叶喷γ-氨基丁酸对小麦产量和品质的影响

杨　娜　伍　宏　甘立军　朱昌华

(南京农业大学生命科学学院，南京　210095)

小麦是一种重要的粮食作物，为人体提供所需的一半蛋白质和能量，世界上1/3以上人口以其为主食[1]。小麦籽粒是碳水化合物、蛋白质、氨基酸和矿质元素的重要来源，它们决定着小麦的营养价值和品质特征，而总蛋白质及其组成又决定了小麦的加工品质[2-3]。随着社会的发展，世界人口的增加、耕地种植面积减少，世界小麦产需矛盾加剧，加之人们生活水平的提高，如何提高小麦产量和品质已成为人们关注的重点。

植物生长调节剂在小麦生产上已得到广泛的应用。王立秋等[4]发现，在春小麦分蘖期叶面喷施PP333，能提高小麦籽粒的蛋白质含量，并可提高沉降值和干、湿面筋含量。Shekoofa等[5]研究发现，在不同的施氮水平下，乙烯利和矮壮素处理能降低小麦株高，改变光合作用产物向籽粒中的转移，增加籽粒产量。Xie等[6]研究发现，在小麦离体实验中，脱落酸(ABA)处理减少了籽粒重量，增加了蛋白质的含量，ABA处理可能降低了小麦旗叶的叶片净光合速率和叶绿素含量，促进了N的代谢和氨基酸向籽粒中转移。

γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)是一种4碳非蛋白质氨基酸，它于半个世纪前首次发现于马铃薯的块茎中[7]。在植物体中，GABA的代谢主要通过GABA支路来完成，其中谷氨酸脱羧酶(enzyme glutamate decarboxylase，GAD)、GABA转氨酶(GABA transaminase，GABA-T)和琥珀酸半醛脱氢酶(succinic semialdehyde dehydrogenase，SSADH)是参与此途径的关键酶。GABA支路参与植物的许多生理反应，包括调节细胞质的pH、回补三羧酸循环(TCA)、参与氮的代谢、参与氧化胁迫的防御以及作为信号分子的作用等[8]。有研究显示，GABA可能有植物激素的作用，影响细胞的伸长和分裂，促进水稻幼苗的生长[9]。Kathirsan等[10]也研究报道，低浓度的GABA(不超过500 μmol/L)能促进长须银柴胡茎的伸长，高浓度的GABA能诱导ACC合酶的积累和乙烯的产生，抑制茎的伸长。Hoqu[11]发现GABA能提高小麦产量。然而，关于GABA对小麦品质的影响研究较少，本研究通过小麦叶面喷施GABA，探究其对小麦产量和品质的影响，为改善小麦品质提供借鉴。

1　材料与方法

1.1　材料与试剂

供试品种为中筋小麦“济麦22”，于2013年10月20日播种，2014年6月7日收获。实验于2013—2014年度在淮安市高教园示范区内进行，实验土壤有机质含量为20 g/kg、速效磷30.2 mg/kg、速效钾160.5 mg/kg、速效氮160.5 mg/kg。

GABA：Sigma公司；其他试剂为国产分析纯：国药集团化学试剂有限公司。

1.2　仪器与设备

Perten DA 7200近红外光谱仪：瑞典Perten公司；UV-5200分光光度计：上海元析仪器有限公司；Perkins Elmer Optima 2100DV电感耦合等离子体原子发射光谱仪：美国PerkinElmer公司；Bühler MLU 202磨粉机：瑞士Bühler公司；FN-1800降落数值仪：瑞典Falling Number公司；National Mixograph揉混仪：美国National公司。

1.3　方法

实验采用随机组设计，设3个GABA浓度处理，1个对照处理，每个处理3个重复，共计12小区。GABA处理质量浓度分别为：100、200、300 mg/L，对照为喷施清水。每小区面积为15 m2(5 m×3 m)，每小区之间留有30 cm的保护行，播种行间距为18 cm，基本苗为230万株/hm2，每小区喷药量为1.5 L，喷施以小麦叶片湿润不滴水为标准，于小麦生长拔节期、扬花期和花后10 d，3个时期喷药。小麦成熟后，每小区取2个点，每个点2 m2，计算产量；每小区选15株，计算穗粒数；收获后的籽粒，每小区随机取1 000粒称重，5个重复，计算千粒重。

籽粒蛋白质含量采用近红外光谱仪测定[12]。

蛋白质组分采用连续抽提法提取[13]，提取的蛋白质用考马斯亮蓝法测定。反应液包含100 mg/L G-250、4.5%(V/V)乙醇和8.5%(m/V)磷酸，每0.1 mL蛋白质提取液，加入5 mL反应液，混匀，3 min后，于595 nm处测吸光值，以牛血清蛋白做标准曲线，计算各蛋白质含量。

籽粒总淀粉含量采用酸水解法[14]。

直链淀粉含量采用比色法测定[15]，支链淀粉含量为总淀粉含量减去直链淀粉含量。

籽粒矿质元素含量采用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定[16]。

小麦粉揉混能力测定：100 g小麦籽粒样品加水润湿16 h，使小麦含水量达到14%，用磨粉机进行磨粉，出粉率=小麦粉质量/g/小麦籽粒重量/g；降落数值用FN-1800型降落数值仪测定；揉混图谱分析用National Mixograph揉混仪测定，用10 g小麦粉样品分析。

1.4　数据处理

所用数据均采用GraphPad Prism 5和SPSS 18.0软件进行统计分析，数据间的比较采用Duncan’s新复极差法进行多组样本间差异显著性分析。

2　结果与分析

2.1　GABA处理对小麦旗叶生长、穗粒长度及数目、千粒重和产量的影响

如图1所示，GABA处理促进了小麦旗叶的生长。外源100、200、300 mg/L GABA处理，旗叶的长度分别是对照的1.06、1.13、1.11倍，旗叶的面积分别是对照的1.09、1.18、1.15倍。外源GABA处理对旗叶宽和穗长没有明显影响。GABA处理对旗叶生长的促进作用有利于小麦光合效率的增加。

注：图中不同的字母表示差异达到显著性(P<0.05)，下同。图1　GABA处理对小麦旗叶叶长、叶宽、叶面积和穗长的影响

由图2可知，GABA处理增加了小麦穗粒数，100、200、300 mg/L GABA处理分别比对照增加了7.2%、5.2%、4.9%。100 mg/L GABA处理显著增加了小麦籽粒产量，比对照增加了4.4%，200、300 mg/L GABA处理与对照相比没有明显影响。此外，GABA对千粒重没有明显影响。由此可知，GABA主要通过提高小麦穗粒数来提高小麦的产量。

图2　GABA处理对小麦穗粒数、千粒重和产量的影响

2.2　GABA处理对小麦籽粒蛋白质及组分含量的影响

小麦籽粒中蛋白质主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白组成，对小麦营养和加工品质起到重要的作用。

由表1可知，GABA处理增加了小麦中清蛋白和谷蛋白的含量，100、200、300 mg/L GABA处理，清蛋白含量分别比对照显著增加了9.4%、8.2%、5.0%，谷蛋白含量比对照也显著增加了13.4%、12.9%、11.0%，处理组之间没有显著差异。此外，GABA处理降低了醇溶蛋白含量，与对照相比，100、200、300 mg/L GABA处理分别降低了10.9%、17.8%、18.8%。GABA处理对球蛋白的含量没有明显影响。虽然GABA处理后小麦籽粒中总蛋白质含量有轻微增加，但同对照相比没有显著差异。因此，GABA处理能在一定程度上改善小麦的蛋白质营养和加工品质。

表1　GABA处理对小麦成熟期籽粒蛋白质及组分含量的影响

2.3　GABA处理对小麦籽粒直链、支链和总淀粉含量的影响

淀粉是小麦籽粒中多糖的主要存储形式，由直链淀粉和支链淀粉组成，其含量影响小麦的营养和加工品质。由表2可知，同对照相比，GABA处理增加了小麦籽粒中总淀粉和支链淀粉含量，对支链淀粉含量来说，100、200、300 mg/L GABA处理分别增加了6.3%、5.1%、4.6%，并且显著差异，100 mg/L GABA处理将总淀粉含量增加了4.0%。与此相反，GABA处理降低了直链淀粉含量，与对照相比，200、300 mg/L GABA处理分别降低了7.5%、10.3%。此外，随着GABA处理浓度的升高，直链/支链值也随之降低。

表2　GABA处理对小麦成熟期籽粒淀粉质量分数的影响

2.4　GABA处理对小麦籽粒矿物质元素含量的影响

由表3可知，GABA处理能够显著影响籽粒矿质元素的含量；200 mg/L GABA处理增加了小麦籽粒中K元素的含量，同对照相比，增加了2.3%。随着GABA处理浓度的升高，籽粒中Ca、P、Mg元素的含量也逐渐增加，300 mg/L GABA处理分别比对照增加了12.0%、7.0%、4.1%。GABA处理也增加了小麦微量元素Fe、Mn和Zn的含量。100、200、300 mg/L GABA处理，Fe元素含量分别比对照显著增加了17.4%、23.1%、22.7%，处理组之间差异不显著。200、300 mg/L GABA处理，Mn元素的含量分别增加了20.9%、17.4%，Zn元素的含量增加了22.8%、32.6%。

表3　GABA处理对小麦成熟期籽粒矿质元素含量的影响/mg/kg

2.5　GABA处理对小麦出粉率、降落值及流变学特性的影响

由表4可知，GABA处理对小麦出粉率和降落数值没有明显影响。GABA处理对面团的流变学特性不同指标的影响有所不同，GABA处理增加了面团揉混的峰值时间，并且300 mg/L GABA处理比对照增加了14.4%，差异显著，而峰值宽度有所降低，300 mg/L GABA处理比对照显著降低了13.0%，峰值高度没有明显变化。

表4　GABA对出粉率、降落值和流变学特性的影响

3　讨论

GABA作为一种植物调节剂，能调控不同种植物的生长发育。叶面喷施GABA能增加苦瓜[17]和冬瓜[18]的生长和产量；低浓度的GABA能促进植物茎的伸长，而高浓度的GABA抑制茎的伸长[19]。外源GABA处理可以通过调节膜上Ca2+离子通道来控制花粉管的伸长和受精[20-21]。本研究结果显示，GABA处理不仅增加了小麦旗叶的长度和叶面积，也增加了小麦穗粒数和籽粒产量。小麦旗叶是小麦生长后期光合效率最高的叶片，它对籽粒的形成和产量贡献最大，占全部产量的45%～50%[22-23]。GABA对小麦籽粒产量的作用可能与旗叶光合能力的增强密切相关。

小麦籽粒淀粉主要由碳的转化形成，一般占小麦籽粒干重的65%～75%[24]。淀粉由直链和支链淀粉组成，它们的含量影响小麦的加工品质。小麦直链淀粉含量是影响面粉蒸煮品质的重要因素，它与面条品质呈负相关性，即一定范围内，直链淀粉含量低，制成的面条食用品质好、有韧性、黏性小[25-26]。本实验结果显示，GABA处理增加了小麦籽粒中支链淀粉和总淀粉含量，而降低了直链淀粉的含量。因此，GABA处理对面条的加工品质具有改善作用。

小麦籽粒蛋白质是由结构蛋白(清蛋白和球蛋白)、储藏蛋白(醇溶蛋白和谷蛋白)和一些非可溶性蛋白组成，清蛋白和球蛋白中含有较多的赖氨酸、色氨酸和甲硫氨酸，一般决定着小麦的营养品质，前人研究结果表明，醇溶蛋白含量与面团延伸性呈显著正相关[27]，谷蛋白含量一般决定面团的弹性，因此，蛋白质的含量及其组成直接影响小麦的营养和加工品质。结果显示，GABA处理增加了小麦籽粒中清蛋白和谷蛋白的含量，降低了醇溶蛋白的含量，总蛋白质含量没有明显影响。这表明GABA能一定程度改善小麦营养品质，增加面团弹性，降低面团延伸性。

蛋白质组分含量往往影响面团流变学特性，面团的流变学特性是反映小麦加工品质的重要指标，它体现了面团的柔性和黏性等综合指标。小麦降落数值反映了α-淀粉酶活性，降落数值越低，则α-淀粉酶活性活性越高。揉混峰值时间影响面团耐揉性，时间越长，耐揉性越好；峰值高度衡量面团强度；峰值宽度衡量面团延伸性[12]。在本实验中，GABA处理增加了峰值时间，降低了峰值宽度。它预示着GABA处理增加面团耐揉性，降低面团延伸性(与醇溶蛋白变化结果一致)，因此，GABA处理峰值时间的增加与清蛋白和谷蛋白的增加相关，而峰值宽度的下降与醇溶蛋白的降低有关。

小麦籽粒中矿质元素的含量对人体的健康有着重要的作用。本结果显示，除了Cu元素，GABA处理增加了小麦籽粒中P、K、Ca、Mg、Fe、Mn和Zn元素的含量。有报道显示，GABA能作为一个潜在的离子转运调节器，促进矿质元素在植物组织中的积累[28]。目前，关于GABA处理影响作物成熟籽粒和果实中矿质元素含量的机制还不清楚，需要进一步的研究。

4　结论

GABA处理增加了小麦穗粒数和籽粒产量，提升了籽粒中矿物质元素的含量，改变了淀粉和蛋白的组成，部分提高了小麦的营养和加工品质。由于此结果只是一年的实验结果，因此，还需要经过更多的实验验证。此外，GABA是作为一种氮源促进了小麦的生长和产量的增加，还是作为一种信号参与对小麦产量及品质的调控，需要进一步深入的研究。

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Effect of Foliar Application of γ-Aminobutyric Acid on Yield and Quality of Wheat

Yang NaWu HongGan LijunZhu Changhua

(College of Life Sciences,Nanjing Agricultural University,Nanjing210095)