小麦细胞壁结构的地理差异及水分调控作用

朱杰伟 吴彩娥 应瑞峰 高笑全 李婷婷 王耀松 黄梅桂

(南京林业大学轻工与食品学院食品科学与工程系，南京 210037)

小麦是世界性的重要粮食作物，其种植具有较强的地域性。小麦籽粒的生化组成受多种内在因素和外在因素的影响，栽培品种和环境的对小麦成分的影响各不相同。小麦品质有明显的地区间差异，环境对小麦品质的的影响显著[1,2]。遗传特性是小麦产量和品质的基础，高温和干旱是影响小麦产量和品质的主要原因[3]。

小麦籽粒由胚、胚乳和皮层三部分组分，在胚乳中，细胞壁占全组织的2%～7%，它们主要由阿拉伯木聚糖(AX)与(1-3), (1-4)-β-D-葡聚糖(BG)组成，其比例约为78∶22[4]。小麦糊粉层细胞壁为AX层与BG层交替重叠的复合多层层状结构[5]。在高温与干旱及其复合胁迫下，小麦籽粒中 AX 和 BG 的含量都发生了显著改变[6]；Finnie 等[7]研究了栽培条件和环境对软质小麦中水溶性、水不溶性和总阿拉伯木聚糖含量的影响，发现环境对小麦中阿拉伯木聚糖含量有显著影响，水溶性阿拉伯木聚糖含量主要受基因型影响，而水不溶性阿拉伯木聚糖含量受环境影响较大；该研究结果是通过分析环境的变化(而不是识别或评定特定的环境)得出的，没有具体研究哪些环境因素对阿拉伯木聚糖含量的影响较大。据相关报道[8]，燕麦和大麦的β-葡聚糖含量因产地、年份、灌溉水平和施氮量不同而存在差异。Peyron[9]探究了种植条件和施氮量对小麦糊粉层厚度的影响，结果表明种植条件的影响显著，氮的添加效果影响不显著。

目前小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁厚度及组分含量随地理和种植环境的空间分布特征和变化规律的相关报道较少，本实验研究了8个不同产区小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁厚度及其组分含量的地理差异，探讨了地理因素中经纬度、海拔高度和气象因子中小麦灌浆期温度对小麦籽粒糊粉层细胞壁的影响，并以此为基础探究了小麦糊粉层细胞壁对籽粒水分的调控作用，为深入研究糊粉层及细胞壁结构对小麦产量和品质的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

为了便于研究地理因素的累积效应对小麦糊粉层细胞壁的影响，所选小麦样品籽粒皆为适应了当地环境的农家多代自留种的当地品种，经测定小麦千粒重为 44.23～49.32 g，所有样品籽粒饱满灌浆较好。各样品产区的地理参数及气象因子见表1。

表1 各产区的地理参数及气象因子

Quanta 200环境扫描电子显微镜；ZK-82B/BB 电热真空干燥箱； VTMR 20-010-T 低场核磁共振分析仪；TGL-18MS 高速台式冷冻离心机；SpectraMax i3x 多功能酶标仪。

1.2 实验方法

1.2.1 籽粒的微观结构观察

将样品置于相对湿度为 0 % 的真空干燥器中至恒重，分别挑选形态和粒重相近(误差±0.003 0 g)的小麦籽粒用刀片横切其中心位置得到的待测样品，经干燥除气和镀膜喷金后，通过环境扫描电子显微镜(SEM)在真空环境下观察小麦籽粒横截面糊粉层细胞细胞壁的结构[10]。利用扫描电子显微镜测微尺测量和Image J 软件统计小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁的厚度，设置 27 次重复。

1.2.2 含水量的测定

参照 GB 5009.3—2016 中的减压干燥方法：用已恒重的称量皿分别称取2 g(精确至0.000 1 g)样品籽粒，放入电热真空干燥箱(ZK-82B/BB)中，设置温度70 ℃ ，真空度267 Pa ，干燥10 h后取出置于干燥器中待冷却后称重计算出样品含水量，设置3次重复。

1.2.3 (1-3), (1-4)-β-D-葡聚糖的定量分析

籽粒全粉：采用万能粉碎机分别将不同产地的置于40 ℃ 烘箱中干燥至恒重的小麦籽粒粉碎，过40目筛得到谷物全粉，用自封袋密封包装置于干燥器中保存。用于β-葡聚糖和阿拉伯木聚糖含量的测定。

使用β-葡聚糖检测试剂盒(Megazyme)，采用 AACC Method 32-23 法测定谷物籽粒中的β-葡聚糖含量，结果换算成干重籽粒全粉样品的含量，用百分数(%)表示，每次测定重复3次。

1.2.4 阿拉伯基木聚糖的定量分析

采用在 Douglas[11]介绍的方法的基础上略改进的间苯三酚-醋酸法[7]测定全麦粉中总阿拉伯木聚糖(Total arabinoxylan，TAX)和水溶性阿拉伯木聚糖(Water-soluble arabinoxylan ,WEAX)含量，非水溶性阿拉伯木聚糖(Water-insoluble arabinoxylan ,WUAX)含量用 TAX 含量与 WEAX 含量 的差值表示。结果换算成干重籽粒全粉样品的含量，用百分数表示，每次测定重复3次。

1.2.5 籽粒水分的移动性研究

将8种小麦籽粒置于相对湿度为0%的真空干燥器中至恒重，挑选形态和粒重相近(粒重±0.003 0 g)的样品籽粒各10颗，重复3次。配制饱和 NaCl 溶液置于真空干燥器中，将干燥器放入 20 ℃ 恒温箱中直至平衡，此时相对湿度为 75%。将每组样品放入相对湿度为 75% 的真空干燥器中，利用 CPMG 脉冲序列分别测定吸湿 0 h、1 h、2 h、3 h、4 h后样品的 T2横向弛豫时间[12]。

1.3 数据处理

使用 Excel 2003 和 SPSS(version 21.0) 软件对数据进行统计分析。实验结果表示为三次重复的平均值±标准偏差。使用 Pearson 相关性检验和主成分分析方法分析样本籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量与不同产区地理参数及气象因子间的关系。

2 结果与分析

2.1 小麦籽粒的糊粉层结构

由图1可见，在放大800倍时，小麦籽粒从外到内为种皮、糊粉层、胚乳，籽粒糊粉层由单层呈立方体的细胞构成。利用 SEM 测微尺测量小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁的厚度(n=27)见表2。

2.2 籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量

本研究以8个不同产区的小麦品种(表1)为研究对象，主要研究小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量。由表1可见，甘肃白银的海拔最高且灌浆期温度较低，江苏宿迁、广西北海与山东潍坊的海拔最低且灌浆期温度相对较高。由表2可知，小麦糊粉层细胞壁厚度最大的产区为甘肃白银和山西芮城；广西北海和山东潍坊生产的小麦糊粉层细胞壁厚度最小。结合表1可知，小麦糊粉层细胞壁厚度可能与小麦种植地区海拔和小麦灌浆期温度有关。

注：A：江苏宿迁 B：河南商丘 C：广西北海 D：山西芮城 E：山东潍坊 F：甘肃白银 G：四川成都 H：陕西宝鸡图1 谷物籽粒糊粉层细胞环境扫描电镜图(800×)

/μm/%BG/%WEAX/%WUAX/%TAX/%3.612±0.460bc8.223±0.068e0.604±0.008bc0.139±0.004e1.651±0.014d1.777±0.036e3.800±0.352abc8.443±0.002cd0.565±0.026bcd0.384±0.011b1.298±0.004h1.678±0.014f3.350±0.681c8.280±0.070e0.636±0.053ab0.167±0.005d1.549±0.013e1.710±0.023f4.547±0.416ab8.838±0.052a0.500±0.004d0.232±0.006c1.896± 0.016a2.117±0.035b3.556±0.453bc8.340±0.056de0.518±0.019d0.180±0.003d1.431±0.002f1.609±0.006g4.703±0.421a8.630±0.051b0.704±0.059a0.562±0.020a1.835±0.020b2.375±0.065a4.062±0.787abc8.893±0.025a0.628±0.016ab0.184±0.009d1.771±0.040c1.990±0.097c3.958±0.456abc8.501±0.062c0.531±0.045cd0.556±0.022a1.344±0.005g1.926±0.070d

注：BG、WEAX、WUAX、TAX含量皆为干基质量分数。

小麦的BG含量约为干重含量的0.500%～0.704%，其中甘肃白银小麦的BG含量最高，山东潍坊和山西芮城小麦的BG含量最低。小麦的TAX含量约为干重的1.609%～2.375%，甘肃白银产的小麦TAX含量最高，山东潍坊产的小麦TAX含量最低；小麦WEAX含量约为干重的0.139%～0.556%，相当于小麦TAX含量的7.88%～28.55%，其中，陕西宝鸡产的小麦WEAX含量占TAX含量比例最高，江苏宿迁的最低。TAX/BG约为2.686～4.213，其中广西北海小麦的TAX/BG最低，山西芮城最高。Saulnier等[4]报道的小麦中AX/BG约为78∶22也在此范围内。结合表1可知，籽粒组分含量可能与种植地区经纬度、海拔和小麦灌浆期温度有关。

2.3 不同产区样品各指标的相关性分析

糊粉层细胞壁厚度与不同产区地理参数及气象因子相关性分析(表3)显示，小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁厚度与海拔呈极显著正相关(P<0.01)，与经度呈弱的负相关性，即海拔越高，经度越小，小麦糊粉层细胞壁厚度越厚。由于我国的地势大体上西高东低，故籽粒糊粉层细胞壁厚度与经度的相关性和籽粒糊粉层细胞壁厚度与海拔的相关性在一定程度上体现出一致性，总体表现为海拔越高小麦糊粉层细胞壁厚度越厚。此外，小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁厚度与小麦灌浆期日均低温呈一定的负相关性，与灌浆期日较差呈弱的正相关性。可能是海拔高度影响了小麦灌浆期日均低温和气温日较差，海拔每升 100 m 日均气温下降 0.6 ℃ ，海拔越高，气温越低，从而影响了小麦糊粉层细胞壁厚度。除此之外，海拔还可能通过影响辐照强度、辐照时间和降水量等因素对小麦糊粉层细胞壁厚度造成影响。

小麦糊粉层细胞的细胞壁为复合多层结构，即 AX 层与 BG 层交替重叠的多层层状结构，且小麦籽粒中的 AX 和 BG 主要分布在糊粉质及胚乳细胞壁中。理论上来说，若籽粒形态大小和粒重相近，籽粒糊粉层细胞壁越厚， AX 与 BG 含量越高。籽粒糊粉层细胞壁厚度与籽粒各组分含量之间的相关性(表3)显示，小麦籽粒糊粉层细胞壁的厚度与籽粒中 TAX含量呈显著正相关，与WUAX含量和 BG 含量呈弱相关性；小麦中总阿拉伯基木聚糖含量越高，籽粒糊粉层细胞细胞壁越厚。相关性分析显示， TAX 含量与不同产区地理参数及气象因子的相关性和籽粒糊粉层细胞壁厚度与不同产区地理参数及气象因子的相关性有着高度的一致性。由于同一品种小麦籽粒糊粉层细胞细胞壁厚度范围较大，测量过程繁琐且数据量较大，在研究工作中可通过测量比较该品种小麦全粉中 TAX 的含量来比较各样本籽粒糊粉层细胞壁的厚度。此外，籽粒糊粉层细胞壁厚度还与籽粒中的含水量呈显著正相关(P<0.01)。原因可能是糊粉层像一座镶在籽粒中的微型“水坝”，起着调控水分的作用[13, 14]。糊粉质可能可以控制籽粒体内的水分向外扩散，对籽粒体内的水分有一定的调控作用，糊粉层细胞壁越厚，其阻止籽粒水分散失的能力越强，保水性越好。同时，籽粒内水分含量越高，可能会在一定程度上使籽粒糊粉层细胞壁溶胀，导致细胞壁厚度增加。

表3 籽粒糊粉层细胞壁厚度及各组分含量与不同产区地理参数及气象因子的相关性分析

注：* 表示在0.05水平(双侧)上显著相关；** 表示在 0.01水平(双侧)上显著相关。

由产区海拔与籽粒中各组分含量的相关性分析(表3)可知，籽粒的水分含量、 BG含量、 BG和TAX 的总含量与产区的海拔呈显著正相关(P<0.05)，籽粒中 TAX 含量、 WUAX 含量与产区的海拔呈显著正相关(P<0.01)。Moza[15]等研究了生长海拔对印度无壳大麦品种中 BG 和 TAX 含量的影响，发现在海拔1 200～3 500 m的高原栽培的无壳大麦品种中，β-葡聚糖总含量均比平原栽培品种(海拔 97～126 m)高7.5%～30.8% ，阿拉伯木聚糖总含量高39.8%～68.6%。

2.4 主成分分析

由相关性分析可知，影响籽粒糊粉层细胞壁厚度的因素较多，且诸多因素间存在一定的交互关系，致使与籽粒糊粉层细胞壁厚度相关的因素信息发生交织和重叠，应用主成分分析方法可用少数变量尽可能多的反映原来变量的信息[16]。本研究选取了8种小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量和产区的地理参数及气象因子进行主成分分析，通过主成分分析来解释总变量见表4和图2。

表4 主成分分析的因子旋转载荷矩阵和特征值及累计贡献率

图2 主成分分析PC1-PC2得分图

依据提取主成分个数的累积贡献率 ≥ 85% 的原则[17]，本研究提取了 3 个主成分因子，其方差累积贡献率为 87.872%，能够较全面反映样本的信息。方差最大旋转主成分分析(表4)显示，主成分PC1、PC2、PC3分别对总方差的贡献率为 43.083%、28.288%、16.546% 。

主成分的因子载荷反映各指标对主成分的贡献大小，载荷因子绝对值越接近1就越能反映对主成分的贡献程度。从表4所示的载荷矩阵数据可以看出， PC1主要综合了籽粒糊粉层细胞壁厚度、水分含量、 WUAX含量、TAX含量、BG与 TAX总含量、产区海拔和纬度的信息；这7个变量的方差在PC1上的载荷都超过了70%，PC1与籽粒糊粉层细胞壁厚度、水分含量、WUAX含量、TAX含量、 BG与 TAX含量之和和产区纬度呈正相关，与海拔高度呈负相关； PC1增大时有利于籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量的增加，这些变量有助于区分各产区的小麦籽粒。 PC2和PC3 主要综合小麦产区地理参数及其气象因子的信息：PC2主要综合了生长经度、灌浆期日均低温、灌浆期气温日较差的信息，这3个变量的方差在PC2上的载荷分别是 0.880、-0.803、0.944。说明PC2较大时，样品产区的经度越高，籽粒灌浆期气温日较差越大，灌浆期日均低温越低。PC3主要提取综合了灌浆期日均高温的信息，灌浆期日均高温的载荷为 0.860，在 PC3坐标上呈正向，即PC3越大，灌浆期日均高温越高。

PC1和PC2分别包含了原来信息的43.083%和28.288%。由图2可直观地看出不同产区的小麦与PC1和PC2的关系以及不同产区的地理参数及气象因子对小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量的影响。从图2中可以看出，甘肃白银和山西芮城的小麦属于同一区域，且位于PC1和PC2正区间，小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度、含水量、WEAX含量、WUAX含量、TAX含量及生长纬度距离两个样品都比较近，说明它们对样品的影响相似。同理，山东潍坊、河南商丘和陕西宝鸡的小麦属于同一区域，该区域的样品主要受到海拔和气温日较差的影响。江苏宿迁和广西北海的小麦属于同一区域，其中广西北海在PC2的负向区间较大，说明经度、籽粒灌浆期气温日较差、灌浆期日均低温对其影响很大。江苏宿迁与甘肃白银两个产区附近的连线近似经过原点，且小麦籽粒水分含量、TAX含量及生长纬度十分靠近该连线，说明小麦籽粒水分含量、TAX含量及生长纬度对江苏宿迁小麦的影响与它们对甘肃白银小麦的影响的方向相反；同理，PC1和PC2对四川成都小麦的影响与对山东潍坊和河南商丘的小麦的影响相反，且四川成都的小麦自成一类游离在第四象限，该品种与PC1呈一定的正相关，与PC2呈一定的负相关性。

2.5 小麦籽粒水分的移动性

在核磁共振演拟合软件(SIRT)迭代次数为10 000次的参数设置下，每个T2反演图谱上均有2个波峰(图3a)，各个峰的结束时间T2i表示第i种成分的横向弛豫时间，各峰的峰面积A2i表示第i种成分的信号强度，对应各组分的含量[18]。根据水分的相态特征和弛豫时间T2的差异将水分划分为2种存在状态：将较短弛豫时间(0.01～10 ms)T21定义为自由度较低的组分(W1)，对应的峰面积为A21；较长弛豫时间(10～1 000 ms)T22定义为自由度较高的组分(W2)，对应的峰面积为A21；这两个组分的峰面积和A2代表着样品籽粒体内总含水量。

图3 小麦籽粒迭代次数10 000次T2反演图谱

由图3b可知，小麦籽粒在相对湿度为75%的环境下，随着籽粒吸湿时间的延长W1组分显著增加，W2组分增幅不明显。由图4可知，糊粉层细胞壁较薄的广西北海和山东潍坊产的小麦在吸湿2 h前增幅不明显，2～4 h增幅显著增加，在吸湿4 h后，总峰面积A2相比于吸湿0 h分别增加了207.70和 237.29，增幅分别为76.63%和64.88% 。而糊粉层细胞壁较厚的甘肃白银与山西芮城的小麦在吸湿4 h的过程中总峰面积A2虽呈上升趋势但增幅不大，相比于吸湿0 h 分别增加了97.31和78.30 ，增幅分别为30.22% 和36.93% 。实验结果表明，在相同时间和吸湿条件下，糊粉层细胞壁越厚，籽粒吸水量越少，对环境中的水分吸收能力越差。反之，籽粒糊粉层细胞壁越厚，可能对籽粒的保水能力越好。这可能与小麦细胞壁中的多糖组分有关。

图4 籽粒T21和T22组分的总峰面积

3 结论

在8个不同产区中，小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度及其组分含量差异显著，细胞壁越厚，AX和BG含量越高；小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度与籽粒总阿拉伯木聚糖含量呈显著正相关性(r=0.931，P<0.01)，相关性分析结果表明可通过测量比较各样本籽粒全粉中TAX的含量来比较籽粒糊粉层细胞壁的厚度。小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度与海拔呈显著相关性(r=0.839，P<0.01)，与小麦灌浆期的温度呈一定的相关性。低场核磁共振波谱分析的结果表明：相同时间相同吸湿条件下，糊粉层细胞壁越厚籽粒吸水量越少，糊粉层细胞壁结构对籽粒体内水分微环境有一定的调控作用。