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水氮互作对小麦谷蛋白亚基以及谷蛋白大聚合体粒度分布的调控

李勇

  小麦籽粒的高分子量谷蛋白亚基(HMW-GS)和低分子量谷蛋白亚基(LMW-GS)的种类、含量决定着谷蛋白大聚合体(GMP)的粒度,GMP的粒度分布是决定小麦烘焙品质的重要指标。本实验选用了强筋小麦藁城8901(GC8901)、中筋小麦泰山23(TS23)和弱筋小麦山农1391(SN1391)三个小麦品种,探讨了水氮互作栽培措施对小麦籽粒HMW-GS的含量和籽粒GMP粒度分布的影响。在灌溉条件下,随着氮肥量(0,120,240,360 kg hm~(-2))的增加,三个小麦品种均表现为籽粒高、低分子量谷蛋白亚基的含量增加,GMP大颗粒的体积分布变大,产量提高,烘焙品质变优。旱作条件下增施氮肥,提高了三小麦品种籽粒的蛋白质含量,强筋小麦GC8901籽粒的H-、LMW-GS相对含量降低,H/L值升高,大颗粒GMP所占的表面积分数,体积分数降低;而中筋小麦TS23和弱筋小麦SN1391表现出相反的趋势,两者产量显著降低。同时,相互连锁的同一亚基对的相对表达量对外界环境的变化表现出较好的稳定性,且其表达具有协同性,但单位面粉亚基的含量受栽培措施影响显著。增施氮肥能明显改善小麦的谷蛋白品质,主要表现为两条调控途径:一方面,增加GMP大颗粒的数目,另一方面,GMP大颗粒的数目没有明显增加,但其体积和表面积分布增加。水氮互作效应对三品种的产量和品质性状的影响不显著,说明基因型和环境之间的互作是一个复杂的网络,在小麦生产过程中,农民应首先考虑水分对产量和品质的影响,然后通过施肥等栽培措施来进一步改善作物的品质。 三小麦品种的全长序列分析 高分子量谷蛋白亚基的前30个氨基酸是信号肽,决定着高分子量谷蛋白亚基的空间表达。1Ax可读框内仅含有4个半胱氨酸残基,但形成20个潜在的α螺旋结构,1Dx2,1Bx7可读框内含有4个半胱氨酸残基,形成9个潜在的α螺旋结构。1Dx5亚基含有5个半胱氨酸残基可以形成潜在的9个α螺旋。1Bx14可读框内仅含有2个半胱氨酸残基,形成11个潜在的α螺旋结。1Dy10,1By8,1By15,1Dy12可读框内均含有7个半胱氨酸残基,分别形成9,11,11,11个潜在的α螺旋结构。虽然高分子量谷蛋白亚基在进化过程中出现了不同程度的碱基序列的变异,但是其序列的同源性结构决定了它们的蛋白序列和空间结构是类似的,因而在面粉中行使的的功能也是类似的。因此,对形成HMW-GS分子结构有贡献的三个重要氨基酸残基脯氨酸、甘氨酸和谷氨酰胺的含量也是优质面团粘弹性形成的重要参考标准。 亚基含量的HP-HPLC分析 灌溉条件下,强筋小麦GC8901和中筋小麦TS23籽粒的HMW-GS含量和H/L值随着氮肥施用量的增加而增加,LMW-GS的含量在施氮量为120 kg ha~(-1)时达到最大,弱筋小麦品种SN1391则表现出相反的趋势。旱作栽培模式下,中、高氮肥使用量(240 kg N ha~(-1),360 kg N ha~(-1))均提高了三小麦品种的H-、LMW-GS含量,SN1391提高量尤为显著,不施氮和低氮施用量(120 kg ha~(-1))显著降低了三小麦品种的H-、LMW-GS含量。 水氮互作条件下,三小麦品种的1Dx2和1Dx5亚基的相对含量最高,约占总HMW-GS含量的42%和38%。1Bx7和1Dy12亚基相对含量次之,约占31%和26%,1Ax1和1By8亚基的相对含量最小,仅占14%和12%。相互连锁的亚基对的相对含量在不同氮水平上变化不显著,但单个亚基的相对含量对水旱处理的反应不一。1Dy10亚基、1By15亚基在不同氮肥水平条件下占HMW-GS的比值是稳定的,之间无显著性差异;在非灌水条件下,7亚基、8亚基、1亚基的比值在GC8901中是稳定的,氮肥处理之间无显著性差异。与水地相比较,旱作处理使GC8901的1Ax1亚基的相对含量增加了10%,1Bx7亚基的相对含量增加了26.5%,1By8增加了85.7%,然而1Dx5和1Dy10亚基的相对含量保持不变。TS23旱作栽培条件下,1Ax亚基的相对含量下降了25%,1Bx7增加了12.2%而1By8增加了38.7%。SN1391各个亚基的相对含量在水肥料处理间则表现出相对稳定的趋势。亚基对之间相比较,1Bx7+1By8亚基对对环境反应更敏感,在中筋和弱筋小麦籽粒中,亚基对1Dx2+1Dy12往往表达量较高。相互连锁的亚基对的相对表达量表现持一定的互补和协同效应。水、氮栽培措施主要通过增加单位籽粒中的亚基含量来改善小麦的谷蛋白质量。 小麦籽粒GMP含量变化 3个小麦品种的GMP含量的大小依次顺序为:GC8901>TS23>SN1391。在灌水条件下,GMP含量都随着氮肥水平的增加而增加。在非灌水条件下,强筋小麦GC8901GMP含量随氮肥水平的增加呈抛物线状,在施氮量为240 kg ha~(-1)时GMP含量最高。与灌溉相比较,TS23和SN1391的GMP含量在不施氮时最高,分别增加了6-15.4%和30.9-82%,随着施氮量的增加GMP含量下降,中、高氮肥(240 kg N ha~(-1)、360 kg N ha~(-1))处理间无显著差异。在灌水条件下,增施氮肥有利于GMP在小麦籽粒中的积累,旱作栽培模式有利于中筋、和弱筋小麦籽粒的GMP的积累,但不同氮肥水平之间差异不显著。 小麦籽粒GMP的粒度分布 小麦成熟期的GMP粒度分布趋势相似,粒径范围为0.375~256.9μm。小麦GMP颗粒的体积分布为双峰曲线,第一个峰值出现在3.5~4.5μm之间,第二个峰值出现在116~140μm之间,不同品种间及处理间差异较大。GMP颗粒的表面积分布亦呈双峰曲线,数目分布为单峰曲线。小麦GMP数目主要由<10μm颗粒组成(约占99.8%以上),体积分布的47.57%~69%集中在12-100μm,而GMP表面积分布< 12μm,12-110μm和> 110μm百分数分别占72.3-89.4%, 9.5-21.5%和1.1-10.1%。 灌水条件下,强筋小麦GC8901籽粒GMP的12-110μm、< 110μm的表面积分布比例随着施氮量的增加先下降后显著上升。与旱作相比较,强筋小麦GC8901 < 12μm的GMP表面积分布比例显著下降。弱筋小麦SN1391表现出与GC8901完全相反趋势。灌溉条件下,中筋小麦TS23 < 12μm随着施氮量的增加而降低,12-110μm和> 110μm的GMP表面积分布比例升高,而旱作条件下,TS23不施氮水平的GMP表面积分布比例最高。三小麦品种D4.3和D3.2的变化趋势与GMP > 110μm颗粒的表面积分布趋势基本一致。旱作、低氮栽培条件能显著提高强筋小麦和弱筋小麦籽粒的体积分布比例。与旱作相比较,灌溉使TS23和GC8901 < 4.5μm的GMP颗粒的数目分布增加,4.5-12μm和> 12μm的数目分布降低,而增施氮肥使>12μm的GMP颗粒的数目增加。SN1391 <4.5μm的GMP颗粒的数目比例随施氮量而增加,4.5-12μm颗粒的数目比例降低, > 12μm颗粒的数目比例保持不变。 增施氮肥有利于GC8901籽粒HMW-GS的积聚和小粒径GMP的成长为大粒径GMP,调节了弱筋小麦GMP中等粒径颗粒和小粒径GMP颗粒数目的分布,从而形成更大的表面积分布,而不是大粒径的GMP颗粒,水分亏缺可以加速这两个调节过程。 小麦籽粒GMP的电镜观测 通过SEM电镜照片可以看出,GC8901籽粒的GMP颗粒的体积明显大于SN1391和TS23的GMP颗粒的体积,且SN1391GMP多为粒径<1.5μm小颗粒,这与激光粒度分析仪的结果相一致。这应当是由于GC8901(1、5+10、7+8)比SN1391(2+12、14+15)的亚基种类多出了1亚基且所含亚基种类的分子量较大,所以形成的GMP体积也较大的原因导致的。而从GC8901籽粒中的GMP在不同蔗糖浓度梯度下离心、分层后的所得的SDS-PAGE电泳图片看出,各层GMP所含高低分子量谷蛋白亚基种类没有差别,但无法确定其亚基的比例。可见,GMP大颗粒是有许多GMP小颗粒包裹形成,而TEM和SEM图像也表明大的GMP颗粒是由小GMP颗粒聚合而成的,较小的GMP颗粒是由H-和LMW-GS以不同比例组合而成的。 水氮互作对小麦产量和品质的影响 无论是在灌溉还是雨养条件下,增施氮肥均增加了籽粒的蛋白质含量和籽粒的千粒重。在高氮水平下(360kg ha~(-1)),相比灌溉条件,旱作栽培模式下的GC8901的蛋白质含量下降4.8-22.9%,而TS23和S1391则提高了45.6%和36.7%。灌水条件下三个小麦品种的平均产量为6.9-9.9 mt ha~(-1),而旱作模式下三个小麦品种的产量下降了2.0-38.2%,当施氮水平高于240kg N ha~(-1),产量增加不显著。DDT是反映面团的烘烤品质的重要指标,三小麦品种的DDT和籽粒GMP含量变化表现出的趋势,表明DDT和GMP含量之间密切的关系。同时,D3.2和D4.3与谷蛋白含量、HMW-GS含量、LMW-GS含量、DDT、H/L值、GMP含量和淀粉与蛋白质的比值均显著正相关,与单粒重呈极显著负相关,与籽粒淀粉含量相关不显著,但是在旱作栽培条件下D4.3与这些性状没有表现出明显的相关性。因此,H-、LMW-GS的含量和GMP的粒度分布决着面团烘焙品质的好坏。水肥充足的条件下小麦倾向于获得较高的生物量和产量,而在水分亏缺条件下则倾向于提高单粒重和蛋白质含量,以储存较多的能量。……   
[关键词]:氮肥;高分子量谷蛋白亚基;谷蛋白大聚合体;谷蛋白大聚合体粒度分布
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:山东农业大学2011年