花后高温对小麦籽粒淀粉合成及相关酶活性的影响

赵 云，李鹏兵，唐冬梅，林 静，冯 宽，李卫华

(1.石河子大学农学院/新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子　832003；2.石河子农业科学研究院粮油所，新疆石河子　832003)

0　引 言

【研究意义】小麦(TriticumaestivumL.)是我国重要的粮食作物之一，其籽粒淀粉含量占其干重的65%～75%，也是评价小麦品质的重要指标之一。小麦产量与品质的形成不仅受遗传特性等内在因素的影响，而且与生态环境和栽培措施等一系列手段密切相关[1]。温度和水分是影响小麦生长发育的重要因素，对籽粒贮藏物质的形成具有重要作用。高温是新疆地区小麦生育期遭受的主要自然灾害之一，北疆大部分麦区在小麦籽粒灌浆期间气温骤升，30℃ 以上高温频繁，降雨较少，极易导致籽粒产量和品质下降[2, 3]。因此，研究小麦灌浆期高温对籽粒淀粉合成及相关酶活性的影响，对小麦高产及耐高温品种的选育具有重要意义。【前人研究进展】在籽粒灌浆过程中，有4种酶被认为起关键性的作用，分别是蔗糖合酶(SS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADGP)、淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(SBE)，且在小麦灌浆期，这4种酶活性与淀粉积累速率正相关[4, 5]。李淑益[6]研究结果表明，高温显著降低了小麦籽粒总淀粉含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量及其积累速率。姚珊[7]研究亦表明同样的结果。Xie Z等[8]研究表明高温胁迫下，籽粒淀粉含量下降，主要是由于淀粉合成过程中某些酶活性降低。也有研究表明，高温胁迫下籽粒淀粉含量低的原因在于淀粉积累提前结束，缩短了达到最大籽粒干重的时间，而并不是简单的淀粉合成酶被抑制[9]。在对小麦花后高温胁迫对籽粒淀粉的积累及其相关酶的活性影响研究中，原因、结论并不一致[10, 11]。【本研究切入点】以往在温度影响小麦灌浆期的研究中，多采用全程或者个别时期的高温胁迫试验，探讨高温对小麦淀粉合成、产量性状及一些酶活性的影响，而对于花后早期高温对淀粉合成影响研究较少。应用人工气候室培养盆栽小麦，并在花后5～8 d进行高温处理，研究花后早期高温胁迫下小麦淀粉合成及相关酶活性的变化。【拟解决的关键问题】研究花后高温胁迫对籽粒淀粉合成及相关酶活性的影响，为耐高温品种的选育及小麦响应逆境胁迫提供理论指导。

1　材料与方法

1.1　材 料

供试材料为新疆春小麦主栽品种新春11号，由石河子大学麦类作物研究所提供。试验于2016年9～12月在石河子大学绿洲生态农业重点实验室人工气候室(日平均气温20～25℃)中采用盆栽进行。开花盛期，标记生长一致且同天开花的单穗作为试验材料,于花后5 d将材料移入温光可控培养箱进行高温处理，处理温度35℃，于12:00开始处理至18:00结束，连续处理至花后8 d，处理结束后移至人工气候室正常生长。于花后10、15、20、25和30 d分别取样,剥取穗中下部籽粒。一部分籽粒置烘箱105℃杀青 30 min，80℃烘干至恒重，研磨过80目筛，用于淀粉含量测定；一部分籽粒置液氮中速冻30 min,于-80℃冰箱中保存,用于淀粉相关酶活性的测定。

1.2　方 法

1.2.1淀粉含量的测定

籽粒总淀粉和直链淀粉含量的测定采用分光光度法[12]，总淀粉含量的测定波长为480 nm，直链淀粉含量的测定波长为 620 nm。支链淀粉含量(%)= 总淀粉含量(%)- 直链淀粉含量(%)。

1.2.2淀粉合成相关酶活性的测定

粗酶液的制取参照陈婷婷等[13]方法。可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉分支酶(SBE)活性测定参照程方民等[14]方法。葡萄糖焦磷酸化酶(AGPPase)活性测定参照Schaffer等[15]的方法。蔗糖合成酶(SS)活性的测定参照《现代植物生理学实验指南》[16]。

1.3　数据处理

数据采用Excel 2010和SPSS Statistics 19.0软件进行统计分析。

2　结果与分析

2.1　花后高温对小麦籽粒淀粉含量及积累速率影响

2.1.1花后高温对籽粒总淀粉含量及其积累速率的影响

研究表明，花后高温处理和对照的小麦籽粒总淀粉含量均随花后天数的延长呈递增趋势，至花后30 d总淀粉积累量达到最大值，且各时期间总淀粉积累量差异显著。但高温处理后各时期总淀粉含量显著低于同时期对照的总淀粉含量，相比对照分别降低了2.14%、4.42%、7.10%、11.78%、和13.52%(图1A)。花后高温处理和对照籽粒总淀粉积累速率变化趋势一致，均呈单峰曲线，即随籽粒灌浆总淀粉积累速率呈上升趋势，在花后25 d达到积累峰值，随后积累速率迅速下降。高温胁迫明显降低了各时期总淀粉的积累速率，尤其是花后25 d的积累速率(较对照下降0.94%)，差异显著(图1B)。高温胁迫显著降低了籽粒总淀粉含量及其积累速率，且随花后天数的延长，总淀粉含量差异越明显。图1

注：A代表总淀粉含量、B代表总淀粉积累速率。图柱上不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同

Note: A represents total starch content, B represents total starch accumulation rate. Different letters above column mean significant differences among treatments(P<0.05)，the same as below

图1高温胁迫下总淀粉含量及其积累速率变化
Fig.1Effect of High Temperature Stress on Total Starch Content and Its Accumulation Rate

2.1.2花后高温对籽粒直链淀粉含量及其积累速率的影响

研究表明，小麦籽粒直链淀粉含量变化趋势与总淀粉含量变化趋势相同(图2A)，亦表现出高温处理后各时期直链淀粉含量均显著低于对照，且随花后天数的延长，直链淀粉含量与对照差异越大。而高温胁迫处理下的籽粒直链淀粉积累速率变化呈现先下降后逐渐上升最后回落的变化趋势，积累峰值亦出现在花后25 d(图2B)。图2

注：A代表直链淀粉含量、B代表直链淀粉积累速率

Note: A represents amylose content, B represents amylose accumulation rate

图2高温胁迫下直链淀粉含量及其积累速率变化
Fig.2Effect of high temperature stress on amylose content and accumulation Rate

2.1.3花后高温对籽粒支链淀粉含量及积累速率的影响

研究表明，支链淀粉含量及其积累速率的变化趋势同总淀粉含量(图3A)。5个时期中，处理后的支链淀粉含量比对照分别下降了1.54%、1.23%、5.11%、8.49%、9.74%，差异显著。胁迫处理后的支链淀粉积累速率变化趋势亦呈单峰曲线，25 d达到积累峰值，且积累速率在各时期显著低于对照(图3B)。图3

注：A代表支链淀粉含量、B代表支链淀粉积累速率

Note: A represents amylopectin content and B represents amylopectin accumulation rate

图3高温胁迫下支链淀粉含量及其积累速率变化
Fig.3Effect of high temperature stress on amylopectin content and accumulation Rate

2.2　花后高温对淀粉合成相关酶活性的影响

研究表明，高温处理与对照的SS、ADPGase、SSS和SBE酶活性变化趋势相同，且与淀粉积累速率基本一致，呈单峰曲线，活性峰值出现在花后25 d。

在小麦籽粒中，SS主要存在于细胞质中，分解籽粒中的蔗糖，生成UDPG和果糖。高温处理后，籽粒SS活性在各时期显著低于对照，相比对照分别降低了14.75%、11.57%、13.88%、16.34%、15.91%，以花后25 d降低幅度最大(图4A)。ADPGase是淀粉生物合成中重要的酶，其催化G-1-P与无机焦磷酸作用，生成ADPG。花后高温处理后籽粒ADPGase活性在各时期均低于对照，但差异不显著，推测花后高温对籽粒ADPGase活性影响相对较小。SSS为存在于淀粉体中的游离态淀粉合成酶，主要作用为延长淀粉链(图4B)。高温处理下的籽粒SSS活性在灌浆中期(15～25 d)显著低于对照，且相比对照分别降低了5.50%、6.00%、7.17%(图4C)。暗示花后早期高温处理对灌浆中期籽粒SSS活性的影响更大。SBE是支链淀粉合成的重要酶，它将α-1,4葡聚糖供体切开并通过α-1,6糖苷键将切下的短链连于受体链上。花后高温处理，短暂提高了籽粒SBE活性，使其在第10 d略高于对照(差异不显著)。但在籽粒灌浆中后期(15～30 d)，花后高温处理SBE活性又显著低于对照，且相比对照降低了6.11%、7.67%、11.22%、8.22%(图4D)。花后高温处理降低了SS、ADPGase、SSS和SBE活性，对SS、SSS和SBE活性影响显著。图4

注：A～D分别代表SS活性、ADPGase活性、SSS活性、SBE活性

Note: A ～ D represent SS activity, ADPGase activity, SSS activity, SBE activity respectively

图4高温胁迫下籽粒SS、ADPGase、SSS、SBE活性变化
Fig.4Effect of high temperature stress on activity of SS、ADPGase、SSS and SBE in grain

2.3　花后高温各时期籽粒淀粉合成相关酶活性与籽粒淀粉含量的相关关系

研究表明，在各测定时期，淀粉合成酶(SSS)与其总淀粉含量、支链淀粉含量都呈显著相关关系，且Pearson系数大小关系均为25 d>20 d>300 d>15 d>10 d,故推测在灌浆中后期SSS活性对总淀粉、支链淀粉含量影响较大。在早期花后高温下第20～30 d,SBE活性与支链淀粉含量呈极显著负相关，表明SBE活性在灌浆中后期可能对支链淀粉合成影响较大。同样对于SS活性，在灌浆中后期(20～30 d)与总淀粉含量呈显著负相关，推断SS活性亦主要影响灌浆中后期的总淀粉含量。而ADPGase活性各时期与淀粉各组分含量则无显著相关性。表1

表1花后高温各时期籽粒淀粉合成相关酶活性与籽粒淀粉含量的相关系数
Table1Correlation coefficient of starch synthesis activity and grain starch content at different post-anthesis days

品种Cultiva花后天数Dayafteranthesis(d)含量/活性Content/Activity蔗糖合成酶Sucrosesynthase淀粉合成酶Starchsynthase淀粉分支酶Starchbranchingenzymes焦磷酸化酶Pyrophosph-orylase新春11号Xinchun11总淀粉0 084-0 965∗∗-0 4690 43810直链淀粉0 937∗∗-0 7600 828∗0 711支链淀粉0 887∗-0 877∗0 6720 658总淀粉-0 382-0 978∗∗-0 930∗-0 58615直链淀粉0 868∗-0 6810 7500 557支链淀粉0 576-0 941∗-0 5440 000总淀粉-0 951∗-0 997∗∗-0 990∗∗-0 47920直链淀粉0 968∗∗-0 913∗0 911∗0 773支链淀粉0 012-0 993∗-0 950∗∗0 247总淀粉-0 980∗∗-0 998∗∗-0 997∗∗-0 79925直链淀粉0 973∗∗-0 907∗∗0 952∗∗0 921∗∗支链淀粉-0 703-0 994∗∗-0 988∗∗0 270总淀粉-0 998∗∗-0 995∗∗-0 999∗∗-0 987∗∗30直链淀粉-0 951∗∗-0 976∗∗-0 977∗∗-0 627支链淀粉-0 996∗∗-0 991∗∗-0 997∗∗-0 968∗∗

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01

Note:*indicatesP<0.05,**indicatesP<0.01

3　讨 论

淀粉含量是影响小麦品质的重要因素之一,其含量的细微变化便会导致面食加工品质的明显不同[17]。前人众多研究认为在灌浆期间小麦淀粉含量呈现递增变化趋势，其积累峰值多出现在中期，且灌浆期高温显著降低了籽粒总淀粉含量、支链淀粉含量及其积累速率[18, 19]，研究亦表现相似结果。花后高温处理显著降低了籽粒总淀粉含量、支链淀粉含量及其积累速率，且随着花后天数的延长，差异越明显。而前人关于高温对籽粒直链淀粉含量及其积累速率影响的研究结果并不一致。张桂莲等[20]研究认为,灌浆期高温使直链淀粉含量下降。也有研究者认为,在高温条件下,一些品种的直链淀粉含量没有明显改变,另一些品种的直链淀粉含量却略有所提高[21]。研究表明，高温处理后籽粒直链淀粉含量显著低于对照。对于小麦籽粒直链淀粉积累速率，则表现出先下降后逐渐上升最后回落的变化趋势，这与王钰[19]的研究相一致。

前人研究认为，小麦灌浆期高温使籽粒淀粉含量下降，是由淀粉合成过程中某些酶的活性降低引起的，而非光合产物的供给或胚乳中可利用糖的不足[11]。Jenner等[10]研究表明，在高温胁迫条件下，小麦籽粒淀粉合成主要受SSS和ADPGase调控，灌浆期高温主要通过抑制SSS活性，阻碍了蔗糖向淀粉的转化。Keeling等[11]研究也显示，在控制小麦籽粒淀粉合成方面，SSS可能比AGPPase更为重要，存在“Knockdown”现象，即当温度超过25℃时SSS活性显著降低，不利于支链淀粉的合成。研究表明，籽粒SS、AGPPase、SSS和SBE活性变化趋势与淀粉积累变化趋势基本一致，且在灌浆中后期这些酶活性与籽粒淀粉含量显著相关。花后高温虽然降低了各时期淀粉合成相关酶的活性，但SS和SSS活性受高温影响更为显著，表明高温显著抑制了灌浆期籽粒蔗糖合成酶和淀粉合成酶的活性，从而抑制了淀粉的合成。SBE酶表现对高温敏感，短期高温可激发SBE酶活性上升，即灌浆前期(花后10 d)高温处理后SBE活性值略高于对照(约0.8%)，但差异不显著，随籽粒灌浆的进行，SBE活性显著低于对照，此部分结果与李木英等[22]研究相一致。

关于控制籽粒淀粉合成方面SSS活性可能比ADPG活性更为重要的内在机理，还有待进一步展开深入研究。

4　结 论

花后早期高温显著降低了籽粒灌浆期淀粉积累速率，及灌浆中后期胚乳淀粉合成相关酶活性(SS、SSS、SBE)，进而导致直链淀粉、支链淀粉及总淀粉含量降低。且相关分析表明，在花后高温处理下籽粒各时期淀粉含量与相关酶活性显著正相关，小麦籽粒淀粉含量受高温影响的变化与SS、SSS、SBE酶活性高低存在一定的联系。花后早期高温显著影响了小麦籽粒淀粉合成相关酶的活性，进一步影响到小麦籽粒淀粉的积累，花后高温对淀粉含量及积累速率的影响，是淀粉合成相关酶活性综合影响的结果。在小麦生产过程中，做好高温防范，尤为重要。生产中适当调整播种时期、选择适应性较强的春小麦品种、灌浆期适时化控、灌好灌浆水等诸多栽培措施，以防御和缓解花后高温对春小麦的影响。

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