水氮互作對(duì)小麥谷蛋白亞基以及谷蛋白大聚合體粒度分布的調(diào)控.pdf

1、小麥籽粒的高分子量谷蛋白亞基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亞基(LMW-GS)的種類、含量決定著谷蛋白大聚合體(GMP)的粒度，GMP的粒度分布是決定小麥烘焙品質(zhì)的重要指標(biāo)。本實(shí)驗(yàn)選用了強(qiáng)筋小麥藁城8901(GC8901)、中筋小麥泰山23(TS23)和弱筋小麥山農(nóng)1391(SN1391)三個(gè)小麥品種，探討了水氮互作栽培措施對(duì)小麥籽粒HMW-GS的含量和籽粒GMP粒度分布的影響。在灌溉條件下，隨著氮肥量(0，120,240,360 k

2、g hm-2)的增加，三個(gè)小麥品種均表現(xiàn)為籽粒高、低分子量谷蛋白亞基的含量增加，GMP大顆粒的體積分布變大，產(chǎn)量提高，烘焙品質(zhì)變優(yōu)。旱作條件下增施氮肥，提高了三小麥品種籽粒的蛋白質(zhì)含量，強(qiáng)筋小麥GC8901籽粒的H-、LMW-GS相對(duì)含量降低，H/L值升高，大顆粒GMP所占的表面積分?jǐn)?shù)，體積分?jǐn)?shù)降低；而中筋小麥TS23和弱筋小麥SN1391表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，兩者產(chǎn)量顯著降低。同時(shí)，相互連鎖的同一亞基對(duì)的相對(duì)表達(dá)量對(duì)外界環(huán)境的變化表現(xiàn)出較

3、好的穩(wěn)定性，且其表達(dá)具有協(xié)同性，但單位面粉亞基的含量受栽培措施影響顯著。增施氮肥能明顯改善小麥的谷蛋白品質(zhì)，主要表現(xiàn)為兩條調(diào)控途徑：
　　 一方面，增加GMP大顆粒的數(shù)目，另一方面，GMP大顆粒的數(shù)目沒有明顯增加，但其體積和表面積分布增加。水氮互作效應(yīng)對(duì)三品種的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的影響不顯著，說明基因型和環(huán)境之間的互作是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，在小麥生產(chǎn)過程中，農(nóng)民應(yīng)首先考慮水分對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)的影響，然后通過施肥等栽培措施來進(jìn)一步改善作物的品

4、質(zhì)。
　　 三小麥品種的全長(zhǎng)序列分析高分子量谷蛋白亞基的前30個(gè)氨基酸是信號(hào)肽，決定著高分子量谷蛋白亞基的空間表達(dá)。1AX可讀框內(nèi)僅含有4個(gè)半胱氨酸殘基，但形成20個(gè)潛在的α螺旋結(jié)構(gòu)，1Dx2，1Bx7 可讀框內(nèi)含有 4個(gè)半胱氨酸殘基，形成9個(gè)潛在的α螺旋結(jié)構(gòu)。1Dx5 亞基含有5個(gè)半胱氨酸殘基可以形成潛在的9個(gè)α螺旋。1Bx14 可讀框內(nèi)僅含有2個(gè)半胱氨酸殘基，形成11個(gè)潛在的α螺旋結(jié)。1Dy10，1By8，1By15，1Dy

5、12 可讀框內(nèi)均含有7個(gè)半胱氨酸殘基，分別形成9，11，11，11個(gè)潛在的α螺旋結(jié)構(gòu)。雖然高分子量谷蛋白亞基在進(jìn)化過程中出現(xiàn)了不同程度的堿基序列的變異，但是其序列的同源性結(jié)構(gòu)決定了它們的蛋白序列和空間結(jié)構(gòu)是類似的，因而在面粉中行使的的功能也是類似的。因此，對(duì)形成HMW-GS分子結(jié)構(gòu)有貢獻(xiàn)的三個(gè)重要氨基酸殘基脯氨酸、甘氨酸和谷氨酰胺的含量也是優(yōu)質(zhì)面團(tuán)粘彈性形成的重要參考標(biāo)準(zhǔn)。亞基含量的HP-HPLC分析灌溉條件下，強(qiáng)筋小麥GC8901和中

6、筋小麥TS23 籽粒的 HMW-GS 含量和 H/L值隨著氮肥施用量的增加而增加，LMW-GS的含量在施氮量為 120 kg ha-1 時(shí)達(dá)到最大，弱筋小麥品種SN1391 則表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。旱作栽培模式下，中、高氮肥使用量（240kg N ha-1,360 kg N ha-1）均提高了三小麥品種的 H-、LMW-GS 含量，SN1391 提高量尤為顯著，不施氮和低氮施用量（120 kg ha-1）顯著降低了三小麥品種的H-、LMW-

7、GS含量。
　　 水氮互作條件下，三小麥品種的 1Dx2和 1Dx5 亞基的相對(duì)含量最高，約占總HMW-GS 含量的42％和 38％。1Bx7和 1Dy12 亞基相對(duì)含量次之，約占31％和26％，1Ax1和 1By8 亞基的相對(duì)含量最小，僅占 14％和12％。相互連鎖的亞基對(duì)的相對(duì)含量在不同氮水平上變化不顯著，但單個(gè)亞基的相對(duì)含量對(duì)水旱處理的反應(yīng)不一。1Dy10 亞基、1By15 亞基在不同氮肥水平條件下占HMW-GS的比值是穩(wěn)

8、定的，之間無顯著性差異；在非灌水條件下,7 亞基、8 亞基、1 亞基的比值在GC8901中是穩(wěn)定的，氮肥處理之間無顯著性差異。與水地相比較，旱作處理使GC8901的1Ax1 亞基的相對(duì)含量增加了10％，1Bx7 亞基的相對(duì)含量增加了26.5％，1By8 增加了85.7％，然而1Dx5和1Dy10亞基的相對(duì)含量保持不變。TS23 旱作栽培條件下，1AX亞基的相對(duì)含量下降了25％，1Bx7 增加了 12.2％ 而1By8 增加了38.7％。

9、SN1391 各個(gè)亞基的相對(duì)含量在水肥料處理間則表現(xiàn)出相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)。亞基對(duì)之間相比較，1Bx7+1By8 亞基對(duì)對(duì)環(huán)境反應(yīng)更敏感，在中筋和弱筋小麥籽粒中，亞基對(duì)1Dx2+1Dy12 往往表達(dá)量較高。相互連鎖的亞基對(duì)的相對(duì)表達(dá)量表現(xiàn)持一定的互補(bǔ)和協(xié)同效應(yīng)。水、氮栽培措施主要通過增加單位籽粒中的亞基含量來改善小麥的谷蛋白質(zhì)量。
　　 小麥籽粒GMP 含量變化3個(gè)小麥品種的GMP 含量的大小依次順序?yàn)椋篏C8901>TS23>SN1

10、391。在灌水條件下，GMP 含量都隨著氮肥水平的增加而增加。在非灌水條件下，強(qiáng)筋小麥GC8901GMP含量隨氮肥水平的增加呈拋物線狀，在施氮量為240 kg ha-1 時(shí)GMP 含量最高。與灌溉相比較，TS23和SN1391的GMP 含量在不施氮時(shí)最高，分別增加了6-15.4％和30.9-82％，隨著施氮量的增加GMP 含量下降，中、高氮肥(240 kg N ha-1、360 kg N ha-1)處理間無顯著差異。在灌水條件下，增施氮

11、肥有利于GMP 在小麥籽粒中的積累，旱作栽培模式有利于中筋、和弱筋小麥籽粒的GMP的積累，但不同氮肥水平之間差異不顯著。
　　 小麥籽粒GMP的粒度分布小麥成熟期的GMP 粒度分布趨勢(shì)相似，粒徑范圍為0.375～256.9μm。小麥GMP 顆粒的體積分布為雙峰曲線，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在3.5～4.5μm之間，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在116～140μm之間，不同品種間及處理間差異較大。GMP 顆粒的表面積分布亦呈雙峰曲線，數(shù)目分布為單峰曲線。

12、小麥GMP數(shù)目主要由<10 μm 顆粒組成(約占99.8％以上)，體積分布的47.57％～69％集中在12-100 μm，而GMP表面積分布＜12 μm，12-110 μm和>110 μm 百分?jǐn)?shù)分別占 72.3-89.4％，9.5-21.5％和1.1-10.1％。
　　 增施氮肥有利于GC8901 籽粒HMW-GS的積聚和小粒徑GMP的成長(zhǎng)為大粒徑GMP，調(diào)節(jié)了弱筋小麥GMP中等粒徑顆粒和小粒徑GMP 顆粒數(shù)目的分布，從而形成

13、更大的表面積分布，而不是大粒徑的GMP 顆粒，水分虧缺可以加速這兩個(gè)調(diào)節(jié)過程。
　　 小麥籽粒GMP的電鏡觀測(cè)通過SEM 電鏡照片可以看出，GC8901 籽粒的GMP 顆粒的體積明顯大于SN1391和TS23的GMP 顆粒的體積，且SN1391GMP多為粒徑<1.5 μm小顆粒，這與激光粒度分析儀的結(jié)果相一致。這應(yīng)當(dāng)是由于GC8901（1、5+10、7+8）比SN1391（2+12、14+15）的亞基種類多出了1 亞基且所含亞基

14、種類的分子量較大，所以形成的GMP 體積也較大的原因?qū)е碌摹６鴱腉C8901 籽粒中的GMP 在不同蔗糖濃度梯度下離心、分層后的所得的SDS-PAGE 電泳圖片看出，各層GMP 所含高低分子量谷蛋白亞基種類沒有差別，但無法確定其亞基的比例。可見，GMP大顆粒是有許多GMP小顆粒包裹形成，而TEM和SEM 圖像也表明大的GMP 顆粒是由小GMP 顆粒聚合而成的，較小的GMP 顆粒是由H-和LMW-GS以不同比例組合而成的。
　　

15、水氮互作對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)的影響無論是在灌溉還是雨養(yǎng)條件下，增施氮肥均增加了籽粒的蛋白質(zhì)含量和籽粒的千粒重。在高氮水平下（360kg ha-1），相比灌溉條件，旱作栽培模式下的GC8901的蛋白質(zhì)含量下降4.8-22.9％，而TS23和S1391 則提高了45.6％和 36.7％。灌水條件下三個(gè)小麥品種的平均產(chǎn)量為6.9-9.9 mt ha-1，而旱作模式下三個(gè)小麥品種的產(chǎn)量下降了2.0-38.2％，當(dāng)施氮水平高于240kg N ha-1

16、，產(chǎn)量增加不顯著。DDT是反映面團(tuán)的烘烤品質(zhì)的重要指標(biāo)，三小麥品種的DDT和籽粒GMP 含量變化表現(xiàn)出的趨勢(shì)，表明DDT和GMP 含量之間密切的關(guān)系。同時(shí)，D3.2和D4.3 與谷蛋白含量、HMW-GS 含量、LMW-GS含量、DDT、H/L值、GMP 含量和淀粉與蛋白質(zhì)的比值均顯著正相關(guān)，與單粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與籽粒淀粉含量相關(guān)不顯著，但是在旱作栽培條件下D4.3 與這些性狀沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。因此，H-、LMW-GS的含量和G