大麦表皮蜡质组分及晶体结构的差异性分析

康朝麒,朱 娟,洪 益,张宇航,吕 超,郭宝健,王菲菲,许如根

(植物功能基因组学教育部重点实验室/江苏省作物基因组学与分子育种重点实验室/江苏粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农业科技发展研究院,江苏扬州 225009)

蜡质是指覆盖在植物表皮细胞外的一层疏水结构,多数植物的茎、叶、果实等器官表面均有分布[1]。表皮蜡质主要由特长链脂肪酸及其衍生物组成,分为内层蜡质和外层蜡质,二者分布方式迥异,内层蜡质零星点缀于角质之间,外层蜡质则以各式形状晶体或者薄膜形式附着在植物器官表面[2-3];其合成是发生在表皮细胞中的一个复杂生理过程,需要多种酶以及细胞器参与,首先在质体中进行C16和C18脂肪酸的从头合成,进而脂肪酸碳链延长形成超长链脂肪酸,最后通过脱羰途径和酰基还原途径将超长链脂肪酸衍生成多种蜡质组分[4-6]。表皮蜡质结构及组分受多种因素影响,Samuels等[7-8]研究表明,不同物种之间,其蜡质组分、结构以及含量存在较大差异;同一物种不同器官、不同生育时期蜡质的分布也有差异。蜡质的组分、结构及含量除受遗传因素控制外,对外部环境响应较敏感,当存在环境胁迫因子时,蜡质改变自身晶体微观结构及化学组分,以适应外部环境胁迫[9]。

大麦是世界上第四大禾谷类作物,用途广泛,具有较强抗性。表皮蜡质作为大麦植株表面的第一道防线,可通过在器官表面建立物理边界来应对生物和非生物逆境。Lewandowska等[10]研究表明,蜡质能在一定程度上防止植物因过度蒸腾造成水分损失过多,抗紫外线辐射,抵御害虫和其他病原体的侵袭。Daszkowska-Golec等[11]发现,干旱胁迫下,大麦材料CBP20表皮蜡质含量相较野生型有所增加,叶片失水较少,更利于适应干旱环境。Tsuimuk等[12]研究表明,大麦对蚜虫的抗性与表皮蜡质含量呈正相关。明确大麦表皮蜡质组分及结构有助于明晰大麦表皮蜡质与抗旱、抗虫性关系,对于抗性大麦品种的选育有着重要意义,而目前相关研究鲜见。本研究以鄂9706、QS、苏农91-7112等7份大麦品种(系)为材料,通过对其开花期3个不同器官表皮蜡质组分和结构测定、观察与分析,了解不同大麦品种(系)间蜡质组分与结构差异性、不同器官表皮蜡质组分与晶体结构的关系,为大麦表皮蜡质合成机理及抗性机制研究及抗逆性大麦品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 参试材料

以鄂9706、QS、苏农91-7112、Y5S086、FR、SYR01、早熟3号为材料,其来源及特性见表1。

1.2 方 法

1.2.1 大麦表皮蜡质样品制备及蜡质成分分析

参试材料于2021年秋播种于扬州大学农学院育种试验地;于2022年大麦开花期选取倒二叶、穗下节、穗进行表皮蜡质提取,采用Trace ISQ气相色谱质谱联用仪(Trace ISQ,美国赛默飞世尔)进行蜡质成分测定,3次重复。蜡质提取方法、气质联用仪分析条件和升温程序均参照孙瑜琳[13]的方法。

根据质谱数据库,对蜡质各组分进行定性分析和鉴定。利用Xcalibur软件对各组分离子峰面积进行积分,参照内标正二十四烷含量定量分析蜡质各组分化合物。

1.2.2 蜡质晶体结构观察

参照孙瑜琳[13]的方法,将大麦各器官样品于50 ℃烘干,切成5 mm×5 mm小块,用导电胶将其固定在托盘上,抽真空后镀金;在S-4800II场发射扫描电子显微镜(Hitachi,S-4800)上观察各部位表皮蜡质晶体结构并拍照。

1.3 数据处理

利用SPSS statistics 21和Excel 2016进行数据分析和图表绘制。

2 结果与分析

2.1 大麦表皮蜡质组分及碳链分布分析

由表2可知,参试大麦品种(系)不同器官表皮蜡质共分5类、20种,分别是5种烷烃、5种初级醇、4种醛、4种脂肪酸及2种二酮,其中烷烃均为碳链长度处于C25～C33之间的奇数碳原子直链饱和烃类;初级醇碳链长度为C22、C24、C26、C28、C30;醛与初级醇类似,碳链长度变化范围为C24～C30,且为偶数碳原子;脂肪酸主要由碳链长度为 C22～C28偶数碳原子脂肪酸组成;二酮类组分碳链长度均为C31,包含β-二酮和羟基-β-二酮2种物质。由表3可知,不同器官5类蜡质组分含量及总蜡质含量在品种(系)间均存在显著差异;初级醇、烷烃、醛及脂肪酸含量及蜡质组分总含量均以倒二叶最高,二酮含量均以穗下节最高。

表2 大麦表皮蜡质组分及组成Table 2 Wax components on different organs of different varieties (lines)

表3 参试品种(系)不同器官表皮蜡质组分含量Table 3 Wax components and contents on different organs of different varieties (lines) μg·g-1

2.2 大麦穗下节表皮蜡质组分及含量分析

由表3可知,大麦穗下节表皮蜡质主要由二酮、初级醇、烷烃、醛、脂肪酸组成,以二酮含量最高,占比约为57.66%～79.13%;醇和烷烃次之,占比分别为10.25%～18.35%和6.44%～ 19.22%;醛类物质较少,占比2.57%～4.27%;脂肪酸含量最低,占比0.76%～2.14%。SYR01的穗下节无白霜覆盖,其二酮含量和总蜡质含量均显著(P<0.05)低于其余穗下节有白霜覆盖的品种(系)。

由图1可知,穗下节表皮蜡质组分中,苏农91-7112、鄂9706、Y5S086、早熟3号中C28醇含量最高,QS、FR中以C26醇为主,SYR01则以C24醇为主。供试材料的烷烃以C29或C31烷为主,C33烷含量最低;脂肪酸以C26酸为主,醛类物质以C28醛所占比重最高;二酮类物质包括β-二酮和羟基-β-二酮,且在部分品种(系)间二酮含量差异显著,其中SYR01穗下节表皮蜡质中β-二酮和羟基-β-二酮含量明显低于其余6个白霜型品种(系)。

相同组分图柱上不同小写字母表示品种(系)间差异在0.05水平显著。下图同Different letters above columns of same componert indicate significant difference among varieties(lines). at 0.05 level. The same in figures 2 and 3.图1 参试品种(系)穗下节蜡质组分碳链长度分布Fig.1 Carbon chain length distribution of wax on peduncles of different varieties(lines)

2.3 参试大麦品种(系)穗表皮蜡质组分及含量

参试品种(系)穗表皮蜡质组分及含量见表3。大麦穗部表皮蜡质主要包括二酮、烷烃、初级醇、醛、脂肪酸。穗部有白霜覆盖品种(系)表皮蜡质中,二酮占57.09%～68.24%,烷烃占11.45%～ 21.57%,初级醇占9.62%～19.39%,醛占 3.36%～11.31%,脂肪酸占0.43%～1.61%。穗部无白霜覆盖的品种(系)表皮蜡质组分较穗部有白霜覆盖品种(系)差异明显,其二酮含量极低;以烷烃和初级醇为主,分别占39.24%～71.04%和 22.98%～ 41.43%;醛类和脂肪酸较少,分别占 3.78%～ 17.66%和1.50%～1.74%。无白霜覆盖品种(系)穗部表皮蜡质总量显著低于白霜型品种(系)(P<0.05)。

由图2可知,穗部表皮蜡质烷烃组分中,C31或C29烷含量最高;醇类含量较烷烃含量略低,除Y5S086以C28醇为主、SYR01以C24醇为主外,其余品种(系)醇类组分以C26醇为主;醛类碳链长度多为C26或C28;所有品种(系)脂肪酸类含量均很低,且多以C28酸为主。白霜型大麦表皮蜡质二酮含量与无白霜大麦差异显著,白霜型大麦穗部表皮蜡质中有大量二酮类物质积累,其中β-二酮含量均高于羟基-β-二酮,且不同品种(系)间,β-二酮和羟基-β-二酮含量均存在较大差异。QS、SYR01、FR共3个穗部无白霜覆盖品种表皮蜡质中二酮含量极低,仅有极少量β-二酮和羟基-β-二酮存在,3者间差异不显著。

图2 参试品种(系)穗部蜡质组分碳链长度分布Fig.2 Carbon chain length distribution of wax on spikes of different varieties(lines)

2.4 参试大麦品种(系)叶片表皮蜡质组分及含量

由表3可知,参试品种(系)叶片表皮蜡质组分中,初级醇含量最高,占蜡质总量74.91%～86.23%;其次是醛、烷烃、脂肪酸,分别占6.25%～14.93%、5.43%～8.91%和0.90%～1.95%;二酮含量最少,占比仅为0.14%～0.54%。

由图3可知,参试品种(系)叶片表皮蜡质中初级醇组分多为C26醇;烷烃含量与醛含量接近,不同品种(系)间有所差异,其中鄂9706、Y5S086、FR和SYR01叶片表皮蜡质中,醛类组分含量高于烷烃含量,仅次于初级醇;其余3品种(系)叶片表皮蜡质第二大组分则为烷烃。所有品种(系)表皮蜡质中烷烃主要为C29烷,醛类则以C28或C26醛为主。脂肪酸在各品种(系)叶表皮蜡质中积累较少,且多为C28酸。参试品种(系)叶表皮蜡质中仅检测到极少量β-二酮和羟基-β-二酮物质,且多数品种间差异不明显。

图3 参试品种(系)叶片蜡质组分碳链长度分布Fig.3 Carbon chain length distribution of wax on leaves of different varieties (lines)

2.5 参试大麦品种不同器官表皮蜡质晶体结构

由图4、图5可知,不同器官表皮蜡质晶体结构存在明显差异。穗下节表皮蜡质晶体均呈棒状,其中无白霜覆盖的SYR01穗下节表皮蜡质晶体分布较其余6个品种(系)更为稀疏(图4K)。白霜型大麦品种(系)穗部表皮蜡质晶体均呈棒状,光滑表型品种(系)QS和FR穗部表面仅有少量片状晶体附着(图4D、图4J),而SYR01穗部无蜡质晶体附着(图4L)。倒二叶近轴面、远轴面表皮蜡质晶体均呈片状结构,且附着密度较为一致,差异不明显。

A和B:鄂9706穗下节和颖壳;C和D:QS穗下节和颖壳;E和F:苏农91-7112穗下节和颖壳;G和H:Y5S086穗下节和颖壳;I和J:FR穗下节和颖壳;K和L:SYR01穗下节和颖壳;M和N:早熟3号穗下节和颖壳。A and B: Peduncle surface and glume surface of E 9706; C and D: Peduncle surface and glume surface of QS; E and F: Peduncle surface and glume surface of Sunong 91-7112; G and H: Peduncle surface and glume surface of Y5S086; I and J: Peduncle surface and glume surface of FR; K and L: Peduncle surface and glume surface of SYR01; M and N: Peduncle surface and glume surface of Zaoshu 3.图4 参试品种(系)穗下节和穗表皮蜡质晶体结构Fig.4 Cuticular wax crystals on the stem and glume surfaces of different varieties(lines)

A和B:鄂9706倒二叶近轴面和远轴面;C和D:QS倒二叶近轴面和远轴面;E和F:苏农91-7112倒二叶近轴面和远轴面;G和H:Y5S086倒二叶近轴面和远轴面;I和J:FR倒二叶近轴面和远轴面;K和L:SYR01倒二叶近轴面和远轴面;M和N:早熟3号倒二叶近轴面和远轴面。A and B: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of E 9706; C and D: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of QS; E and F: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Sunong 91-7112; G and H: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Y5S086; I and J: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of FR; K and L: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of SYR01; M and N: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Zaoshu 3.图5 参试品种(系)叶片表皮蜡质晶体结构Fig.5 Cuticular wax crystals on the leaf surface of different varieties(lines)

3 讨 论

本研究利用GC-MS测定了7个大麦品种穗、穗下节、倒二叶表皮蜡质组分及含量,分析结果表明,参试品种(系)表皮蜡质均由20种成分构成,其中初级醇5种、烷烃5种、醛4种、脂肪酸4种、二酮2种,但不同品种(系)、不同器官表皮蜡质组分含量差异显著,这与前人研究结果一致[14]。

3.1 蜡质组分对蜡质晶体结构的影响

Barthlott等[15]研究表明,植物表皮蜡质晶体结构存在多种表现形式,以片状和棒状最为常见,棒状晶体的形成与蜡质中的二酮类物质密切相关。Li等[16]发现,无蜡材料w5叶鞘蜡质β-二酮含量显著低于高蜡小麦济麦22,二者蜡质晶体结构均为棒状,但w5晶体附着量较济麦22少。Zhou等[17]发现,无蜡大麦突变体材料cer-b.2叶鞘表皮蜡质结构呈片状,二酮含量为零,显著低于蜡质晶体结构呈棒状的白霜型品种Bowman;初级醇、烷烃等成分含量明显高于Bowman。本研究中,参试品种(系)穗下节和4个白霜型品种(系)穗部表皮蜡质组分均以二酮含量最高,且蜡质晶体均呈棒状,QS、FR及SYR01穗表皮蜡质中仅含有极少量二酮物质,穗部无棒状蜡质晶体附着;SYR01穗下节表皮蜡质二酮含量(57.66%)明显低于6白霜型品种(系)(70.26%～79.14%),同时SYR01穗下节棒状蜡质晶体密度明显小于其余品种(系),说明大麦表皮蜡质晶体呈现棒状结构可能与表皮蜡质中二酮含量有关,二酮含量可能在一定程度上影响棒状蜡质晶体的附着密度。

Richardson等[18]研究表明,大麦成熟叶片表皮蜡质中1-二十六烷醇占有很大比例;Wang等[19]也发现,小麦叶片表皮蜡质各组分中初级醇含量最高。本研究结果与此类似,大麦叶片表皮蜡质中初级醇蜡质组分约占蜡质总量74.91%～86.23%,占绝对主导地位,叶片近轴面、远轴面表皮蜡质晶体结构均为片状,紧密附着于叶表面,说明较高的初级醇含量可能是叶片表皮蜡质晶体呈现片状的诱因。

赵 帅等[20]发现,济麦6097穗部蜡质二酮占比(84.21%)显著高于泰山4447(58.38%),而初级醇和烷烃比重则较泰山4447低;泰山4447穗部蜡质晶体呈片状和棒状,济麦6097穗部蜡质晶体则均呈棒状,本研究与之存在一定差异,可能是因为本研究中主要成分二酮比例降低,穗部蜡质中占比提升的烷烃或初级醇促进了片状蜡质晶体的合成,出现蜡质层片状、棒状晶体共存的现象。张芸芸等[21]认为,白霜型小麦倒二叶上表皮蜡质多为致密片状晶体,而下表皮蜡质多以管状晶体形式存在。本研究结果与此不一致,可能是因为大麦叶片上下表皮蜡质组分与小麦存在差异,导致大、小麦叶片拥有不同的表皮蜡质晶体结构。

3.2 蜡质组分对白霜表型的影响

Zhang等[22]研究表明,W1、W2基因功能缺失或者Iw1、Iw2基因的存在会导致小麦旗叶鞘表皮蜡质β-二酮合成受阻,叶鞘出现无白霜表型。Adamskin等[23]也认为,二酮含量与小麦白霜表型关系密切。本研究发现,除SYR01外的6个品种(系)穗下节及鄂9706、苏农97-7112、Y5S086、早熟3号穗部表面均有明显白霜状物质覆盖,有白霜覆盖的器官表皮蜡质中二酮占比最高,无白霜覆盖的器官表皮蜡质中二酮组分含量显著低于有白霜覆盖器官。说明,不同器官蜡质白霜表型不同是因为表皮二酮含量差异引起的。

3.3 蜡质对大麦抗性的影响

González等[24]研究表明,干旱处理下高蜡质大麦品种籽粒产量及抗旱性相较低蜡质品种均有较大提高。黄 玲等[25]认为,高蜡质小麦品种干旱胁迫下叶片细胞膜稳定性强,细胞失水少,水分利用效率和产量较高。本研究中,植株表面蜡质覆盖较多的品种早熟3号曾是长江中下游主体推广大麦品种,表现较好的抗性与丰产性;穗下节、穗部蜡质含量较低的品系FR则易感蚜虫。大麦穗、穗下节及上部叶片表皮蜡质与大麦的抗旱性及抗虫性可能存在一定的关系,尚需进一步研究探讨。