小麥籽粒淀粉理化特性與品質(zhì)關(guān)系及其生理機(jī)制研究進(jìn)展

宋韻琳，蔡 劍

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部小麥區(qū)域技術(shù)創(chuàng)新中心/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與生產(chǎn)管理重點(diǎn)實驗室，江蘇南京 210095)

小麥?zhǔn)俏覈钪饕募Z食作物之一。淀粉是小麥籽粒含量最高的組分，約占粒重的65%～70%，對小麥的加工品質(zhì)起著關(guān)鍵作用。淀粉主要以不同大小淀粉粒的形式貯存在籽粒胚乳中。淀粉粒主要由直、支鏈淀粉聚合而成，二者的含量和比例與淀粉的粘度、糊化及回生特性等加工品質(zhì)密切相關(guān)[1-3]。直鏈淀粉、支鏈淀粉和脂類等組分的分子結(jié)構(gòu)及其組成方式(淀粉的分子精細(xì)結(jié)構(gòu))也顯著影響淀粉的加工品質(zhì)[2, 4-6]。不同粒徑大小的淀粉粒不僅直、支鏈淀粉含量差異很大，淀粉分子結(jié)構(gòu)也因淀粉粒的發(fā)育差異而有較大的變化，對淀粉的加工品質(zhì)有顯著影響[7-10]。

小麥籽粒淀粉主要在胚乳造粉體中合成，其生物合成過程主要涉及的調(diào)控關(guān)鍵酶有：腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)、淀粉合成酶(starch synthase, SS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme, SBE)、淀粉脫分支酶(starch debranching enzyme, DBE)和淀粉磷酸化酶(starch phosphorylase, SP)。根據(jù)與淀粉粒的結(jié)合程度和功能，可將淀粉合成酶分為淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶(granule-bound starch synthase, GBSS)和可溶性淀粉合成酶(soluble starch synthase, SSS)。目前，各關(guān)鍵酶及其編碼基因在淀粉生物合成過程中的功能已基本明確，但不同酶之間的互作及其編碼基因如何調(diào)控酶活性從而影響小麥籽粒淀粉合成尚不清楚。明確小麥籽粒淀粉組分、淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)和淀粉粒粒度分布等理化特性、時空分布特征形成規(guī)律，掌握其形成過程中相關(guān)酶活性及其編碼基因表達(dá)的生理生化機(jī)制，對探明小麥籽粒淀粉品質(zhì)形成機(jī)理、豐富小麥品質(zhì)調(diào)優(yōu)理論、促進(jìn)優(yōu)質(zhì)專用小麥品種選育和品質(zhì)調(diào)優(yōu)栽培技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

1 小麥籽粒淀粉理化特性與面粉加工品質(zhì)的關(guān)系

1.1 小麥籽粒淀粉組分含量與面粉加工品質(zhì)的關(guān)系

小麥淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，普通小麥籽粒直鏈淀粉含量約占總淀粉含量的20%～30%，支鏈淀粉約占70%～80%。直鏈淀粉分子量小，分子間結(jié)合緊密，絞纏形成螺旋結(jié)構(gòu)，容易形成沉淀[11]，形成的凝膠不透明，強(qiáng)度大。支鏈淀粉分子量大(最大可達(dá)590×106kDa)，分子間不會像直鏈淀粉一樣形成緊密的結(jié)合區(qū)，不容易沉淀，形成的凝膠透明或半透明，強(qiáng)度小[12]。由于結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的顯著差異，使直鏈與支鏈淀粉含量與比例不同的淀粉糊化特性顯著不同，進(jìn)而影響面粉的加工品質(zhì)[13-15]。不同品質(zhì)類型小麥成熟籽粒中，總淀粉、直鏈淀粉、支鏈淀粉含量以弱筋小麥最高，中筋小麥次之，強(qiáng)筋小麥最低[16]。研究發(fā)現(xiàn)，糯小麥籽粒直鏈淀粉含量(全糯小麥籽粒直鏈淀粉含量 ≤2%)顯著低于非糯小麥籽粒直鏈淀粉含量，其淀粉分子間形成松散的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，淀粉能夠快速地吸收水分，在相對較短的時間內(nèi)、較低的溫度下淀粉粒能夠快速膨脹，使其較非糯小麥籽粒淀粉具有較高的膨脹勢和溶解度，進(jìn)而使其加工品質(zhì)與普通小麥截然不同[17-21]。表明直鏈淀粉在調(diào)節(jié)小麥淀粉品質(zhì)中可能起著更為重要的作用。

1.2 小麥籽粒淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)與面粉加工品質(zhì)的關(guān)系

淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)是指直鏈淀粉、支鏈淀粉和脂類等組分的分子結(jié)構(gòu)及各組分之間的互作方式，是小麥品質(zhì)形成的主要物質(zhì)基礎(chǔ)[4]。按數(shù)量級不同可將淀粉結(jié)構(gòu)組織形式由低到高分為雙螺旋結(jié)構(gòu)(～?)、層狀結(jié)構(gòu)(9～10 nm)、超螺旋結(jié)構(gòu)(10～100 nm)、止水塞結(jié)構(gòu)(0.1～1 μm)、輪紋結(jié)構(gòu)(1～10 μm)和顆粒結(jié)構(gòu)(～ 10 μm)(圖1)[22]。研究發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉不同鏈長比例與崩解值密切相關(guān)，長鏈比例增大時淀粉的崩解值下降，短鏈比例增大時崩解值增大[2, 23]，且支鏈淀粉聚合度與淀粉的峰值粘度、低谷粘度和最終粘度也顯著相關(guān)，當(dāng)聚合度為36以上的支鏈淀粉含量增加，其峰值粘度、低谷粘度和最終粘度均顯著提高[8]。而自由態(tài)直鏈淀粉含量(free amylose contents, FAM)和總直鏈淀粉含量(absolute amylose contents, AAM)則與淀粉的膨脹勢、峰值粘度、低谷粘度和最終粘度顯著負(fù)相關(guān)，脂類結(jié)合態(tài)直鏈淀粉含量(lipid-complexed amylose contents, LAM)與這些參數(shù)顯著正相關(guān)[8, 24]。支鏈淀粉分子的分支形式及FAM、LAM和AAM含量與淀粉的結(jié)晶度密切相關(guān)(淀粉結(jié)晶度是表征淀粉顆粒結(jié)晶性質(zhì)的一個重要參數(shù)，能直接影響著淀粉的理化性質(zhì)和加工品質(zhì))，如：支鏈淀粉短鏈和超短鏈有利于淀粉結(jié)晶[8, 25-29]。由此可見，不同鏈長的支鏈淀粉和不同形態(tài)的直鏈淀粉(FAM、LAM、AAM)共同影響淀粉的加工品質(zhì)，明確淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)形成過程對闡釋淀粉品質(zhì)形成機(jī)制具有重要的意義。

1.3 小麥籽粒淀粉粒粒度分布特征與面粉加工品質(zhì)的關(guān)系

根據(jù)小麥淀粉粒大小(0.1～100 μm)和理化特性差異，通常將小麥籽粒淀粉粒分為A、B型淀粉粒(A型≥10 μm，B型<10 μm)[30-33]，少數(shù)學(xué)者將小于5 μm的淀粉粒劃分為C型[34]。A型淀粉粒從花后3 d開始出現(xiàn)直到小麥籽粒成熟，而B型淀粉粒從花后15 d開始出現(xiàn)直到籽粒成熟[35]。與普通小麥相比，糯小麥A型淀粉粒的形狀較扁平，表面沒有普通小麥光滑；B型淀粉粒的形狀比普通小麥更無規(guī)則，且更容易發(fā)生聚集現(xiàn)象[36]。與不施氮相比，正常施氮有利于灌漿早中期淀粉粒的產(chǎn)生和數(shù)目的增加、灌漿中后期小淀粉粒的產(chǎn)生和淀粉粒體積的增加[37]。孕穗期施氮主要增加B型淀粉粒數(shù)目，減少A型淀粉粒數(shù)目，但在小麥胚乳不同部位存在差異[38]。由于不同大小的淀粉粒理化性狀差異很大，大、小淀粉粒組成比例對淀粉粘度、膨脹勢和糊化特性影響顯著，如：大淀粉粒所占的比例越高，峰值粘度越高，相對結(jié)晶度越低[2, 13, 39-42]，淀粉糊化溫度隨淀粉粒平均粒度的增大而變小，而糊化值和膨脹勢隨平均粒度的增大而變大[1, 43]，最終影響淀粉的烘焙品質(zhì)[44-45]。田益華等[46]將不同大小淀粉粒純化并按不同比例進(jìn)行重組，發(fā)現(xiàn)重組的淀粉膨脹勢、粘度、糊化特性均隨A/B型淀粉粒比例變化而發(fā)生顯著改變。此外，淀粉粒大小分布特征顯著影響籽粒硬度，導(dǎo)致小麥籽粒磨粉過程中淀粉粒損傷率不同，進(jìn)而影響淀粉的加工品質(zhì)，且損傷率與B型淀粉粒的分布特征呈顯著負(fù)相關(guān)[47]。大小淀粉粒不同組成比例對淀粉品質(zhì)的影響還可能與其內(nèi)在的直、支鏈淀粉的含量不同有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，B型淀粉粒內(nèi)直鏈淀粉含量顯著低于A型淀粉粒內(nèi)直鏈淀粉含量[1,48-49]。與非糯小麥相比，糯小麥含有較少的A型淀粉粒和較多的B型淀粉粒，小顆粒淀粉的含量與糯性程度呈正相關(guān)，其膨脹勢、糊化溫度、相對結(jié)晶度更高，結(jié)構(gòu)更有序，成熟期更短[50-52]。

1:雙螺旋結(jié)構(gòu)；2:層狀結(jié)構(gòu)；3:超螺旋結(jié)構(gòu)；4:止水塞結(jié)構(gòu)；5:輪紋結(jié)構(gòu)；6:顆粒； 1a:X-纖維衍射圖演示雙螺旋結(jié)構(gòu)；1b:雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；2a:水解淀粉的TEM照片；2b:100個雙螺旋結(jié)構(gòu)形成結(jié)晶層；3a:小角X-和寬角X-衍射照片；3b:超螺旋結(jié)構(gòu)模型；4a:淀粉顆粒的原子力顯微鏡照片；4b:止水塞模型；6a:淀粉顆粒的SEM照片及偏光顯微鏡照片；6b:一系列微焦距X-射線衍射圖譜；6c:顆粒結(jié)晶區(qū)域的徑向。1:Double helix; 2:Lamellae; 3:Super helix; 4:Blocklets; 5:Growing rings; 6:Granule. 1a:X-ray fiber diffraction pattern; 1b:Model of the double helix structure; 2a:Transmission electron microscopy image on hydrolysed starch; 2b:Model of a crystalline lamellae made of about 100 double helix structures; 3a:Small angle X-ray scattering and wide-angle X-ray scattering diffraction images; 3b:The super-helix model; 4a:Image by atomic force microscopy of starch granule; 4b:Blocklet model; 6a:Scanning electron microscopy and the corresponding granule under polarized light; 6b:Set of microfocus X-ray diffraction patterns; 6c:Starch granule section showing the radial orientation of the crystalline domains(lamellae) in a starch granule.

1.4 小麥籽粒不同部位淀粉理化特性差異與面粉加工品質(zhì)的關(guān)系

小麥籽粒不同部位淀粉組分、淀粉粒粒度分布特征存在顯著的空間分布差異。Ando等[53]將成熟期小麥籽粒由外向內(nèi)分成8層，研究了小麥籽粒不同部位化學(xué)組分的分布，發(fā)現(xiàn)籽粒由外向內(nèi)，各部分的灰分、脂肪、蛋白質(zhì)、膳食纖維、鉀、鈉、鎂、鈣和錳含量逐漸減少，而糖類正好相反。這表明小麥籽粒由外至內(nèi)，不同部位化學(xué)組分存在顯著差異。Liu和Ng[54]研究發(fā)現(xiàn)，麩皮淀粉較胚乳淀粉有較高的直鏈淀粉、支鏈淀粉短鏈、B型淀粉粒和結(jié)晶度。Zhou等[55]將成熟期小麥籽粒由外向內(nèi)分成9層，發(fā)現(xiàn)籽粒由外向內(nèi)，總淀粉含量、直鏈淀粉含量和支鏈淀粉含量、主要糊化參數(shù)基本呈先上升后穩(wěn)定的趨勢，而直/支比、糊化溫度呈先下降后穩(wěn)定的趨勢；籽粒最外層淀粉含量、主要糊化參數(shù)、降落值和膨脹勢最低；籽粒最內(nèi)層SDS-沉淀值、糊化溫度、B和C型淀粉粒粒徑最低。小麥籽粒果皮淀粉粒在淀粉體和葉綠體中積累，花后 5 d達(dá)到積累高峰，在花后5～22 d逐漸降解，降解速率背部大于腹部；而胚乳淀粉粒從花后5 d開始快速積累，直至花后22 d；相比于胚乳淀粉粒，果皮淀粉粒直鏈淀粉含量更低，糊化溫度、熱力學(xué)特性和結(jié)晶度更高，結(jié)構(gòu)更有序[56-57]。由此可見，小麥籽粒灌漿過程中，不同部位淀粉理化特性存在差異，但其形成規(guī)律尚不清楚。因此，若能明確小麥籽粒不同部位淀粉理化特性空間分布特征變異規(guī)律，將有利于闡明淀粉在籽粒發(fā)育過程中的形成機(jī)制，并準(zhǔn)確找到小麥籽粒淀粉品質(zhì)形成的調(diào)控點(diǎn)。

2 小麥籽粒淀粉合成的生理機(jī)制

2.1 小麥籽粒淀粉生物合成過程

淀粉合成的最初原料來自葉片合成或淀粉降解產(chǎn)生的蔗糖，它通過韌皮部長距離運(yùn)輸至胚乳細(xì)胞。在液泡中由蔗糖合成酶作用分解為果糖和尿苷二磷酸葡萄糖(uridine diphosphate glucose, UDPG)。果糖在果糖激酶的作用下形成6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate, G-6-P)，也可在葡萄糖磷酸變位酶的催化下形成1-磷酸葡萄糖(glucose-1-phosphate, G-1-P)，而UDPG也可以形成G-1-P。G-1-P進(jìn)入造粉體后變成腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)的底物，并在該酶的作用下變成腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)。之后，ADPG在淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBE)、淀粉脫分支酶(DBE)、淀粉磷酸化酶(SP)等多種酶的作用下合成淀粉[58-60](圖2)。其中，GBSS主要負(fù)責(zé)直鏈淀粉的合成，SSS、SBE、DBE、SP等催化合成支鏈淀粉。研究發(fā)現(xiàn)，大麥中葡聚糖水雙激酶(glucan water dikinase, GWD)修飾淀粉分支，促進(jìn)淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)形成[61]。使用大麥條紋花葉病毒-病毒誘導(dǎo)基因沉默(barley stripe mosaic virus-virus induced gene-silencing , BSMV-VIGS)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)一種小麥淀粉調(diào)節(jié)器TaRSR1通過臨時調(diào)節(jié)淀粉合成相關(guān)酶編碼基因表達(dá)而調(diào)控小麥籽粒淀粉生物合成[62]。目前，參與淀粉合成的關(guān)鍵酶及其部分編碼基因的功能已經(jīng)明確。然而，更多酶之間的互作和修飾方式以及調(diào)控機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

2.2 淀粉合成底物供應(yīng)與運(yùn)輸途徑

花后葉和穗等器官中的即時光合產(chǎn)物和莖鞘等營養(yǎng)器官中在花前和籽粒灌漿起始階段貯存的非結(jié)構(gòu)性碳水化合物的再動員是小麥籽粒淀粉合成的物質(zhì)基礎(chǔ)。小麥穗培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)基中加入不同濃度的蔗糖或調(diào)整培養(yǎng)基中蔗糖/谷氨酰胺(碳/氮)比，可顯著調(diào)控籽粒淀粉含量與直鏈淀粉含量比例[63]。在小麥非生物逆境下，小麥植株可溶性總糖、蔗糖、果聚糖含量、積累與轉(zhuǎn)運(yùn)均發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致籽粒淀粉合成與品質(zhì)顯著改變[64-66]。研究發(fā)現(xiàn)，14C碳水化合物跨胚乳運(yùn)輸受時間和運(yùn)輸分布途徑的影響[67]。在小麥穎果的果皮中有3條維管束，穎果兩側(cè)通向花柱的2條小維管束在開花后退化，不輸送灌漿物質(zhì)，向穎果輸送養(yǎng)分的是在腹溝處的1條大維管束，即主維管束[68]。王 忠等[38, 69]研究了小麥籽粒淀粉合成底物來源，認(rèn)為灌漿物質(zhì)主要是通過主維管束進(jìn)入小麥籽粒，然后通過篩管、珠心突起再運(yùn)至腹部空腔(或稱“池”)，并推測養(yǎng)分有兩條途徑進(jìn)入胚乳細(xì)胞，一是由“池”通過糊粉層傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞直接進(jìn)入靠近腹部的內(nèi)胚乳細(xì)胞，然后由內(nèi)胚乳細(xì)胞向四周擴(kuò)散；二是通過種皮質(zhì)外體運(yùn)至胚乳的外周，經(jīng)糊粉層轉(zhuǎn)運(yùn)至內(nèi)胚乳細(xì)胞(圖3)，而種皮、果皮、胚與胚乳間的退化層、珠心突起以及“池”中均含有淀粉酶，導(dǎo)致這些部位不易積累淀粉。果皮薄壁組織細(xì)胞中包含單粒淀粉粒和混合淀粉粒，薄壁組織細(xì)胞退化過程中，混合淀粉粒變成單粒淀粉粒，單粒淀粉粒破裂[70]。灌漿物質(zhì)進(jìn)入胚乳的途徑和方式的差異有可能導(dǎo)致淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)及其最終形成的淀粉粒在籽粒中的空間分布特征存在差異，但其內(nèi)在機(jī)制尚不清楚。

方框中是酶，圈中是膜轉(zhuǎn)運(yùn)體，圖例如下。INV：蔗糖轉(zhuǎn)化酶；SuSy：蔗糖合成酶；PGI：磷酸葡萄糖異構(gòu)酶；PGM：磷酸葡萄糖變位酶；UGPase：尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；SPS：蔗糖磷酸合成酶；AGPase-S:S型腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；AGPase-L：L型腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；ADPGT：腺苷二磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Brittle-1 or Bt1);AATP:腺苷三磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；GTP：6-磷酸葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；SS：淀粉合成酶；GBSSI：淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶I；SBE：淀粉分支酶；Pul：極限糊精酶；ISA：異淀粉酶；PHO：淀粉磷酸化酶。Enzymes are highlighted in boxes, and membrane transporters are circles. INV:Invertase; SuSy:Sucrose synthase; PGI:Phosphoglucoisomerase; PGM:Phosphoglucomutase; UGPase:UDP-glucose pyrophosphorylase; SPS:Sucrose phosphate synthase;AGPase-S:Small subunit of ADPglucose pyrophosphorylase; AGPase-L:Large subunit of AGPase; ADPGT:ADPglucose transporter(Brittle-1 or Bt1); AATP:Plastidic ATP transporter; GTP:Glucose-6-Phosphate transporter; SS:Starch synthase; GBSSI:Granule bound starch synthase; SBE:Starch branching enzyme; Pul:Pullulanase; ISA:Isoamylase; PHO:Starch phosphorylase.

EC:胚乳腔; AL:糊粉層; CH:合點(diǎn); CE:中央胚乳; MA:糊粉層傳遞細(xì)胞; NP:株心突起;VB:維管束。紅、黃、藍(lán)箭頭分別表示蔗糖經(jīng)質(zhì)外體空間流向胚乳腔、經(jīng)糊粉層傳遞細(xì)胞流向胚乳貯藏細(xì)胞、經(jīng)糊粉層流向中央胚乳。EC:Endosperm cavity; AL:Aleurone; CH:Chalaza; CE:Central endosperm; MA:Modified aleurone; NP:Nucellar projection; VB:Vascular bundle. Red, yellow and blue arrows show the flow of sucrose into the endosperm cavity via apoplast, starchy endosperm via modified aleurone, and central endosperm via aleurone, respectively.

2.3 淀粉粒分布的時空異質(zhì)性

小麥淀粉主要以淀粉粒的形式在淀粉體中發(fā)育。淀粉體被膜為雙層膜，其外層被膜是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)恼系K，內(nèi)層被膜是代謝活動的障礙[71]。淀粉體內(nèi)、外膜活動決定其不同的增殖方式(出芽、縊縮、形成中間隔板、向內(nèi)出泡和內(nèi)陷、形成雙層膜小泡再積累淀粉形成新淀粉體)，不同的增殖方式均導(dǎo)致被膜擴(kuò)大，進(jìn)而加速淀粉的積累[72]。一個淀粉體只含一個大淀粉粒，可含多個小淀粉粒，小麥胚乳大淀粉粒為單粒淀粉粒，小淀粉粒為復(fù)粒淀粉粒[73]。大淀粉粒從形成至數(shù)目趨于穩(wěn)定主要在胚乳發(fā)育前中期進(jìn)行，體積在胚乳中期變化較明顯；小淀粉粒在胚乳發(fā)育的整個過程中表現(xiàn)出較大的差異，其增殖主要發(fā)生在胚乳發(fā)育中后期[74-75]。同一穎果不同部位淀粉體的大小和分布不同。小麥穎果胚乳中部淀粉體發(fā)育最早，但排列疏松、充實度較差，腹部次之，背部發(fā)育最慢，但腹部和背部胚乳淀粉體排列緊密、充實較好[76]。穎果不同部位胚乳細(xì)胞與淀粉體發(fā)育差異主要由不同部位胚乳細(xì)胞營養(yǎng)物質(zhì)積累不均衡所致[77]。小麥胚乳淀粉粒粒徑在穎果發(fā)育前期增加速率較快，在發(fā)育后期增加較慢。品種間大淀粉粒粒徑表現(xiàn)為弱筋>中筋>強(qiáng)筋小麥，小淀粉粒粒徑表現(xiàn)為弱筋>強(qiáng)筋>中筋小麥；大淀粉粒數(shù)目表現(xiàn)為強(qiáng)筋>中筋>弱筋小麥，小淀粉粒數(shù)目表現(xiàn)為弱筋>中筋>強(qiáng)筋小麥，淀粉?？倲?shù)目表現(xiàn)為弱筋>中筋>強(qiáng)筋小麥[78-79]。強(qiáng)勢粒小淀粉粒含量高是其淀粉水解率高的直接原因之一[80]。干旱脅迫導(dǎo)致小麥籽粒胚乳細(xì)胞花后12 d 大淀粉粒大小增加，花后18 d小淀粉粒數(shù)目增加[81]。孕穗期施氮增加胚乳細(xì)胞充實率，但不同品種胚乳不同部位響應(yīng)程度存在差異，可能是因為不同基因型小麥碳、氮代謝過程中相關(guān)酶活性大小不一及對氮素響應(yīng)存在差異[82]。

2.4 淀粉合成關(guān)鍵酶活性及其編碼基因表達(dá)

腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶(GBSS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(SBE)、淀粉脫分支酶(DBE)和淀粉磷酸化酶(SP)等是淀粉生物合成的關(guān)鍵酶。水分脅迫抑制淀粉合成關(guān)鍵酶活性在春小麥灌漿中后期的表達(dá)[83]，CO2濃度升高有利于淀粉合成關(guān)鍵酶活性表達(dá)和淀粉合成，改變水稻籽粒淀粉和蛋白質(zhì)含量[84]。將淀粉粒由外向內(nèi)分成9層，發(fā)現(xiàn)小麥、玉米和水稻中淀粉合成酶活性在第二層表達(dá)水平最高，第一層最低，淀粉合成酶活性時高時低，可以看出淀粉生物合成并不均勻，也不完全在淀粉粒表面發(fā)生[85]。GBSS、SSI、SSIIa、SBEIIb和SP在顆粒結(jié)合狀態(tài)下被磷酸化；A-和B-型淀粉粒都含有SSI、SSII、SBEIIa和SBEIIb復(fù)合體，而A-型淀粉粒只含有SBEI、SBEII和SP復(fù)合體，表明A-和B-型淀粉粒的形成與不同的蛋白質(zhì)復(fù)合體有關(guān)[86]。

每一行顏色編碼顯示淀粉合成相關(guān)基因在轉(zhuǎn)錄水平上的表達(dá)變化。線圖顯示淀粉顆粒結(jié)合蛋白在蛋白質(zhì)水平上的表達(dá)變化。小寫字母p表示磷蛋白。SSI/SSIIa和SBEII經(jīng)磷酸化后形成復(fù)合體，合成并修飾支鏈淀粉支鏈。如，在SSI/SSIIa 和SBEII合成A/B1鏈后，SBEII剪切冗余的A/B1鏈并轉(zhuǎn)移它們形成下一條B1鏈。The color coding of each row displays the changes in the expression of starch synthesis-related genes at the transcriptional level. The line graphs show the changes in the expression of starch granule-binding proteins at the protein level. Phosphoproteins are indicated by lowercase letter p. Complexes consisting of SSI/SSIIa and SBEII were formed after phosphorylation, and these complexes synthesized and modified the chains. For example, following synthesis of excessively lengthy A/B1-chains by SSI/SSIIa, SBEII cuts and transfers them to form the next B1-chain.

2.4.1 腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)

作為淀粉生物合成的限速酶，AGPase需要低溫才能激活，酶活性在花后21 d最高，是籽粒生長速率的決定性因素[87-88]。其由大亞基AGP-L和小亞基AGP-S組成，三個AGP-L同源基因( AGP-L-A1、AGP-L-B1、AGP-L-D1>)由15個內(nèi)含子和15個外顯子組成[89]，AGP-L在花后15 d表達(dá)水平最高[90]。在大多數(shù)植物中，AGPase催化合成ADP-Glc的反應(yīng)完全發(fā)生在質(zhì)體中。然而，在某些禾本科植物如小麥胚乳中，ADP-Glc主要在細(xì)胞質(zhì)中合成，編碼其質(zhì)體AGPase小亞基的基因尚未發(fā)現(xiàn)[91]。AGPase亞基與穗粒數(shù)和千粒重極顯著相關(guān)，高溫干旱條件下，AGPase亞基表達(dá)水平下調(diào)[92]。小麥籽粒AGPase活性和淀粉合成酶活性升高，則淀粉含量升高[93]。AGPase活性在籽粒和葉片中協(xié)同表達(dá)有利于加速碳代謝，增加植物生物量和粒數(shù)[94]。增加施氮量可顯著提高AGPase活性，導(dǎo)致淀粉含量、籽粒產(chǎn)量升高，改善面包加工品質(zhì)[95]。

2.4.2 淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶(granule-bound starch synthase, GBSS)

小麥胚乳中直鏈淀粉含量與Wx基因(編碼GBSSI的基因)相對含量高度正相關(guān)，Wx亞基缺失類型品種具有較低的直鏈淀粉含量[14, 17, 20, 96]。Wx蛋白包含3個亞基，分別由位于染色體臂7AS、4AL和7DS的Wx-A1a(簡寫為A)、Wx-B1a(簡寫為B)和Wx-D1a(簡寫為D)基因編碼。Wx蛋白三個亞基的不同缺失對直鏈淀粉含量的影響不同；當(dāng)缺乏一個亞基時，以缺乏Wx-B1直鏈淀粉含量下降程度最大，其次是Wx-D1亞基和Wx-A1亞基[97-99]，而Wx-B1過表達(dá)不改變直鏈淀粉含量[100]。小麥Wx基因缺失對淀粉合成相關(guān)酶活性(AGPase、SSS、GBSS、SBE)影響較大，分別是Wx-D1 >Wx-A1 >Wx-B1，Wx全缺失型淀粉合成酶活性在花后各時期最低[101]。采用CRISPR-Cas9技術(shù)能夠完全敲除GBSS編碼基因，而GBSS酶活性較高的品種直鏈淀粉含量較高[102]。GBSSI不僅可以合成直鏈淀粉，還能夠延長支鏈淀粉分支鏈，這些延長的鏈又從支鏈淀粉上裂解產(chǎn)生新的直鏈淀粉[103-104]。Ahuja等[105]對小麥花后3～30 d籽粒淀粉進(jìn)行了分離純化，發(fā)現(xiàn)籽粒灌漿過程中，Wx基因表達(dá)模式同時影響直鏈淀粉的形成和不同聚合度支鏈淀粉的形成，且Wx-A、Wx-B、Wx-D的表達(dá)對各個灌漿階段不同聚合度支鏈淀粉的形成起著不同的調(diào)控作用。這表明Wx基因的表達(dá)模式對小麥淀粉組分和分子精細(xì)結(jié)構(gòu)形成起著特殊的作用，但其內(nèi)在的生理機(jī)制尚需進(jìn)一步深入探究。

2.4.3 可溶性淀粉合成酶(soluble starch synthase, SSS)

負(fù)責(zé)支鏈淀粉合成的SSS由SSI、SSII、SSIII和SSⅣ組成。編碼淀粉合成酶基因的表達(dá)水平在水稻灌漿期具有很強(qiáng)的時序性，編碼淀粉合成酶亞型基因在水稻灌漿各時期的表達(dá)水平差異較大，SSII-2、SSIII-1主要集中在灌漿早期至中期表達(dá)，SSII-3、SSIII-2主要集中在灌漿中后期表達(dá)，SSI、SSII-1、SSⅣ-1和SSⅣ-2在整個灌漿期均有所表達(dá)[106]。冬小麥中，直、支鏈淀粉積累速率與SSS活性呈極顯著正相關(guān)[107]。Mcmaugh等[108]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SSI表達(dá)水平較低時，小麥籽粒直鏈淀粉含量顯著增加，支鏈淀粉不同鏈長比例發(fā)生變化，B-型淀粉粒顯著減少。SSⅡa缺失改變淀粉向果聚糖途徑的碳通量，直鏈淀粉含量增加，面團(tuán)性能提高[109-110]。SSⅡc在葉、根和胚乳中表達(dá)[111]，SSⅣb優(yōu)先在葉中表達(dá)，不受晝夜周期調(diào)節(jié)[112]。SSS是一種熱不穩(wěn)定酶，玉米在45 ℃下進(jìn)行簡單繁殖后，SSIII活性下降大約50%，表明高溫抑制淀粉的積累[113]。SSS與GBSS可顯著調(diào)節(jié)小麥淀粉粒的發(fā)育及其粒度分布特征[114-115]。

2.4.4 淀粉分支酶(starch branching enzyme, SBE)

小麥籽粒中有三種淀粉分支酶，分別是SBEI、SBEII(SBEIIa、SBEIIb、SBEIIc)和SBEⅢ。SBEI在胚乳發(fā)育中期高度表達(dá)[116]，SBEIa改變直支鏈淀粉的分支模式[117]。SBEII在調(diào)控支鏈淀粉合成中起重要作用，SBEIIa和SBEIIb表達(dá)減少導(dǎo)致直鏈淀粉含量增加[118]，SBEII過表達(dá)則增加支鏈淀粉短鏈，降低糊化溫度、粘度，提高膨脹勢[119]。擬南芥BE2.2表達(dá)的最適pH為7，最適溫度為25℃，其需要至少12個葡萄糖殘基供體，并能改變葡聚糖α(1 → 6)鍵的位置[120]。Tetlow等[121]認(rèn)為，SS與SBE在支鏈淀粉的生物合成過程中同時起作用，在植物授粉后約10～15 d可以形成分子量約260 kD的 SS-SBEII復(fù)合體，在此之前，只能檢測到SSI、SSII和SBEII的單體形式[122]。突變或抑制SBE編碼基因可以增加谷物直鏈淀粉含量，通過抑制SBEI和SBEIIb表達(dá)，糯稻和低直鏈淀粉含量水稻的A型晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃A型，而高直鏈淀粉含量水稻的A型晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃型。抑制SBE的三種同工酶或者讓馬鈴薯葡聚糖水雙激酶(GWD)過表達(dá)導(dǎo)致淀粉磷酸酯和直鏈淀粉含量顯著增加，成熟期淀粉粒形態(tài)差異明顯，而GWD過表達(dá)對增加淀粉磷酸酯含量作用微小[123]。

2.4.5 淀粉脫分支酶(starch debranching enzyme, DBE)

DBE 包括異淀粉酶(isoamylase)和極限糊精酶(R酶，pullulanase)。DBE與α-淀粉酶同屬于淀粉水解酶家族，特異性地水解淀粉中的α-1,6-糖苷鍵，在淀粉合成過程中直接影響支鏈淀粉的生物合成[115, 124-126]。水稻胚乳中DBE可以調(diào)控高度分支的α-葡聚糖的生物合成，并產(chǎn)生支鏈淀粉和植物糖原[127]。通過RNAi敲除ISA1后發(fā)現(xiàn)，小麥籽粒總淀粉含量減少，植物糖原和β-葡聚糖增加，支鏈淀粉鏈長分布也有一定的變化，表明ISA1是合成支鏈淀粉并決定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要因素[128]。有關(guān)DBE編碼基因的更多功能尚待深入研究。

2.4.6 淀粉磷酸化酶(starch phosphorylase, SP)

SP催化可逆反應(yīng)，既能在質(zhì)體中將1-磷酸葡萄糖(G1P)上的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移至α-1,4-葡聚糖鏈的非還原端合成淀粉，又能在細(xì)胞質(zhì)中將淀粉降解為G1P。三種SBE形式(SBEI、SBEIIa和SBEIIb)在淀粉體中受到磷酸化作用，兩種SBE形式(SBEI和SBEIIa)在葉綠體中受到磷酸化作用，而SBEIIb和淀粉磷酸化酶通過磷酸化作用與SBEI共同免疫沉淀，表明這些酶可在淀粉體內(nèi)形成蛋白質(zhì)復(fù)合體[129]。在普通小麥的淀粉合成酶催化結(jié)構(gòu)域中，GBSSI在蘇氨酸183和酪氨酸185的磷酸化位點(diǎn)被磷酸化，表明GBSSI磷酸化可以改善直鏈淀粉的生物合成[130]。面包小麥磷酸化蛋白總數(shù)和磷酸化水平顯著高于糯小麥，但是控制支鏈淀粉合成的蛋白具有相同的磷酸化水平，而直鏈淀粉的缺失并不影響參與支鏈淀粉合成的淀粉粒結(jié)合蛋白的表達(dá)和磷酸化[131]。

除GBSS外，其他幾種淀粉合成酶基因均與相應(yīng)酶活性呈顯著或極顯著正相關(guān)，而且GBSS 酶活性到達(dá)峰值時間稍遲于DBE、SSS、SBE等酶，說明DBE、SSS、SBE基因可能主要通過轉(zhuǎn)錄水平來控制籽粒淀粉的合成，而 GBSS 基因可能主要通過轉(zhuǎn)錄后水平來控制籽粒淀粉的合成[132]。由此可見，淀粉合成相關(guān)酶活性由其相關(guān)編碼基因表達(dá)水平?jīng)Q定，且由此調(diào)控小麥淀粉組分和淀粉粒粒度分布特征的形成。但是這些編碼基因在小麥籽粒不同部位的協(xié)同作用和淀粉合成精確機(jī)制研究甚少。

3 展 望

淀粉作為小麥籽粒主體組分，其加工品質(zhì)主要取決于直、支鏈淀粉含量及其比值、分子精細(xì)結(jié)構(gòu)和淀粉粒粒度分布特征等理化特性，其中，直鏈淀粉含量對淀粉品質(zhì)的調(diào)控可能更為直接和顯著。同時，這些淀粉理化特性的形成具有很強(qiáng)的時空異質(zhì)性，且受淀粉合成相關(guān)酶活性及其基因表達(dá)模式調(diào)控，其中Wx基因表達(dá)調(diào)控尤為特殊，不但能直接調(diào)控直鏈淀粉的合成，還能調(diào)控支鏈淀粉的形成。由此說明，淀粉合成關(guān)鍵酶及其編碼基因表達(dá)水平顯著影響小麥的生長發(fā)育和產(chǎn)量。

但是，也存在一些新的問題有待研究：(1)更多淀粉合成關(guān)鍵酶及酶復(fù)合體的確切功能尚待挖掘，如，參與直鏈淀粉合成的淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶編碼基因GBSS1如何影響支鏈淀粉合成關(guān)鍵酶(可溶性淀粉合成酶SSS、淀粉分支酶SBE、淀粉脫分支酶DBE)和酶復(fù)合體的活性及編碼基因表達(dá)，淀粉合成過程中是否存在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)這些基因表達(dá)；(2)淀粉理化特性空間分布特征差異形成的生理機(jī)制和分子生物學(xué)機(jī)制，即淀粉合成關(guān)鍵酶及其編碼基因如何調(diào)控淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)形成；(3)采用原位雜交等技術(shù)探討淀粉合成關(guān)鍵酶編碼基因的空間定位、空間表達(dá)差異對淀粉生物合成的調(diào)控效應(yīng)；(4)小麥籽粒不同部位淀粉品質(zhì)性狀差異及其生理機(jī)制，胚乳、胚、果皮的碳氮代謝通路尚不清晰；(5)蛋白質(zhì)、脂類在淀粉生物合成過程中的作用；(6)研究不同類型小麥品種的淀粉品質(zhì)性狀差異形成的生理機(jī)制，進(jìn)而選育基因改良優(yōu)質(zhì)品種；(7)氮肥運(yùn)籌(不同時期施氮、不同施氮量等)對淀粉品質(zhì)性狀的調(diào)控效應(yīng)及其生理機(jī)制；(8)從分子水平上解釋環(huán)境因素、信號傳導(dǎo)、晝夜節(jié)律、栽培管理方式對淀粉品質(zhì)形成的影響。

因此，采用基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等生物信息學(xué)技術(shù)研究并明確小麥籽粒淀粉直、支鏈淀粉含量、淀粉分子精細(xì)結(jié)構(gòu)和淀粉粒粒度分布等理化特性時空分布規(guī)律及其關(guān)鍵酶活性和基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，對闡釋籽粒不同部位面粉加工品質(zhì)差異形成的生理機(jī)制和尋求籽粒品質(zhì)形成的調(diào)控點(diǎn)具有重要理論意義。