灌浆期高温对不同耐热性小麦籽粒淀粉积累的影响

李睿琼，侯立江，卢云泽，刘曼双，许盛宝

(旱区作物逆境生物学国家重点实验室/西北农林科技大学农学院，陕西杨凌 712100)

小麦是人类重要的粮食作物之一，对保障我国的粮食安全有至关重要的作用。小麦属于喜凉作物，高温气候对小麦生产影响较大[1-5]。小麦灌浆期对高温胁迫尤为敏感，灌浆期遭遇高温胁迫往往会造成小麦减产[2,5-8]。随着全球变暖的不断加剧以及“干热风”等极端天气的频繁出现，小麦生产的可持续发展遭受巨大挑战[9]。研究表明，气温每升高1 ℃，小麦平均减产6%[1]。因此，研究小麦耐热机制，培育小麦耐热品种已经成为一个刻不容缓的课题。

高温对小麦粒重的影响主要有两个方面：(1)高温胁迫使小麦籽粒衰老加速，灌浆时间缩短，最终造成粒重降低[10-12]；(2)高温胁迫会降低与淀粉合成相关酶的活性[13,14]，抑制淀粉合成。淀粉是小麦籽粒的主要组成部分，是小麦产量和品质的决定性因素之一[15]。高温对淀粉积累的影响被认为是热胁迫下小麦粒重下降的关键问题，研究高温胁迫对淀粉积累的影响对于理解与改良小麦耐热性具有重要意义[12]。

研究发现，相比于直链淀粉，小麦籽粒支链淀粉的合成在热胁迫下受到的抑制更为严重，淀粉积累的减少主要是由于支链淀粉的下降[16-17]。高温会引起小麦籽粒总淀粉和支链淀粉的减少，但目前关于高温对籽粒直链淀粉影响的研究有不同的结果。赵辉等认为，35 ℃高温对小麦籽粒直链淀粉含量几乎无影响[18]；但周续莲等对花后10～25 d的春小麦进行35 ℃高温处理后，发现籽粒直链淀粉含量升高[19]。此外，高温胁迫对小麦籽粒的淀粉颗粒形成也会造成显著影响[20-22]，改变了籽粒淀粉的组分、淀粉颗粒大小及粒度分布。小麦籽粒的淀粉颗粒分为两类：一种是A 型淀粉粒，直径大于10 μm，呈凸透镜状，该淀粉粒的形成起始于籽粒发育初期；另一种是B 型淀粉粒，直径小于10 μm，呈圆球状[23-24]。小麦灌浆初期遭遇热胁迫后B型淀粉粒比例降低，A型淀粉粒比例升高[21]。高温下A型和B型淀粉颗粒均减少，但后者更明显，造成A型和B型淀粉粒比例升高[22]。不同实验的供试品种(系)对高温胁迫的应对策略不同，这可能是造成这些研究结果不一的原因之一。

目前，有关高温对不同耐热性小麦籽粒淀粉颗粒影响的研究还未见报道。本实验以3个耐热性不同的小麦品种(系)[44(耐热)、94(热敏感)和中国春(热敏感)]为材料，在开花后15 d进行热胁迫(昼/夜温度37/17 ℃，14/10 h)至成熟，探究热胁迫对不同耐热性小麦淀粉积累的影响，以期进一步揭示小麦的耐热机理。

1 材料与方法

1.1 供试材料与处理方法

本实验室前期对从ICARDA(International Center for Agricultural Search in the Dry Areas，国际干旱地区农业研究中心)引进的多个小麦品系进行了多年多点分期播种，并以千粒重减少率为标准鉴定了这些品系的耐热性。本研究选取其中耐热的44号小麦品系(以下简称44)和热敏感的94号小麦品系(以下简称94)以及中国春(公认的热敏感小麦，简称CS)为实验材料。

2016年9-12月在西北农林科技大学温室将小麦种植于塑料盆钵(26 cm×26 cm×20 cm)中，每盆装营养土2.6 kg，播种9粒小麦，每个实验材料种植8盆，按常规栽培措施进行管理，小麦生长中控制白粉病和蚜虫，保持良好水分供应。选取开花时间和生长一致的小麦在开花后12 d转移到人工气候培养箱(型号RDN-1000D-4，宁波东南仪器有限公司)进行2 d生长适应(24/17 ℃，14/10 h)后，每份材料的一半(4盆)小麦植株转移到另一个培养箱，进行热胁迫处理(37/17 ℃，14/10 h)至成熟；另一半小麦植株仍留在原培养箱，作为对照。小麦品系44播种时间为2016年9月14日，开花时间为2016年12月11日，对照组处理时间为2016年12月26日-2017年1月20日，热胁迫处理时间为2016年12月26日至2017年1月18日；小麦品系94播种时间为2016年9月30日，开花时间为2017年1月3日，对照组处理时间为2017年1月18日至2017年2月14日，热胁迫处理时间为2017年1月18日至2017年2月10日；CS春播种时间为2016年9月14日，开花时间为2016年12月12日，对照组处理时间为2016年12月27日至2017年1月21日，热胁迫处理时间为2017年1月27日至2017年2月13日。日期记录有前后1 d的误差。取成熟穗用于实验分析。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 生育期与粒重统计

主茎抽穗后每天观察、挂牌标注每穗开花期，穗轴完全变黄时记录成熟期，剪下成熟穗用于后续研究。选单穗分别脱粒称重，计算平均千粒重。

1.2.2 小麦籽粒淀粉颗粒的观察和粒径的统计

取各小麦品种(系)对照和热胁迫处理的穗中部籽粒。用解剖刀在籽粒中部横向断开，使籽粒产生自然裂开的横断面，取厚度约3 mm的横切片，直接将横切片用黑色双面胶粘在扫描电镜样品台上，自然断裂的横断面向上，使用离子溅射仪镀金膜后，用JEOL JSM-6360LV扫描电镜对籽粒横断面胚乳淀粉进行观察并拍照。均匀选取籽粒横截面各部分(约15个视野)进行观察拍照，每个材料的热胁迫处理与对照至少取三个样品进行观察统计。

每个材料每种处理下约拍摄50张照片(×700)，使用图像分析软件Image J测量每张图片中所有的完整可见淀粉颗粒(除去极小和变形的淀粉颗粒)最大直径。为了比较各实验材料不同条件下淀粉颗粒粒径的变化趋势，从测得的所有粒径数据中按比例选取相同的数据量(约1 000个左右)绘制粒径曲线图。

1.2.3 籽粒总淀粉含量的测定

将小麦籽粒置于研钵内研磨成粉，过0.5 mm筛，取100 mg使用总淀粉试剂盒(K-TSTA,Megazyme,Wicklow,Ireland)测定总淀粉含量[25]，每个样品三次重复。

1.2.4 直链淀粉/支链淀粉比例的测定

将小麦籽粒置于研钵内研磨成粉，过180 μm筛，取20.0～25.0 mg用直链淀粉/支链淀粉淀粉试剂盒(K-AMYL,Megazyme,Wicklow,Ireland)测定籽粒直链淀粉的含量(%，w/w)[26]，并计算出直/支比，每个样品三次重复。

1.2.5 每千粒直链淀粉和支链淀粉积累量的计算

直链淀粉积累量=千粒重×总淀粉含量×直链淀粉的含量

支链淀粉积累量=千粒重× 总淀粉含量×(1-直链淀粉的含量)

1.3 数据处理

使用Excel 2013对数据进行处理；T测验用于检测差异显著性；用Excel 2013制作淀粉颗粒粒径分布图。

2 结果与分析

2.1 灌浆期高温对小麦籽粒发育的影响

热胁迫后，各品种(系)的灌浆期都不同程度缩短，其中热敏感材料94和中国春缩短幅度较大，但差异不显著(表1)。热胁迫导致热敏感材料94和中国春的粒重显著下降，但并未引起耐热材料44粒重发生显著变化。这表明热胁迫对热敏感小麦的灌浆过程产生了显著影响。

2.2 灌浆期高温对小麦籽粒淀粉含量及直/支比的影响

与对照相比，热胁迫下，耐热材料44及热敏感材料94和CS的籽粒总淀粉含量分别下降1.39%、5.89%和5.98%，其中44变化不显著，94和CS变化均极显著(表2)。这表明热胁迫对热敏感小麦品种的淀粉积累造成显著影响。

热胁迫后，耐热材料44的直链淀粉含量较对照极显著减少，而两个热敏感材料94和CS均极显著增加；44的直/支比间显著下降，而热敏感材料均极显著上升(表2)。这说明热胁迫对耐热性不同小麦的直链和支链淀粉合成的影响显著不同。

表1 不同小麦品种(系)在热胁迫和对照条件下的灌浆期时间、千粒重和灌浆速率Table 1 Grain filling duration,thousand kernel weight and filling rate under heat stress

*和**分别表示同一材料不同处理间差异显著。表2、表3同。

* and ** indicate the significant difference between heat stress and control for a same material at 0.05 and 0.01 levels,respectively.The same in table 2 and table 3.

2.3 灌浆期高温对小麦籽粒直链淀粉与支链淀粉积累量的影响

热胁迫后小麦籽粒直链淀粉和支链淀粉积累量较对照都极显著下降，其中支链淀粉降幅较大。不同耐热性小麦材料支链淀粉积累量对热胁迫的反应不同(表3)，热胁迫后耐热材料44仅减少2.03%，热敏感材料94和CS分别下降20.25%和32.7%。这表明高温胁迫下小麦籽粒支链淀粉合成的减少是千粒重降低的主要因素，而且支链淀粉变化程度与品种(系)耐热性相关。

2.4 灌浆期高温对小麦籽粒淀粒粒径的影响

三个小麦材料的籽粒淀粉粒径在2～35 μm的范围内变化(图1)。对照条件下，热敏感材料粒径为8～14μm的淀粉粒极少；耐热材料44的淀粉粒中A型和B型淀粉粒之间的分界不明显，粒径为8～14 μm的淀粉颗粒明显多于热敏感品种(系)。热胁迫后，耐热品系44的淀粉粒径没有明显改变；而热敏感材料94和CS的A型淀粉颗粒的粒径明显减小，粒径为8～14 μm的淀粉粒增多(图1和图2)。这些结果表明，不同耐热性小麦的淀粉粒径分布对热胁迫的反应存在显著差异。

表2 对照和热胁迫条件下供试小麦总淀粉含量、直链淀粉比例和直/支比Table 2 Changes in starch composition under heat stress

*：P<0.05;**:P<0.01.

图1 热胁迫对小麦籽粒淀粉颗粒粒径的影响

表3 热胁迫后小麦材料籽粒中直链淀粉及支链淀粉积累量的变化Table 3 Changes of amylose and amylopectin weight per 1 000 grains of each wheat lines after heat stress

**：P<0.01.

黑色箭头指示热胁迫条件下中间大小(8～14 μm)的淀粉粒。A：对照条件下小麦材料44的籽粒淀粉颗粒；B：热胁迫条件下小麦材料44的籽粒淀粉颗粒；C：对照条件下小麦材料94的籽粒淀粉颗粒；D：热胁迫条件下小麦材料94的籽粒淀粉颗粒； E：对照条件下CS的籽粒淀粉颗粒；F：热胁迫条件下CS的籽粒淀粉颗粒。

The black arrows indicate the intermediate granules. A:Grain starch granules of wheat material 44 under control condition;B:Grain starch granules of wheat material 44 under heat stress; C:Grain starch granules of wheat material 94 under control condition;D:Grain starch granules of wheat material 94 under heat stress; E:Grain starch granules of Chinese Spring wheat under control condition;D:Grain starch granules of Chinese spring wheat under heat stress.

图2热处理对小麦籽粒胚乳淀粉颗粒的影响

Fig.2Grainstarchgranulealterationsinheatstress

3 讨 论

淀粉是小麦籽粒的主要组成部分，其变化直接影响小麦的粒重与品质[15]。本研究发现，高温胁迫处理后，小麦籽粒的总淀粉、直链淀粉含量均呈下降趋势。但不同耐热性小麦的直/支比变化存在差异，耐热小麦的直/支比下降，而热敏感小麦表现则相反，推测可能热敏感小麦籽粒中支链淀粉比直链淀粉下降更为显著。本研究结果表明，支链淀粉合成过程更容易受到热胁迫影响，这与前人的研究结果一致[12,16-17,20]。

热胁迫对小麦籽粒淀粉颗粒的大小也有影响[16,27]。Wang等发现，在热胁迫下，A型淀粉颗粒数量和粒径均有所降低，B型淀粉颗粒的粒径变小，数量增多[17,20]，这与HURKMAN等[20]的研究结果一致。在本研究中，热胁迫处理后，热敏感小麦的A型淀粉颗粒粒径降低，但一些中间型淀粉颗粒(8～14 μm)的数量显著增加；而耐热小麦品系淀粉粒粒径没有明显改变。A型颗粒的合成在开花后4 d开始，生长和发育阶段持续约20 d；而B型颗粒合成始于开花后10 d，开花后20 d开始有明显的颗粒生长[28]。Evers[29]观察发现，A型淀粉粒先形成一个核，然后再一层一层装配，直至形成大的A型淀粉粒。因此，本研究推测这些中间型淀粉颗粒应属于A型淀粉颗粒，热胁迫阻碍了其装配增大过程，一方面导致A型淀粉粒粒径减小，另一方面导致中等大小的淀粉粒堆积，数目增多，这些中等高大小淀粉粒在正常条件下本可以继续一层层装配成更大的A型淀粉粒。有趣的是，在正常条件下，耐热小麦存在更多的中等大小淀粉颗粒，热胁迫后淀粉颗粒大小变化不显著，这表明不同耐热性小麦的淀粉颗粒的对热胁迫的响应存在差异。在未来的研究中，这种特征可被用来筛选耐热小麦种质。此外，B型颗粒粒径似乎不受热胁迫的影响，表明具有高比例的B型颗粒的小麦也可能表现出更好的耐热性，但需要进一步研究证明。

目前，有关热胁迫对小麦淀粉颗粒影响的研究较多，但不同的研究结果不一，这可能与所选小麦品种本身的耐热性相关。本研究以不同耐热性小麦为研究材料，证实了不同耐热性小麦响应热胁迫的方式存在差异。其中，A型淀粉在对热胁迫应答中是不同小麦材料的一个重要特征，这为高温下小麦淀粉积累过程提供了新的理解，也为今后小麦耐热研究工作奠定了重要的理论基础。

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