Wx基因对小麦淀粉生物合成和积累的影响

覃 鹏 孔治有 段修安

（四川农业大学小麦研究所1，成都 611130）

（云南农业大学农学与生物技术学院2，昆明 650201）

（保山学院资源环境学院3，保山 678000）

（保山市种子管理站4，保山 678000）

Wx基因对小麦淀粉生物合成和积累的影响

覃 鹏1，2孔治有3段修安4

（四川农业大学小麦研究所1，成都 611130）

（云南农业大学农学与生物技术学院2，昆明 650201）

（保山学院资源环境学院3，保山 678000）

（保山市种子管理站4，保山 678000）

为研究Wx基因的缺失对小麦淀粉生物合成的影响，本研究以8个Wx小麦近等基因系为材料，在灌浆期的10、20、30和40 d取籽粒测定直链淀粉、支链淀粉、总淀粉的含量及合成速度。结果表明：直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量及积累速率在花后逐渐增加，以花后10～20 d最大，此后逐渐降低。3个Wx基因对直链淀粉的含量及积累速率的影响依次为Wx-B1＞Wx-A1＞Wx-D1；小麦Wx基因型对直链淀粉的合成及积累速率影响较大，而对支链淀粉的影响较小，其对总淀粉含量及其积累的影响主要通过直链淀粉进行。

小麦 淀粉 Wx近等基因系 灌浆期

淀粉是小麦籽粒的重要组成部分，一般由20%～30%直链淀粉和70%～80%支链淀粉组成，其中由Waxy基因（Wx gene）编码的颗粒结合型淀粉合成酶（Granule bound starch synthase，GBSS）是合成直链淀粉的关键酶。六倍体小麦的Waxy蛋白受3个不同的Wx基因编码，其缺失、突变或遗传表达障碍会使胚乳中直链淀粉含量减少和支链淀粉含量增加［1-4］。Miura等［5-7］研究得出，控制直链淀粉含量的3个基因以上位方式起作用；Wx-B1基因缺失或被其缺失位点代换对直链淀粉含量影响最大，Wx-A1和Wx-D1基因的缺失影响较小。同时还有其他的观点认为，不同Wx基因的效应可能有所不同，不仅受剂量效应的影响，修饰基因也可能发挥作用，而且位点间存在明显的互作效应［5-8］。Miuro等［9］利用近等基因系研究了直链淀粉含量与淀粉黏度特性的相关性，Nakamura等［10］通过比较中国春糯性位点近等基因系8种基因类型的蛋白质含量发现差异并不显著。此外，小麦直链淀粉与支链淀粉的比例影响淀粉的黏度、成胶性、糊化特性和凝胶化作用，支链淀粉比例越高，面粉黏度越大，糊化温度低、峰值黏度高、衰减值大、最终黏度低，具有较高面粉膨胀体积和延展性，抗老化能力也越强［11-13］。

不同Wx基因的缺失在很大程度上会影响小麦的淀粉含量，但是对于作为淀粉合成动态的影响尚鲜见报道，而此前有关小麦淀粉合成的研究因受到遗传背景的限制会有很大程度的局限性。如果将Wx基因转入遗传差异较大非糯小麦品种中培育出相应的近等基因系，并以其研究Wx基因对小麦淀粉积累动态的影响，可以更好地排除遗传背景差异对研究结果所造成的影响，真实反映Wx基因对小麦淀粉合成的作用。本研究以小麦Wx近等基因系小麦品种为材料研究了各个Wx基因对小麦淀粉积累的影响和作用，对进一步研究Wx基因对小麦淀粉品质和农艺性状的影响具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 材料

自主选育的8个小麦Wx近等基因系（宁麦14背景）种植于云南农业大学校内基地（表1），于花后每隔10 d取样测定籽粒淀粉含量。

表1 8个小麦Wx近等基因系

1.2 方法

从开花起标记同一天开花的8个基因型的穗子，在花后10、20、30和40 d取样，每个基因型每次取5穗（即5次重复）；剥取中部的4个小穗籽粒用于淀粉含量的测定和分析。

直链淀粉和支链淀粉以双波长法［14］进行测定，总淀粉含量为二者之和。测定仪器为DR6000紫外分光光度计：美国哈希（HACH）公司。

1.3 统计分析

每个基因型重复5次，以SAS9.0进行统计分析，显著性标记为P＜0.05和P＜0.01。

2 结果与分析

基因型间的直链淀粉和总淀粉含量、直链淀粉和总淀粉合成速度均达到极显著或显著差异，而支链淀粉含量及其合成速度无显著差异（表2）；花后时间之间在直链淀粉、支链淀粉、总淀粉的含量及合成速度方面均达到极显著水平。

支链淀粉含量和合成速度在所有基因型间均无显著差异（表3）；野生型的直链淀粉含量、总淀粉含量均最高，Wx ABD的最低，其他基因型介于二者之间，3个基因缺失时直链淀粉含量降低幅度为Wx B＞Wx A＞Wx D。

随花后时间推移，直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量均显著增加（表4）；直链淀粉、支链淀粉和总淀粉合成速度以花后10～20 d时最大，花后30～40 d时最小。

直链淀粉（图1）、支链淀粉（图2）和总淀粉（图3）含量随灌浆时间的延长而逐渐增加，仅Wx ABD型的直链淀粉含量接近于0且一直维持不变；各基因型间的支链淀粉含量在各个时期无显著差异、但直链淀粉含量差异较大，其中野生型明显高于其他基因型，缺失Wx基因对各时期直链淀粉含量的影响Wx B＞Wx A＞Wx D；总淀粉含量在20 d时各基因型间有一定差异，但到灌浆结束（40 d）时差异缩小，仅Wx ABD型因不能合成直链淀粉且合成支链淀粉能力与其他基因型相近而导致总淀粉含量显著较小。

表2 淀粉含量及合成速度方差分析（F值）

表3 各Wx基因型之间淀粉合成指标差异显著性

表4 花后不同时间淀粉合成指标差异显著性

图1 灌浆期小麦Wx近等基因系直链淀粉合成量

图2 灌浆期小麦Wx近等基因系支链淀粉合成量

图3 灌浆期小麦Wx近等基因系总淀粉合成量

图4 灌浆期小麦Wx近等基因系直链淀粉合成速率

图5 灌浆期小麦Wx近等基因系支链淀粉合成速率

图6 灌浆期小麦Wx近等基因系总淀粉合成速率

所有基因型的直链淀粉（图4）、支链淀粉（图5）和总淀粉（图6）合成速度在花后0～10 d较为缓慢，在10～20 d时迅速增加达到峰值，此后逐渐降低，30 d后降低趋势趋于平缓（Wx ABD的直链淀粉因基本不能合成除外）。支链淀粉和总淀粉合成速度在所有基因型（Wx ABD除外）间基本一致，但直链淀粉合成速度差异较大，尤其20～30 d直链淀粉大量合成时，野生型合成速度显著最高，3个基因对直链淀粉合成速度的影响分别为Wx B＞Wx A＞Wx D。

3 讨论

淀粉合成的机理比较复杂，由叶片中合成或淀粉降解产生的蔗糖通过韧皮部长距离运输至贮藏器官，在胞液中由蔗糖合成酶作用分解为果糖和UDP-葡萄糖、形成6-磷酸葡萄糖（G6P）或1-磷酸葡萄糖（G1P），G1P进入造粉体后可以在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和淀粉合成酶（SS）以及淀粉分支酶（SBE）作用下合成直链淀粉和支链淀粉［15］。颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS）由Wx-A1、Wx-B1、Wx-D1等3个基因位点控制，在直链淀粉合成中起着重要作用。此前尽管有Wx基因对籽粒淀粉含量方面的研究，但以小麦Wx近等基因系来研究各Wx基因对小麦淀粉合成和积累动态的影响还鲜见报道。

本研究中直链淀粉、支链淀粉和总淀粉的积累速率在所有基因型中趋势一致（Wx ABD因不能合成直链淀粉除外），开花后即逐渐开始合成和积累，尤其以花后10～20 d时达到最大，此后逐渐降低，到花后30～40 d时最小，表明花后10～20 d时小麦灌浆高峰，淀粉积累迅速，而后随着叶片逐渐衰老和种子由乳熟到成熟乃至完熟的转化，淀粉合成和积累速率也逐渐降低。各基因型直链淀粉和总淀粉合成速度差异较大，但支链淀粉含量及其合成速度无显著差异，表明Wx基因的缺失对直链淀粉的合成影响较大，但不会影响到支链淀粉的合成和积累。在8个基因型中，野生型由于所有Wx基因均表现为显性，所以直链淀粉和总淀粉无论积累速率还是含量均高于其他基因型。3个Wx基因对直链淀粉的含量及积累速率影响也不相同，依次为Wx-B1＞Wx-A1＞Wx-D1，这与以往的研究结果基本一致。小麦Wx基因型对直链淀粉的合成及积累速率影响较大，而对支链淀粉的影响较小，其对总淀粉含量及其积累的影响主要通过直链淀粉进行。尽管3个Wx基因缺失对直链淀粉合成的降低之和并不大，但完全缺失后直链淀粉含量和合成速率均几乎降为0，表明3个Wx基因之间并非简单的加性效应，可能还存在与其他基因之间的互作，导致淀粉合成相关酶活性也产生相应的变化。Wx基因对淀粉合成的作用方式及作用机理目前均鲜见报道，而且以小麦Wx近等基因系来研究小麦淀粉合成尚属首次，必须进行更多试验和深入研究才能明确Wx基因在小麦淀粉合成过程中的作用机理。

4 结论

4.1 小麦Wx基因型对直链淀粉的合成及积累速率影响较大，而对支链淀粉的影响较小，其对总淀粉含量及其积累的影响主要通过直链淀粉进行。

4.2 淀粉积累速率在花后逐渐增加，以花后10～20 d最大，此后逐渐降低。

4.3 3个Wx基因对直链淀粉的含量及积累速率的影响依次为Wx B＞Wx A＞Wx D。

［1］Anisworth C，TarvisM，Clark J.Isolation and analysis of cDNA clone encoding the small subunit of ADP-glucose pyrophosphorylase from wheat［J］.Plant Molecular Biology，1993，23：23-33

［2］Nakamura T，Yamamori M，Hirano H，et al.Identification of three waxy proteins in wheat（Triticum aestivum L.）［J］.Biochemical Genetics，1993，31（1-2）：75-86

［3］Yamamori M，Endo T R.Variation of starch granule proteins and chromosome mapping of their coding genes in common wheat［J］.Theoretical and Applied Genetics，1996，93：275-281

［4］Sun C，Puthigae S，Staffan A，et al.The two genes encoding starch-branching enzymesⅡ a andⅡb are differentially expressed in barley［J］.Plant Physiology，1998，118：37-49

［5］Mirua H，Tanii S，Nakamura T，et al.Genetic control of amylose content in wheatendosperm starch and differential effects of three Wx genes［J］.Theoretical and Applied Genetics，1994，89：276-280

［6］Miura H，Araki E，Tarui S.Amylose synthesis capacity of the three Wx genes of wheat cv.Chinese Spring［J］.Euphytica，1999，108：91-95

［7］Miura H，Wickramasinghe M H A，Subasinghe RM，etal.Development of near-isogenic lines of wheat carrying diferent null Wx alleles and their starch properties［J］.Euphytica，2002，123（3）：353-359

［8］ZhaoX C，Batey I L，Sharp P J，et a1.A single genetic locus associated with starch granule properties and noodle quality in wheat［J］.Cereal Science，1998，27：7-13

［9］Miuro Bhattacharya，Erazo C SV，Doehlert D C，et al.Staling of bread as affected by waxy wheat flour blends［J］.Cereal Chemistry，2002，79：178-182

［10］Nakamura T，Yamamori M，Hirano H，et a1.Production of waxy（amylose-free）wheat［J］.Molecular and General Genetics，1995，248（3）：253-9

［11］舒守贵，孙家柱，张爱民，等.糯小麦回交改良群体中Wx基因的遗传和品质效应［J］.应用与环境生物学报，2007，13（5）：624-629

［12］姚大年，李保云，朱金宝，等.小麦品质主要淀粉性状及面条品质预测指标的研究［J］.中国农业科学，1999，32（6）：84-88

［13］杨学明，姚金保，姚国才，等.糯性普通小麦的选育及其淀粉品质［J］.江苏农业学报，2006，22（1）：91-92

［14］何照范，张迪青.粮油籽粒品质及其分析技术［M］.北京：北京农业出版社，1995

［15］高松洁，郭天财，吴雪峰，等.小麦淀粉合成关键酶与淀粉主要理化特性研究进展［J］.河南农业大学学报，2002，36（4）：313-318

Effect of Wx Gene on Starch Biosynthesis and Accumulation ofWheat

Qin Peng1，2Kong Zhiyou3Duan Xiuan4

（Triticeae Research Institute of Sichuan Agricultural University1，Chengdu 611130）
（College of Agronomy and Biotechnology，Yunnan Agricultural University2，Kunming 650201）
（College of Resources and Environment，Baoshan University3，Baoshan 678000）
（Baoshan Seed Management Station4，Baoshan 678000）

In order to research the effect of absence of Wx gene on wheat starch biosynthesis，eight Wx nearisogenic wheat lineswere used asmaterials.Amylose，amylopectin，total starch contentand synthesis speed were determined during the grain filling period of10，20，30 and 40 days.The results showed that the contents and accumulation rates of amylose，amylopectin and total starch increased after flowering.These elements reached themaximum value 10～20 days after flowering，and then decreased gradually.The effect of 3Wx genes on the content and accumulation rate of amylose was Wx-B1＞Wx-A1＞Wx-D1.The Wx genotypes showed a significant influence on starch biosynthesis and accumulation through synthesis and accumulation of amylase.While Wx genotypes did not involve in the biosynthesis of amylopectin.The effect of Wx genotypes on total starch biosynthesis and accumulation could bemainly influenced through amylose.

wheat，starch，Wx near-isogenic lines，filling stage

S512.01

A

1003-0174（2015）07-0007-05

国家自然科学基金（31000712）

2014-01-23

覃鹏，男，1977年出生，博士，小麦遗传育种与品质改良