作物表皮蜡粉研究评述

李延玲 铁键 邵慰 商业绯 罗峰

摘    要：本文综述了作物表皮蜡粉的成分、结构、合成途径、功能及测定方法等研究的最新进展。并对比了测定蜡粉的方法，对存在的缺陷和不足进行探讨，可为研究作物蜡粉提供参考。

关键词：作物;蜡粉;测定方法

中图分类号：S311         文献标识码：A         DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2016.01.026

A Review on Crop Cuticle Wax Powder

LI Yanling， TIE Jian， SHAO Wei， SHANG Yefei， LUO Feng

（College of Agronomy & Resources and Environment， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384，China）

Abstract： The paper reviewed the research on the composition， structure， biosynthetic pathway， function and the method of crop cuticle wax powder. The methods of measuring wax powder were compared. The defects and shortcomings of the method were discussed which could provided reference for crop wax powder.

Key words： crop; wax; measuring method

许多作物如玉米、小麦、甜高粱等，其茎叶表皮附着一层白色腊粉。蜡粉具有抗旱的特性，可以减少水分的蒸腾和蒸发，降低水分消耗[1]。同时，茎秆表皮蜡粉还能够有效抵抗病虫的侵害，在蜡粉较多的作物表面，蜡粉的存在会降低昆虫的附着能力，进而影响昆虫取食，起到保护作用[2]。但是如表皮蜡粉含量过多，则会影响到作物的品质。例如饲用高粱和饲用玉米，其表皮蜡粉含量过多则不易被牲畜消化吸收。笔者综述了对作物表皮蜡粉研究的最新进展，并对其中存在的问题及其研究前景进行了探讨。

1 蜡粉的成分、结构、合成途径及功能

1.1 蜡粉的成分

不同作物的表面蜡粉的化学成分存在很大的差异。表皮蜡粉的基本组成成分是链式超长脂肪酸衍生物、各种大量的三萜类和苯丙酯类[3-4]，它们的主要组成成分是脂肪族化合物[5-6]。大量研究表明[7]，不同类型的作物其蜡粉的成分也有所不同。例如，双子叶作物如烟草、黄瓜等，其表面蜡粉中主要含有烷烃、醛、酯、酮、脂肪醇、脂肪酸及游离脂肪酸和环状化合物等;单子叶作物如小麦、水稻、高粱等，其表面蜡粉的主要成分为烷烃、醛、醇、酸、酯类，还含有β-二酮和羟基β-二酮等。除此之外，同一种类的不同品种间其蜡粉的含量和成分也有所差异，如对小麦[8]的相关研究结果表明，不同小麦品种的叶片表皮蜡粉的组分和含量存在较大的差异，而这些差异是使小麦叶色有不同程度灰白蜡粉表型的一个重要原因。

1.2 蜡粉的结构

蜡粉是陆生植物的地上部分和环境的分界线，是包被在作物表面的一层蜡状物质，由蜡粉基因决定蜡粉的形成。一般来说，在结构上一般可分为角质层和蜡粉层[9]。从组成上来说，蜡粉层由位于角质层外的外层蜡粉和深嵌在角质层中连接表皮和细胞壁的内层蜡粉两部分构成[10]。外蜡粉层是可以进行自我组装的晶体微结构， 可以被外力或有机溶剂去除，但在短时间内可以重新形成。而内层蜡粉则多处于无定形态[11-12]。外层蜡粉的形态呈现多样性， 通过扫描电镜发现，一般呈柱状、棒状、筒状、伞状等形态[12] ，相关研究学者[13]通过借助原子力显微镜，首次观察到蜡粉超微晶体结构的分子组成。蜡粉晶体的微结构形态具有一定的不稳定性， 表现在受环境因子和自身生理机制的影响较大，温度、光照、湿度等环境参数的变化以及叶片的成熟度差异等自身生理机制的变化都会使蜡粉形态发生改变 。

1.3 蜡粉的合成

作物表皮蜡粉的合成过程[14]十分复杂，合成反应大多发生在作物的表皮细胞内。途径则是一系列酶及编码这些酶的基因参与协同的过程，通过形成多酶体组成的复合系统来促进脂肪酸前体的延伸，催化形成一系列脂肪类化合物。有研究表明，植物表皮蜡粉的合成会受到其生长发育和环境因子的影响，例如在快速生长的拟南芥茎上，茎表皮蜡粉的含量会随着茎表面积的增加而增加[8]。

1.4 蜡粉的功能

蜡粉的功能随着作物的生长发育及环境的改变而变化。作为作物与环境的第一接触面， 蜡粉对外界环境因子的反应比较敏感， 当作物受到外界不利环境因子胁迫时， 蜡粉会改变自身晶体结构形态或化学组分构建防御机制以减少胁迫因子的作用， 有效地协调作物与环境的关系。一方面，表面蜡粉通过这种机理能够抵抗各种生物与非生物侵害，包括病菌虫害、干旱、太阳射线以及人类活动造成的酸雨与臭氧等。相关研究表明[15]，在水分胁迫条件下，有蜡粉表型的高粱株系的表皮蜡粉含量增加了90%，水分利用效率提高，而无蜡粉表型的株系表皮蜡粉含量仅增加了15%，且水分利用效率明显降低。另一方面，表面蜡粉在保护作物、减少水分散失的同时又影响作物对生长调节剂、杀虫剂和除草剂的吸收和利用效率。表皮蜡粉除了作物自生分泌之外，还有来自大气的半挥发性有机化合物的积累[7]。

2  蜡粉基因研究进展

近年来，与蜡粉相关的研究有了大量报道。蜡粉的合成在很大程度上受环境因子的影响，环境因子的变化能够改变蜡粉各组分的分布和含量。目前已从拟南芥、玉米等作物中克隆了一些与蜡粉相关的基因，这可以解释部分蜡粉的合成途径[16]。有学者采用分子遗传学的方法分析出了表皮蜡粉中许多酶和转运蛋白的功能，并且确定了细胞内合成蜡粉成分的主要部位是内质网，鉴定出了与蜡粉成分穿越质膜向质外体运输相关的蛋白[16]。在基因表达的层次上，最新的研究是在水稻上进行的，水稻的蜡质基因能够编码结合在淀粉粒上的蜡质蛋白，而蜡质蛋白是直链淀粉合成的关键酶，水稻胚乳直链淀粉含量主要由蜡质蛋白水平决定，所以直链淀粉含量的高低直接影响水稻食味的好坏[17]。总的来说，有关基因是如何调控作物表面蜡粉合成的研究相对比较少，在基因水平上作物通过何种途径调控其表面蜡粉的化学成分，以及如何调控作物表层附着方式抵御外界干扰等，还停在假说和推断的层面上，还有待深入地论证和研究。

3  蜡粉含量测定方法

不同作物其表皮蜡粉测定方法有所不同。目前作物表皮蜡粉的测定一般采用以下几种方法。

3.1 目测法

通过研究者对叶片或者茎秆进行直观的观察，并确定反映蜡粉多少的一个等级，这种方法由于观测者的经验以及标准的不同，对同一材料可能会有不同的结果，人为误差比较大，用此方法测定的蜡粉存在较大的误差。

3.2 化学提取法

目测法存在较大的误差，结果受个人影响较大，准确性较低，因此目前测定蜡粉一般采用化学提取法，即氯仿（或正己烷）提取。具体步骤为：取待测作物的新鲜叶片或茎秆，剪成小段，置于已知重量的培养皿中称质量，并记录。然后加入30 mL三氯甲烷浸泡1 min，准确计时，夹出叶片，在通风厨内使三氯甲烷完全挥发，再次称量培养皿重，2次差值为蜡粉质量（g）。测量干物质含量，以单位叶片干物质重计算蜡粉含量（g·g-1）。蜡粉含量=蜡粉质量（g）/叶片或茎秆质量（g）[18]。这种方法普遍用在小麦、水稻、玉米等作物的蜡粉提取实验中，虽然此方法相对目测法来说比较准确，对实验条件要求低，操作简单，但是由于蜡粉具有挥发性，在取材到测定的这段时间内会挥发，因此测得的数据仍然存在较大的误差。

3.3 色差法

色差法利用色彩色差计进行蜡粉的测定。它的测量原理是[19]：利用物理学中的色差原理，用仪器内部的标准光源照明样本，样本选择性吸收、反射或散射光线，光电探测器检测反射光并与标准光源作出比较、计算。经过色彩色差计测量后，可直接计算出样品颜色的三刺激值X、Y、Z，也可根据测量样品的需要将这些值转换成其它均匀色空间的颜色参数，如L*a*b*色空间、L*C*h*色空间、亨特Lab色空间等。因L*a*b*色空间是当前最通用的测量物体颜色的色空间之一，适用于所有领域，故一般的分析或检测均采用L*a*b*色空间。色差法使用的仪器设计简单，结构非常坚固，能够承受日常生活的恶劣环境，适合在实验室环境里及生产环境中直接操作。

4 展 望

综上，作物表层蜡粉的合成、运输是一个复杂的过程，目前国内外对作物蜡粉成分、结构、合成途径、功能及其遗传规律的研究报道很少，有关基因调控作物表面蜡粉的合成研究以及基因对蜡粉抵抗外部不良影响机制的研究报道还比较少见，还未深入地在基因水平上进行探讨，因此还需要进一步的研究。

在作物蜡粉的测定中，传统方法存在很多缺陷，随着科技的进步，各种新方法不断涌现，目前比较新颖的方法是色彩色差计法，该法在医学和食品的检测中比较常见。笔者认为，这种方法可以引用到测定作物表皮蜡粉含量的试验中，为测定蜡粉含量及作物蜡粉研究创造一种新思路。此外，关于作物蜡粉的遗传报道相对较少，今后应在这方面加强研究。

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