大麥籽粒淀粉和β-葡聚糖積累特性研究

王 蕾 王 悅 嚴(yán)宗山 李潤喜 謝忠清 張自強(qiáng) 張想平

（1甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院，733006，甘肅武威；2阜陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，236000，安徽阜陽）

大麥成熟籽粒中碳水化合物占78%～83%，其中淀粉50%～70%[1]，β-葡聚糖2%～9%[2]。淀粉由支鏈淀粉和直鏈淀粉組成，直鏈淀粉/支鏈淀粉比值決定淀粉性質(zhì)，進(jìn)而決定其在食品加工行業(yè)的應(yīng)用[3-4]。支鏈淀粉含量高于95%的大麥材料屬于糯性大麥，其具有較高冷凍穩(wěn)定性、易膨化等特性，適于冷凍食品[5-6]和膨化食品加工[7]。β-葡聚糖具有清腸、調(diào)節(jié)血糖、降低膽固醇和提高免疫力等生理功能[8-9]，其含量高低影響大麥的功能特性和應(yīng)用價(jià)值。支鏈淀粉和β-葡聚糖均屬于可溶性膳食纖維，能被人體吸收利用[10]，是食用大麥研究的重點(diǎn)品質(zhì)指標(biāo)[11]。

前人[10]研究表明，β-葡聚糖與支鏈淀粉和直鏈淀粉在代謝過程中相互影響，β-葡聚糖調(diào)節(jié)淀粉合成，其與直鏈淀粉含量呈反比，也有研究[12]認(rèn)為高糯性直鏈淀粉材料β-葡聚糖含量高于常規(guī)材料，目前關(guān)于淀粉各組分與β-葡聚糖的關(guān)系還沒有定論，因此，有必要對(duì)淀粉各組分與β-葡聚糖的關(guān)系做進(jìn)一步分析。

通過對(duì)水稻和小麥淀粉各組分積累特性研究，發(fā)現(xiàn)支鏈淀粉和直鏈淀粉最終積累量由最大積累速率和平均積累速率決定[13-14]，但郭連安等[15]認(rèn)為直鏈淀粉積累量由最大積累速率決定，支鏈淀粉積累量取決于最大積累速率出現(xiàn)時(shí)間和活躍積累期長短，鄭許光等[16]通過對(duì)裸大麥淀粉積累特性研究認(rèn)為支鏈淀粉和直鏈淀粉最終積累量由積累起勢(shì)和積累速率決定，但其試驗(yàn)材料僅限于裸大麥，對(duì)皮大麥沒有分析。關(guān)于大麥β-葡聚糖的研究大多在食品加工和提取方式等方面[17-18]，缺乏對(duì)積累特性的研究。本研究選用4個(gè)不同基因型大麥品種（系），研究淀粉各組分和β-葡聚糖積累特性，明確直鏈淀粉、支鏈淀粉與β-葡聚糖含量的關(guān)系，以期為培育高支鏈淀粉、高β-葡聚糖食用大麥新品種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和供試材料

試驗(yàn)在甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院原種場(chǎng)試驗(yàn)田（103°15′E，37°30′N）進(jìn)行。

試驗(yàn)材料：2個(gè)皮大麥品種：甘墾啤7號(hào)（GKP 7）和甘啤6號(hào)（GP 6）；2個(gè)裸大麥品系：甘墾6號(hào)（GK 6）、C 2-1（糯大麥）。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積12m2，區(qū)長4.0m，寬3.0m。田間統(tǒng)一管理，2018年3月底種植，7月底收獲。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 總淀粉含量測(cè)定 于開花期選取株高、穗型大小基本一致、同一天開花的麥穗掛牌標(biāo)記。于花后7、14、21、28d選取標(biāo)記麥穗，殺青烘干，用于淀粉各組分和β-葡聚糖含量測(cè)定。采用趙世杰等[19]蒽酮比色法測(cè)定總淀粉含量。

1.2.2 支鏈淀粉含量測(cè)定 采用Megazyme公司生產(chǎn)的直鏈淀粉/支鏈淀粉試劑盒測(cè)定直鏈淀粉占總淀粉的比例，根據(jù)總淀粉含量計(jì)算支鏈淀粉和直鏈淀粉含量。

1.2.3 β-葡聚糖含量測(cè)定 采用Megazyme公司生產(chǎn)的β-葡聚糖試劑盒測(cè)定β-聚葡聚糖含量。

1.2.4 淀粉各組分及β-葡聚糖積累特性 直鏈淀粉積累過程中直鏈淀粉積累量由直鏈淀粉含量乘以干物質(zhì)量求得。根據(jù)直鏈淀粉積累量（y）與開花后天數(shù)（t）建立Logistic方程：y=k/（1+ae-bt），式中a、b為常數(shù)，k為生長終值量。根據(jù)方程推導(dǎo)出下列積累參數(shù)：積累起始勢(shì)C0=K/（1+a），反映受精子房的生長潛勢(shì)；最大積累速率Rmax=kb/4；最大積累速率出現(xiàn)時(shí)間Tmax=lna/b；T99為有效積累時(shí)間，表示達(dá)到99% k時(shí)間；R為平均積累速率；積累過程劃分為3個(gè)階段：漸增期、快增期和緩增期，3個(gè)階段積累持續(xù)時(shí)間（d）分別為T1、T2、T3，積累速率（mg/d）分別為R1、R2、R3[20]。

支鏈淀粉和β-葡聚糖積累過程的Logistic方程擬合與直鏈淀粉相同。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大麥籽粒淀粉各組分和β-葡聚糖含量變化

灌漿過程中，籽粒直鏈淀粉和支鏈淀粉含量測(cè)定結(jié)果（圖1A和B）顯示，隨著灌漿進(jìn)程推進(jìn)，甘啤6號(hào)直鏈淀粉和支鏈淀粉含量均呈逐漸升高趨勢(shì)，在成熟期達(dá)到最大值；甘墾啤7號(hào)和甘墾6號(hào)呈先升高后降低趨勢(shì)，在21d有個(gè)峰值；糯大麥C 2-1直鏈淀粉含量在整個(gè)灌漿期均低于5.00%，且呈降低趨勢(shì)，支鏈淀粉含量呈先升高后降低趨勢(shì)，花后7～28d均顯著高于其他非糯材料。

圖1 大麥籽粒淀粉各組分及β-葡聚糖含量變化Fig.1 Changes of starch components and β-glucan contents in barley grain

由圖1C可知，花后7～28d甘墾6號(hào)比例變化不明顯，其他品種（系）明顯下降，在花后14d趨于穩(wěn)定，由此推測(cè)淀粉積累初期（0～7d），直鏈淀粉增長速率高于支鏈淀粉，7～14d支鏈淀粉積累增速率高于直鏈淀粉，14d后二者積累增速趨于一致。

由圖1D可知，不同品種（系）大麥β-葡聚糖含量均呈逐漸升高趨勢(shì)，在成熟期達(dá)到最大值，其中糯大麥C 2-1 β-葡聚糖含量在整個(gè)灌漿期均高于其他材料。籽粒灌漿初期，甘墾啤7號(hào)、甘墾6號(hào)和C 2-1 β-葡聚糖含量顯著高于甘啤6號(hào)，三者間沒有明顯差異；成熟期糯大麥C 2-1的β-葡聚糖含量顯著高于甘墾6號(hào)、甘啤6號(hào)和甘墾啤7號(hào)。

2.2 大麥籽粒淀粉各組分和β-葡聚糖積累量變化

C 2-1直鏈淀粉積累量先升高后降低，整個(gè)灌漿期均低于2.0mg，支鏈淀粉積累量7～14d快速增加，14～28d保持穩(wěn)定；其他參試材料淀粉各組分花后7～28d積累量變化趨勢(shì)與含量變化趨勢(shì)基本一致（圖2A和B）?；ê?d，甘啤6號(hào)直鏈淀粉積累量最高，與甘墾6號(hào)沒有顯著差異，顯著高于甘墾啤7號(hào)和C 2-1；花后28d，甘啤6號(hào)直鏈淀粉積累量最高，顯著高于甘墾啤7號(hào)、甘墾6號(hào)和C 2-1；支鏈淀粉積累量為灌漿初期（花后7d）甘墾6號(hào)和C 2-1顯著高于甘啤6號(hào)和甘墾啤7號(hào)，成熟期（花后28d），甘啤6號(hào)和C 2-1顯著高于甘墾啤7號(hào)和甘墾6號(hào)。

由圖2C可知，β-葡聚糖積累量呈逐漸升高趨勢(shì)，成熟期積累量最高，其中糯大麥C 2-1積累量增加迅速，呈直線增長?；ê?d，甘墾6號(hào)β-葡聚糖含量顯著高于其余參試材料；花后28d，糯大麥C 2-1積累量顯著高于甘墾啤7號(hào)、甘啤6號(hào)和甘墾6號(hào)。

圖2 大麥籽粒淀粉各組分及β-葡聚糖積累量變化Fig.2 Changes of starch components and betaglucan accumulations in barley grain

2.3 成熟期籽粒淀粉各組分與β-葡聚糖相關(guān)性

由表1可以看出，β-葡聚糖含量與直鏈淀粉含量和積累量、直鏈淀粉/支鏈淀粉比呈極顯著負(fù)相關(guān)，與支鏈淀粉含量呈正相關(guān)，說明成熟籽粒中直鏈淀粉含量越低、支鏈淀粉含量越高、直鏈淀粉/支鏈淀粉比越低，β-葡聚糖含量越高。β-葡聚糖積累量與淀粉各組分相關(guān)性較弱。

表1 大麥籽粒淀粉各組分與β-葡聚糖含量及積累量相關(guān)性分析Table 1 Correlation analysis of contents and accumulations of barley grain starch components and β-glucan

2.4 籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉及β-葡聚糖積累特性

糯大麥C 2-1直鏈淀粉積累量較低，其規(guī)律不符合Logistic方程，故不作討論，其他3個(gè)材料Logistic方程擬合的決定系數(shù)R2均高于0.950，可以較好地表示直鏈淀粉積累特性（表2）。甘啤6號(hào)積累起勢(shì)最高，有效積累時(shí)間最長，快增期持續(xù)時(shí)間和漸增期速率最高，平均積累速率、最大積累速率和達(dá)到最大速率的時(shí)間均低于甘墾啤7號(hào)，甘啤6號(hào)直鏈淀粉最終積累量高于甘墾啤7號(hào)，說明直鏈淀粉C0、T99、T2、R1對(duì)直鏈淀粉最終積累量形成作用較大。

表2 大麥籽粒直鏈淀粉、支鏈淀粉及β-葡聚糖積累參數(shù)分析Table 2 The parameters of logistic equation of amylose, amylopectin and β-glucan accumulation in barley grain

由支鏈淀粉積累特征參數(shù)可知，甘墾6號(hào)和C 2-1 C0值均高于甘啤6號(hào)和甘墾啤7號(hào)，推測(cè)裸大麥支鏈淀粉積累早于皮大麥。C 2-1和甘啤6號(hào)R、Rmax、R1和T2值較高，T99和Tmax較低，其最終積累量較高，推測(cè)高支鏈淀粉材料快增期持續(xù)時(shí)間長，平均積累速率、最高積累速率和漸增期積累速率較高，有效積累時(shí)間較短，能在較短時(shí)間達(dá)到最高速率。通過比較直鏈淀粉和支鏈淀粉積累特性可知，籽粒灌漿期支鏈淀粉積累速率均高于直鏈淀粉，支鏈淀粉快增期持續(xù)時(shí)間較直鏈淀粉短，漸增期和緩增期持續(xù)時(shí)間差異不明顯，由此推測(cè)支鏈淀粉早于直鏈淀粉完成快速積累過程。

C 2-1和甘墾啤7號(hào) β-葡聚糖C0、T99、Tmax、T1、T2、T3明顯高于其他參試材料，其最終積累量也較高，說明β-葡聚糖積累量高的材料積累較早，有效積累持續(xù)時(shí)間長。

3 討論

淀粉是禾谷類作物籽粒主要組成部分，前人關(guān)于淀粉含量及積累量變化的研究較多，宋歸華等[21]研究表明糯小麥支鏈淀粉含量呈“S”型增長，在成熟期達(dá)到最大值；非糯小麥支鏈淀粉含量先增加后降低。而鄭許光等[22]通過對(duì)糯大麥和非糯大麥研究認(rèn)為直鏈淀粉和支鏈淀粉含量隨生育期的推進(jìn)均逐漸增加。通過對(duì)淀粉各組分積累量研究[23-24]認(rèn)為直鏈淀粉和支鏈淀粉積累量均呈現(xiàn)“慢-快-慢”增加趨勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果表明不同大麥品種（系）淀粉各組分積累趨勢(shì)存在差異，甘啤6號(hào)直鏈淀粉和支鏈淀粉含量隨灌漿進(jìn)行逐漸增加，在成熟期達(dá)到最大值；甘墾啤7號(hào)和甘墾6號(hào)直鏈淀粉和支鏈淀粉含量呈先升高后降低趨勢(shì)，在花后21d達(dá)到最大值；糯大麥C 2-1直鏈淀粉含量在整個(gè)灌漿期均低于5.00%，呈降低趨勢(shì)，支鏈淀粉含量在整個(gè)灌漿期先升高后降低。直鏈淀粉和支鏈淀粉積累量變化趨勢(shì)基本同含量變化趨勢(shì)一致。本次試驗(yàn)結(jié)果與前人研究存在差異，可能是由于灌漿后期高溫干旱，降低直鏈淀粉和支鏈淀粉積累[25]，而甘啤6號(hào)含量和積累量持續(xù)升高，推測(cè)甘啤6號(hào)抗旱性優(yōu)于其他參試材料。

β-葡聚糖具有降低血糖和膽固醇的作用[26-27]，可作為食品添加劑和保健用品進(jìn)行開發(fā)利用[28]，是近年來育種工作者比較重視的一項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)β-葡聚糖含量及積累量在整個(gè)灌漿期均呈逐漸上升趨勢(shì)，成熟期達(dá)到最大值，與臧慧[29]研究結(jié)果一致。糯大麥β-葡聚糖含量明顯高于非糯大麥。通過相關(guān)分析結(jié)果表明，β-葡聚糖含量與直鏈淀粉/支鏈淀粉比、直鏈淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與支鏈淀粉含量呈正相關(guān)，與Shu等[10]研究結(jié)果基本一致。

Logistic方程主要用于灌漿特征參數(shù)的擬合[30-31]，在淀粉各組分積累過程中也有應(yīng)用[13-15]。本研究表明，直鏈淀粉最終積累量受積累起勢(shì)、有效積累時(shí)間、快增期持續(xù)時(shí)間和漸增期積累速率影響較大，與鄢圣敏等[32]研究結(jié)果相同。支鏈淀粉積累量取決于最高積累速率、平均積累速率、快增期持續(xù)時(shí)間和漸增期積累速率，與前人[13-14]研究結(jié)果基本一致。而郭連安等[15]認(rèn)為直鏈淀粉積累量主要由最大積累速率決定，支鏈淀粉積累量取決于最大積累速率出現(xiàn)時(shí)間和活躍積累期長短，本試驗(yàn)結(jié)果與其存在一定差異。通過比較直鏈淀粉與支鏈淀粉積累參數(shù)可知，支鏈淀粉積累快增期持續(xù)時(shí)間較直鏈淀粉短，積累速率高，能較早完成其快速積累過程，但曹穎妮等[13]研究認(rèn)為支鏈淀粉在灌漿后期比較活躍，可能是因?yàn)樾←溑c大麥淀粉積累過程存在差異。本研究通過Logistic方程擬合β-葡聚糖積累過程，其方程R2值均大于0.950，說明采用Logistic方程可以較客觀反映β-葡聚糖積累特性，通過積累參數(shù)可知β-葡聚糖最終積累量與積累起勢(shì)、有效積累時(shí)間及各時(shí)期持續(xù)時(shí)間有關(guān)，與平均灌漿速率和最大灌漿速率關(guān)系較弱。

在育種實(shí)踐中可以把直鏈淀粉/支鏈淀粉比值作為高β-葡聚糖品種選育的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過提高支鏈淀粉和β-葡聚糖有效積累時(shí)間和積累速率等參數(shù)來提高支鏈淀粉和β-葡聚糖積累量。本試驗(yàn)主要探討了直鏈淀粉、支鏈淀粉和β-葡聚糖積累特性及其相互關(guān)系，并未對(duì)淀粉各組分和β-葡聚糖代謝過程作研究，為了深入了解其合成過程及相互作用，有必要對(duì)代謝相關(guān)酶等影響因素作進(jìn)一步分析。

4 結(jié)論

通過不同品種（系）大麥籽粒淀粉各組分和β-葡聚糖含量及積累特性研究發(fā)現(xiàn)，β-葡聚糖含量與直鏈淀粉/支鏈淀粉比呈極顯著負(fù)相關(guān)；直鏈淀粉、β-葡聚糖最終積累量與積累起勢(shì)與有效積累時(shí)間有關(guān)，支鏈淀粉最終積累量取決于最高積累速率和平均積累速率。