籽粒干重的60%～70%、面粉的65%～75%，與籽粒和面粉產(chǎn)量關(guān)系密切_[4]。對加拿大33個春小麥的研究表明，淀粉含量與籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān)（r=0.56，P=0.01）_[5]。許多學(xué)者提出了各種提高籽粒產(chǎn)量的措施，如促進(jìn)光合器官中碳水化合物的合成及其向籽粒的分配，但歸根結(jié)底還是促進(jìn)籽粒中淀粉的合成和積累_[6～9]。

淀粉分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。淀粉在小麥胚乳中以淀粉粒的形式存在。淀粉粒由結(jié)晶層和未定形層交替形成的重復(fù)生長環(huán)組成。支鏈淀粉鏈成束排列，在束內(nèi)淀粉鏈以雙螺旋排列成整齊的結(jié)晶層，結(jié)構(gòu)致密；直鏈淀粉在淀粉粒內(nèi)以單螺旋形式存在，主要分布在淀粉粒未定形區(qū)_{[1～3，10，11]}。淀粉的合成需要一系列酶的參與，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）催化合成ADP-葡萄糖，成為淀粉合成的直接底物，對淀粉生物合成起著重要的樞紐作用。小麥AGPase酶活性升高，淀粉含量升高，籽粒產(chǎn)量增加_{[1～3，10，11]}。淀粉合酶（SS）催化淀粉的形成，分為兩類：淀粉粒結(jié)合淀粉合酶（GBSS，又稱Wx蛋白），負(fù)責(zé)直鏈淀粉的合成，普通六倍體小麥含有三種Wx蛋白亞基（Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1）；可溶性淀粉合成酶（SSS），主要在支鏈淀粉合成中起作用。淀粉分支酶（SBE）形成支鏈。Wx蛋白突變/缺失或利用RNAi抑制GBSS活性，直鏈淀粉含量下降；支鏈淀粉合成相關(guān)的基因突變，直鏈淀粉含量相對升高_{[2，3，12，13]}。1淀粉理化特性對小麥營養(yǎng)保健和加工品質(zhì)至關(guān)重要

淀粉在胚乳中沉積的特性對淀粉含量、籽粒硬度、淀粉粒大小分布與形狀、脂類的結(jié)合、支鏈淀粉結(jié)構(gòu)、直/支鏈淀粉比例等均有重要影響，進(jìn)而影響到利用時淀粉對熱和水的反應(yīng)，最終表現(xiàn)出不同的理化特性和加工品質(zhì)_[14～16]。淀粉粒的大小和分布是決定小麥磨粉/加工品質(zhì)的重要因素。軟質(zhì)小麥淀粉粒和蛋白骨架結(jié)合疏松，而硬質(zhì)小麥結(jié)合致密，在磨面過程中，軟質(zhì)小麥在淀粉粒和蛋白骨架之間破裂，而硬質(zhì)小麥在淀粉粒和蛋白骨架內(nèi)部破裂，因此硬質(zhì)小麥淀粉破碎率高，和面時吸水也多，適合制作面包、面條，而軟質(zhì)小麥正相反，適合制作餅干、糕點_[17]。

直鏈淀粉含量對面包體積和質(zhì)地有巨大影響，含量過低，面團(tuán)發(fā)粘，盡管面包體積有所增大，但結(jié)構(gòu)變差，氣泡大而不勻，總體質(zhì)量下降_[18]；而直鏈淀粉含量過高，面包品質(zhì)也顯著下降_[19]。淀粉理化特性對饅頭和面條加工品質(zhì)也有重要影響。Huang等（1996）_[20]研究表明，淀粉糊化參數(shù)中，除峰值時間外，所有粘度參數(shù)均與饅頭比容呈正相關(guān)，其中峰值粘度與饅頭體積、比容、結(jié)構(gòu)和評分間的相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到顯著和極顯著水平。面條的食用品質(zhì)主要受淀粉（面粉）品質(zhì)性狀的影響，多數(shù)面條品質(zhì)參數(shù)，特別是食用品質(zhì)（如面條軟度、光滑性及口感等）受面粉中淀粉特性的影響，直鏈淀粉含量較低的小麥品種或面粉在面條軟度、粘性、光滑性、口感和綜合評分等品質(zhì)參數(shù)上有較好的表現(xiàn)_[21]。

淀粉的糊化特性主要與淀粉粒大小和比例、直鏈淀粉的含量、直鏈淀粉與支鏈淀粉的比例有關(guān)_[14～17]。高的峰值粘度和稀懈值、低的最終粘度和反彈值總是與低的直鏈淀粉含量同時出現(xiàn)_[22]。直鏈淀粉含量接近零時，為糯小麥，其淀粉（支鏈淀粉）結(jié)晶程度高，回生慢，可以推遲烘烤食品的凝沉進(jìn)程，延長烘烤食品的貨架壽命，從而可以替代昂貴的添加劑來提高面團(tuán)的水合力_{[18， 23， 24]}。直鏈淀粉含量升高可以形成更多的抗性淀粉_[25]?？剐缘矸凼且环N新型膳食纖維，對于肥胖、糖尿病、心血管疾病、結(jié)腸癌等一系列迅速蔓延的慢性非傳染性疾病具有很好的預(yù)防和治療作用_[42]，盡管目前抗性淀粉產(chǎn)品主要來源于玉米，但由于小麥加工食品的多樣性及其獨特的口感，人們更希望在小麥抗性淀粉研究方面取得突破。因此，淀粉理化特性對小麥產(chǎn)量、營養(yǎng)保健和加工品質(zhì)都有非常重要的影響，淀粉理化特性遺傳改良也成為世界范圍內(nèi)研究的熱點_{[2，3，12，13]}。

2小麥淀粉品質(zhì)遺傳改良成效顯著

從目前情況看，雜交選育仍是小麥淀粉品質(zhì)改良的主要和首選方法。目前得到的糯性小麥大多是用此種方法得到的_[23]，我國的優(yōu)質(zhì)面包、面條小麥品種也基本上是通過這種方法選出的_[9]。Nakamura等（1995）_[26]用關(guān)東107（缺失Wx-A1和Wx-B1蛋白）作母本，分別與Aldura （杜倫小麥，AABB）和白火麥（缺失Wx-D1蛋白）雜交，經(jīng)系統(tǒng)選育，首次得到了糯性小麥。Hegstad等（1998）_[27]將半糯性六倍體小麥與硬粒小麥雜交，得到了糯性硬粒小麥。Miura等（2002）_[28]通過關(guān)東107與白火麥雜交得到了全部8種不同Wx組合類型。Zhao和Sharp（1996）_[29]也得到了糯性六倍體小麥。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)用關(guān)東107和Ike分別與江蘇白火麥和內(nèi)鄉(xiāng)白火麥雜交也得到了糯性株系_[30]。Yamamori等（2000）_[31]通過雜交選育，從Kanto79/Turkey116 F2//Chousen57后代中選育出高直鏈淀粉含量小麥品系。

化學(xué)誘變具有誘發(fā)突變率高、染色體畸變少、對處理材料損傷輕、所需設(shè)備簡單、成本低、誘變效果好等特點，在小麥淀粉品質(zhì)改良方面得到廣泛應(yīng)用。Kiribuchi-Octobe等（1998）_[24]用甲基磺酸乙酯（EMS）處理關(guān)東107小麥得到糯性植株K107Wx1和K107Wx2，用疊氮化鈉處理Tanikei A6099得到糯性變異品系Tanikei A6599-4（直鏈淀粉含量1.6%）和H1881（直鏈淀粉含量0.4%）。隨著新技術(shù)的不斷創(chuàng)新，誘變方法已發(fā)展成為定向誘導(dǎo)基因組局部突變（TILLING）方法，由于其具有高通量、大規(guī)模、高靈敏度和自動化等特點，得到更加廣泛的應(yīng)用_[32～34]。Slade等（2005）_[33]用TILLING法檢測1 920份變異材料，其中246份材料淀粉合成基因發(fā)生變異。但通過化學(xué)誘變創(chuàng)造高抗性淀粉含量富保健功能小麥種質(zhì)的研究報道很少。

隨著生物技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因技術(shù)在改良淀粉理化特性方面發(fā)揮出越來越大的作用，基因工程改良淀粉品質(zhì)成為國際研究的熱點，并取得顯著進(jìn)展_[35]。Stark等（1992）_[36]將大腸桿菌K12突變株系618轉(zhuǎn)入煙草，淀粉含量比對照增長近2倍。Chibbar等（1998）_[37]利用遺傳工程方法得到富含支鏈淀粉的小麥。Baga等（1999）_[35]用基因槍法得到了缺失1個或2個GBSSI位點的小麥品系。Regina等（2006）_[25]利用RNAi技術(shù)獲得了直鏈淀粉含量高達(dá)70%的小麥突變體，抗性淀粉含量也明顯增加。

3小麥淀粉品質(zhì)遺傳改良仍存在諸多限制

盡管小麥淀粉理化特性遺傳改良近年來取得顯著進(jìn)展，但與水稻、玉米等其它作物相比差距仍然非常大。困擾小麥淀粉品質(zhì)改良的一個主要問題是遺傳資源的匱乏，淀粉特異性材料稀少嚴(yán)重制約了淀粉理化特性改良。自然條件下小麥Wx蛋白的多態(tài)性非常低，同時缺失兩種亞基的材料非常少，而缺失Wx-D1蛋白的材料目前報道僅有我國的白火麥，3種亞基均缺失的糯小麥目前還沒有報道，但在玉米、水稻、大麥等作物中均發(fā)現(xiàn)了天然的糯性突變類型_[38]。我們對323份面粉材料的檢測表明，我國小麥面粉直鏈淀粉的變異幅度為16.18%～31.79%，平均為23.24%，變異系數(shù)僅9.5%，日本小麥品種直鏈淀粉含量的變異幅度為22%～30%。從樣品分布看，直鏈淀粉含量低于19%和高于29%的樣品只有17份，淀粉特異性材料非常少_[21]。

TILLING技術(shù)近年來在淀粉品質(zhì)改良中得到廣泛應(yīng)用，但主要用于創(chuàng)制突變體進(jìn)行理論研究。由于需要的儀器設(shè)備相對昂貴，很難在育種單位尤其是我國的育種單位得到廣泛應(yīng)用。另外，由于小麥染色體組的龐大和海量非編碼區(qū)和微衛(wèi)星重復(fù)序列的存在，檢測到的大量突變體未必會導(dǎo)致性狀（淀粉理化特性）的變異，進(jìn)一步影響了TILLING技術(shù)在小麥淀粉品質(zhì)改良上的應(yīng)用。由于染色體組的復(fù)雜性等原因，小麥轉(zhuǎn)基因技術(shù)也發(fā)展緩慢，基因槍法重復(fù)性好，但發(fā)生頻率極低的轉(zhuǎn)基因植株絕大部分為多拷貝插入，容易發(fā)生基因沉默現(xiàn)象；農(nóng)桿菌介導(dǎo)法轉(zhuǎn)入拷貝數(shù)少，可以降低轉(zhuǎn)基因沉默頻率，但在小麥上掌握該技術(shù)的報道非常少_[39]。另外，再加上小麥組培技術(shù)尚沒有完全過關(guān)，進(jìn)一步限制了轉(zhuǎn)基因技術(shù)在小麥上的應(yīng)用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因效率遠(yuǎn)低于水稻、玉米等其它作物_{[35，39]}。

影響淀粉品質(zhì)改良的另一重要因素是淀粉特性的檢測。目前直鏈淀粉含量測定用得較多的是I2-KI比色法，而溶液的pH值、溫度、反應(yīng)時間等反應(yīng)條件均強(qiáng)烈影響顯色結(jié)果，從而帶來誤差_[40]。而糯小麥成功培育報道較多也是因為糯性胚乳I2-KI染色呈棕紅色、而其它非糯材料染色呈紫黑色，檢測簡便易行_[32，33]?？剐缘矸鄣臏y定是模擬人體內(nèi)的消化過程，需要多種酶的連續(xù)作用，過程復(fù)雜，耗時長且成本高_[41～43]。面包、饅頭、面條等食品加工品質(zhì)鑒定程序更加繁瑣、耗時，而且需要大量樣品_[9]。小麥營養(yǎng)保健和加工品質(zhì)與籽粒直鏈淀粉含量密切相關(guān)，直鏈淀粉含量與淀粉糊化特性高度相關(guān)，而淀粉糊化特性的測定儀器價格較低，宜于操作，重現(xiàn)性好，用樣量少。因此我們研究建立了使用甲基磺酸乙酯EMS誘導(dǎo)淀粉理化特性變異，經(jīng)過淀粉糊化特性初篩，然后測定直鏈淀粉含量進(jìn)一步精選，最后測定抗性淀粉含量和進(jìn)行食品制作評價確認(rèn)，這種淀粉理化特性特異性材料創(chuàng)制方法，初步試驗結(jié)果證明是高效可行的_[44]。

EMS是一種烷化劑，在多倍體小麥中，誘變頻率極高。Slade等（2005）_[33]研究發(fā)現(xiàn)，六倍體小麥經(jīng)EMS誘變后，每24 kb就有一個堿基突變，在四倍體小麥中每40 kb就有一個突變。我們通過EMS誘變濟(jì)麥20和濟(jì)麥22得到大量淀粉理化特性變異群體，初步檢測表明其淀粉糊化參數(shù)、直鏈淀粉含量變異系數(shù)都在10%以上，有的參數(shù)甚至達(dá)到40%，遠(yuǎn)高于自然條件下的變異幅度。經(jīng)過淀粉糊化特性篩選，從誘變?nèi)后w中發(fā)現(xiàn)了直鏈淀粉含量顯著下降和抗性淀粉含量明顯升高的突變材料，分子標(biāo)記檢測表明，部分材料淀粉合成關(guān)鍵酶基因發(fā)生了突變_[45]。

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