小麥花后干旱脅迫下淀粉粒微觀特性變化及其機(jī)理研究.pdf

1、小麥（Triticum aestivum L.）是世界上主要糧食作物之一，在我國(guó)是僅次于水稻的第二大口糧作物。隨著全球氣候變暖、人口增長(zhǎng)以及農(nóng)業(yè)自然資源量逐年遞減，我國(guó)小麥生產(chǎn)必須走“節(jié)本增效提高單產(chǎn)”的路徑，才能滿足需求。淀粉是小麥籽粒最主要的成分，與籽粒產(chǎn)量和面粉品質(zhì)關(guān)系密切。干旱環(huán)境是造成籽粒減產(chǎn)和品質(zhì)下降的主要原因之一，可引起籽粒淀粉積累量減少、淀粉粒結(jié)構(gòu)和組分發(fā)生變化。然而，干旱脅迫條件下小麥籽粒發(fā)育過(guò)程中淀粉粒特性變化及其機(jī)

2、理尚不明確。本研究選用兩個(gè)產(chǎn)量潛力不同的小麥品種，從細(xì)胞生物學(xué)、植物生理學(xué)、分子生物學(xué)以及組織化學(xué)等方面，分析比較了小麥花后干旱脅迫下，不同品種的胚乳淀粉粒微觀特性、生理生化和分子基礎(chǔ)及其變化規(guī)律。主要結(jié)果如下:
　　(1)干旱對(duì)小麥胚乳淀粉粒微觀特性的影響
　　小麥花后干旱脅迫下胚乳淀粉粒的基本形態(tài)未發(fā)生變化，但是干旱脅迫增加了淀粉粒表面微孔和微通道數(shù)量。新冬20號(hào)和新冬23號(hào)在干旱下淀粉平均粒徑分別降低11.74％和14

3、.55％，新冬23號(hào)降低幅度大于新冬20號(hào);淀粉粒經(jīng)α-淀粉酶和淀粉葡萄糖苷酶水解產(chǎn)生的還原糖濃度測(cè)定表明，干旱使新冬20號(hào)分別增加38.60％和23.56％;而新冬23號(hào)僅分別增加12.84％和18.06％，均極顯著低于新冬20號(hào)。這些受干旱脅迫誘發(fā)增加的微孔和微通道結(jié)構(gòu)，是水解酶潛在的作用位點(diǎn)，數(shù)量增多可提高酶解效率。微通道蛋白被蛋白酶酶解后，熒光染液可通過(guò)微通道進(jìn)入淀粉粒內(nèi)部，因而干旱脅迫下小麥淀粉粒表面出現(xiàn)更多隨機(jī)分布、呈放射狀

4、的熒光標(biāo)記微通道。
　　(2)干旱對(duì)小麥胚乳淀粉粒晶體結(jié)構(gòu)、淀粉組分及淀粉品質(zhì)的影響
　　小麥花后干旱脅迫不影響胚乳淀粉粒典型的A型晶體特征，但降低了新冬20號(hào)(15.61％)和新冬23號(hào)(3.73％)淀粉粒結(jié)晶度。干旱脅迫下淀粉粒支鏈淀粉糖色譜峰信號(hào)強(qiáng)度減弱，色譜峰數(shù)量減少。干旱使新冬20號(hào)和新冬23號(hào)粒重分別降低19.61％和17.49％，總淀粉含量降低28.71％和4.57％，直鏈淀粉含量降低28.17％和4.47％，

5、支鏈淀粉含量降低28.94％和4.62％。上述晶體結(jié)構(gòu)和淀粉組分變化在淀粉品質(zhì)上又表現(xiàn)出以下特征:干旱脅迫引起淀粉糊化特性指標(biāo)峰值粘度、低谷粘度、崩解值和回升值顯著升高，而最終粘度受影響較小;新冬23號(hào)淀粉持水力、碘吸收率和破損淀粉程度均顯著降低，而新冬20號(hào)的這些特性則沒(méi)有明顯變化。2個(gè)參試品種花后干旱脅迫和對(duì)照下淀粉膨潤(rùn)力差異不顯著。
　　(3)干旱下小麥灌漿中后期籽粒胚乳轉(zhuǎn)錄組研究
　　小麥胚乳轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果表明，干旱

6、脅迫和適水對(duì)照下新冬20號(hào)差異表達(dá)基因1368個(gè)，其中998個(gè)基因上調(diào)表達(dá)，370個(gè)基因下調(diào)表達(dá);新冬23號(hào)差異表達(dá)基因194個(gè)，其中67個(gè)基因上調(diào)表達(dá)，127個(gè)基因下調(diào)表達(dá)。這些差異表達(dá)基因主要參與新陳代謝、細(xì)胞代謝、生物調(diào)控和脅迫響應(yīng)等生物學(xué)過(guò)程，其中上調(diào)差異表達(dá)的基因主要涉及淀粉和糖代謝路徑中參與淀粉分解，而下調(diào)差異表達(dá)的基因主要涉及淀粉和糖代謝路徑中參與淀粉合成。
　　(4)干旱對(duì)胚乳淀粉合成酶與分解酶基因時(shí)空表達(dá)的影響<

7、br>　　小麥花后干旱脅迫下淀粉合成酶基因agpⅠ、agpⅡ、ssⅠ、ssⅡ、ssⅢ、sbeⅠ和sbeⅡb的相對(duì)表達(dá)量降低，相應(yīng)的AGPase、SS和SBE酶活性也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。干旱脅迫下α型和β型淀粉分解酶基因活性呈上升趨勢(shì);基因表達(dá)呈現(xiàn)基因型差異:新冬23號(hào)的amyⅠ、amyⅡ、amyⅢ、amyⅣ、 bamⅠ和bamⅤ基因表達(dá)量呈上升趨勢(shì)，而新冬20號(hào)的amyⅠ、amyⅡ、amyⅢ、amyⅣ和bamⅤ基因表達(dá)量均大體呈下降趨勢(shì)。這些

8、研究結(jié)果與干旱脅迫后新冬23號(hào)淀粉粒表面微孔和微通道結(jié)構(gòu)增多的特性基本一致。干旱脅迫下籽粒淀粉分解酶關(guān)鍵基因amyⅣ、bamⅠ和bamⅤ的時(shí)空表達(dá)規(guī)律為:籽粒發(fā)育前期(7DPA)主要在果種皮、糊粉層和珠心細(xì)胞中表達(dá)，籽粒發(fā)育中期(7DPA-28DPA)由外向內(nèi)即從糊粉層向籽粒胚乳中部表達(dá)，籽粒發(fā)育后期(28DPA-35DPA)胚乳各處均有表達(dá)。
　　(5)小麥花后干旱脅迫下淀粉粒表面微觀特性變化機(jī)理
　　綜合淀粉粒形成發(fā)育、

9、淀粉粒微觀結(jié)構(gòu)、淀粉品質(zhì)特性、淀粉合成酶基因的轉(zhuǎn)錄、淀粉合成酶與分解酶活性以及淀粉分解酶基因時(shí)空定位的研究結(jié)果表明，在小麥籽粒淀粉生物合成過(guò)程中，淀粉合成酶和分解酶在籽粒胚乳淀粉粒形成發(fā)育中具有重要作用，尤其是在淀粉粒表面微觀特性形成中扮演重要角色;由于環(huán)境干旱脅迫打破了淀粉合成酶與分解酶之間的平衡，降低了淀粉合成酶活性，增加了淀粉分解酶活性，從而導(dǎo)致淀粉粒表面微觀特性發(fā)生變化，進(jìn)一步影響小麥籽粒淀粉品質(zhì)和產(chǎn)量。這些研究結(jié)果為培育高產(chǎn)、