小麦开花后籽粒多组分营养物质积累动态分析

，， ，， ，

(1.成都大学，农业部杂粮加工重点实验室；药学与生物工程学院，四川 成都 610106；2.四川农业大学理学院, 四川 雅安 625014； 3.贵州大学麦类作物研究中心，贵阳 550025)

小麦是世界上最古老的谷物，早在一万年以前人类已开始小麦的选育和驯化[1-2]。已成为最重要的农作物，世界上40多个国家每年总产量可达6亿t，全球35%以上的人口以小麦为主食[3]。产量占世界所有粮食的 29%～30%，是人类最重要的谷物蛋白来源[4]。小麦籽粒中还含有丰富的营养物质，包括矿质营养和总类黄酮 (TF)、总酚(TP)等对人体有广泛生理活性的次生代谢产物，具有降血脂、血糖和增强人体免疫力的功能，可辅助治疗中风、三高和冠心病等疾病，是人体所需营养的重要来源[5-6]。目前，可通过施肥的方式提高谷物中氮素、磷素等营养物质的含量，但肥料污染和利用率低下仍是其主要弊端[7]。通过转基因技术培育的富含37 mg/kg类物罗素和31 mg/kg β-胡萝卜素的黄金稻已经问世，但争议巨大[8]。因此，解决这一问题最安全、有效、经济的方法则是通过传统遗传育种手段提高小麦等谷物中营养物质的含量[9]。在十年前，为减少和预防发展中国家贫困人口“隐性饥饿”的发生，国际生物强化计划 (Harvest Plus) (http://www.harvestplus.org)就已利用育种手段来提高水稻等农作物中营养物质的含量，以便改善人类营养不良和微量营养缺乏问题[10]。同时生物改良工作一旦成功后将会长期有效，其种质资源可在全世界范围分享[11]。

现代小麦品种按其来源分为两类：六倍体小麦 (Triticumaestivum,2 n=42,AABBDD ) 和四倍体硬粒小麦(Triticumturgidum,2 n=28,AABB)。世界范围内95%的栽培小麦品种为六倍体小麦[12]。目前，有关麦类籽粒蛋白质和淀粉积累动态变化前人已有不少研究[13-15]，但是，关于小麦发育过程中籽粒多组分营养物质含量动态变化的研究鲜有报道。因此，以六倍体栽培小麦普通品种中国春和特色品种贵紫1号为研究对象，对其籽粒的总类黄酮、总酚、植酸 (PHY)、无机磷(Pi)、总淀粉、氨基(NH2)和可溶性蛋白质(TSP)7种营养成分的含量及单粒重(SKW)进行了动态测定，观察籽粒发育过程中各营养物质的动态变化，结合相关性网络和斯皮尔曼秩相关性分析等手段，分析籽粒发育过程中不同营养物质含量间和与单粒重间的网络构成及多元相关性，以探索籽粒多组分营养物质积累特征与动态规律，从而为提高小麦产量和品质，进一步进行小麦的营养强化和育种改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

六倍体栽培小麦中国春与贵紫1号由贵州大学麦类作物中心提供，于2016年10月种植于成都大学农业部国家杂粮加工重点实验室试验基地，纬度30°64′，经度104°19′，海拔500 m，土壤为黄壤。小麦播种采用沟施，沟长1.5 m，每沟播种50粒，沟间距为40 cm。采用完全随机区组设计，区组间重复8次，区组内重复10次，设置保护行。分蘖期前为人工灌溉，后自然降雨，拔节后期拉网固定和防鸟食保护。将花蕊刚外露的麦穗标记上日期，该日期作为麦穗籽粒发育时期中的0 d (Day after pollination)，10 d之后每隔5 d取1次样，直至小麦成熟(40 d)，全部取样设3次重复。将取样后的小麦籽粒样品放在40 ℃ 烘箱里面脱水干燥称重后研磨成粉过40目筛，保存在4 ℃冰箱中待测。

1.2 多组分营养物质的测定

1.2.1 氮素、磷素、碳素营养物质及次生代谢产物含量的测定

将本研究中氮素、磷素、碳素营养物质及次生代谢产物等7个营养指标分为3组提取测定，其中一组为氮素营养物质(氨基、可溶性蛋白质)；一组为磷素营养物质(无机磷、植酸)和次生代谢产物(总类黄酮、总酚)；另一组为碳素营养物质(淀粉)，具体操作步骤分别参考文献[16-18]。

1.2.2 单粒重的测定

每个品种每个阶段取代表性植株主茎穗籽粒50粒，用分析天平(最小刻度为 0.000 1 D)测定重量，并计算单粒重。3次重复。

1.3 数据统计

用 JMP 6.0软件(SAS Institute) 进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，以及分析小麦籽粒各阶段的各营养组分及单粒重相互间多元斯皮尔曼秩相关性(Spearmanp’s Rho Correlation)；用 Sigmaplot 12.0软件绘制折线图；用R 2.11软件构建库源器官和籽粒营养相关性状的皮尔森相关性矩阵(Pearson correlation matrix)，并由Cytoscape 2.7.0软件对相关性矩阵进行相关性网络分析(Correlation-based network analysis,CAN)。

2 结果分析

2.1 2个小麦品种籽粒发育阶段营养物质含量及单粒重差异

2个小麦品种籽粒发育阶段各营养物质含量及单粒重的平均值见表1。籽粒中多组分营养物质含量虽呈现不同的变化，但在籽粒发育的整个过程中贵紫1号的磷素、碳素营养物质含量及单粒重均大于中国春，而氮素营养物质和次生代谢产物的含量高低在2个品种间交替出现。籽粒中各营养物质的含量及其差异显著性在2个小麦籽粒发育不同时期亦不同。花后10 d时，贵紫1号和中国春中氨基、可溶性蛋白质、总酚含量及单粒重无明显差异，而无机磷、植酸、总类黄酮和淀粉含量差异显著。2个品种发育初期籽粒中氨基和可溶性蛋白质的含量均明显高于其成熟期，但2个品种在花后25～30 d时可溶性蛋白质含量相差最大，氨基含量相差最小。籽粒中植酸含量均在花后15 d时达到最低值，花后40 d时达到最高值，无机磷在花后10 d时含量最高，花后40 d时含量最低，贵紫1号与中国春的单粒重随着籽粒的发育其差逐渐变大，并在花后35 d时达到最大值。贵紫1号总类黄酮与总酚含量分别在花后20 d时达到最低值与最高值，中国春则分别在花后15 d与25 d达到最低值和最高值。

表1 小麦籽粒发育过程中多组分营养物质含量及单粒重的动态变化

注：同行不同字母表示该营养物质在不同生育期间差异显著性(p<0.05)。

2.2 籽粒发育阶段多组分营养物质积累及单粒重的动态变化

不同发育时期的小麦籽粒中多组分营养物质含量和单粒重的测定结果(图1)表明，在整个籽粒发育过程中，2个小麦品种花后籽粒中多组分营养物质及单粒重均有相似的变化趋势。氨基、可溶性蛋白质以及无机磷含量随籽粒的发育逐渐降低，淀粉的含量升高后逐渐趋于稳定，总酚和植酸的含量先降低后升高，而总类黄酮的含量及单粒重则是先升高后降低。其中如图1-a、1-b所示，氮素营养物质的含量呈逐渐下降趋势，且随着生育进程的推进，其含量下降加速，并在花后40 d时达到最低值。

如图1-c、1-d为磷素营养物质含量的动态变化。小麦花后籽粒中植酸含量呈先降低后逐渐上升的趋势，在花后15 d达到最低值，而无机磷的含量则一直处于下降状态。

图1-e、1-f所示，随着籽粒发育的推移，籽粒中碳素营养物质含量的积累呈“S”型曲线变化，花后5～10 d增加缓慢，20 d后增加迅速，30～40 d增幅较小，成熟期达最大值。从2个品种的单粒重变化动态来看，小麦单粒鲜重总体呈先上升后下降的变化趋势，并在花后35 d单粒鲜重达到最大值。

小麦籽粒发育过程中次生代谢产物含量的变化动态如1-g、1-h所示。由图可知，不同品种的小麦在籽粒发育的不同时期，总类黄酮与总酚的积累状况各不相同，随着发育的推进，籽粒中总类黄酮的含量先升高后降低，而总酚含量则是先降低后缓慢升高。

图1 小麦花后籽粒中营养物质含量及单粒重的动态变化

2.3 籽粒发育过程中单粒重与营养性状的斯皮尔曼秩相关性分析

斯皮尔曼秩相关性检验结果(图2)显示，在籽粒发育过程中，各阶段的单粒重与对应阶段的氮素营养物质、碳素营养物质、磷素营养物质以及次生代谢产物间存在不同程度的相关性。在籽粒发育的过程中，单粒重与总类黄酮和无机磷含量无显著相关性(p>0.05)，与淀粉和植酸含量呈显著正相关，与可溶性蛋白质和氨基含量为显著负相关(p<0.05)。籽粒发育的不同阶段，影响单粒重的营养物质也有所不同，在花后10 d时，单粒重只与淀粉、总酚这2种营养物质有显著相关性，而在花后40 d时，单粒重与氨基、可溶性蛋白质、植酸、淀粉和总酚等5种营养物质有显著相关性，其中总酚在花后10～15 d时与单粒重呈显著负相关，花后20 d时与单粒重无显著相关性，花后25～40 d时与单粒重呈显著负相关。

图2 小麦籽粒各阶段的单粒重与各营养性状的斯皮尔曼秩显著相关性

2.4 籽粒多组分营养成分的网络分析

综合小麦籽粒发育过程中7个阶段籽粒成分的数据，对材料的8个营养成分进行相关性网络分析。如图3所示，氮素和磷素营养物质与其他各营养成分均具有显著相关性(p<0.05)，氮素和磷素营养物质以及氮素、磷素营养物质和次生代谢产物均为显著正相关性，氮素与碳素营养物质为显著负相关性。氮素营养物质氨基与可溶性蛋白质之间以及次生代谢产物总类黄酮与总酚之间为显著正相关性，而磷素营养物质植酸和无机磷之间为显著负相关性。

3 结果与讨论

随着籽粒的发育，2个小麦品种籽粒中各营养物质的含量高低及其差异显著性有所不同，但籽粒中各营养物质含量及单粒重的动态变化趋势相似，氨基与可溶性蛋白质的含量变化趋势基本一致，总体都呈下降趋势，说明随着籽粒的发育成熟，氮代谢分解大于合成。籽粒中植酸含量的动态变化与无机磷含量的变化趋势相反，网络分析发现植酸与无机磷存在显著负相关性，这进一步证实了植酸是作物籽粒中磷的主要存在形式，这与王新坤[19]、张小华[20]等的研究结果一致。淀粉含量的变化与前人对多穗和大穗型小麦品种测定的结果类似呈“S”型曲线[21]，籽粒中淀粉含量与单粒重存在显著正相关性，是因为小麦籽粒中淀粉自幼胚形成后就开始积累，此后逐渐增加，到成熟时达到稳定，一般占籽粒干重的60%以上，是籽粒中含量最多、最重要的碳水化合物[22-23]。黄酮类化合物是植物中分布较广的一种天然化合物，有关黄酮类化合物在植物不同时期分布已有不少研究，但关于小麦籽粒总类黄酮和总酚含量的动态变化少见报道。本研究发现，随着籽粒发育，总类黄酮的含量先升高后降低，总酚的动态变化与总类黄酮相反，造成总类黄酮含量动态变化与总酚有所不同的原因，可能是由于籽粒中总酚含量变化是由黄酮类以外的其他组分引起的，如单宁含量的动态变化[24]。

注：圆形代表小麦籽粒各营养性状及单粒重；点与点之间的连线代表性状之间的相关性；实线代表正相关；虚线代表负相关；所有相关性均达到显著水平(p<0.05)；NH2代表氨基酸；TSP代表可溶性蛋白质；PHY代表植酸；Pi代表无机磷；TS代表总淀粉；TF代表总类黄酮；TP代表总酚；SKW代表单粒重。图3 小麦籽粒单粒重与营养性状间的网络关系

斯皮尔曼秩相关性分析显示，在籽粒发育过程中，不同阶段的单粒重与对应阶段营养物质的含量存在不同程度的相关性，即使是同一种营养物质，在籽粒发育的不同阶段与单粒重的相关性也不尽相同。在籽粒发育的整个阶段中，单粒重与总类黄酮和无机磷含量无显著相关性；总酚含量与花后10～15 d的单粒重呈显著负相关，与20 d的单粒重无显著相关性，与25～40 d的单粒重为显著正相关性，说明酚类物质在籽粒发育过程中的机理较复杂，值得进一步研究。单粒重与植酸含量呈显著正相关，胚乳细胞内淀粉的生物合成与籽粒发育有着密切的关联，当无机磷的含量在籽粒中积累到一定量时就会发生磷酸解，阻碍淀粉的生物合成，最终影响籽粒的饱满度，而有机磷以植酸的形式贮存起来，有利于淀粉的合成及单粒重的增加，前人的研究表明，低植酸谷物通常表现籽粒增重不足，空秕率高等现象[25]。单粒重与氮素营养物质呈显著负相关，结合相关性网络分析发现氮素营养物质与淀粉呈显著负相关，这是由于淀粉和氮素营养物质代谢受小麦植株碳氮代谢调节的影响。小麦后期输出的氮素主要是开花前积累的可溶性蛋白质，为维持植物体内酶蛋白的更新，植株必须吸收无机氮，在籽粒内完成氮素同化为氨基酸和可溶性蛋白质的过程，这会消耗光合产物，影响碳代谢，降低植株的碳水化合物供应水平，导致籽粒淀粉积累速率降低。这为进一步研究籽粒营养积累和培育不同品质的小麦品种提供了参考。