葉噴γ-氨基丁酸對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

楊　娜　伍　宏　甘立軍　朱昌華

(南京農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，南京　210095)

小麥是一種重要的糧食作物，為人體提供所需的一半蛋白質(zhì)和能量，世界上1/3以上人口以其為主食[1]。小麥籽粒是碳水化合物、蛋白質(zhì)、氨基酸和礦質(zhì)元素的重要來源，它們決定著小麥的營養(yǎng)價值和品質(zhì)特征，而總蛋白質(zhì)及其組成又決定了小麥的加工品質(zhì)[2-3]。隨著社會的發(fā)展，世界人口的增加、耕地種植面積減少，世界小麥產(chǎn)需矛盾加劇，加之人們生活水平的提高，如何提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)已成為人們關注的重點。

植物生長調(diào)節(jié)劑在小麥生產(chǎn)上已得到廣泛的應用。王立秋等[4]發(fā)現(xiàn)，在春小麥分蘗期葉面噴施PP333，能提高小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量，并可提高沉降值和干、濕面筋含量。Shekoofa等[5]研究發(fā)現(xiàn)，在不同的施氮水平下，乙烯利和矮壯素處理能降低小麥株高，改變光合作用產(chǎn)物向籽粒中的轉(zhuǎn)移，增加籽粒產(chǎn)量。Xie等[6]研究發(fā)現(xiàn)，在小麥離體實驗中，脫落酸(ABA)處理減少了籽粒重量，增加了蛋白質(zhì)的含量，ABA處理可能降低了小麥旗葉的葉片凈光合速率和葉綠素含量，促進了N的代謝和氨基酸向籽粒中轉(zhuǎn)移。

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是一種4碳非蛋白質(zhì)氨基酸，它于半個世紀前首次發(fā)現(xiàn)于馬鈴薯的塊莖中[7]。在植物體中，GABA的代謝主要通過GABA支路來完成，其中谷氨酸脫羧酶(enzyme glutamate decarboxylase，GAD)、GABA轉(zhuǎn)氨酶(GABA transaminase，GABA-T)和琥珀酸半醛脫氫酶(succinic semialdehyde dehydrogenase，SSADH)是參與此途徑的關鍵酶。GABA支路參與植物的許多生理反應，包括調(diào)節(jié)細胞質(zhì)的pH、回補三羧酸循環(huán)(TCA)、參與氮的代謝、參與氧化脅迫的防御以及作為信號分子的作用等[8]。有研究顯示，GABA可能有植物激素的作用，影響細胞的伸長和分裂，促進水稻幼苗的生長[9]。Kathirsan等[10]也研究報道，低濃度的GABA(不超過500 μmol/L)能促進長須銀柴胡莖的伸長，高濃度的GABA能誘導ACC合酶的積累和乙烯的產(chǎn)生，抑制莖的伸長。Hoqu[11]發(fā)現(xiàn)GABA能提高小麥產(chǎn)量。然而，關于GABA對小麥品質(zhì)的影響研究較少，本研究通過小麥葉面噴施GABA，探究其對小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，為改善小麥品質(zhì)提供借鑒。

1　材料與方法

1.1　材料與試劑

供試品種為中筋小麥“濟麥22”，于2013年10月20日播種，2014年6月7日收獲。實驗于2013—2014年度在淮安市高教園示范區(qū)內(nèi)進行，實驗土壤有機質(zhì)含量為20 g/kg、速效磷30.2 mg/kg、速效鉀160.5 mg/kg、速效氮160.5 mg/kg。

GABA：Sigma公司；其他試劑為國產(chǎn)分析純：國藥集團化學試劑有限公司。

1.2　儀器與設備

Perten DA 7200近紅外光譜儀：瑞典Perten公司；UV-5200分光光度計：上海元析儀器有限公司；Perkins Elmer Optima 2100DV電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀：美國PerkinElmer公司；Bühler MLU 202磨粉機：瑞士Bühler公司；FN-1800降落數(shù)值儀：瑞典Falling Number公司；National Mixograph揉混儀：美國National公司。

1.3　方法

實驗采用隨機組設計，設3個GABA濃度處理，1個對照處理，每個處理3個重復，共計12小區(qū)。GABA處理質(zhì)量濃度分別為：100、200、300 mg/L，對照為噴施清水。每小區(qū)面積為15 m2(5 m×3 m)，每小區(qū)之間留有30 cm的保護行，播種行間距為18 cm，基本苗為230萬株/hm2，每小區(qū)噴藥量為1.5 L，噴施以小麥葉片濕潤不滴水為標準，于小麥生長拔節(jié)期、揚花期和花后10 d，3個時期噴藥。小麥成熟后，每小區(qū)取2個點，每個點2 m2，計算產(chǎn)量；每小區(qū)選15株，計算穗粒數(shù)；收獲后的籽粒，每小區(qū)隨機取1 000粒稱重，5個重復，計算千粒重。

籽粒蛋白質(zhì)含量采用近紅外光譜儀測定[12]。

蛋白質(zhì)組分采用連續(xù)抽提法提取[13]，提取的蛋白質(zhì)用考馬斯亮藍法測定。反應液包含100 mg/L G-250、4.5%(V/V)乙醇和8.5%(m/V)磷酸，每0.1 mL蛋白質(zhì)提取液，加入5 mL反應液，混勻，3 min后，于595 nm處測吸光值，以牛血清蛋白做標準曲線，計算各蛋白質(zhì)含量。

籽?？偟矸酆坎捎盟崴夥╗14]。

直鏈淀粉含量采用比色法測定[15]，支鏈淀粉含量為總淀粉含量減去直鏈淀粉含量。

籽粒礦質(zhì)元素含量采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法測定[16]。

小麥粉揉混能力測定：100 g小麥籽粒樣品加水潤濕16 h，使小麥含水量達到14%，用磨粉機進行磨粉，出粉率=小麥粉質(zhì)量/g/小麥籽粒重量/g；降落數(shù)值用FN-1800型降落數(shù)值儀測定；揉混圖譜分析用National Mixograph揉混儀測定，用10 g小麥粉樣品分析。

1.4　數(shù)據(jù)處理

所用數(shù)據(jù)均采用GraphPad Prism 5和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)間的比較采用Duncan’s新復極差法進行多組樣本間差異顯著性分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　GABA處理對小麥旗葉生長、穗粒長度及數(shù)目、千粒重和產(chǎn)量的影響

如圖1所示，GABA處理促進了小麥旗葉的生長。外源100、200、300 mg/L GABA處理，旗葉的長度分別是對照的1.06、1.13、1.11倍，旗葉的面積分別是對照的1.09、1.18、1.15倍。外源GABA處理對旗葉寬和穗長沒有明顯影響。GABA處理對旗葉生長的促進作用有利于小麥光合效率的增加。

注：圖中不同的字母表示差異達到顯著性(P<0.05)，下同。圖1　GABA處理對小麥旗葉葉長、葉寬、葉面積和穗長的影響

由圖2可知，GABA處理增加了小麥穗粒數(shù)，100、200、300 mg/L GABA處理分別比對照增加了7.2%、5.2%、4.9%。100 mg/L GABA處理顯著增加了小麥籽粒產(chǎn)量，比對照增加了4.4%，200、300 mg/L GABA處理與對照相比沒有明顯影響。此外，GABA對千粒重沒有明顯影響。由此可知，GABA主要通過提高小麥穗粒數(shù)來提高小麥的產(chǎn)量。

圖2　GABA處理對小麥穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量的影響

2.2　GABA處理對小麥籽粒蛋白質(zhì)及組分含量的影響

小麥籽粒中蛋白質(zhì)主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白組成，對小麥營養(yǎng)和加工品質(zhì)起到重要的作用。

由表1可知，GABA處理增加了小麥中清蛋白和谷蛋白的含量，100、200、300 mg/L GABA處理，清蛋白含量分別比對照顯著增加了9.4%、8.2%、5.0%，谷蛋白含量比對照也顯著增加了13.4%、12.9%、11.0%，處理組之間沒有顯著差異。此外，GABA處理降低了醇溶蛋白含量，與對照相比，100、200、300 mg/L GABA處理分別降低了10.9%、17.8%、18.8%。GABA處理對球蛋白的含量沒有明顯影響。雖然GABA處理后小麥籽粒中總蛋白質(zhì)含量有輕微增加，但同對照相比沒有顯著差異。因此，GABA處理能在一定程度上改善小麥的蛋白質(zhì)營養(yǎng)和加工品質(zhì)。

表1　GABA處理對小麥成熟期籽粒蛋白質(zhì)及組分含量的影響

2.3　GABA處理對小麥籽粒直鏈、支鏈和總淀粉含量的影響

淀粉是小麥籽粒中多糖的主要存儲形式，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成，其含量影響小麥的營養(yǎng)和加工品質(zhì)。由表2可知，同對照相比，GABA處理增加了小麥籽粒中總淀粉和支鏈淀粉含量，對支鏈淀粉含量來說，100、200、300 mg/L GABA處理分別增加了6.3%、5.1%、4.6%，并且顯著差異，100 mg/L GABA處理將總淀粉含量增加了4.0%。與此相反，GABA處理降低了直鏈淀粉含量，與對照相比，200、300 mg/L GABA處理分別降低了7.5%、10.3%。此外，隨著GABA處理濃度的升高，直鏈/支鏈值也隨之降低。

表2　GABA處理對小麥成熟期籽粒淀粉質(zhì)量分數(shù)的影響

2.4　GABA處理對小麥籽粒礦物質(zhì)元素含量的影響

由表3可知，GABA處理能夠顯著影響籽粒礦質(zhì)元素的含量；200 mg/L GABA處理增加了小麥籽粒中K元素的含量，同對照相比，增加了2.3%。隨著GABA處理濃度的升高，籽粒中Ca、P、Mg元素的含量也逐漸增加，300 mg/L GABA處理分別比對照增加了12.0%、7.0%、4.1%。GABA處理也增加了小麥微量元素Fe、Mn和Zn的含量。100、200、300 mg/L GABA處理，F(xiàn)e元素含量分別比對照顯著增加了17.4%、23.1%、22.7%，處理組之間差異不顯著。200、300 mg/L GABA處理，Mn元素的含量分別增加了20.9%、17.4%，Zn元素的含量增加了22.8%、32.6%。

表3　GABA處理對小麥成熟期籽粒礦質(zhì)元素含量的影響/mg/kg

2.5　GABA處理對小麥出粉率、降落值及流變學特性的影響

由表4可知，GABA處理對小麥出粉率和降落數(shù)值沒有明顯影響。GABA處理對面團的流變學特性不同指標的影響有所不同，GABA處理增加了面團揉混的峰值時間，并且300 mg/L GABA處理比對照增加了14.4%，差異顯著，而峰值寬度有所降低，300 mg/L GABA處理比對照顯著降低了13.0%，峰值高度沒有明顯變化。

表4　GABA對出粉率、降落值和流變學特性的影響

3　討論

GABA作為一種植物調(diào)節(jié)劑，能調(diào)控不同種植物的生長發(fā)育。葉面噴施GABA能增加苦瓜[17]和冬瓜[18]的生長和產(chǎn)量；低濃度的GABA能促進植物莖的伸長，而高濃度的GABA抑制莖的伸長[19]。外源GABA處理可以通過調(diào)節(jié)膜上Ca2+離子通道來控制花粉管的伸長和受精[20-21]。本研究結(jié)果顯示，GABA處理不僅增加了小麥旗葉的長度和葉面積，也增加了小麥穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量。小麥旗葉是小麥生長后期光合效率最高的葉片，它對籽粒的形成和產(chǎn)量貢獻最大，占全部產(chǎn)量的45%～50%[22-23]。GABA對小麥籽粒產(chǎn)量的作用可能與旗葉光合能力的增強密切相關。

小麥籽粒淀粉主要由碳的轉(zhuǎn)化形成，一般占小麥籽粒干重的65%～75%[24]。淀粉由直鏈和支鏈淀粉組成，它們的含量影響小麥的加工品質(zhì)。小麥直鏈淀粉含量是影響面粉蒸煮品質(zhì)的重要因素，它與面條品質(zhì)呈負相關性，即一定范圍內(nèi)，直鏈淀粉含量低，制成的面條食用品質(zhì)好、有韌性、黏性小[25-26]。本實驗結(jié)果顯示，GABA處理增加了小麥籽粒中支鏈淀粉和總淀粉含量，而降低了直鏈淀粉的含量。因此，GABA處理對面條的加工品質(zhì)具有改善作用。

小麥籽粒蛋白質(zhì)是由結(jié)構(gòu)蛋白(清蛋白和球蛋白)、儲藏蛋白(醇溶蛋白和谷蛋白)和一些非可溶性蛋白組成，清蛋白和球蛋白中含有較多的賴氨酸、色氨酸和甲硫氨酸，一般決定著小麥的營養(yǎng)品質(zhì)，前人研究結(jié)果表明，醇溶蛋白含量與面團延伸性呈顯著正相關[27]，谷蛋白含量一般決定面團的彈性，因此，蛋白質(zhì)的含量及其組成直接影響小麥的營養(yǎng)和加工品質(zhì)。結(jié)果顯示，GABA處理增加了小麥籽粒中清蛋白和谷蛋白的含量，降低了醇溶蛋白的含量，總蛋白質(zhì)含量沒有明顯影響。這表明GABA能一定程度改善小麥營養(yǎng)品質(zhì)，增加面團彈性，降低面團延伸性。

蛋白質(zhì)組分含量往往影響面團流變學特性，面團的流變學特性是反映小麥加工品質(zhì)的重要指標，它體現(xiàn)了面團的柔性和黏性等綜合指標。小麥降落數(shù)值反映了α-淀粉酶活性，降落數(shù)值越低，則α-淀粉酶活性活性越高。揉混峰值時間影響面團耐揉性，時間越長，耐揉性越好；峰值高度衡量面團強度；峰值寬度衡量面團延伸性[12]。在本實驗中，GABA處理增加了峰值時間，降低了峰值寬度。它預示著GABA處理增加面團耐揉性，降低面團延伸性(與醇溶蛋白變化結(jié)果一致)，因此，GABA處理峰值時間的增加與清蛋白和谷蛋白的增加相關，而峰值寬度的下降與醇溶蛋白的降低有關。

小麥籽粒中礦質(zhì)元素的含量對人體的健康有著重要的作用。本結(jié)果顯示，除了Cu元素，GABA處理增加了小麥籽粒中P、K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn元素的含量。有報道顯示，GABA能作為一個潛在的離子轉(zhuǎn)運調(diào)節(jié)器，促進礦質(zhì)元素在植物組織中的積累[28]。目前，關于GABA處理影響作物成熟籽粒和果實中礦質(zhì)元素含量的機制還不清楚，需要進一步的研究。

4　結(jié)論

GABA處理增加了小麥穗粒數(shù)和籽粒產(chǎn)量，提升了籽粒中礦物質(zhì)元素的含量，改變了淀粉和蛋白的組成，部分提高了小麥的營養(yǎng)和加工品質(zhì)。由于此結(jié)果只是一年的實驗結(jié)果，因此，還需要經(jīng)過更多的實驗驗證。此外，GABA是作為一種氮源促進了小麥的生長和產(chǎn)量的增加，還是作為一種信號參與對小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的調(diào)控，需要進一步深入的研究。

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Effect of Foliar Application of γ-Aminobutyric Acid on Yield and Quality of Wheat

Yang NaWu HongGan LijunZhu Changhua

(College of Life Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing210095)