小麥籽粒品質(zhì)空間分布異質(zhì)性及其形成機(jī)制研究進(jìn)展

姜東,仲迎鑫,蔡劍,周琴,王笑,戴廷波,曹衛(wèi)星

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部小麥區(qū)域技術(shù)創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210095)

小麥?zhǔn)俏覈钪饕募Z食作物之一,也是廣受人們喜愛的主食品種。目前,我國小麥生產(chǎn)總量已完全滿足國內(nèi)需求,但品質(zhì)提升不足,難以滿足人們提高生活質(zhì)量的需求,導(dǎo)致低質(zhì)小麥大量壓庫,而優(yōu)質(zhì)小麥原料仍需大量進(jìn)口。研究人員根據(jù)消費(fèi)習(xí)慣將我國小麥分為強(qiáng)筋(面包類、蛋白質(zhì)含量相對較高)、中筋(蒸煮類、蛋白質(zhì)含量中等)和弱筋(餅干糕點(diǎn)類、蛋白質(zhì)含量相對較低)3個(gè)品質(zhì)專用類型。胡學(xué)旭等[1]分析了2006—2015期間我國小麥主產(chǎn)區(qū)742個(gè)品種的7 561份樣品,發(fā)現(xiàn)選育和推廣的強(qiáng)筋和弱筋小麥品種數(shù)量在不斷增加,但優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋和弱筋小麥原糧達(dá)標(biāo)率分別僅為4.8%和0.4%,這也導(dǎo)致我國優(yōu)質(zhì)小麥進(jìn)口增長迅速。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù),2011—2013年我國進(jìn)口小麥由125萬t增加到553萬t,2014—2019年優(yōu)質(zhì)小麥進(jìn)口量維持在350萬t左右(https://www.chyxx.com/industry/202004/851643.html)。而2020年新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)后,很多國家主動(dòng)關(guān)閉了糧食出口通道,完全依靠進(jìn)口來解決我國優(yōu)質(zhì)小麥需求的風(fēng)險(xiǎn)極大。因此,小麥品質(zhì)改良與產(chǎn)量提升成為我國小麥生產(chǎn)的重要任務(wù)之一。

我國小麥品質(zhì)形成機(jī)制與調(diào)優(yōu)技術(shù)研究始于20世紀(jì)80年代,遠(yuǎn)遲于美國、加拿大、澳大利亞及歐洲等主要小麥出口國。長期以來,我國小麥生產(chǎn)中需要施用足量的氮肥以實(shí)現(xiàn)較高的產(chǎn)量。在適量范圍內(nèi)增施氮肥確實(shí)可顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量,有利于強(qiáng)筋和中筋小麥品質(zhì)的提高,但同時(shí)帶來氮素利用效率下降及生態(tài)污染等問題[2]。弱筋小麥的產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)調(diào)則面臨更大的挑戰(zhàn),因?yàn)樵鍪┑蕰?dǎo)致籽粒蛋白質(zhì)含量偏高,嚴(yán)重降低弱筋小麥品質(zhì)[3]。在適于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)弱筋小麥的長江中下游麥區(qū),小麥物化生產(chǎn)成本為 6 750～7 000元·hm-2,再加上土地租金和人工成本,產(chǎn)量要超過6 000 kg·hm-2才能有一定的收益,而在這個(gè)產(chǎn)量水平下,弱筋小麥的籽粒蛋白質(zhì)含量極易超標(biāo),導(dǎo)致弱筋小麥產(chǎn)量與品質(zhì)間的矛盾突出。因此,急需尋求新的研究思路,探究在控制氮肥投入的情況下,提高中強(qiáng)筋小麥面粉蛋白質(zhì)含量,保證中強(qiáng)筋小麥品質(zhì);以及優(yōu)化栽培技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)弱筋小麥產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)同提升。

決定小麥品質(zhì)和產(chǎn)量最重要的化學(xué)組分——蛋白質(zhì)和淀粉在籽粒不同部位的含量差異顯著(圖1),并且籽粒不同部位蛋白質(zhì)含量和加工品質(zhì)對施氮等栽培措施的響應(yīng)也明顯不同[4]。在常用的制粉工藝中,約占30%的果皮、種皮、糊粉層、胚、部分外胚乳等籽粒外層部位會作為麩皮被去除掉。這為通過栽培措施調(diào)控小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)協(xié)調(diào)提供了新的思路:對于中強(qiáng)筋小麥,可以選擇外層面粉蛋白質(zhì)含量對施氮響應(yīng)不敏感、氮素主要在籽粒內(nèi)層積累的品種,在有效提高面粉蛋白含量同時(shí)提高氮肥利用效率;而對于弱筋小麥,可選擇內(nèi)層面粉蛋白質(zhì)含量對施氮響應(yīng)不敏感、氮素主要在籽粒外層積累的品種,這樣可以在適當(dāng)增施或控制氮肥用量實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的同時(shí),穩(wěn)定甚至降低內(nèi)層胚乳蛋白質(zhì)含量,保證弱筋小麥籽粒蛋白含量不超標(biāo),實(shí)現(xiàn)豐產(chǎn)提質(zhì)同步。因此,本文綜述了小麥籽粒主要化學(xué)組分和加工品質(zhì)空間分布的異質(zhì)性及其生理調(diào)節(jié)機(jī)制,品質(zhì)空間分布異質(zhì)性對栽培措施的差異響應(yīng)等方面的研究進(jìn)展,提出了未來需重點(diǎn)突破的方向,為進(jìn)一步深入闡明小麥產(chǎn)量品質(zhì)協(xié)同機(jī)制、創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)小麥產(chǎn)量品質(zhì)協(xié)同提升栽培技術(shù)提供新的思路。

圖1 甲苯胺藍(lán)染色的灌漿期籽粒橫切面Fig.1 Cross section of a developing grain stained with toluidine blue

1 小麥籽?；瘜W(xué)組分與加工品質(zhì)空間分布異質(zhì)性

小麥籽粒由胚乳、胚和麩皮組成,其中胚乳約占82%,胚約占3%,麩皮約占15%[5]。麩皮由外果皮、內(nèi)果皮、外種皮、珠心表皮和糊粉層組成,其中糊粉層是包裹胚乳的最外層細(xì)胞,約占麩皮重的50%[6]。小麥籽粒含量最高的化學(xué)組分是淀粉,約占粒重的70%;其次為蛋白質(zhì),約占8%～20%[7],這2種組分在很大程度上決定了小麥籽粒的產(chǎn)量和品質(zhì)。此外,籽粒中還包含很多對人體有益的營養(yǎng)物質(zhì),如膳食纖維、微量元素、植物生物活性物質(zhì)及類胡蘿卜素等[8],各組分在籽粒不同部分的分布均有顯著差異。

1.1 蛋白質(zhì)空間分布規(guī)律

關(guān)于籽粒不同部位蛋白含量的差異性早有報(bào)道,Kent[9]測定了亞糊粉層和內(nèi)胚乳部位磨制面粉中的蛋白含量,發(fā)現(xiàn)亞糊粉層蛋白含量約為內(nèi)胚乳的3倍。近年來,隨著分層磨粉技術(shù)的發(fā)展,從外向內(nèi)可大致獲取麩皮(10%)、糊粉層(10%)、亞糊粉層(10%)、外胚乳(20%)、中胚乳(20%)、內(nèi)胚乳(30%)部位的面粉[4]。對每一層的蛋白含量進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)蛋白含量呈現(xiàn)單峰分布,從麩皮層到內(nèi)胚乳呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在糊粉層和外胚乳層的含量最高,不同品質(zhì)類型小麥品種均表現(xiàn)出一致的規(guī)律[10]。

根據(jù)蛋白質(zhì)在不同溶劑中的溶解度可進(jìn)一步將其分為4類:溶于水的清蛋白、溶于100 g·L-1氯化鈉溶液的球蛋白、溶于70%乙醇溶液的醇溶蛋白、溶于2 g·L-1氫氧化鈉溶液的谷蛋白[11]。清蛋白和球蛋白被稱為非面筋蛋白或者結(jié)構(gòu)蛋白[12],主要作為酶參與各種代謝,對蛋白質(zhì)加工品質(zhì)影響較小;醇溶蛋白和谷蛋白被稱為貯藏蛋白或面筋蛋白,可在淀粉粒周圍形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),構(gòu)成面筋的主體[13]。關(guān)于不同層次面粉蛋白組分含量的差異已有較多報(bào)道。清蛋白和球蛋白的含量從外層到內(nèi)層呈現(xiàn)逐層下降的趨勢[4,14],結(jié)構(gòu)蛋白主要存在于小麥籽粒的外層[12]。醇溶蛋白、麥谷蛋白這2種貯藏蛋白組分含量從外層到內(nèi)層則呈先上升再下降的趨勢,在籽粒外胚乳層達(dá)到峰值,內(nèi)胚乳層最低[14-15]。

谷蛋白大分子聚合物(GMP)是不溶于十二烷基硫酸鈉(SDS)的大型麥谷蛋白聚合物之一[16],與小麥面粉的烘焙性能高度相關(guān)。經(jīng)聚丙烯酰胺凝膠電泳(SDS-PAGE)分離后,GMP被進(jìn)一步分成高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)和低分子量麥谷蛋白亞基(LMW-GS)[8]。與面包強(qiáng)度呈正相關(guān)的HMW-GS、LMW-GS和GMP與麥谷蛋白的空間分布模式一致,均在外胚乳層含量最高[4]。

超薄切片染色結(jié)合顯微鏡觀察可更為直觀地觀察灌漿期籽粒的蛋白體分布規(guī)律。Savill等[17]運(yùn)用ArcGIS軟件將籽粒橫切面由外向內(nèi)分成5層,并對不同層次的蛋白體面積進(jìn)行量化,發(fā)現(xiàn)面積大于1 μm2的蛋白體在胚乳外層含量較高,而小于1 μm2的蛋白體則多集中在胚乳內(nèi)部。Tosi等[15]采用蛋白特異抗體標(biāo)記結(jié)合免疫電鏡觀察灌漿籽粒面筋蛋白空間分布,發(fā)現(xiàn)γ醇溶蛋白和HMW亞基在中胚乳中含量較高,而α醇溶蛋白、ω醇溶蛋白和LMW亞基則在外胚乳層中含量最高,與分層磨粉所得的結(jié)論基本一致。

1.2 淀粉空間分布規(guī)律

淀粉由2種葡萄糖聚合物構(gòu)成,包括由D-葡萄糖基以α-(1,4)糖苷鍵連接的線性直鏈淀粉和聚合度較高且高度分支的支鏈淀粉。其中直鏈淀粉約占小麥總淀粉含量的18%～35%[18]。通過分層磨粉對不同層次淀粉及其組分含量測定發(fā)現(xiàn),總淀粉及直鏈、支鏈淀粉含量從籽粒外層向內(nèi)層呈增加趨勢,在中胚乳層含量最高,再向內(nèi)則基本保持不變。支鏈淀粉和直鏈淀粉比由麩皮層到外胚乳層迅速下降,而從外胚乳層向內(nèi)則無顯著差異[14]。

成熟期小麥籽粒主要包含A型(>10 μm)和B型(<10 μm)2種淀粉粒[19]。2種類型的淀粉粒在籽粒中分布亦不均勻,亞糊粉層細(xì)胞中的B型淀粉粒數(shù)較多,而中胚乳和內(nèi)胚乳中的A型淀粉粒數(shù)目較多[20]。Zhou等[14]發(fā)現(xiàn)籽粒不同部位淀粉粒的平均粒徑亦存在差異,從外層到內(nèi)層A型淀粉粒的平均粒徑呈上升趨勢。Xiong等[21]報(bào)道,花后15 d的籽粒亞糊粉層的淀粉粒粒徑為1.5～25.5 μm,B型和A型淀粉粒的峰值粒徑分別為2.5和12.5 μm,淀粉粒多為形狀不規(guī)則、粒徑分布小的復(fù)合顆粒;內(nèi)胚乳層的淀粉粒粒徑為1.5～39.5 μm,B型和A型淀粉粒的峰值粒徑分別為3.5和18.5 μm,形狀多為規(guī)則的橢圓形或球形。Tosi等[22]發(fā)現(xiàn)花后20 d的籽粒糊粉層淀粉粒數(shù)和粒徑均顯著小于胚乳層,與成熟期淀粉的空間分布規(guī)律一致。

1.3 其他組分空間分布規(guī)律

細(xì)胞壁多糖是谷物產(chǎn)品中膳食纖維的主要來源,小麥籽粒含11.5%～15.5%的總膳食纖維(TDF),其中阿拉伯木聚糖(AX)5.53%～7.42%、纖維素1.67%～3.05%、β-葡聚糖0.51%～0.96%[23]。幾乎所有的纖維素及大部分AX和β-葡聚糖均位于籽粒麩皮層,白面粉中僅含有2%～3%的細(xì)胞壁多糖。TDF含量由外向內(nèi)逐層下降,內(nèi)胚乳中的TDF、AX和β-葡聚糖含量為麩皮層的15.4%、24.2%和31.8%[24]。Velikovi等[25]通過組織切片的酶解試驗(yàn)結(jié)合MALDI質(zhì)譜成像(MSI)鑒定了酶解釋放的寡糖,觀察不同部位細(xì)胞壁多糖分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)灌漿期AX和β-葡聚糖集中分布在籽粒外層細(xì)胞,并隨籽粒的成熟逐步向內(nèi)遷移。

脂肪在籽粒中所占比例較小,在面粉中僅占2.0%～2.5%[26]。大致分為極性脂質(zhì)(包括細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)成分磷脂和半乳糖脂)、三?；视?貯存脂質(zhì))和游離脂肪酸3種類型。糊粉層和胚中的總脂質(zhì)含量最高,而內(nèi)胚乳中的總脂質(zhì)含量最低。不飽和脂肪酸的比例表現(xiàn)出相似的趨勢[24]。籽粒不同層次的脂質(zhì)組成同樣有差異。游離脂肪酸和三?；视驮诓煌瑢哟蚊娣鄣谋壤^高,而極性脂質(zhì)的含量變化較大,面粉中溶血磷脂酰膽堿和二半乳糖基甘油二酸酯的含量較高,而麩皮和糊粉層中卵磷脂和甘油二酯的比例更高[27]。

小麥籽粒中的一些微量物質(zhì)同樣影響人體健康及面粉的加工品質(zhì),包括礦質(zhì)元素、維生素B(主要是B9、B1、B2、B3和B6)和植化素[28]。小麥籽粒中鐵和鋅的含量由外層向內(nèi)層逐漸下降,但可溶性鐵和鋅的比例逐層增加[29]。目前僅知道維生素或植化素在麩皮層和糊粉層的含量較高,其他微量物質(zhì)由于含量過低,在胚乳中的空間分布規(guī)律報(bào)道較少[30]。

1.4 加工及烘焙品質(zhì)空間分布規(guī)律

淀粉和蛋白等化學(xué)組分在籽粒中的空間分布異質(zhì)性會導(dǎo)致不同層次面粉加工品質(zhì)的空間差異?？偟矸酆椭辨湹矸酆考癆型淀粉粒比例由胚乳外層向內(nèi)層上升趨勢明顯,面粉糊化參數(shù)如峰值黏度、低谷黏度、崩解值、最終黏度、回生值和糊化時(shí)間等均呈上升的趨勢,而糊化溫度呈逐漸下降的趨勢。貯藏蛋白及其組分含量的空間異質(zhì)性決定了不同部位面粉面筋的含量和強(qiáng)度顯著不同[10]。例如,面粉的堿性水保持力、碳酸鈉溶劑保持力、蔗糖溶劑保持力、去離子水溶劑保持力、乳酸溶劑保持力由外胚乳層向內(nèi)胚乳層呈先上升后下降的趨勢;外胚乳層HMW亞基和GMP含量均最高,面粉中的干/濕面筋含量最高,面筋指數(shù)較高,形成的面團(tuán)強(qiáng)度較高[31]。

籽粒不同部位面粉烘焙品質(zhì)也呈現(xiàn)顯著的空間異質(zhì)性。麩皮層及糊粉層中蛋白質(zhì)、膳食纖維、鈣鐵鋅等礦質(zhì)元素含量均較高,但因淀粉含量過低,烘焙產(chǎn)品的感官評價(jià)均較差[14]。由麩皮層向內(nèi)胚乳分層磨制面粉所烘焙出面包的體積、彈性和感官評分先上升后下降,由外胚乳層及中胚乳層磨制面粉制成的面包品質(zhì)最優(yōu),內(nèi)聚力和回復(fù)性數(shù)值相對較大,而硬度和咀嚼性數(shù)值則相對較小[4]。由外向內(nèi),不同層次面粉烘焙餅干的直徑先減小后增加，厚度和硬度下降，比容和亮度先上升后下降,感官評分增加;其中,內(nèi)胚乳層面粉制成的餅干直徑、延展因子最大,感官評分最高,厚度和硬度值最小,餅干烘焙品質(zhì)最好[14]。

2 籽粒品質(zhì)空間分布差異的形成機(jī)制

Shewry等[32]和Evers[33]對軟質(zhì)小麥品種‘Caesar’及硬質(zhì)小麥品種‘Svenno’和‘Hereward’的籽粒發(fā)育進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)在正常生長條件下,小麥籽粒發(fā)育可分為3個(gè)階段:細(xì)胞分化和擴(kuò)張期(花后0～14 d),籽粒不同部位結(jié)構(gòu)基本形成,而蛋白與淀粉的合成處于起步階段;籽粒充填期(花后14～28 d),面筋蛋白與淀粉的快速合成階段;脫水期(花后28 d到成熟),籽粒灌漿速率減慢且含水量逐步下降[32-33]。一般在花后8 d左右,淀粉在造粉體中以由蔗糖轉(zhuǎn)化形成的腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)為底物進(jìn)行生物合成;面筋蛋白則以氨基酸為底物,在花后10 d左右開始在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成[32]。因此,小麥籽粒品質(zhì)異質(zhì)性形成基因可能主要與以下幾個(gè)過程有關(guān):(1)籽粒由外到內(nèi)淀粉含量逐層上升,內(nèi)胚乳中較高的淀粉含量對蛋白產(chǎn)生稀釋效應(yīng)。然而,將小麥籽粒由外向內(nèi)分成9層(每層約占10%左右),發(fā)現(xiàn)內(nèi)部4層(約占50%)的淀粉含量基本不變,但是蛋白含量仍呈下降趨勢[4,10,14],說明這一過程不成立;(2)籽粒不同部位蛋白或淀粉合成的起止時(shí)間存在差異。在玉米胚乳的程序性死亡由胚乳中心起始,逐層向外有序進(jìn)行,因此外胚乳合成貯藏物質(zhì)的時(shí)間更長。但Young等[34]采用伊文思藍(lán)對小麥灌漿期籽粒染色,發(fā)現(xiàn)小麥胚乳細(xì)胞程序性死亡起始時(shí)間呈現(xiàn)無序性,表明籽粒不同部位同一貯藏物質(zhì)合成時(shí)間基本相同,該過程亦不成立;(3)籽粒不同部位淀粉(蔗糖)或蛋白合成底物(氨基酸)的供應(yīng)存在空間差異;(4)籽粒不同部位淀粉或蛋白合成能力的差異導(dǎo)致其空間分布的異質(zhì)性。以下主要針對過程(3)和(4)進(jìn)行綜述。

2.1 蛋白質(zhì)和淀粉合成底物的供應(yīng)與籽粒品質(zhì)空間異質(zhì)性

Ugalde等[35-36]基于微型切片技術(shù)分析了花后20 d小麥籽粒游離氨基酸及糖類的組成,發(fā)現(xiàn)從胚乳腔運(yùn)輸至籽粒的氨基酸和蔗糖的濃度梯度與蛋白及淀粉的積累梯度不匹配,因此提出籽粒蛋白或淀粉積累異質(zhì)性與底物的供應(yīng)沒有直接聯(lián)系。但淀粉合成大致起始于花后8 d,貯藏蛋白合成大致起始于花后 10 d[32],并且淀粉及蛋白的空間異質(zhì)性從花后14 d才開始形成[15]。因此,需進(jìn)一步分析不同灌漿期胚乳不同部位游離氨基酸及糖類濃度和組成的變化,尤其是蛋白質(zhì)及淀粉合成起始的灌漿早期空間分布變化。灌漿早期籽粒較小且含水量較高,獲取不同部位樣本的難度大,相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。Peukert等[37]通過質(zhì)譜成像技術(shù)觀察花后10～20 d的大麥胚乳,發(fā)現(xiàn)近胚乳腔處的二糖、三糖及己糖含量均高于外胚乳及糊粉層,與成熟籽粒淀粉空間分布一致。Zhong等[38]發(fā)現(xiàn)灌漿前期(花后7～11 d)游離氨基酸在籽粒中的分布模式與成熟期籽粒蛋白質(zhì)分布趨勢一致。因此,淀粉和蛋白質(zhì)分布的空間異質(zhì)性可能與灌漿早期底物的供應(yīng)能力密切相關(guān);但隨著灌漿中后期淀粉和蛋白質(zhì)迅速合成,底物消耗很快,尚缺乏直接的證據(jù)證明整個(gè)灌漿期間底物的供應(yīng)能力導(dǎo)致了蛋白質(zhì)和淀粉含量空間分布的異質(zhì)性。而關(guān)于脂質(zhì)、膳食纖維、微量元素等物質(zhì)的空間分布差異與其合成底物的關(guān)系尚無報(bào)道。

灌漿底物供應(yīng)能力在籽粒中的空間差異與灌漿物質(zhì)的運(yùn)輸路徑息息相關(guān)。王忠等[39]曾提出假說:通過小穗維管束運(yùn)輸來的灌漿物質(zhì)先卸載到質(zhì)外體(胚乳腔)后再運(yùn)輸給胚乳,這個(gè)過程可能存在2條途徑:一條是傳遞細(xì)胞路徑,通過胚乳腔周邊的傳遞細(xì)胞直接進(jìn)入內(nèi)胚乳細(xì)胞并向外呈輻射狀運(yùn)輸(圖2-A);另外一條途徑是糊粉層路徑,通過種皮質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)阶蚜Ｍ庵?然后穿過糊粉層由外向內(nèi)運(yùn)輸至胚乳各層(圖2-B)。目前,有關(guān)這2條運(yùn)輸路徑的報(bào)道尚存在較大爭議。Chen等[40]利用樹脂半薄切片結(jié)合Image-Pro Plus軟件觀察了花后18和28 d籽粒中蛋白體的分布差異,發(fā)現(xiàn)蛋白體數(shù)量和相對面積從大到小依次為腹部近糊粉層、背部近糊粉層、腹部中胚乳層。這可能與蛋白質(zhì)合成底物運(yùn)輸路徑有關(guān):氨基酸由胚乳腔經(jīng)由籽粒外周,穿過外側(cè)糊粉層運(yùn)輸,由于背部位于腹部的下游,從胚乳腔運(yùn)輸?shù)奖巢康木嚯x不僅比運(yùn)到腹部長且需消耗更多的能量,進(jìn)而推測氨基酸主要通過糊粉層路徑進(jìn)行運(yùn)輸。Xiong等[21]觀察花后15 d小麥胚乳淀粉粒積累動(dòng)態(tài),推斷出蔗糖也先在外胚乳積累,進(jìn)而運(yùn)輸?shù)絻?nèi)胚乳,最后運(yùn)輸至轉(zhuǎn)移細(xì)胞,認(rèn)為淀粉合成底物與蛋白質(zhì)合成底物運(yùn)輸均通過糊粉層路徑。然而,Peukert等[37]卻發(fā)現(xiàn)在花后 10～20 d大麥胚乳腔周邊細(xì)胞與糖類代謝相關(guān)基因的表達(dá)與代謝活性更強(qiáng),并推斷蔗糖主要通過轉(zhuǎn)移細(xì)胞途徑進(jìn)行傳遞。與其結(jié)論一致的是,Moore等[41]用毛細(xì)管將15N標(biāo)記的谷氨酰胺注入灌漿期麥穗中,采用納米二次離子質(zhì)譜技術(shù)(NanoSIMS)測定蛋白體中15N的富集程度,發(fā)現(xiàn)15N標(biāo)記的谷氨酰胺從胚乳腔直接經(jīng)由轉(zhuǎn)移細(xì)胞運(yùn)輸至胚乳中,最后運(yùn)輸?shù)絹喓蹖蛹?xì)胞?？梢?灌漿底物運(yùn)輸?shù)哪Ｊ饺源嬖诿黠@的爭議,并且已有研究均通過觀測糖類或蛋白體的空間分布情況來間接推測底物的轉(zhuǎn)運(yùn)路徑,尚缺乏灌漿底物輸入胚乳路徑的直接證據(jù)。

圖2 灌漿底物運(yùn)輸路徑模式圖(改編自王忠等[39])Fig.2 Proposed transport pathway of substrate for starch synthesis in endosperm(modified from Wang et al[39])A. 傳遞細(xì)胞路徑,灌漿底物通過胚乳腔周邊的傳遞細(xì)胞直接進(jìn)入內(nèi)胚乳細(xì)胞;B. 糊粉層路徑,灌漿底物通過種皮質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)阶蚜Ｍ庵?穿過糊粉層由外向內(nèi)運(yùn)輸至胚乳。A. Transfer cell pathway,filling substrate transports into inner endosperm via radially across the tissue from the cavity and transfer cells;B. Aleurone pathway,filling substrate transports into inner endosperm via aleurone around the endosperm.

2.2 蛋白質(zhì)及淀粉合成能力與籽粒品質(zhì)空間異質(zhì)性

籽粒淀粉合成主要在造粉體中進(jìn)行,以蔗糖為起點(diǎn),催化形成淀粉合成的直接前體ADPG,然后經(jīng)一系列淀粉合成酶催化α-1,4糖苷鍵的延伸[42]。醇溶蛋白和麥谷蛋白為貯藏蛋白,在小麥胚乳蛋白體中積累,胚乳貯藏蛋白的合成、折疊、沉積發(fā)生在內(nèi)膜系統(tǒng)[22]。蛋白體形成于小麥胚乳發(fā)育早期,以直徑 2 mm 左右的單個(gè)小球形式出現(xiàn),在胚乳發(fā)育中期擴(kuò)大、聚集和融合,由球形轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則的形狀,后期單個(gè)蛋白體轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)基質(zhì)填充在淀粉顆粒間[43]。淀粉和蛋白質(zhì)的合成均由多個(gè)基因共同參與調(diào)控。編碼貯藏蛋白的基因主要是在轉(zhuǎn)錄水平上被調(diào)控的[44],因此母體組織可能存在特定的調(diào)節(jié)信號調(diào)控胚乳不同部位蛋白質(zhì)合成編碼基因的轉(zhuǎn)錄速率[15]。由于內(nèi)胚乳距離母體組織更近,所以相較于糊粉層更易受到干擾,蛋白質(zhì)合成編碼基因的表達(dá)水平相對低。Ma等[45]將花后25 d的籽粒粗略分為蛋白質(zhì)含量較低的內(nèi)胚乳部位及蛋白質(zhì)含量較高的其余胚乳部位,發(fā)現(xiàn)參與碳氮代謝的差異基因主要與氨基酸轉(zhuǎn)換及氨基酸運(yùn)輸相關(guān),直接編碼蛋白合成的基因表達(dá)在兩部位間不存在差異,表明蛋白合成能力可能與蛋白質(zhì)含量的空間分布模式不相符。此外,Gillies等[46]對花后6、9、14 d籽粒的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,發(fā)現(xiàn)大多數(shù)參與淀粉合成和降解的基因在胚乳中表達(dá)上調(diào),證明淀粉含量空間分布模式可能與編碼淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)水平有關(guān)。但上述研究僅將灌漿期籽粒分成2個(gè)部分,很難實(shí)現(xiàn)不同層次間的精準(zhǔn)比較。

近年來,激光捕獲顯微切割技術(shù)的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)小麥籽粒不同部位微量樣品的精準(zhǔn)獲取提供了可能。前述的分層磨粉技術(shù)可以將籽粒分為麩皮、糊粉層、外胚乳、中胚乳和內(nèi)胚乳等不同層次面粉,但該技術(shù)僅能用于成熟籽粒的分層分析,無法獲得灌漿期間新鮮籽粒的分層樣品。激光捕獲顯微切割技術(shù)可通過顯微鏡觀察并定位目標(biāo)細(xì)胞,然后通過與顯微鏡相連的計(jì)算機(jī)顯示屏對目標(biāo)區(qū)域細(xì)胞劃線標(biāo)記,再經(jīng)激光準(zhǔn)確切割劃線區(qū)域來提取目標(biāo)細(xì)胞。激光顯微切割技術(shù)可從新鮮樣品組織中分離出純細(xì)胞群甚至單一細(xì)胞,成功解決了細(xì)胞異質(zhì)性問題[47]。如同步結(jié)合冷凍切片技術(shù),還可提取高質(zhì)量的RNA,用于轉(zhuǎn)錄組學(xué)等方面的研究。Zhan等[48]采用該技術(shù),從分化中的玉米胚乳分離收集到5種類型的細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析,鑒定出母本與子代的差異表達(dá)基因,成功建立了不同類型胚乳細(xì)胞基因共表達(dá)模型。Zhong等[38]采用這一技術(shù)成功獲取了不同灌漿時(shí)期小麥籽粒糊粉層、外胚乳、中胚乳和內(nèi)胚乳細(xì)胞,以及轉(zhuǎn)移細(xì)胞,并進(jìn)行特定基因的表達(dá)水平分析,發(fā)現(xiàn)高分子量麥谷蛋白亞基(HMW-GS)及醇溶蛋白編碼基因在中胚乳和內(nèi)胚乳的表達(dá)水平較高,與成熟期籽粒蛋白空間分布模式不相符,因此確定蛋白質(zhì)分布的空間差異與蛋白質(zhì)合成能力無關(guān)。但由于蛋白質(zhì)及淀粉合成過程涉及的基因數(shù)較多,有必要獲取不同灌漿時(shí)期籽粒不同部位細(xì)胞時(shí)空差異基因,系統(tǒng)全面解析蛋白質(zhì)和淀粉合成能力與籽粒品質(zhì)空間異質(zhì)性的關(guān)系。

3 栽培措施及環(huán)境對籽粒品質(zhì)空間分布的調(diào)控效應(yīng)

3.1 籽粒不同部位蛋白質(zhì)和淀粉的積累對栽培措施的響應(yīng)存在差異

肥料運(yùn)籌會顯著影響小麥籽粒品質(zhì)的空間分布模式(表1)。He等[49]發(fā)現(xiàn)貧硫的ω-醇溶蛋白含量對氮肥增加的響應(yīng)最為顯著,在整個(gè)籽粒中同步增加;HMW-GS含量隨施氮量增加而增加,但外胚乳層比內(nèi)胚乳層增加效應(yīng)更為明顯,而富硫的醇溶蛋白則表現(xiàn)出幾乎相反的趨勢。氮素對淀粉品質(zhì)的影響主要表現(xiàn)在中胚乳和內(nèi)胚乳直鏈淀粉含量、直鏈淀粉含量/支鏈淀粉含量比、淀粉粒的分布及糊化性質(zhì)的變化[10],且不同筋力品種對氮素的響應(yīng)不同。例如,施氮對弱筋小麥品種‘揚(yáng)麥15’籽粒不同部位的總淀粉、支鏈淀粉含量的調(diào)控能力均較弱,而對中筋品種‘揚(yáng)麥16’和強(qiáng)筋品種‘徐麥32’籽粒的糊粉層和外胚乳層總淀粉含量及支鏈淀粉含量影響則較大[10]。追氮時(shí)期對籽粒品質(zhì)空間分布同樣具有調(diào)控效應(yīng),追氮時(shí)期由拔節(jié)期后移至孕穗期對各層面粉面筋蛋白含量均有提高作用,其中糊粉層和外胚乳層的增加最為顯著,且對麥GMP和麥谷蛋白亞基的調(diào)控作用與面筋蛋白表現(xiàn)一致,而對面筋指數(shù)調(diào)控效果不顯著;追氮時(shí)期前移至返青期則降低總蛋白及各蛋白組分含量,且外層的響應(yīng)更為明顯[4]。進(jìn)而直接導(dǎo)致烘焙品質(zhì)的空間分布變化:追氮后移提升了糊粉層與外胚乳層面粉烘焙面包的體積及感官評價(jià),而對其余層次的烘焙品質(zhì)調(diào)控不明顯;追氮前移對面包烘焙品質(zhì)(體積、外觀及感官評價(jià))的調(diào)控作用表現(xiàn)出相反趨勢。此外,施用硫肥可增加籽粒每層面粉總蛋白及麥谷蛋白含量,對外胚乳和中胚乳中HMW-GS和外胚乳中醇溶蛋白含量的增加效果優(yōu)于其余部位[50]。

表1 栽培措施對籽粒不同部位蛋白含量的調(diào)控效應(yīng)Table 1 Regulation effects of cultivation practices on protein gradients in wheat grain

在生產(chǎn)上采取增密減氮栽培措施可實(shí)現(xiàn)對弱筋小麥籽粒品質(zhì)的空間分布調(diào)控,增密減氮主要通過調(diào)控胚乳中蛋白體和面筋蛋白的空間分布以降低面粉沉降值,改善弱筋小麥的加工品質(zhì)。籽粒蛋白品質(zhì)對增密減氮的響應(yīng)從大到小依次為外胚乳、中胚乳、內(nèi)胚乳,因此,蛋白在外層的積累相對更多,可通過磨粉有效去除,降低面粉蛋白含量超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn);同時(shí),密度增加彌補(bǔ)了減氮帶來的產(chǎn)量下降問題,故可以通過增密減氮的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)弱筋小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)同步[51]。

葉面噴施氨基酸同樣可以對籽粒品質(zhì)空間分布起到調(diào)控作用。李葉[52]在開花期葉面噴施氨基酸與尿素,發(fā)現(xiàn)2個(gè)中筋小麥品種不同層次A型淀粉粒數(shù)目、平均淀粉粒粒徑,總蛋白、醇溶蛋白、麥谷蛋白與麥谷蛋白總亞基、氨基酸與面筋含量及沉降值都表現(xiàn)出不同程度的提高。2個(gè)品種籽粒蛋白及其組分和亞基含量的增幅由外至內(nèi)呈先增加后降低的趨勢,以中胚乳的增幅最大;而外胚乳層麥谷蛋白大聚合體與氨基酸含量的增幅大于內(nèi)胚乳。

就微量元素而言,Shi等[53]發(fā)現(xiàn)施氮可以增加麩皮層Fe和Zn的含量,但面粉中僅有Zn含量增加。Xue等[54]發(fā)現(xiàn)全麥粉和麩皮中Fe含量均增加,而在面粉中甚至表現(xiàn)出下降的趨勢,表明通過施氮很難實(shí)現(xiàn)面粉中Fe含量的增加。董明[55]研究發(fā)現(xiàn)葉面噴施鋅肥可有效提升籽粒和面粉中Zn含量:花后5、15、25 d噴施鋅肥均可增加籽粒不同層次Zn含量,且籽粒外層的增加量更多;但噴施鋅肥會降低小麥籽粒各層面粉Fe和Mn的含量,籽粒外層礦質(zhì)元素受影響較大,而內(nèi)層礦質(zhì)元素受影響較小。

3.2 環(huán)境對籽粒品質(zhì)空間分布的調(diào)控效應(yīng)

環(huán)境因素會對籽粒品質(zhì)造成較大影響[56]。灌漿期高溫提高了小麥籽粒蛋白含量[57],籽粒蛋白梯度差異會增大,即外胚乳層會積累更多的蛋白質(zhì)。由于附著在糊粉層的外胚乳細(xì)胞在磨粉過程中很容易被去除,最終所得面粉的蛋白含量并不會改變,且蛋白含量會下降[17]。高溫干旱會降低花后30 d籽粒內(nèi)胚乳細(xì)胞壁中阿拉伯木聚糖的糖基化程度,而對籽粒外層細(xì)胞無顯著影響[58]。有關(guān)于低溫、漬水等逆境對籽粒品質(zhì)空間分布的影響尚缺少報(bào)道,不同區(qū)域條件下小麥籽粒品質(zhì)的空間異質(zhì)性是否一致尚不明確。

4 籽粒品質(zhì)空間分布異質(zhì)性在面粉加工中的應(yīng)用

籽粒品質(zhì)空間分布的異質(zhì)性為通過改進(jìn)磨粉工藝來生產(chǎn)不同品質(zhì)專用類型的面粉提供了可能。如表2 所示:中外胚乳位置的面粉HMW-GS含量及谷醇比較高,面團(tuán)強(qiáng)度彈性較高且黏度較低,適于要求高面筋強(qiáng)度的面包烘焙[59]。相反,內(nèi)胚乳層淀粉含量較高,谷醇比低,面團(tuán)延展性好,適合烘焙餅干等產(chǎn)品。Shewry等[60]指出外胚乳面粉有足夠的彈性和強(qiáng)度,可用于意大利面的制作;直鏈和支鏈淀粉含量比值的差異結(jié)合蛋白組分含量的差異使不同部位面粉在速凍食品(如饅頭、面包、水餃等)制作中也有潛在的應(yīng)用。

表2 小麥籽粒品質(zhì)空間分布規(guī)律及加工應(yīng)用前景Table 2 Spatial heterogeneity distribution of wheat grain quality and implications for processing within the wheat grain

續(xù)表2 Table 2 continued

因此,盡管從整個(gè)籽粒角度來看,其蛋白質(zhì)或面筋含量并不符合傳統(tǒng)的“強(qiáng)筋”或者“弱筋”的定義,但特定部位的面粉也可以滿足最終烘焙產(chǎn)品的需求。富含膳食纖維、葡聚糖和微量元素等對人體健康有益成分的糊粉層,亦值得在健康面制品開發(fā)中予以重視。

基于不同層次面粉品質(zhì)的差異性,還可通過不同層次面粉的混配生產(chǎn)特定麥制品加工所需的優(yōu)質(zhì)專用面粉。已有人以中胚乳層的面粉為基礎(chǔ),加入蛋白質(zhì)和礦質(zhì)元素含量較高的糊粉層面粉,所混配的面粉糊化參數(shù)下降,礦質(zhì)元素含量上升,烘焙的面包色澤加深,體積、硬度、咀嚼性提高,但添加量超過20%時(shí),面包品質(zhì)和感官得分會出現(xiàn)明顯的下降;以內(nèi)胚乳面粉為基礎(chǔ)添加麩皮層面粉,混配面粉黏度值下降,礦質(zhì)元素上升,烘焙的餅干顏色加深,直徑、延展因子和感官得分呈下降趨勢;而將小麥籽粒第2層面粉以20%的添加比例與第5層面粉混配,或第1層以10%的添加比例與第9層混配,最大程度提升餅干的營養(yǎng)品質(zhì),并保證較好的口感[61]。

5 研究展望

綜上所述,小麥籽粒品質(zhì)空間分布的異質(zhì)性已較為明確,但受分樣技術(shù)等原因影響,這種空間分布異質(zhì)性形成的機(jī)制研究緩慢。近年來,激光顯微切割技術(shù)和單細(xì)胞測序技術(shù)的發(fā)展為彌補(bǔ)這一空白提供有力的技術(shù)支撐。未來可應(yīng)用上述技術(shù)獲取籽粒任意部位的細(xì)胞,結(jié)合多組學(xué)手段,明確籽粒品質(zhì)空間異質(zhì)性形成的關(guān)鍵調(diào)控過程、關(guān)鍵調(diào)控基因或基因網(wǎng)絡(luò),闡明其作用機(jī)制。Tauris等[62]用激光顯微切割技術(shù)獲取大麥籽粒糊粉層、珠心突起、胚和胚乳細(xì)胞,結(jié)合芯片技術(shù)明確鋅在籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)路線。隨后,該課題組在胚乳細(xì)胞特異過表達(dá)1個(gè)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因(HvMTP1),成功提高了胚乳中鋅的含量,促進(jìn)鋅從糊粉層向胚乳的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移[63]。這為小麥籽粒品質(zhì)空間分布的主動(dòng)調(diào)控提供了借鑒,表明籽粒品質(zhì)空間分布或許可通過操縱關(guān)鍵基因的定向表達(dá)進(jìn)行改良。

周龍靜[64]在田間條件下研究了葉面噴施氮肥對180個(gè)小麥重組自交系家系籽粒蛋白含量的空間分布,發(fā)現(xiàn)葉面噴施氮肥后小麥籽粒不同部位的總蛋白含量均有不同程度的提高,但不同家系不同層次面粉對噴施氮肥的響應(yīng)敏感性不同,主要分為3種類型(圖3):外層面粉響應(yīng)更敏感(圖3-A);內(nèi)層面粉響應(yīng)更敏感(圖3-C);對氮素的響應(yīng)由外向內(nèi)呈先增強(qiáng)后減弱的趨勢(圖3-B)。這表明籽粒品質(zhì)空間分布對氮肥的響應(yīng)因基因型而異,而目前關(guān)于相關(guān)基因的探究較為匱乏。如果能明確調(diào)控對氮肥差異響應(yīng)的關(guān)鍵基因,可以根據(jù)不同品種對施氮響應(yīng)的敏感性差異,采用有針對性的配套適宜栽培技術(shù),滿足不同品質(zhì)專用類型小麥的需求。

圖3 不同品系蛋白含量空間分布對葉面施氮的差異響應(yīng)(改編自周龍靜[64])Fig.3 Different response of protein spatial distribution to foliar spraying nitrogen in different wheat lines(modified from Zhou[64])A. 品系197;B. 品系278;C. 品系250。P1—P5分別代表麩皮層、糊粉層、外胚乳、中胚乳和內(nèi)胚乳。A. Line 193;B. Line 278;C. Line 250. P1-P5 represent bran,aleurone,outer endosperm,middle endosperm and inner endosperm,respectively.