干旱胁迫下不同类型小麦灌浆期营养物质积累动态

吕亮杰，刘少兴，陈希勇，赵爱菊，孙丽静，李 辉

(河北省农林科学院 粮油作物研究所，河北省作物遗传育种实验室，河北 石家庄 050035)

小麦(Triticum aestivumL.)是人类最重要的粮食作物之一，供养着全世界1/3的人口，是我国仅次于水稻的第二大粮食作物。伴随全球气候变暖和生态环境失衡，土壤沙渍化日趋严重，水资源短缺已成为严重威胁人类生存的生态问题。中国干旱和半干旱地区约为国土面积50%，而华北、西北和东北既是我国粮食主产区(65%)，又是我国水资源最短缺的地区，由干旱导致的粮食减产超过因其他因素引起的产量损失总和[1]。基于水资源短缺的现状及小麦的重要性，实现旱地小麦优质高产，提高水资源利用效率，是我国农业可持续发展亟待解决的问题。

小麦花后阶段性干旱对小麦产量和品质的危害前人已经有研究[2-4]。蔗糖、果聚糖、果糖、葡萄糖等可溶性碳水化合物参与植物生命代谢的重要过程。蔗糖既是光合作用的主要产物和碳运输的主要形式，又是细胞内代谢过程调控的主要基质，在小麦生长发育过程中起重要作用[5-6]。果聚糖是由果糖聚合而生成的多糖的总称，是植物营养器官碳水化合物的主要贮藏形式。它既是植物器官的营养贮藏物，又调控着植物很多种重要的生理功能，如适应水分亏缺、低温光合作用及蔗糖分配[7]。水分亏缺条件下蔗糖含量及蔗糖合成酶活性都会相应提高，从而增强细胞渗透势弥补碳素同化总量下降[8]。同时研究发现蔗糖含量的变化与水分胁迫处理的时间和程度不同有关[9]。

淀粉主要在淀粉体和叶绿体内合成进行，作为植物体内储藏能量的重要物质，在植物的生长发育及抗逆过程中尤为重要[10]。淀粉的合成过程较为复杂，光合产物以蔗糖的形式从源器官转运到库器官，然后降解生成尿苷二磷酸(UDPG)和果糖，再被用来合成淀粉。参与淀粉合成的酶很多，如淀粉粒结合淀粉合成酶(GBSS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、淀粉脱分支酶(DBE)等[11]，许多学者研究发现，AGPP、SBE 和SSS是控制淀粉合成的3个关键酶[12-13]。在淀粉的合成和积累过程中，不同类型植物的淀粉合成酶在植物生长发育过程中发挥的相对重要性也不同[14-15]。干旱胁迫会加速淀粉积累速率，加快籽粒早期发育进程提前成熟期，不同基因型小麦籽粒淀粉积累及相关酶活性受干旱胁迫影响不同[16-17]。Ahmadi 等[18]研究发现，灌浆期干旱胁迫下小麦SSS 酶活性下降导致籽粒灌浆速率下降，而ADGP 酶活性失活导致籽粒灌浆停止。Zhang等[17]对小麦进行水分充足、中度干旱和重度干旱试验分析胚乳淀粉的结构和功能特性，结果表明，土壤干旱对小麦籽粒直链淀粉合成的影响大于支链淀粉的合成，中度土壤干旱改善了淀粉的分子结构和功能特性，并伴随着颗粒结合淀粉合成酶和可溶性淀粉合成酶活性的提高。因此，干旱胁迫对不同类型小麦品种籽粒淀粉合成及相关酶的影响存在差别，其机理需进一步研究。

小麦籽粒中微量矿质元素的含量直接影响了小麦的营养品质。研究表明，微量矿质元素在小麦籽粒中含量高低取决于小麦品种本身和生态环境[19-21]。Skalnaya等[22]分析了高产冬小麦锰、锌、铜、硼的吸收积累特点及与产量相关性状的关系，认为微量元素在增加产量和优化产量构成因素中起着不同的作用。关于影响小麦籽粒微量元素含量的研究主要集中在遗传特性、栽培措施等方面[23-24]，而国内外关于不同类型小麦灌浆期籽粒形成过程中微量营养元素积累的研究则少有报道。

本研究选用黄淮北片冬麦区的3个不同类型主栽小麦品种(高产、节水、优质)进行田间种植，分析不同灌溉条件下，小麦品种籽粒淀粉、蛋白、糖类、微量元素的积累及淀粉合成相关酶活性的变化特点，揭示干旱对籽粒灌浆过程中营养元素积累的调控机理，为小麦营养育种、品质育种和选育抗旱高产小麦品种提供理论依据，以期为生产上减轻干旱伤害提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验于2018-2019年度在河北省农林科学院粮油作物研究所堤上试验田进行，供试小麦品种为高产小麦冀麦325、节水小麦冀麦418、优质小麦冀麦323，种子均由河北省农林科学院粮油作物研究所培育提供。试验小区长4 m，宽1 m，随机区组设计。2018年10月8日播种，试验材料均按照常规大田管理方式进行管理，干旱处理材料周边设置1 m隔离区，且只浇冬前水，不浇灌浆水；对照材料正常浇水。于开花期选择同一天开花、生长一致且发育良好的小麦植株挂牌，花后第7天开始取样，以后每隔6 d取一次样，至花后31 d。每个穗子取第4～12小穗基部的2个籽粒，每个小区每次取200粒，100粒经液氮速冻30 min后，放入-80 ℃的超低温冰箱保存，用于酶活性分析；其余100粒用去离子水洗净，105 ℃杀青20 min，70 ℃烘干至恒质量。将烘干的籽粒磨成粉，过0.150 mm筛，装入样品袋保存，供淀粉含量、蛋白含量、矿质元素含量和籽粒灌浆速率等指标测定使用。

1.2 糖类、淀粉和蛋白含量的测定

蔗糖、葡萄糖、果糖含量的测定根据蔗糖和果糖在特异性酶的作用下转化为葡萄糖[25]，葡萄糖在己糖激酶等酶复合物作用下，同时使NADP+还原成 NADPH的原理，利用蔗糖-葡萄糖-果糖含量测定试剂盒测定，在酶标仪上通过检测 340 nm 下 NADPH 的增加量，分别计算得到蔗糖、葡萄糖和果糖的含量。小麦籽粒中直、支链淀粉含量采用双波长分光光度法测定[26]。籽粒总淀粉的含量和蛋白质含量分别采用苏州格锐思生物科技有限公司的淀粉含量试剂盒(G0507W)和蛋白含量试剂盒(G0417W)利用酶标仪进行测定。每个样品测定3次重复。

1.3 酶生理活性测定

1.3.1 粗酶液提取 参考程方民等[27]的方法，每类酶各取均匀一致的籽粒20粒，去壳后称质量，按照组织质量(g)：提取液体积(mL)为 1∶5的比例加相应酶提取液，磨成匀浆，12 000 r/min，4 ℃离心 10 min，作为粗酶液备用置冰上待测。用1 mL提取液对沉淀物进行2次洗涤后，置于2 mL的提取介质液中，用于GBSS活性测定。

1.3.2 酶活性测定 ADPG 焦磷酸化酶、UDPG 焦磷酸化酶、DBE淀粉去分支酶、GBSS结合态淀粉合成酶和SSS可溶性淀粉合成酶的活性参照Nakamura等[28]的方法在酶标仪上进行测定，以单位籽粒每分钟产生的NADPH量为酶活性单位(μmol/(h·粒))。SBE淀粉分支酶参考赵法茂等[29]的方法稍作改进后在酶标仪上进行测定，以每降低1%碘蓝值为一个酶活性单位(U)。每个样品测定3次重复。

1.4 矿质元素测定

利用电感耦合等离子体发射光谱法(Inductively Coupled Plasma，ICP)测定小麦籽粒的Fe、Zn、Mn、Mg微量元素的含量[30]。称取0.5 g样品，加入混合酸液(HNO3∶HClO4=4∶1)10 mL，浸泡过夜，在控温消解仪(Hanon，SH230N型)上150 ℃煮1 h至浅黄色，调至180 ℃煮1 h，再调至210 ℃揭盖煮1 h煮至透明状剩。冷却溶液后定容稀释25 mL后，利用原子吸收分光光度计GFA-7000A型(SHIMADZU)进行测定，每个样品重复2次。测定所用标准物质小麦(GBW10046)、标准溶液Fe(GBW08616)、Zn(GBW08620)、Mg (GBW080215)、Mn(GBW(E)080157)、Mg (GBW080126)均从北京世纪奥科生物有限公司购买，所用试剂有盐酸、硝酸和高氯酸，均为优级纯，购自上海生工。

1.5 芯片分析

采用中玉金标记生物技术股份有限公司的小麦15K 芯片进行SNP位点检测。利用R语言程序对SNP 数据进行质控，去除数据杂合率>0.1、缺失>0.5和最小基因频率>0.05的数据。

1.6 数据处理

淀粉积累过程中的淀粉积累量由淀粉含量乘以粒质量求得。所有数据经Excel处理，采用Minitab V16.0软件进行相关的数据统计和绘图。

2 结果与分析

2.1 灌浆期干旱对籽粒糖分和蛋白质含量的影响

由表1可见，除冀麦325的蔗糖含量外，干旱胁迫显著降低了小麦籽粒蔗糖和葡萄糖的含量(以鲜质量计)，对果糖含量(以鲜质量计)的影响相对较小。干旱胁迫下，冀麦325、冀麦418和冀麦323的蔗糖含量分别较对照下降9.71%，19.70%，19.59%，冀麦418和冀麦323与对照的差异显著；葡萄糖含量分别较对照下降29.41 %，27.45%，20.32%，差异均显著；果糖含量分别较对照下降3.41%，5.45%，77.88%，冀麦323的差异显著；蛋白含量分别较对照下降25.32%，8.42%，11.39%，差异均显著。结果表明，干旱胁迫对蔗糖和葡萄糖的影响较大，高产品种冀麦325的蔗糖和果糖受干旱影响较小，优质品种冀麦323的果糖受干旱胁迫影响较大，下降77.88%。

表1 灌浆期干旱胁迫下小麦成熟籽粒中的淀粉、蛋白和糖含量Tab.1 Contents of starch, protein and sugar in mature grains of wheat under drought stress at filling stage mg/g

随着籽粒灌浆的进行，葡萄糖、蔗糖和果糖含量(以鲜质量计)的变化趋势不完全一致，但总体上呈下降趋势(图1)。由图1可知，花后7 d，冀麦418的葡萄糖、蔗糖和果糖含量均高于其他2个品种，冀麦325次之，冀麦323的含量最低。冀麦418在花后7～25 d的葡萄糖含量迅速下降，干旱胁迫较对照显著增加，25～31 d又缓慢上升，干旱胁迫较对照下降；冀麦325和冀麦323在花后7～13 d的葡萄糖含量小幅度升高，13～25 d急速下降，25～31 d平稳下降，干旱胁迫不同程度地降低了冀麦325和冀麦323灌浆过程中葡萄糖的含量。籽粒中葡萄糖的最终含量为：冀麦418>冀麦323>冀麦325。冀麦418对照组在花后7～19 d的蔗糖含量迅速下降，干旱组在7～13 d迅速上升，13～19 d又急速下降，19～31 d对照组和干旱组趋势基本一致，均是先基本不变然后缓慢上升；冀麦323对照组和干旱组在花后7～31 d的蔗糖含量持续缓慢下降；冀麦325在花后7～19 d的蔗糖含量持续下降，19～25 d缓慢上升，25～31 d又急速下降。除了冀麦418在花后13 d蔗糖含量高于对照外，3个小麦品种均受干旱胁迫影响降低了灌浆过程中蔗糖的含量。冀麦418在花后7～19 d的果糖含量急速下降，干旱组在7～13 d果糖含量高于对照组，19～31 d对照组的果糖含量高于干旱组；冀麦325的对照组和干旱组果糖含量在花后7～31 d持续缓慢下降，干旱胁迫在前期对冀麦325果糖的影响较大，后期影响较小；冀麦323对照组和干旱组在花后7～13 d的果糖含量缓慢上升，13～31 d持续下降。随着籽粒灌浆的进行，蛋白质的含量(以鲜质量计)总体上呈现上升趋势，干旱胁迫不同程度地降低了其含量(图1)。总的来说，干旱胁迫在灌浆早、中期对葡萄糖、蔗糖、果糖和蛋白质含量影响较大。

2.2 灌浆期干旱对籽粒淀粉的影响

由表1可见，干旱胁迫降低了小麦籽粒中支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的含量(以干质量计)，但对直链淀粉含量的影响相对较小。干旱胁迫下，冀麦325、冀麦418和冀麦323的直链淀粉含量分别较对照下降3.43%，1.67%，15.49%，冀麦323与对照的差异显著；支链淀粉含量分别较对照下降5.97%，3.12%，3.40%，差异均显著；总淀粉含量分别较对照下降5.18%，2.70%，7.26%，冀麦325和冀麦323的差异显著。结果表明，干旱胁迫对高产品种和优质品种淀粉含量的影响明显大于耐旱品种冀麦418，干旱对强筋品种冀麦323淀粉含量的影响较大。

随着籽粒灌浆的进行，直链淀粉、支链淀粉和总淀粉的含量总体上呈现上升趋势，干旱胁迫不同程度地降低了其含量，特别是灌浆中后期影响较大(图2)。由图2可知，花后7 d，冀麦325的直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量均高于其他2个品种；在花后25 d冀麦323的直链淀粉含量最高，冀麦325的支链淀粉含量最高；干旱胁迫对冀麦323花后19～31 d的直链淀粉影响较大，对冀麦418的支链淀粉和总淀粉含量影响较小。干旱胁迫下3个品种的淀粉积累速率在灌浆早期都高于灌溉对照，干旱胁迫和灌溉对照的3个品种都在19 d达到最大速率，灌溉对照下19～25 d 3个品种的积累速率缓慢下降，25～31 d的急速下降；而干旱胁迫下冀麦418的最大速率高于灌溉对照10.88%，冀麦325的最大速率高于灌溉对照6.43%，冀麦323的最大速率低于灌溉对照0.62%；19～31 d冀麦325和冀麦418的积累速率急速下降，而冀麦323的积累速率先缓慢下降再急速下降。干旱对冀麦418的淀粉积累速率影响较小。

2.3 灌浆期干旱对籽粒淀粉合成酶的影响

图3表明，3种不同类型小麦灌浆期的GBSS、SSS、ADPG、UDPG、SBE和DBE活性(以鲜质量计)均呈单峰曲线变化。干旱胁迫在灌浆初期和中期提高了淀粉合成酶的活性，中后期活性较灌溉对照迅速下降。灌浆初期冀麦325和冀麦418的GBSS活性较高且增加较快，在花后25 d均达到高峰，之后开始迅速下降；冀麦323花后20 d达到高峰；干旱胁迫使冀麦418的GBSS活性提前达到高峰(19 d)，之后缓慢下降，整体受干旱影响较小。灌溉对照3个品种的SSS活性在花后25 d达到高峰(冀麦325>冀麦418>冀麦323)，之后迅速下降；干旱胁迫下冀麦325和冀麦323的SSS活性在花后19 d达到高峰，19～25 d缓慢下降，25～31 d急速下降；而冀麦418的SSS活性仍然是在花后25 d达到高峰，只是显著低于灌溉对照。灌溉对照3个品种的ADPG活性在花后25 d达到高峰(冀麦325>冀麦418>冀麦323)，之后迅速下降；干旱胁迫下3个品种的ADPG活性均在花后19 d达到高峰，冀麦418(最高)和冀麦323(最低)在花后19～25 d缓慢下降，25～31 d急速下降。冀麦323的ADPG活性整体受干旱影响较大。灌溉对照冀麦418的UDPG活性在花后7 d最高，3个品种在花后25 d达到高峰(冀麦325>冀麦418>冀麦323)，之后迅速下降；干旱胁迫下3个品种的UDPG活性均在花后19 d达到高峰，冀麦418和冀麦325在花后19～25 d缓慢下降，25～31 d急速下降。冀麦323的UDPG活性整体受干旱影响较大。灌溉对照3个品种的SBE活性在花后25 d达到高峰(冀麦325>冀麦418>冀麦323)，之后迅速下降；干旱胁迫冀麦325的SBE活性均在花后19 d达到高峰，冀麦418和冀麦323仍然在花后25 d达到高峰，只是显著低于灌溉对照。灌溉对照冀麦325和冀麦323的DBE活性在花后25 d达到高峰，之后迅速下降；而冀麦418在19 d达到高峰，19～31 d缓慢下降；干旱胁迫下冀麦325和冀麦323的DBE活性仍在花后25 d达到高峰，冀麦418在花后19 d达到高峰后25～31 d急速下降。

2.4 灌浆期干旱对小麦籽粒中Fe、Zn、Mn、Mg含量的影响

灌浆期干旱胁迫下小麦成熟籽粒中Fe、Mg、Mn和Zn的含量如表2所示。不同类型小麦成熟籽粒中微量矿质元素的含量均存在显著差异，表现为Mg>Fe>Zn>Mn。经干旱处理后，Zn、Mg、 Mn 和Fe的含量较对照升高。除了冀麦418和冀麦323的Zn含量及冀麦325的Fe含量外，其他品种干旱胁迫下的矿质元素含量均与对照具有显著性差异。

随着籽粒灌浆的进行，Fe、Mg、Mn和Zn含量变化趋势不完全一致，但总体上呈下降趋势(图4)。由图4可知，花后7 d，3个品种小麦籽粒铁含量均较高，且存在极显著差异。冀麦323籽粒Fe含量最高，其次是冀麦325；干旱处理下3个品种小麦的Fe含量均较对照升高，其中冀麦325升高最多。在随后的6 d，冀麦325和冀麦323籽粒的Fe含量迅速下降；至花后19 d，冀麦418和冀麦323籽粒的Fe含量缓慢下降，而冀麦325籽粒的Fe含量却开始升高；至花后25 d，冀麦325的Fe含量升至最高，冀麦418和冀麦323缓慢下降，但此时干旱胁迫对冀麦418和冀麦323的Fe含量影响最大；花后31 d，冀麦325的Fe含量约为冀麦418和冀麦323含量的2倍。籽粒中Fe的最终含量为：冀麦325>冀麦418>冀麦323。冀麦418对照及干旱胁迫下的Zn、Mn和Mg含量均呈缓慢下降趋势，但干旱胁迫下的Zn、Mn和Mg含量较对照略高。冀麦323和冀麦325干旱胁迫下的Zn含量与对照的含量相差较大，花后7～13 d迅速下降，13～25 d缓慢下降，25～31 d冀麦325和冀麦323的Zn含量小幅度升高，但干旱胁迫下冀麦323的Zn含量下降。籽粒中Zn的最终含量为：冀麦325>冀麦323>冀麦418。冀麦325和冀麦323的Mn含量高于冀麦418，花后7～13 d缓慢上升；13～19 d冀麦325的Mn含量急速下降，冀麦323的Mn含量缓慢下降；19～25 d冀麦325的Mn含量缓慢下降，冀麦323的Mn含量急速下降；25～31 d冀麦325的Mn含量缓慢下降，冀麦323的Mn含量缓慢上升。籽粒中Mn的最终含量为：冀麦325>冀麦323>冀麦418。冀麦323和冀麦325的Mg含量在籽粒灌浆过程中呈缓慢下降趋势，干旱胁迫下籽粒的Mg含量高于对照。籽粒中Mg的最终含量为：冀麦323>冀麦325>冀麦418。

表2 灌浆期干旱胁迫下小麦成熟籽粒中的矿质元素含量Tab.2 Contents of mineral elements in mature grains of wheat under drought stress at filling stage mg/kg

2.5 3个不同类型小麦的灌浆期相关基因分析

为了进一步解析3个不同类型小麦干旱胁迫下灌浆期营养物质含量的变化，本研究提取3个不同类型小麦的DNA，采用小麦15K 芯片进行SNP 位点检测。结果显示，冀麦418同时含有抗旱基因1-fehw3、TaDreb和CWI-4A，冀麦323含有抗旱基因1-fehw3和CWI-4A，而冀麦325仅含有CWI-4A基因，该结果与冀麦418在灌浆期受干旱胁迫影响较小结果一致；冀麦325含有大粒基因TaGASR7-A1,而其他2个品种不含该基因；冀麦325和冀麦323含有高粒质量基因TaGS1a、Tabas1、TaGW2-6B和TEF-7A，该结果与冀麦325和冀麦323在灌浆期淀粉和蛋白积累量较大结果一致(表3) 。

表3 3个不同类型小麦的灌浆期相关基因分析Tab.3 Correlation gene analysis of three different types of wheat at filling stage

3 讨论

3.1 干旱胁迫对不同类型小麦籽粒糖分含量的影响

一般认为，干旱胁迫能明显降低小麦籽粒蔗糖含量[31-32]。本研究表明，干旱条件下，籽粒葡萄糖、蔗糖和果糖含量明显低于对照，这可能是干旱导致冠层叶片加速衰老，光合产物中蔗糖含量降低，而不是提高了籽粒中蔗糖的降解能力。小麦籽粒中各糖分的含量决定了籽粒的淀粉含量及淀粉积累速率。蔗糖和淀粉是光合作用最主要的终产物，光合作用制造的同化物以蔗糖形式运输到籽粒 (库)，在籽粒中经过一系列酶(SPS、SS)的催化作用转化为淀粉。

3.2 干旱胁迫对不同类型小麦籽粒淀粉含量及合成酶的影响

干旱胁迫下，小麦籽粒的淀粉含量与积累速率密切相关[17]。戴忠民等[33]分析认为干旱胁迫促使灌浆前、中期的淀粉积累，并显著抑制灌浆后期的淀粉积累，与本研究结果一致。不同类型小麦品种灌浆期淀粉积累速率受干旱胁迫影响不同，干旱对冀麦323灌浆期淀粉积累速率的影响明显大于冀麦418，最终导致冀麦323籽粒淀粉含量降幅较大。试验结果也表明，干旱胁迫下灌浆前期高淀粉积累速率在一定程度上可以补偿灌浆后期的淀粉积累速率。干旱胁迫提高了灌浆前、中期籽粒ADPG、UDPG、DBE、SBE、GBSS和SSS的活性，但降低灌浆后期这些酶的活性。干旱对小麦淀粉含量和积累速率的影响是受ADPG、UDPG、DBE、SBE、GBSS和SSS综合作用的结果。

3.3 干旱胁迫对不同类型小麦籽粒微量矿质元素含量的影响

小麦籽粒的微量矿质元素含量主要受基因型和环境影响[19]，可以通过改善小麦籽粒中微量矿质元素的含量来提高小麦的保健价值和国民的身体素质。研究结果表明，3个参试小麦品种中，冀麦325籽粒的Fe和Zn含量最高，冀麦323籽粒的Mg含量最高。4种元素在籽粒中的含量存在差异，表现为Mg>Fe>Zn>Mn，与已有报道Fe>Zn>Mn一致[34]。本研究发现，随着籽粒灌浆的进行，籽粒中Mg、Fe、Zn、Mn的含量总体呈下降趋势，且除了冀麦418和冀麦323的Zn含量及冀麦325的Fe含量外，其他品种干旱胁迫下的矿质元素含量均与对照具有显著性差异。因此，要获得富含有益矿质元素的耐旱专用小麦，还要深入研究干旱条件下小麦籽粒中微量矿质元素积累的分子机制。