小麥開花后籽粒多組分營養(yǎng)物質(zhì)積累動態(tài)分析

，， ，， ，

(1.成都大學(xué)，農(nóng)業(yè)部雜糧加工重點(diǎn)實(shí)驗室；藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院, 四川 雅安 625014； 3.貴州大學(xué)麥類作物研究中心，貴陽 550025)

小麥?zhǔn)鞘澜缟献罟爬系墓任?，早在一萬年以前人類已開始小麥的選育和馴化[1-2]。已成為最重要的農(nóng)作物，世界上40多個國家每年總產(chǎn)量可達(dá)6億t，全球35%以上的人口以小麥為主食[3]。產(chǎn)量占世界所有糧食的 29%～30%，是人類最重要的谷物蛋白來源[4]。小麥籽粒中還含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，包括礦質(zhì)營養(yǎng)和總類黃酮 (TF)、總酚(TP)等對人體有廣泛生理活性的次生代謝產(chǎn)物，具有降血脂、血糖和增強(qiáng)人體免疫力的功能，可輔助治療中風(fēng)、三高和冠心病等疾病，是人體所需營養(yǎng)的重要來源[5-6]。目前，可通過施肥的方式提高谷物中氮素、磷素等營養(yǎng)物質(zhì)的含量，但肥料污染和利用率低下仍是其主要弊端[7]。通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育的富含37 mg/kg類物羅素和31 mg/kg β-胡蘿卜素的黃金稻已經(jīng)問世，但爭議巨大[8]。因此，解決這一問題最安全、有效、經(jīng)濟(jì)的方法則是通過傳統(tǒng)遺傳育種手段提高小麥等谷物中營養(yǎng)物質(zhì)的含量[9]。在十年前，為減少和預(yù)防發(fā)展中國家貧困人口“隱性饑餓”的發(fā)生，國際生物強(qiáng)化計劃 (Harvest Plus) (http://www.harvestplus.org)就已利用育種手段來提高水稻等農(nóng)作物中營養(yǎng)物質(zhì)的含量，以便改善人類營養(yǎng)不良和微量營養(yǎng)缺乏問題[10]。同時生物改良工作一旦成功后將會長期有效，其種質(zhì)資源可在全世界范圍分享[11]。

現(xiàn)代小麥品種按其來源分為兩類：六倍體小麥 (Triticumaestivum,2 n=42,AABBDD ) 和四倍體硬粒小麥(Triticumturgidum,2 n=28,AABB)。世界范圍內(nèi)95%的栽培小麥品種為六倍體小麥[12]。目前，有關(guān)麥類籽粒蛋白質(zhì)和淀粉積累動態(tài)變化前人已有不少研究[13-15]，但是，關(guān)于小麥發(fā)育過程中籽粒多組分營養(yǎng)物質(zhì)含量動態(tài)變化的研究鮮有報道。因此，以六倍體栽培小麥普通品種中國春和特色品種貴紫1號為研究對象，對其籽粒的總類黃酮、總酚、植酸 (PHY)、無機(jī)磷(Pi)、總淀粉、氨基(NH2)和可溶性蛋白質(zhì)(TSP)7種營養(yǎng)成分的含量及單粒重(SKW)進(jìn)行了動態(tài)測定，觀察籽粒發(fā)育過程中各營養(yǎng)物質(zhì)的動態(tài)變化，結(jié)合相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)和斯皮爾曼秩相關(guān)性分析等手段，分析籽粒發(fā)育過程中不同營養(yǎng)物質(zhì)含量間和與單粒重間的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及多元相關(guān)性，以探索籽粒多組分營養(yǎng)物質(zhì)積累特征與動態(tài)規(guī)律，從而為提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)，進(jìn)一步進(jìn)行小麥的營養(yǎng)強(qiáng)化和育種改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

六倍體栽培小麥中國春與貴紫1號由貴州大學(xué)麥類作物中心提供，于2016年10月種植于成都大學(xué)農(nóng)業(yè)部國家雜糧加工重點(diǎn)實(shí)驗室試驗基地，緯度30°64′，經(jīng)度104°19′，海拔500 m，土壤為黃壤。小麥播種采用溝施，溝長1.5 m，每溝播種50粒，溝間距為40 cm。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，區(qū)組間重復(fù)8次，區(qū)組內(nèi)重復(fù)10次，設(shè)置保護(hù)行。分蘗期前為人工灌溉，后自然降雨，拔節(jié)后期拉網(wǎng)固定和防鳥食保護(hù)。將花蕊剛外露的麥穗標(biāo)記上日期，該日期作為麥穗籽粒發(fā)育時期中的0 d (Day after pollination)，10 d之后每隔5 d取1次樣，直至小麥成熟(40 d)，全部取樣設(shè)3次重復(fù)。將取樣后的小麥籽粒樣品放在40 ℃ 烘箱里面脫水干燥稱重后研磨成粉過40目篩，保存在4 ℃冰箱中待測。

1.2 多組分營養(yǎng)物質(zhì)的測定

1.2.1 氮素、磷素、碳素營養(yǎng)物質(zhì)及次生代謝產(chǎn)物含量的測定

將本研究中氮素、磷素、碳素營養(yǎng)物質(zhì)及次生代謝產(chǎn)物等7個營養(yǎng)指標(biāo)分為3組提取測定，其中一組為氮素營養(yǎng)物質(zhì)(氨基、可溶性蛋白質(zhì))；一組為磷素營養(yǎng)物質(zhì)(無機(jī)磷、植酸)和次生代謝產(chǎn)物(總類黃酮、總酚)；另一組為碳素營養(yǎng)物質(zhì)(淀粉)，具體操作步驟分別參考文獻(xiàn)[16-18]。

1.2.2 單粒重的測定

每個品種每個階段取代表性植株主莖穗籽粒50粒，用分析天平(最小刻度為 0.000 1 D)測定重量，并計算單粒重。3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用 JMP 6.0軟件(SAS Institute) 進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，以及分析小麥籽粒各階段的各營養(yǎng)組分及單粒重相互間多元斯皮爾曼秩相關(guān)性(Spearmanp’s Rho Correlation)；用 Sigmaplot 12.0軟件繪制折線圖；用R 2.11軟件構(gòu)建庫源器官和籽粒營養(yǎng)相關(guān)性狀的皮爾森相關(guān)性矩陣(Pearson correlation matrix)，并由Cytoscape 2.7.0軟件對相關(guān)性矩陣進(jìn)行相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析(Correlation-based network analysis,CAN)。

2 結(jié)果分析

2.1 2個小麥品種籽粒發(fā)育階段營養(yǎng)物質(zhì)含量及單粒重差異

2個小麥品種籽粒發(fā)育階段各營養(yǎng)物質(zhì)含量及單粒重的平均值見表1。籽粒中多組分營養(yǎng)物質(zhì)含量雖呈現(xiàn)不同的變化，但在籽粒發(fā)育的整個過程中貴紫1號的磷素、碳素營養(yǎng)物質(zhì)含量及單粒重均大于中國春，而氮素營養(yǎng)物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物的含量高低在2個品種間交替出現(xiàn)。籽粒中各營養(yǎng)物質(zhì)的含量及其差異顯著性在2個小麥籽粒發(fā)育不同時期亦不同?；ê?0 d時，貴紫1號和中國春中氨基、可溶性蛋白質(zhì)、總酚含量及單粒重?zé)o明顯差異，而無機(jī)磷、植酸、總類黃酮和淀粉含量差異顯著。2個品種發(fā)育初期籽粒中氨基和可溶性蛋白質(zhì)的含量均明顯高于其成熟期，但2個品種在花后25～30 d時可溶性蛋白質(zhì)含量相差最大，氨基含量相差最小。籽粒中植酸含量均在花后15 d時達(dá)到最低值，花后40 d時達(dá)到最高值，無機(jī)磷在花后10 d時含量最高，花后40 d時含量最低，貴紫1號與中國春的單粒重隨著籽粒的發(fā)育其差逐漸變大，并在花后35 d時達(dá)到最大值。貴紫1號總類黃酮與總酚含量分別在花后20 d時達(dá)到最低值與最高值，中國春則分別在花后15 d與25 d達(dá)到最低值和最高值。

表1 小麥籽粒發(fā)育過程中多組分營養(yǎng)物質(zhì)含量及單粒重的動態(tài)變化

注：同行不同字母表示該營養(yǎng)物質(zhì)在不同生育期間差異顯著性(p<0.05)。

2.2 籽粒發(fā)育階段多組分營養(yǎng)物質(zhì)積累及單粒重的動態(tài)變化

不同發(fā)育時期的小麥籽粒中多組分營養(yǎng)物質(zhì)含量和單粒重的測定結(jié)果(圖1)表明，在整個籽粒發(fā)育過程中，2個小麥品種花后籽粒中多組分營養(yǎng)物質(zhì)及單粒重均有相似的變化趨勢。氨基、可溶性蛋白質(zhì)以及無機(jī)磷含量隨籽粒的發(fā)育逐漸降低，淀粉的含量升高后逐漸趨于穩(wěn)定，總酚和植酸的含量先降低后升高，而總類黃酮的含量及單粒重則是先升高后降低。其中如圖1-a、1-b所示，氮素營養(yǎng)物質(zhì)的含量呈逐漸下降趨勢，且隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，其含量下降加速，并在花后40 d時達(dá)到最低值。

如圖1-c、1-d為磷素營養(yǎng)物質(zhì)含量的動態(tài)變化。小麥花后籽粒中植酸含量呈先降低后逐漸上升的趨勢，在花后15 d達(dá)到最低值，而無機(jī)磷的含量則一直處于下降狀態(tài)。

圖1-e、1-f所示，隨著籽粒發(fā)育的推移，籽粒中碳素營養(yǎng)物質(zhì)含量的積累呈“S”型曲線變化，花后5～10 d增加緩慢，20 d后增加迅速，30～40 d增幅較小，成熟期達(dá)最大值。從2個品種的單粒重變化動態(tài)來看，小麥單粒鮮重總體呈先上升后下降的變化趨勢，并在花后35 d單粒鮮重達(dá)到最大值。

小麥籽粒發(fā)育過程中次生代謝產(chǎn)物含量的變化動態(tài)如1-g、1-h所示。由圖可知，不同品種的小麥在籽粒發(fā)育的不同時期，總類黃酮與總酚的積累狀況各不相同，隨著發(fā)育的推進(jìn)，籽粒中總類黃酮的含量先升高后降低，而總酚含量則是先降低后緩慢升高。

圖1 小麥花后籽粒中營養(yǎng)物質(zhì)含量及單粒重的動態(tài)變化

2.3 籽粒發(fā)育過程中單粒重與營養(yǎng)性狀的斯皮爾曼秩相關(guān)性分析

斯皮爾曼秩相關(guān)性檢驗結(jié)果(圖2)顯示，在籽粒發(fā)育過程中，各階段的單粒重與對應(yīng)階段的氮素營養(yǎng)物質(zhì)、碳素營養(yǎng)物質(zhì)、磷素營養(yǎng)物質(zhì)以及次生代謝產(chǎn)物間存在不同程度的相關(guān)性。在籽粒發(fā)育的過程中，單粒重與總類黃酮和無機(jī)磷含量無顯著相關(guān)性(p>0.05)，與淀粉和植酸含量呈顯著正相關(guān)，與可溶性蛋白質(zhì)和氨基含量為顯著負(fù)相關(guān)(p<0.05)。籽粒發(fā)育的不同階段，影響單粒重的營養(yǎng)物質(zhì)也有所不同，在花后10 d時，單粒重只與淀粉、總酚這2種營養(yǎng)物質(zhì)有顯著相關(guān)性，而在花后40 d時，單粒重與氨基、可溶性蛋白質(zhì)、植酸、淀粉和總酚等5種營養(yǎng)物質(zhì)有顯著相關(guān)性，其中總酚在花后10～15 d時與單粒重呈顯著負(fù)相關(guān)，花后20 d時與單粒重?zé)o顯著相關(guān)性，花后25～40 d時與單粒重呈顯著負(fù)相關(guān)。

圖2 小麥籽粒各階段的單粒重與各營養(yǎng)性狀的斯皮爾曼秩顯著相關(guān)性

2.4 籽粒多組分營養(yǎng)成分的網(wǎng)絡(luò)分析

綜合小麥籽粒發(fā)育過程中7個階段籽粒成分的數(shù)據(jù)，對材料的8個營養(yǎng)成分進(jìn)行相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析。如圖3所示，氮素和磷素營養(yǎng)物質(zhì)與其他各營養(yǎng)成分均具有顯著相關(guān)性(p<0.05)，氮素和磷素營養(yǎng)物質(zhì)以及氮素、磷素營養(yǎng)物質(zhì)和次生代謝產(chǎn)物均為顯著正相關(guān)性，氮素與碳素營養(yǎng)物質(zhì)為顯著負(fù)相關(guān)性。氮素營養(yǎng)物質(zhì)氨基與可溶性蛋白質(zhì)之間以及次生代謝產(chǎn)物總類黃酮與總酚之間為顯著正相關(guān)性，而磷素營養(yǎng)物質(zhì)植酸和無機(jī)磷之間為顯著負(fù)相關(guān)性。

3 結(jié)果與討論

隨著籽粒的發(fā)育，2個小麥品種籽粒中各營養(yǎng)物質(zhì)的含量高低及其差異顯著性有所不同，但籽粒中各營養(yǎng)物質(zhì)含量及單粒重的動態(tài)變化趨勢相似，氨基與可溶性蛋白質(zhì)的含量變化趨勢基本一致，總體都呈下降趨勢，說明隨著籽粒的發(fā)育成熟，氮代謝分解大于合成。籽粒中植酸含量的動態(tài)變化與無機(jī)磷含量的變化趨勢相反，網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)植酸與無機(jī)磷存在顯著負(fù)相關(guān)性，這進(jìn)一步證實(shí)了植酸是作物籽粒中磷的主要存在形式，這與王新坤[19]、張小華[20]等的研究結(jié)果一致。淀粉含量的變化與前人對多穗和大穗型小麥品種測定的結(jié)果類似呈“S”型曲線[21]，籽粒中淀粉含量與單粒重存在顯著正相關(guān)性，是因為小麥籽粒中淀粉自幼胚形成后就開始積累，此后逐漸增加，到成熟時達(dá)到穩(wěn)定，一般占籽粒干重的60%以上，是籽粒中含量最多、最重要的碳水化合物[22-23]。黃酮類化合物是植物中分布較廣的一種天然化合物，有關(guān)黃酮類化合物在植物不同時期分布已有不少研究，但關(guān)于小麥籽?？傤慄S酮和總酚含量的動態(tài)變化少見報道。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著籽粒發(fā)育，總類黃酮的含量先升高后降低，總酚的動態(tài)變化與總類黃酮相反，造成總類黃酮含量動態(tài)變化與總酚有所不同的原因，可能是由于籽粒中總酚含量變化是由黃酮類以外的其他組分引起的，如單寧含量的動態(tài)變化[24]。

注：圓形代表小麥籽粒各營養(yǎng)性狀及單粒重；點(diǎn)與點(diǎn)之間的連線代表性狀之間的相關(guān)性；實(shí)線代表正相關(guān)；虛線代表負(fù)相關(guān)；所有相關(guān)性均達(dá)到顯著水平(p<0.05)；NH2代表氨基酸；TSP代表可溶性蛋白質(zhì)；PHY代表植酸；Pi代表無機(jī)磷；TS代表總淀粉；TF代表總類黃酮；TP代表總酚；SKW代表單粒重。圖3 小麥籽粒單粒重與營養(yǎng)性狀間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系

斯皮爾曼秩相關(guān)性分析顯示，在籽粒發(fā)育過程中，不同階段的單粒重與對應(yīng)階段營養(yǎng)物質(zhì)的含量存在不同程度的相關(guān)性，即使是同一種營養(yǎng)物質(zhì)，在籽粒發(fā)育的不同階段與單粒重的相關(guān)性也不盡相同。在籽粒發(fā)育的整個階段中，單粒重與總類黃酮和無機(jī)磷含量無顯著相關(guān)性；總酚含量與花后10～15 d的單粒重呈顯著負(fù)相關(guān)，與20 d的單粒重?zé)o顯著相關(guān)性，與25～40 d的單粒重為顯著正相關(guān)性，說明酚類物質(zhì)在籽粒發(fā)育過程中的機(jī)理較復(fù)雜，值得進(jìn)一步研究。單粒重與植酸含量呈顯著正相關(guān)，胚乳細(xì)胞內(nèi)淀粉的生物合成與籽粒發(fā)育有著密切的關(guān)聯(lián)，當(dāng)無機(jī)磷的含量在籽粒中積累到一定量時就會發(fā)生磷酸解，阻礙淀粉的生物合成，最終影響籽粒的飽滿度，而有機(jī)磷以植酸的形式貯存起來，有利于淀粉的合成及單粒重的增加，前人的研究表明，低植酸谷物通常表現(xiàn)籽粒增重不足，空秕率高等現(xiàn)象[25]。單粒重與氮素營養(yǎng)物質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)，結(jié)合相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)氮素營養(yǎng)物質(zhì)與淀粉呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于淀粉和氮素營養(yǎng)物質(zhì)代謝受小麥植株碳氮代謝調(diào)節(jié)的影響。小麥后期輸出的氮素主要是開花前積累的可溶性蛋白質(zhì)，為維持植物體內(nèi)酶蛋白的更新，植株必須吸收無機(jī)氮，在籽粒內(nèi)完成氮素同化為氨基酸和可溶性蛋白質(zhì)的過程，這會消耗光合產(chǎn)物，影響碳代謝，降低植株的碳水化合物供應(yīng)水平，導(dǎo)致籽粒淀粉積累速率降低。這為進(jìn)一步研究籽粒營養(yǎng)積累和培育不同品質(zhì)的小麥品種提供了參考。