小麥細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對(duì)水分遷移的調(diào)控作用

李 佟 應(yīng)瑞峰 吳彩娥 李婷婷 范龔建 黃梅桂

(南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心1，南京 210037)

(南京林業(yè)大學(xué)輕工科學(xué)與食品學(xué)院2，南京 210037)

小麥?zhǔn)鞘澜缧缘闹匾Z食作物，全球超過1/3的人口以小麥為主食。小麥細(xì)胞壁主要由阿拉伯木聚糖(AX)與β－(1－3)(1－4)葡聚糖(BG)組成，比例約為78/22［1］。研究發(fā)現(xiàn)糊粉層細(xì)胞壁為復(fù)合多層結(jié)構(gòu)，即AX層與BG層交替重疊的多層層狀結(jié)構(gòu)［2－3］。但這種奇特的多層結(jié)構(gòu)在小麥生長(zhǎng)發(fā)育的過程中起什么樣的作用卻不得而知。在小麥和大麥籽粒發(fā)育和成熟階段，特別是籽粒脫水階段(含水量從40%降到約12% ～14%)，發(fā)現(xiàn)胚乳各部位含水量存在巨大的差異性:胚芽附近，胚乳四周含水量較高，而胚乳中心區(qū)域含水量較低［4］。其原因很可能是胚乳細(xì)胞壁層狀結(jié)構(gòu)調(diào)控了水分的分布與擴(kuò)散速率［5－6］。在干旱與高溫脅迫下，籽粒中BG和AX的含量都發(fā)生了顯著改變［7］，特別是小麥籽粒AX含量和植物水分利用率都增加了，兩者呈正相關(guān)，其原因很可能是AX調(diào)節(jié)了水分的分布與擴(kuò)散速率，從而提高了水分的利用率［8－9］。研究中發(fā)現(xiàn)不同產(chǎn)地不同生長(zhǎng)環(huán)境下的小麥中AX和BG的含量都有較大的差異，且相應(yīng)的AX和BG的含量越高，小麥中蛋白質(zhì)的含量就越高［10］。其原因可能是糊粉層細(xì)胞壁越厚，AX和BG的含量越高，調(diào)控水分遷移和擴(kuò)散，從而影響小麥的品質(zhì)。目前小麥糊粉層細(xì)胞壁多層結(jié)構(gòu)對(duì)水分分布及擴(kuò)散的影響研究的較少，因此實(shí)驗(yàn)以小麥籽粒為研究對(duì)象，測(cè)定其水分?jǐn)U散速率。通過低場(chǎng)核磁共振法測(cè)定樣品的橫向弛豫時(shí)間T2比較水分子的移動(dòng)性，研究細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)調(diào)控水分遷移和擴(kuò)散。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

小麥:周麥22產(chǎn)自河南周口;小麥:中麥895產(chǎn)自江蘇徐州;小麥:百農(nóng)矮抗58產(chǎn)自江蘇淮安;小麥:三抗1產(chǎn)自山東濟(jì)南;大麥產(chǎn)自山東臨沂;青稞產(chǎn)自西藏。

SZF－06B脂肪測(cè)定儀:上海新嘉電子有限公司;SX－4－10箱式電阻爐:江蘇通州市滬通實(shí)驗(yàn)儀器廠;K－355半自動(dòng)凱氏定氮儀:上海萬捷可以有限公司;Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡:美國(guó)FEI公司;VTMR20－010－T低場(chǎng)核磁共振分析儀:上海紐邁電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 基本理化性質(zhì)測(cè)定

千粒重采用GB/T 5519—2008;將小麥磨粉后進(jìn)行下面實(shí)驗(yàn)，粗蛋白含量測(cè)定采用 GB/T 31518—2015;灰分含量測(cè)定采用GB 5009.4—2010;脂肪含量測(cè)定采用GB 5009.6—2016;淀粉含量測(cè)定采用GB/T 5009.9—2008。

1.2.2 籽粒的微觀結(jié)構(gòu)觀察

通過環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察小麥橫截面的糊粉層及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)。樣品經(jīng)干燥除氣和鍍膜噴金后，放入環(huán)境掃描電鏡觀察臺(tái)，抽氣，然后真空環(huán)境下觀察樣品［11］。

1.2.3 籽粒的水分遷移速率測(cè)定

配制 NaBr、NaCl、BaCl23 種飽和鹽溶液，20 ℃ 密閉環(huán)境下達(dá)到平衡時(shí)，相對(duì)濕度分別為59%、75%、91%。

吸水速率的測(cè)定:準(zhǔn)確稱取大小基本相同的2種小麥、大麥和青稞各10顆，重復(fù)3次。將每組樣品放置于干燥器中干燥平衡，達(dá)到平衡后分別放入相對(duì)濕度為59%、75%、91%的真空干燥器中，每隔1 h稱量一次，根據(jù)公式(1)計(jì)算吸水速率。

式中:V1為吸水速率;Mi為第i次吸水后的質(zhì)量;M0為干燥環(huán)境中達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量;T為時(shí)間。

干燥速率的測(cè)定:將平衡后的樣品，分別放入3個(gè)相對(duì)濕度為0%的干燥器中，進(jìn)行干燥，每隔1 h稱量一次，并根據(jù)公式(2)計(jì)算水分干燥速率。

式中:V2為水分干燥速率;mi為干燥i小時(shí)的質(zhì)量;M0為干燥環(huán)境中達(dá)到平衡時(shí)的質(zhì)量;T為時(shí)間。

含水量的測(cè)定:準(zhǔn)確稱量大小基本相同的4種干燥樣品，分別放在3個(gè)相對(duì)濕度條件下1、2、3、4、5、6 h，然后放入烘干至恒重的稱量皿中，放入真空干燥箱中，設(shè)置溫度70 ℃、真空度 93.3 ～98.6 kPa，干燥10 h，待稱量皿冷卻后稱量質(zhì)量［12］。根據(jù)公式(3)計(jì)算含水量。

式中:H為含水量;Mi為第i次吸水后的質(zhì)量;m0為自干燥箱取出時(shí)稱量皿和小麥的總質(zhì)量。

1.2.4 籽粒水分移動(dòng)性研究

CPMG(Carr－Purcell－Meiboom －Gill)脈沖序列被用于測(cè)定樣品的自旋－自旋弛豫時(shí)間(T2)［13－14］。將小麥種子置于永磁場(chǎng)中心位置的射頻線圈的中心進(jìn)行CPMG脈沖序列實(shí)驗(yàn)。參數(shù):采樣點(diǎn)數(shù)TD=400 074，譜寬SW=200 kHz，回波個(gè)數(shù)Echo Count=4 000，重復(fù)描次數(shù)NS=4，采樣重復(fù)時(shí)間TW=2 000 ms，回波時(shí)間TE=0.5 ms。利用T2FitFrm軟件調(diào)用CPMG序列擬合T［15－16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥的基本理化性質(zhì)

樣品理化性質(zhì)數(shù)據(jù)如表1所示，從表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，這6種樣品的理化性質(zhì)存在明顯的差異，其差異可能與生長(zhǎng)的環(huán)境及品種有關(guān)。

表1 4種小麥、青稞和大麥的基本成分

2.2 小麥、大麥和青稞籽粒的糊粉層結(jié)構(gòu)

如圖1可見小麥籽粒糊粉層為單層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，大麥籽粒糊粉層為雙層細(xì)胞結(jié)構(gòu)，青稞籽粒糊粉層為三層細(xì)胞結(jié)構(gòu)。表1可見，4個(gè)小麥品種的糊粉層及細(xì)胞壁與青稞和大麥都存在顯著差異。其中小麥品種中Z22的糊粉層及細(xì)胞壁最厚，Z895的糊粉層及細(xì)胞壁最薄。Z22糊粉層的厚度是是Z895糊粉層的1.22倍，Z22糊粉層細(xì)胞壁的厚度是Z895糊粉層細(xì)胞壁的1.11倍。選取Z22和Z895與QK和DM進(jìn)行下面的水分遷移速率的比較。

圖1 籽粒糊粉層電鏡圖(800×)

表2 不同品種小麥麩皮和糊粉層及細(xì)胞壁的厚度/μm

2.3 2種小麥和大麥、青稞籽粒的水分遷移速率及含水量

如圖2～圖4所示在59%、75%、91%的相對(duì)濕度環(huán)境下，糊粉層細(xì)胞壁厚度分別為4.93、5.21μm的Z895和Z22的吸水速率明顯高于糊粉層細(xì)胞壁分別為7.04、7.33 μm 的 DM 和 QK，Z895 吸水速率最大，大麥最小。從漸近線及公式中，發(fā)現(xiàn)吸水速率與糊粉層細(xì)胞壁的厚度大小呈負(fù)相關(guān)，且 R2＞0.900，相關(guān)性較強(qiáng)，所以籽粒吸水速率隨著糊粉層的細(xì)胞壁壁厚的增加而減慢。

如圖5～圖7所示，在59%、75%、91%的相對(duì)濕度環(huán)境下，糊粉層細(xì)胞壁厚度為4.93μm的Z895，干燥速率最快，糊粉層細(xì)胞壁厚度為5.21μm的Z22次之，糊粉層細(xì)胞壁為7.33μm的DM最慢。從圖中的漸近線及公式中，發(fā)現(xiàn)干燥速率與糊粉層細(xì)胞壁的厚度大小呈負(fù)相關(guān)，且R2＞0.900，相關(guān)性較強(qiáng)，所以籽粒水分向外擴(kuò)散的速率隨著糊粉層的細(xì)胞壁壁厚的增加而減慢。

圖2 不同糊粉層厚度樣品的吸水速率(相對(duì)濕度RH=59%)

圖3 不同糊粉層厚度樣品的吸水速率(相對(duì)濕度RH=75%)

圖4 不同糊粉層厚度樣品的吸水速率(相對(duì)濕度RH=91%)

圖5 不同糊粉層厚度樣品的干燥速率(在59%相對(duì)濕度下平衡的樣品)

圖6 不同糊粉層厚度樣品的干燥速率(在75%相對(duì)濕度下平衡的樣品)

圖7 不同糊粉層厚度樣品的干燥速率(在91%相對(duì)濕度下平衡的樣品)

如圖8～圖10中可見在干燥狀態(tài)下，DM的含水量最高，QK次之，Z895含量最低，但在吸水后Z895和Z22的含水量逐漸高于QK和DM。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):不同樣品在相同條件下，吸水速率、干燥速率和含水量都有一定差異，糊粉層細(xì)胞壁越厚水分吸收干燥速率就越慢，含水量越少，且水分遷移都要穿過糊粉層細(xì)胞壁，所以可以猜測(cè)糊粉層細(xì)胞壁對(duì)小麥籽粒體內(nèi)水分微環(huán)境具有一定的調(diào)節(jié)作用，糊粉層細(xì)胞壁可以控制體內(nèi)水分向外的擴(kuò)散。

圖8 樣品的含水量(相對(duì)濕度RH=59%)

圖9 樣品的含水量(相對(duì)濕度RH=75%)

圖10 樣品的含水量(相對(duì)濕度RH=91%)

2.4 籽粒水分的移動(dòng)性

在核磁共振反演擬合軟件迭代次數(shù)為10 000次的參數(shù)設(shè)置下，每個(gè)T2反演曲線上均有2個(gè)波峰(見圖11)，根據(jù)弛豫時(shí)間T2的差異將水分劃分為2個(gè)存在狀態(tài)。各個(gè)峰的結(jié)束時(shí)間T2i表示第i種成分的橫向弛豫時(shí)間，各峰的峰面積A2i表示第i種成分的信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)各組分的的含量［17］。

如圖11所示，每個(gè)反演圖譜都有兩個(gè)峰，根據(jù)水分的相態(tài)特征［18－19］，較短弛豫時(shí)間T21為自由度較低的水組分;較長(zhǎng)弛豫時(shí)間T22為自由水度較高的水組分。根據(jù)核磁反演數(shù)據(jù)比較各樣品的峰面積如圖12～圖15所示，發(fā)現(xiàn)隨著吸收水分時(shí)間的延長(zhǎng)，組分的峰面積會(huì)增大，且在相同吸水時(shí)間下，細(xì)胞壁較厚的大麥和青稞兩個(gè)組分的總峰面積都小于細(xì)胞壁較薄的中麥和周麥;但細(xì)胞壁較厚的大麥和青稞中自由度較高水組分的峰面積大于中麥和周麥中自由度較高水組分的峰面積;比如在RH=91%條件下吸水4 h，中麥、周麥、青稞和大麥的含水量分別為:5.13%、5.02%、4.81% 和 4.63%，自由度較高水組分峰面積對(duì)應(yīng)分別為:128.809、135.185、158.713 和162.560，大麥和青稞籽粒在較低含水量的情況下還具有較高的水分子移動(dòng)性;所以細(xì)胞壁較厚籽粒內(nèi)部水分子的移動(dòng)性更好?？赡茉蚴谴篼満颓囡?xì)胞壁結(jié)構(gòu)中多糖組分改變了體內(nèi)水分的分布狀態(tài)。

圖11 迭代次數(shù)10 000次T2反演圖譜(干燥樣品)

圖12 籽粒吸水后T21組分的峰面積(相對(duì)濕度RH=75%)

圖13 籽粒吸水后T22組分的峰面積(相對(duì)濕度RH=75%)

圖14 籽粒吸水后T2 1組分的峰面積(相對(duì)濕度RH=91%)

圖15 籽粒吸水后T22組分的峰面積(相對(duì)濕度RH=91%)

3 結(jié)論

相同條件下，糊粉層細(xì)胞壁越厚，籽粒的吸水、干燥速率越慢;干燥狀態(tài)下，細(xì)胞壁越厚籽粒體內(nèi)含水量越多;相同吸水條件下，細(xì)胞壁越厚籽粒吸水量越少，且體內(nèi)水分子移動(dòng)性越好。即相同條件下，細(xì)胞壁越厚，籽粒內(nèi)水分自由度越高，水分活度越高。由于小麥灌漿期間淀粉和蛋白質(zhì)的合成不僅受到土壤水分、光照時(shí)間和溫度等因素影響，還受到相關(guān)蛋白淀粉合成酶的影響，而相關(guān)合成酶的酶活性除了受基因編碼的調(diào)控還受到體內(nèi)水分活度的影響。所以在適當(dāng)范圍內(nèi)體內(nèi)水分活度越高，酶活性越高，蛋白淀粉合成量越多，小麥品質(zhì)越好、產(chǎn)量越高。

本實(shí)驗(yàn)初步研究了糊粉層及細(xì)胞壁厚度對(duì)籽粒內(nèi)部水分向外擴(kuò)散的影響，并以此為基礎(chǔ)探討糊粉層及細(xì)胞壁對(duì)體內(nèi)水分微環(huán)境的調(diào)控作用，為深入研究糊粉層及細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響提供參考。

Wheat Cell Wall Structure's Adjustment and Control Function of Water Migration

Li Tong1，2Ying Ruifeng1，2Wu Caie1，2Li Tingting1，2Fan Gongjian1，2Huang Meigui2

(Co － Innovation Centre for the Sustainable Forestry in Southern China，Nanjing Forestry University1，Nanjing 210037)
(College of Light Industry Science and Food，Nanjing Forestry University2，Nanjing 210037)

AbstractTo prove the adjustment and control effects of the wheat aleurone layer cell wall，composed multilayer structure，composed by araboxylan and beta－(1－3)(1－4)glucan，this paper studied the adjustment and control effects of the cell wall structure of the wheat aleurone layer，such as water absorption rate，drying rate and the mobility of water molecules.The results showed that:by environmental scanning electron microscopy(SEM)to screen Zhoumai22 with the thickest aleurone layer thickness and Zhongmai895 with the thinnest aleurone layer，take the barley and highland barley for contrast，therein the thickness of barley cell wall was1.49 times as thickness of the zhongmai cell wall.By comparing the relationship among water absorption rate，drying rate and the aleurone layer thickness of Zhoumai22，Zhongmai895，barley and highland barley，found that there's a negative correlation among the aleurone layer cell wall，water absorption and drying rate.The low field nuclear magnetic resonance showed that under the same water absorption conditions，aleurone cell wall was thicker，the water content was lower but the mobility of water molecules in vivo was better;in dry conditions，the aleurone layer cell wall was thicker，the content of water was higher and the mobility of water molecules in vivo was better.Therefore，wheat aleurone cell wall structure has a significant role in the adjustment and control of water migration.

Key wordswheat，cell wall，aleurone layer，araboxylan，beta－(1 －3)(1 －4)glucan