遮阴时期对不同小麦品种淀粉组成结构及淀粉品质的影响

赵佳蓉 马宏亮 吴东明 刘 琼 樊高琼

（西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室/四川农业大学农学院/农业农村部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川 成都 611130）

小麦（Triticum aestivumL.）是世界上最重要的粮食作物之一，世界约有35%～40%的人口以小麦为主要粮食作物，小麦的产量和品质对粮食生产至关重要［1］。光照强度是影响作物生长发育、产量和品质形成的重要因素［2］。1960—2009 年期间，由于快速的经济增长和城市化进程，空气污染物的排放量增加，导致地表接收的太阳有效辐射减少，超过84%城市的日照时数显著下降，平均下降16.7%，四川盆地、华北平原和长江三角洲区域的日照时数分别减少22.4%、18.8%和18.2%［3］。四川位于我国第三大小麦优势产区——西南麦区，近年来小麦种植面积稳定在60×104hm2左右，种植面积和总产分别约占全区的53.6%及63%［4］。四川盆地丘陵地区冬季和春季以层积云、浓积云为主，覆盖宽广，大气环流减弱，常常受到弱光寡照的影响，年总辐射低于4 000 MJ·m-2［5］，小麦全生育期总辐射量仅有2 185 MJ·m-2［6］，比华北平原小麦全生育期总辐射量低720 MJ·m-2［7］，在时间分布上，播种-拔节期总辐射量最大，拔节-开花期总辐射量最小［6］。拔节-开花期的弱光使小麦生产受到严重危害［8］，但对小麦品质形成的影响仍未知。

淀粉是小麦籽粒的主要组成部分，占籽粒干重的57%～67%［9］，淀粉的含量及组成、粒度分布、热力学等特性与营养品质、加工品质和食用品质有着密切联系［10-12］。面条、粉条、馒头等对淀粉品质的要求较高［13-15］，优质面条要求直链淀粉含量低、峰值黏度和膨胀势高、蒸煮损失少［16］。近年来，不同栽培措施以及生态环境对小麦淀粉的影响是重要研究方向之一［17-19］，弱光对小麦淀粉理化性质和品质的影响已有较多的研究，大部分是设置不同的遮阴强度或仅在灌浆期遮阴进行的研究：杨俊华等［20］研究发现，淀粉最终黏度和回生值随着遮阴强度的增加而增加，其他糊化特性参数则无显著变化；袁建新等［21］研究表明，小麦灌浆期遮阴显著降低了淀粉峰值黏度、低谷黏度、衰减值、最终黏度和回生值，对蒸煮品质产生了不利影响；李永庚等［22］研究发现，在灌浆前期、中期、后期遮光显著提高了面粉的膨胀势和峰值黏度，有利于淀粉品质的提高，且前期遮光影响最大，后期最小。综上，花后弱光逆境对小麦淀粉品质影响的研究结论不尽一致。关于花前弱光、花后解除弱光对淀粉组成结构和品质的影响，以及淀粉品质的变化是否和淀粉自身组成结构有关仍未有定论。基于此，本研究以4 个代表性小麦品种为材料，在西昌生态点小麦拔节-开花期和拔节-成熟期进行人工遮阴，以期明确花前和花后弱光对小麦淀粉品质的影响规律，为深化小麦品质研究和指导小麦生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020—2021 年在西昌市安宁镇凉山州农业科学研究院试验基地（102.27°E，27.09°N）开展，该地区属热带高原季风气候。由图1 可知，该地区气候温暖干燥，气温日较差大，降水量少，2020—2021 年小麦生长季降水量为36.8 mm，日照时间长达7.2 h，光照资源充足。试验地耕层土壤（0～20 cm）土壤基础理化性质如下：有机质含量24.80 g·kg-1、全氮0.70 g·kg-1、碱解氮34.91 mg·kg-1、速效磷29.13 mg·kg-1、速效钾81.00 mg·kg-1、pH值7.69。

图1 2020—2021年小麦生长季气温和降雨量Fig.1 Temperature and rainfall of wheat growing period from 2020 to 2021

1.2 试验设计

采用二因素裂区设计，主区因素为品种，分别为蜀麦482、川麦39、绵麦51 和昌麦34，供试品种信息见表1，副区因素为遮阴时期，分别为拔节-开花期遮阴（S1）、拔节-成熟期遮阴（S2），以田间自然光强为对照处理（CK）。小麦于2020 年11 月4 日播种，播种方式为开沟条播，行距20 cm，每小区面积为6 m2，3 次重复，肥料按N∶P2O5∶K2O = 10∶8∶5（N、P2O5、K2O 施用量分别为150、120、75 kg·hm-2）比例施入，磷、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥设置基肥和拔节期追肥，基追比为6∶4。于小麦拔节期（2021 年1 月16 日）开始遮阴，拔节-开花期遮阴62～71 d，拔节-成熟期遮阴105～118 d。遮阳网离地面2 m 高，小麦群体内通风状况良好，使用HiPoint HR-450手持式光谱计（台湾海博特股份有限公司）测量正常光照和遮阴后的光强和光质，结果如表2 所示，遮光率为77.6%，表明遮阴后光质无显著变化。

表1 供试品种信息Table 1 The wheat varieties basic situation

表2 遮阴对光强和光质的影响Table 2 The effect of shading on light intensity and light quality

1.3 测定项目与方法

1.3.1 淀粉含量和组分 使用淀粉总量检测试剂盒（爱尔兰Megazyme 公司）测定籽粒总淀粉含量，直链淀粉检测试剂盒（爱尔兰Megazyme 公司）测定籽粒直链淀粉含量，总淀粉含量与直链淀粉含量之差即为支链淀粉含量。

1.3.2 淀粉粒提取和粒度分布 淀粉粒提取参照Peng 等［23］的方法并稍作改动。用2% NaCl 溶液将适量小麦全麦粉或面粉揉成面团，用2% NaCl 溶液反复揉洗，收集淀粉浆过200目筛除去麸皮和面筋，3 500×g离心5 min，弃去上清液，此时沉淀大部分为淀粉，但含有少量的蛋白质。向离心后的沉淀中加入10% NaCl溶液，充分搅拌，3 500×g离心10 min，弃去上清液，并刮去上层黄色物质，重复2～3 次，用洗涤缓冲液［62.5 mmol·L-1tris-HCl，pH 值6.8；10 mmol·L-1EDTA-2Na；4%十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate，SDS）］清洗2 次，纯水清洗2 次，丙酮清洗2 次，用滤纸过滤，在通风橱内风干，获得蛋白质含量低于0.5%的淀粉。称0.5 g 淀粉于2 mL 离心管中，加1 mL 70%乙醇振荡分散，利用Mastersizer 3000E 激光粒度分析仪（英国马尔文仪器有限公司）测定淀粉粒径。

1.3.3 面粉RVA 参数 使用RVA-TecMaster 快速黏度测定仪（rapid visco-analyzer，RVA，瑞典Perten 公司）测定面粉RVA参数。

1.3.4 膨胀势 参考Mccormick 等［24］的方法。称取面粉200 mg，置于10 mL 预先称重的离心管中，分别加入5 mL 纯 水 和5 mL 2 mmol·L-1AgNO3溶 液，混 匀。70 ℃晃动水浴10 min，移至100 ℃水浴10 min，冷水冷却5 min，1 700×g离心4 min，小心弃去上清液，称取沉淀重量，按以下公式计算膨胀势：

1.3.5 降落值 使用FN1500 降落数值仪（瑞典Perten 公司），按照《AACC Method 56-81B Determination of falling number》［25］的方法进行测定。

1.3.6 α-淀粉酶活性 参考《AACC Method 22-05 Measurement of α-amylase in cereal grains and floursamylazyme method》［26］的方法，使用The CERALPHA 试剂盒（爱尔兰Megazyme 公司）进行测定。称取0.15 g全麦面粉，加入1 mL 提取缓冲液（pH 值5.4），40 ℃提取20 min，取50 µL α-淀粉酶提取液与50 µL 反应底物（淀粉酶HR 试剂）混合，40 ℃水浴20 min，水浴结束后迅速加入750 µL 终止试剂停止反应，剧烈振荡摇匀，读取400 nm 处待测液和空白对照液的吸光度值，酶活力单位为CU·g-1，表示1 min从对硝基苯麦芽庚糖苷（blockedp-nitrophenyl maltoheptaoside，BPNPG7）释放1 µmol对硝基苯酚所需的酶量。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2013 软件对试验数据进行汇总；DPS 7.05 软件进行统计分析，最小显著性差异法（least significant difference，LSD）进行显著性比较分析；Origin 2019b软件作图。

2 结果与分析

2.1 遮阴时期对小麦籽粒淀粉含量和组分的影响

由表3可知，拔节-成熟期遮阴使小麦籽粒总淀粉含量、直链淀粉和支链淀粉含量较CK 显著下降，拔节-开花期遮阴使4个小麦品种总淀粉含量、直链淀粉含量和支链淀粉含量平均值较CK 分别下降了2.96、0.93、2.03 个百分点，拔节-成熟期遮阴分别下降5.34、1.71和3.63个百分点，表明遮阴时间越长，下降幅度越大。拔节-开花期遮阴对淀粉直/支比无显著影响，拔节-成熟期遮阴对直/支比的影响因品种而异，仅显著降低了昌麦34的淀粉直/支比。

表3 不同处理下小麦成熟期籽粒淀粉含量和组分Table 3 Starch content and components of wheat grains at maturity under different treatments

2.2 遮阴时期对成熟期小麦籽粒淀粉粒度分布的影响

2.2.1 淀粉粒数目分布 由表4 可知，A 型淀粉粒数目占比小于1%，B 型淀粉粒占比在3%～5%之间，C 型淀粉粒数目占比大于95%。品种间相比较，昌麦34 籽粒中B型和C型淀粉粒数目占比较多，A型淀粉粒数目占比较少。与CK 相比，拔节-成熟期遮阴使A 型淀粉粒数目显著增加，对B 型淀粉粒数目分布的影响因品种而异，使川麦39 B型淀粉粒数目显著减少，昌麦34 B型淀粉粒数目显著增加。拔节-开花期遮阴显著增加川麦39 A型淀粉粒数目，对其他品种影响较小。

表4 不同处理下小麦淀粉粒数目分布Table 4 Number distribution of wheat starch granules under different treatments

2.2.2 淀粉粒体积分布 由表5 可知，成熟期小麦籽粒中A 型淀粉粒体积占比最大，在68%以上，B 型淀粉粒和C 型淀粉粒分别占体积分布的10%～25%和0～10%。淀粉粒体积大小与品种和遮阴有关。4 个品种中，昌麦34籽粒中B型淀粉粒体积占比较大，A型淀粉粒体积占比较小。无论是拔节-开花期遮阴还是拔节-成熟期遮阴，均较CK 整体显著降低了B 型淀粉粒体积占比，而增加A 型淀粉粒体积占比，拔节-成熟期遮阴使A 型淀粉粒体积占比显著增加2.93～6.00 个百分点，B 型淀粉粒体积占比显著降低3.03～5.20 个百分点。表明遮阴尤其是花后遮阴更有利于大淀粉粒形成。

表5 不同处理下小麦淀粉粒体积分布Table 5 Volume distribution of wheat starch granules under different treatments

2.2.3 淀粉粒表面积分布 淀粉粒表面积分布与体积分布相反（表6），C 型淀粉粒表面积占比最大，A 型淀粉粒次之，B 型淀粉粒表面积占比最小。品种间比较，昌麦34 籽粒胚乳淀粉中A 型淀粉粒表面积占比最小，平均比蜀麦482、川麦39和绵麦51低7.15、4.77和4.87 个百分点，表明昌麦34 淀粉粒的比表面积更大。与CK 相比，拔节-成熟期遮阴均显著增加A 型淀粉粒表面积占比，减小B 型淀粉粒表面积占比，但对C 型淀粉粒影响不同，表现为＜1.5 µm 淀粉粒的表面积占比减小，1.5～3 µm 淀粉粒的表面积占比增加。川麦39拔节-开花期遮阴的各类型淀粉粒表面积占比与CK相比差异显著，其他品种拔节-开花期遮阴与CK 相比基本无显著差异。

表6 不同处理下小麦淀粉粒表面积分布Table 6 Surface area distribution of wheat starch granules under different treatments

2.3 遮阴时期对淀粉糊化特性的影响

由表7 可知，品种是影响淀粉RVA 特征值最主要的因素。绵麦51 淀粉糊化黏度整体偏低，峰值黏度、低谷黏度、最终黏度和回生值分别较其他品种低948.1～1 597.8、1 267.0～1 377.1、2 051.7～2 200.1和784.7～856.2 Pa·s；川麦39的糊化温度比其他品种低12.3～20 ℃；昌麦34 淀粉崩解值较低，糊化温度较高，说明其淀粉抗剪切性较强。不同遮阴时期对糊化参数的影响因品种而异。与CK 相比，拔节-开花期遮阴显著提高了绵麦51 糊化时的黏度、峰值时间和糊化温度，而对蜀麦482、川麦39 和昌麦34 影响不显著；拔节-成熟期遮阴使绵麦51 面粉峰值黏度、崩解值和回生值较CK 降低29.8%，21.9%和50.0%，而对蜀麦482、川麦39 和昌麦34 影响较小，说明绵麦51 淀粉的糊化特性对光照环境的变化更加敏感。

表7 不同处理下小麦淀粉RVA特征值（加纯水）Table 7 The RVA value of wheat starch under different treatments （adding distilled water）

为消除α-淀粉酶活性对淀粉糊化特性的影响，试验使用2 mmol·L-1硝酸银溶液抑制α-淀粉酶活性后测量淀粉糊化黏度。结果表明（表8），与使用纯水测量相比，淀粉糊化黏度均有所增加，川麦39 增加的幅度最小，绵麦51 增加的幅度最大，峰值黏度、崩解值、回生值、峰值时间和糊化温度分别增加了1 735 Pa·s、366 Pa·s、962 Pa·s，0.75 min 和5.2 ℃。消除α-淀粉酶干扰后，拔节-成熟期遮阴处理下，4 个品种峰值黏度、崩解值和回生值均值分别较CK 降低了6.5%、9.9%和0.2%，而拔节-开花期遮阴处理和CK 相比基本无显著差异。说明花后弱光是降低淀粉糊化特性的关键时期，可能与花后遮阴降低面粉中淀粉含量有关。

2.4 遮阴时期对膨胀势的影响

分别用纯水、硝酸银溶液测量膨胀势，结果表明（图2），纯水系统测定的膨胀势中，绵麦51对遮阴时期处理最敏感，拔节-开花期遮阴使其淀粉膨胀势较CK显著增加1.34 g·g-1，拔节-成熟期遮阴则显著降低2.83 g·g-1，其余品种对遮阴处理敏感度低，川麦39 和昌麦34 各处理间差异均不显著。绵麦51 可能具有较高的α-淀粉酶活性，使用硝酸银溶液抑制α-淀粉酶活性后，和纯水系统测定相比，所有品种淀粉膨胀势均增加，绵麦51 增幅最大，且2 个遮阴处理和CK 相比差异不显著，表明膨胀势测定受α-淀粉酶活性干扰较大。

图2 不同处理下小麦淀粉膨胀势Fig.2 Swelling power of wheat starch under different treatments

2.5 遮阴时期对小麦面粉降落值和成熟期籽粒中α-淀粉酶活性的影响

进一步分析表明（图3），品种对降落值有极显著影响，以昌麦34 降落值最高，在400 s 以上，绵麦51 降落值最低，小于300 s。拔节-开花期遮阴对面粉降落值影响不显著，拔节-成熟期遮阴使绵麦51 面粉的降落值较CK显著下降了20.1%。与降落值对应的是，绵麦51 的α-淀粉酶活性最高，平均分别是蜀麦482、川麦39 和昌麦34 的1.79、2.61 和1.55 倍；拔节-开花期遮阴仅显著影响了绵麦51 的α-淀粉酶活性，与CK 相比显著降低28.6%；拔节-成熟期遮阴则显著增加供试品种籽粒α-淀粉酶活性，与CK相比，蜀麦482、川麦39、绵麦51 和昌麦34 分别增加了66.2%、35.3%、25.6%和41.2%。

图3 不同处理下小麦面粉降落值和成熟期籽粒α-淀粉酶活性Fig.3 Wheat flour falling number and α-amylase activity in grains under different treatments

2.6 淀粉理化性质和加工品质间的相关性

由表9 可知，A 型淀粉粒体积百分比和崩解值呈极显著正相关，与回生值、峰值时间呈显著或极显著负相关，B 型淀粉粒（3～10 µm）体积百分比与之相反。降落值和峰值黏度、低谷黏度、最终黏度、回生值、峰值时间以及膨胀势呈极显著正相关，α-淀粉酶活性与之相反，呈极显著负相关。上述结果表明，不同时期遮阴条件下，供试小麦品种淀粉糊化特性和膨胀势与淀粉粒体积分布、α-淀粉酶活性的关系更密切。

表9 淀粉理化性质和加工品质间的相关性Table 9 Correlation between physicochemical properties of starch and flour processing quality

3 讨论

3.1 遮阴时期对小麦籽粒淀粉含量和粒度分布的影响

光照是影响淀粉特性的重要环境因子，小麦生育期常遇阴雨寡照天气，影响光合作用进行，阻碍光合产物积累。但花前弱光和花后弱光对小麦籽粒灌浆及淀粉含量和粒度分布的影响待进一步明确。本试验表明，不同遮阴时期均降低了籽粒总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量，和前人研究结果一致［27］，但直/支比变化较小。小麦籽粒胚乳淀粉主要以A 型和B 型淀粉粒的形式存在，淀粉粒大小受温度、水分、光照等环境因素调控［19，28-29］。袁建新等［21］研究表明灌浆期弱光显著降低B 型淀粉粒的体积占比，增加A 型淀粉粒的体积占比，本研究结果与之一致。银永安等［30］认为A 型淀粉粒形成时间最早，因而推测灌浆期弱光限制B 型淀粉粒数目增加，是因为有限的光合产物优先分配给已经形成的A型淀粉粒。拔节-开花期遮阴条件下，蜀麦482、绵麦51 和昌麦34 的A、B 型淀粉籽粒灌浆不受影响，粒数目、体积和表面积占比与对照相比无显著差异，籽粒灌浆不受影响，进一步说明花后灌浆期是影响淀粉含量和粒度分布的主要时期。

3.2 小麦淀粉组成结构和α-淀粉酶活性对淀粉品质的影响

淀粉占小麦面粉的70%～80%，淀粉含量和组成结构是影响小麦淀粉品质的关键因素。Ye 等［31］将红薯淀粉分为小、中、大三种尺寸，认为大淀粉粒所占比例与黏度参数呈正相关。本试验中，拔节-成熟期遮阴使A 型淀粉粒体积占比增加，应当有利于提升淀粉品质，但仍降低了淀粉糊化黏度和膨胀势，说明淀粉含量降低调控效应比淀粉粒径调控作用更大。相关性分析表明，B 型淀粉粒体积占比越高，淀粉崩解值越小，糊化时间越长，推测是因为B 型淀粉粒的表面积占比大，能够结合更多的脂质和蛋白质，使抗剪切性增强，从而延缓了颗粒的吸水膨胀。

α-淀粉酶也是影响淀粉品质的重要因素，尤其是在高α-淀粉酶活性品种—绵麦51上体现更显著［32-34］。本试验中，拔节-成熟期遮阴使绵麦51 籽粒α-淀粉酶活性较CK 提高25.6%，降落值下降20.1%，面粉峰值黏度、崩解值、回生值和膨胀势降低29.8%、21.9%、50.0%和45.3%，表明遮阴能改变α-淀粉酶活性进而调控淀粉品质。小麦籽粒α-淀粉酶的存在形式主要有三种：第一种为收获时发生穗发芽籽粒中合成的淀粉酶（prehavest sprouting，PHS）［35］；第二种为残留α-淀粉酶，在种皮中合成，含量很低［36］；第三种为迟熟α-淀粉酶（late maturity α-amylase，LMA），是指在未发芽情况下，花后20～30 d 左右由α-Amy-1基因控制合成的高pI α-淀粉酶，被认为是一种遗传缺陷并广泛分布于普通小麦、专用小麦以及合成六倍体小麦中［37］。西昌生态点的降雨量极少，2020—2021 年度灌浆期间总降雨量仅有13.9 mm，小麦收获时未发生穗发芽，绵麦51的降落值低于300 s，推测其籽粒灌浆后期积累了大量的LMA，而蜀麦482、川麦39 和昌麦34 的籽粒中主要是种皮残留的α-淀粉酶，在磨粉时种皮与胚乳分离，面粉中淀粉酶活性较低，对淀粉品质的影响较小。Mares 等［38］和Cornford 等［39］认为LMA 在籽粒的糊粉层细胞中合成，并释放到临近胚乳细胞中，导致未发芽小麦降落值和糊化黏度显著下降。Derkx 等［40］发现冬播小麦比夏播小麦籽粒的α-淀粉酶活性更高，是因为夏季高温加速了籽粒发育进程，缩短了籽粒从生理成熟向成熟转变的时间。本试验中，遮阴时期影响小麦籽粒α-淀粉酶活性，这可能和遮阴时期改变灌浆期籽粒的发育进程有关，花后解除遮阴，叶片受到强光胁迫易衰老，灌浆时间缩短，籽粒脱水速度快，成熟度高；花后持续遮阴，叶片持绿时间长，籽粒发育缓慢，含水量高，脱水速度的快慢会影响糊粉层的发育，进而影响α-淀粉酶合成，但其影响机制还需进一步深入研究。

3.3 小麦淀粉品质受基因型和遮阴时期共同调控

小麦淀粉品质受遗传因素控制。Tang 等［41］认为品种对淀粉品质起主导作用。王才林等［42］发现不同半糯粳稻品种（系）淀粉品质性状对生态环境的反应敏感性不同。本研究结果显示小麦淀粉品质主要受品种影响，存在品种×环境互作效应。高α-淀粉酶活性的小麦品种环境稳定性差，花后持续弱光易劣化淀粉品质。因此在花后多阴雨寡照地区，应选择高降落值品种，避免加工制作的面条、凉皮和凉粉出现蒸煮损失、混汤和断条等现象。

4 结论

遮阴处理降低了小麦籽粒中的淀粉含量，增加大淀粉粒的体积占比，以拔节-成熟期遮阴对淀粉含量及粒度分布的影响较大。拔节-成熟期遮阴不仅通过影响淀粉粒径调节糊化特性，还通过提升α-淀粉酶活性降低降落值和糊化黏度，尤其是在绵麦51 上调控α-淀粉酶活性效应更强。花后恢复光照可提升淀粉加工品质，花后持续遮阴劣化淀粉加工品质。遮阴时期对淀粉品质的影响存在品种间差异，低降落值品种绵麦51 淀粉品质受遮阴时期影响较大，高降落值品种蜀麦482、川麦39和昌麦34环境稳定性较强。