小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳淀粉體和蛋白體發(fā)育及物質(zhì)積累研究

汪巧菊，陳昕鈺，冉莉萍，李 波，董召娣，余徐潤(rùn)，熊 飛

(1. 揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000； 2. 揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225000)

胚乳是小麥穎果的重要組成部分，占粒重的85%以上，其主要的貯藏物質(zhì)是淀粉和蛋白質(zhì)。淀粉和蛋白質(zhì)的種類及其組分的比例與小麥的加工品質(zhì)密切相關(guān)[1-2]。近年來(lái)，有關(guān)小麥穎果胚乳發(fā)育的研究較多。王蔚華等[3]和封超年等[4]系統(tǒng)闡述了小麥胚乳細(xì)胞增殖的動(dòng)態(tài)過(guò)程及其與粒重的關(guān)系。王 忠等[5]系統(tǒng)研究了小麥胚乳細(xì)胞及其淀粉粒、蛋白體的發(fā)育過(guò)程。荊彥平等[6]從細(xì)胞水平研究了內(nèi)胚乳細(xì)胞的發(fā)育和淀粉體的生長(zhǎng)規(guī)律。Chen等[7]對(duì)關(guān)于不同發(fā)育階段小麥胚乳空間結(jié)構(gòu)內(nèi)的蛋白體發(fā)育規(guī)律的研究表明，小麥胚乳不同區(qū)域內(nèi)蛋白體的積累和分布存在顯著差異。Yu等[8]還對(duì)不同發(fā)育天數(shù)的軟、硬質(zhì)小麥胚乳淀粉粒發(fā)育和淀粉組分和理化性質(zhì)進(jìn)行了深入研究。

穎果發(fā)育與穗位密切相關(guān)。一般將穗上生長(zhǎng)發(fā)育早、充實(shí)好、粒重高的穎果稱為強(qiáng)勢(shì)粒；而穗上生長(zhǎng)發(fā)育遲、充實(shí)差、粒重低的穎果則被稱為弱勢(shì)粒[9]。弱勢(shì)粒的發(fā)育不良不僅嚴(yán)重限制了大穗型小麥高產(chǎn)潛力的發(fā)揮，還直接影響小麥品質(zhì)。因此，弱勢(shì)粒充實(shí)差、粒重低、品質(zhì)差的原因分析和控制途徑已成為農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的研究熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從組織形態(tài)學(xué)角度研究了谷類作物的強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳發(fā)育的差異，研究作物以水稻為主。靳德明[10]通過(guò)光鏡、透射電鏡和掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)水稻強(qiáng)勢(shì)籽粒胚乳細(xì)胞的發(fā)育是個(gè)連續(xù)的過(guò)程，而弱勢(shì)籽粒胚乳細(xì)胞的發(fā)育是個(gè)不連續(xù)的過(guò)程。關(guān)于小麥，已有研究主要從不同小麥品種胚乳發(fā)育過(guò)程中蛋白體和淀粉體的發(fā)育差異或同一品種強(qiáng)弱勢(shì)粒淀粉積累和酶活性等方面進(jìn)行了研究[11-13]，而有關(guān)小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒發(fā)育差異的研究尚不多見，尤其從細(xì)胞學(xué)角度對(duì)小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳淀粉體和蛋白體發(fā)育的研究還鮮見報(bào)道。因此，本研究以大穗型小麥品種寧麥13為材料，觀察其穎果發(fā)育過(guò)程中的外觀形態(tài)變化以及胚乳儲(chǔ)藏物質(zhì)的積累過(guò)程，旨在揭示小麥強(qiáng)、弱勢(shì)粒發(fā)育差異的機(jī)理，為提高小麥產(chǎn)量、改善小麥品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年9月至2017年5月在江蘇省揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)田進(jìn)行。小麥品種為寧麥13，由國(guó)家小麥改良中心提供。在小麥開花期采用記號(hào)筆點(diǎn)開穎花與植株上掛牌相結(jié)合的方法來(lái)標(biāo)記穎花的開花日期，在小麥生長(zhǎng)期進(jìn)行常規(guī)化管理。

1.2 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒劃分

穎果強(qiáng)弱勢(shì)粒的劃分參照Wang等[14]的方法。強(qiáng)勢(shì)粒為麥穗中部的4～12小穗的第1、2穗位籽粒，而弱勢(shì)粒位于麥穗上部和下部(若小穗有4個(gè)籽粒，取第3、4位籽粒；若小穗有3個(gè)籽粒，取第3位籽粒；若有2個(gè)或1個(gè)籽粒則視為弱勢(shì)粒)。

1.3 穎果形態(tài)觀察

采集花后3、5、7、9、11、14、17、20、24和28 d的小麥穎果，每時(shí)期均隨機(jī)選取有代表性的穎果在體視顯微鏡下觀察穎果外部形態(tài)的發(fā)育過(guò)程。

1.4 穎果淀粉、蛋白質(zhì)及其組分含量的測(cè)定

取成熟的小麥穎果，參照Z(yǔ)hu等[15]的方法測(cè)定穎果的總淀粉、支鏈淀粉和直鏈淀粉含量，參照鄭先哲[16]的方法測(cè)定穎果的蛋白質(zhì)及其組分含量。每個(gè)樣品隨機(jī)統(tǒng)計(jì)3個(gè)穎果作為重復(fù)，各穎果均取自不同的麥穗。

1.5 強(qiáng)弱勢(shì)粒顯微結(jié)構(gòu)的觀察和淀粉粒度分布統(tǒng)計(jì)

采集花后8、10、12、15和20 d的小麥穎果，參照Xiong等[17]的方法觀察其顯微結(jié)構(gòu)，每個(gè)樣品隨機(jī)統(tǒng)計(jì)3個(gè)穎果作為重復(fù)，各穎果均統(tǒng)計(jì)6張顯微照片。參照Yu等[18]的方法統(tǒng)計(jì)淀粉粒徑分布。

1.6 胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體相對(duì)面積的統(tǒng)計(jì)

參照Xiong等[19]的方法統(tǒng)計(jì)胚乳細(xì)胞中淀粉體和蛋白體的相對(duì)面積。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SPSS 19.0軟件分析處理數(shù)據(jù)，采用LSD法進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒的形態(tài)變化

從圖1可以看出，花后3～17 d，小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒的形態(tài)變化明顯，增長(zhǎng)較快，隨后緩慢增長(zhǎng)。弱勢(shì)粒的形態(tài)大小始終小于強(qiáng)勢(shì)粒，且花后3～11 d時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。穎果顏色呈現(xiàn)出由白色變?yōu)榫G色再變?yōu)辄S棕色的變化趨勢(shì)，且強(qiáng)勢(shì)粒的綠色時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)。

2.2 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳發(fā)育的差異

由圖2可知，花后8 d，弱勢(shì)粒的背部和腹部均未出現(xiàn)蛋白體，而強(qiáng)勢(shì)粒的背部和腹部有較小的蛋白體，且強(qiáng)勢(shì)粒的平均淀粉體數(shù)(圖2-C和圖2-D)較弱勢(shì)粒(圖2-A和圖2-B)多2.8個(gè)，強(qiáng)勢(shì)粒淀粉體的相對(duì)面積較弱勢(shì)粒大0.022(圖3)?；ê?0 d，強(qiáng)勢(shì)粒背部的淀粉體數(shù)多于弱勢(shì)粒(圖2-E和圖2-G)，但腹部無(wú)明顯差異(圖2-F和2-H)，強(qiáng)勢(shì)粒的淀粉體相對(duì)面積較弱勢(shì)粒大0.018，其淀粉體數(shù)較弱勢(shì)粒多1.3個(gè)(圖3-A和圖4)；強(qiáng)弱勢(shì)粒腹部的蛋白體積累量高于背部(圖2-E和圖2-G)，且強(qiáng)勢(shì)粒的蛋白體相對(duì)面積較弱勢(shì)粒大0.006(圖3-B)?；ê?2 d，強(qiáng)弱勢(shì)粒腹部的蛋白體和淀粉體數(shù)(圖2-J和圖2-L)均多于背部(圖2-I和圖2-K)，其中強(qiáng)勢(shì)粒的蛋白體和淀粉體的相對(duì)面積分別較弱勢(shì)粒大0.004和0.057，其淀粉體數(shù)較弱勢(shì)粒多1.4個(gè)(圖3和圖4)?；ê?5 d，弱勢(shì)粒腹部出現(xiàn)小淀粉體，而背部無(wú)變化(圖2-M和圖2-N)，強(qiáng)勢(shì)粒的背部和腹部均出現(xiàn)小淀粉體(圖2-O和圖2-P)，且其淀粉體和蛋白體的相對(duì)面積分別較弱勢(shì)粒大0.057和0.004，淀粉體數(shù)則較弱勢(shì)粒多9.5個(gè)(圖3和圖4)。花后20 d，弱勢(shì)粒腹部的小淀粉體數(shù)少于背部(圖2-Q和圖2-R)，而強(qiáng)勢(shì)粒則表現(xiàn)為腹部多于背部(圖2-S和圖2-T)，且強(qiáng)勢(shì)粒的淀粉體數(shù)以及淀粉體、蛋白體的相對(duì)面積均高于或大于弱勢(shì)粒(圖3和圖4)。此外，掃描電鏡結(jié)果(圖5)顯示，強(qiáng)勢(shì)粒的胚乳質(zhì)地較致密，胚乳淀粉體和蛋白體的充實(shí)度飽滿，而弱勢(shì)粒的胚乳質(zhì)地較疏松，胚乳內(nèi)蛋白體和淀粉體結(jié)合不緊密。綜上所述，強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳蛋白體和淀粉體的積累量在小麥不同部位的發(fā)育程度均存在顯著差異，整體表現(xiàn)為強(qiáng)勢(shì)粒的胚乳結(jié)構(gòu)更緊致、充實(shí)度更高。

圖下方的數(shù)字為穎果發(fā)育天數(shù)。

Numbers atthe bottom of the picture represent days of caryopsis development.

圖1小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒穎果形態(tài)發(fā)育過(guò)程

Fig.1Morphologicaldevelopmentofsuperiorandinferiorgrainsinwheat

A、E、I、M、Q：花后8、10、12、15、20 d的小麥弱勢(shì)粒胚乳背部；B、F、J、N、R：花后8、10、12、15、20 d的小麥弱勢(shì)粒胚乳腹部；C、G、K、O、S：花后8、10、12、15、20 d的小麥強(qiáng)勢(shì)粒胚乳背部；D、H、L、P、T：花后8、10、12、15、20 d的小麥強(qiáng)勢(shì)粒胚乳腹部；Nu：細(xì)胞核；SG：淀粉粒；PB：蛋白體；標(biāo)尺：10 μm。

A，E,I,M,Q：The endosperm back of inferior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；B,F,J,N,R：The endosperm belly of inferior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；C,G,K,O,S：The endosperm back of superior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；D,H,L,P,T： The endosperm belly of superior grains in wheat at 8,10,12,15,and 20 days after anthesis；Nu：Nucleus；SG：Starch granules；PB：Protein； Scale bar：10 μm.

圖2強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳細(xì)胞發(fā)育過(guò)程

Fig.2Endospermcelldevelopmentprocessofsuperiorandinferiorgrains

2.3 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒粒徑分布的差異

以10 μm為界限劃分小麥胚乳中A、B型淀粉粒的粒徑，粒徑<10 μm為B型淀粉粒，粒徑>10 μm為A型淀粉粒。由圖6可知，強(qiáng)勢(shì)粒(圖6-A和圖6-C)的B型淀粉粒數(shù)多于弱勢(shì)粒(圖6-B和圖6-D)；強(qiáng)勢(shì)粒和弱勢(shì)粒的淀粉粒徑分布均呈單峰型(圖6-C和圖6-D)，強(qiáng)勢(shì)粒中0～2 μm的淀粉粒數(shù)顯著高于弱勢(shì)粒，在其他粒徑范圍內(nèi)兩者的差異不明顯。

圖3 強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳細(xì)胞中淀粉體(A)和蛋白體(B)相對(duì)面積的差異

圖4 強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳細(xì)胞中淀粉體數(shù)目的差異

2.4 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒蛋白質(zhì)和淀粉含量的差異

蛋白質(zhì)和淀粉的積累量直接決定小麥產(chǎn)量，而兩者組分的含量及其比例又直接影響小麥的品質(zhì)和加工用途。由表1可知，強(qiáng)勢(shì)粒的蛋白質(zhì)、醇溶蛋白、麥谷蛋白、淀粉及支鏈淀粉的含量均顯著高于弱勢(shì)粒，但弱勢(shì)粒的直鏈淀粉含量顯著高于強(qiáng)勢(shì)粒。

圖5 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒胚乳細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的差異

A：強(qiáng)勢(shì)粒淀粉粒光學(xué)顯微鏡圖；B：弱勢(shì)粒淀粉粒光學(xué)顯微鏡圖；C：強(qiáng)勢(shì)粒淀粉粒度分布；D：弱勢(shì)粒淀粉粒度分布。

A：Optical microscope images of starch granulesin superior grains；B：Optical microscope images of starch granulesin inferior grains；C：Starch size distribution in superior grains；D：Starch size distribution in inferior grains.

圖6 小麥強(qiáng)弱勢(shì)粒淀粉粒形態(tài)觀察及其粒度分布

表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。同列數(shù)據(jù)后小寫字母不同表示數(shù)據(jù)間差異顯著(P<0.05)。

The data in the table are “mean±standard deviation”.Different lower-case letters following data within same column indicate significant differences at 0.05 level.

3 討 論

小麥穎果發(fā)育前期以果皮發(fā)育為主，后期隨著果皮逐步降解變薄胚乳開始發(fā)育，主要表現(xiàn)為胚乳細(xì)胞的增殖和生長(zhǎng)。郭艷艷等[20]和顧蘊(yùn)潔等[21]研究發(fā)現(xiàn)，小麥胚乳細(xì)胞從花后6 d急劇增加，花后20～23 d胚乳細(xì)胞數(shù)目基本穩(wěn)定，這與本研究觀察到的強(qiáng)弱勢(shì)粒穎果的形態(tài)特征基本一致。這可能是因?yàn)榕呷榧?xì)胞的增殖和生長(zhǎng)對(duì)穎果體積的變化有一定的時(shí)間效應(yīng)[22]，前期胚乳細(xì)胞的增殖和生長(zhǎng)是穎果體積變化的重要因素，而后期胚乳細(xì)胞的生長(zhǎng)體積已經(jīng)逐漸飽和，表現(xiàn)為細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)藏物質(zhì)的積累，故體積變化相對(duì)不明顯。而強(qiáng)弱勢(shì)粒穎果的形態(tài)差異也可能與其胚乳細(xì)胞增殖的多少以及單個(gè)細(xì)胞的形態(tài)大小有關(guān)[13,23-24]。

本研究表明，小麥不同部位的強(qiáng)弱勢(shì)粒的蛋白體和淀粉體的積累均存在明顯差異，這可能與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸有關(guān)。Chen等[7]認(rèn)為小麥胚乳營(yíng)養(yǎng)運(yùn)輸是通過(guò)“篩管-維管束-珠心”途徑運(yùn)輸，然后珠心突起傳遞細(xì)胞再經(jīng)胚乳傳遞細(xì)胞裝載至胚乳細(xì)胞，那么從胚乳腔運(yùn)輸至背部的距離就長(zhǎng)于腹部，而運(yùn)輸?shù)酿B(yǎng)分也可能先沉積在遠(yuǎn)離胚乳腔的位置而后再沉積在距胚乳腔較近的位置，這可能是強(qiáng)弱勢(shì)粒中不同位置的蛋白體和淀粉體的積累存在明顯差異的原因。而Yu等[8]研究發(fā)現(xiàn)珠心突起傳遞細(xì)胞和胚乳傳遞細(xì)胞分別在花后6 d和9 d開始分化，因此強(qiáng)、弱勢(shì)粒間淀粉體和蛋白體的積累差異可能與兩者的分化時(shí)間有關(guān)。另外，強(qiáng)勢(shì)粒中的小淀粉粒較多，這可能與胚乳發(fā)育過(guò)程中小淀粉體的出現(xiàn)時(shí)間以及強(qiáng)弱勢(shì)粒的灌漿時(shí)間有關(guān)。

本研究顯示，強(qiáng)勢(shì)粒的總淀粉含量高于弱勢(shì)粒，而其直鏈淀粉含量低于弱勢(shì)粒，這與Wang等[14]的研究結(jié)果一致。蛋白質(zhì)及其組分的含量是影響小麥面粉加工品質(zhì)的主要因素[26]，其中醇溶蛋白和谷蛋白為儲(chǔ)藏蛋白，且在發(fā)育階段占穎果質(zhì)量的8%～10%[27]。谷蛋白是影響面團(tuán)強(qiáng)度(彈性)的主要因素，而醇溶蛋白關(guān)系則與面團(tuán)的黏度和延展性有關(guān)[28]。一般情況下，小麥的蛋白含量與其面粉加工品質(zhì)呈正相關(guān)，蛋白含量越高，面粉加工品質(zhì)也較高。本研究中，強(qiáng)、弱勢(shì)粒的谷蛋白和醇溶蛋白含量存在差異，這可能與蛋白中高分子量谷蛋白亞基和低分子量谷蛋白亞基含量不同有關(guān)[29]。