细胞壁组分与复合多层结构对小麦籽粒水分及品质调控机理的研究

In the starchy endosperm, cell walls represent 2-7% of the tissue, they are essentially formed of two polymers: arabinoxylan (AX) andβ-(1-3)(1-4)-glucan (BG). Various observations have shown a lamellar organization in wheat endosperm cell walls, especially in the aleurone layer that possibly reflects the assembly of the AX and BG polymers. Spatial and temporal variations are observed in cell wall polysaccharide composition and structure in the wheat endosperm. The role of these structural properties is not fully understood until now in the stage of wheat grain growth and maturity. Water distribution is not uniform during the stage of wheat grain development and maturity, especially in the stage of wheat grain dehydration. The cell wall composition, lamellar organization and the polysaccharide structure could possibly modulate water distribution of the grain. As is known to all, the distribution and diffusion of water affect growth and development of grain (including cell size, flux of nutrients and accumulation). The variation of the composition and structure of the endosperm cell wall was observed between wheat cultivars may have an impact on the yield and quality of cereal grains. The results of this study have important theoretical significance for realization of the production of high yield and quality of wheat.

小麦胚乳中，细胞壁占全组织的2-7%，它们主要由阿拉伯木聚糖（AX）与β-(1-3)(1-4)葡聚糖（BG）组成。研究发现小麦胚乳细胞壁特别是糊粉层细胞壁为复合多层结构，即AX层与BG层交替的多层层状结构，并且AX的结构与含量随着胚乳空间位置的变化而显著改变，这些奇异的结构特性在小麦籽粒生长发育期间发挥什么样的作用，直到现在还没有完全被理解。小麦籽粒发育和成熟阶段，特别是籽粒脱水阶段，胚乳水分分布极不均匀，其原因很可能是细胞壁的组分、复合多层结构及壁内多糖结构调控了籽粒水分的分布。众所周知水分的分布与扩散速率影响着籽粒所有的生长发育过程（包括细胞的尺寸、物质的传递与积累）。不同小麦品种，细胞壁的组分和多糖结构存在显著差异，其多变的结构很可能影响着谷物的产量和品质。探索小麦细胞壁组分、结构与多糖结构调控水分分布与扩散的机理，其研究结果对实现小麦高产优质生产有重要的理论意义。

我国小麦的总产量和总消费量分别为1.1和1.15亿吨，均居世界首位。在我国，干旱已经成为制约小麦生产的主要障碍因子，而高温是小麦生育后期遭受的主要自然灾害之一，严重影响小麦产量和品质。在高温和干旱时，小麦产量和品质的下降，原因无论是合成相关酶活性下降，还是淀粉、蛋白质积累时间缩短，都与小麦胚乳水分含量、分布与扩散速率有着密切的联系。小麦胚乳细胞壁的组分、结构和壁内多糖结构（如阿拉伯木聚糖的取代率）在小麦籽粒生长发育期间发挥怎样的作用，以及对小麦产量和品质的影响直到现在还没有完全地被理解，因此探明其机理就显得极有现实意义。.本项目模拟了小麦籽粒细胞壁，制作了阿拉伯木聚糖（AX）与β-(1,3)(1,4)葡聚糖（BG）的复合多层膜，应用扫描电子显微镜等方法研究AX/BG复合多层膜的结构，并且研究了AX/BG复合多层膜的力学性质以及水分在复合多层膜中的移动性与扩散速率，研究发现AX/BG复合多层膜的拉伸强度和断裂延伸率在相对湿度75%时具有更好的力学性能，且膜内水分子具有较高的移动性，相对AX多层膜与BG多层膜，AX/BG复合多层膜显著降低了吸水速率和解析速率。另外本项目研究了不同小麦品种在不同海拔籽粒胚乳水分分布及迁移、扩散速率，以及高温和干旱胁迫下籽粒胚乳水分分布及迁移、扩散速率。本项目揭示小麦籽粒胚乳细胞壁组分、多层结构和壁内多糖结构调控籽粒水分分布与扩散的机理，研究发现海拔越高、种植地区经度越小，小麦籽粒糊粉层细胞壁厚度越厚，糊粉层细胞壁越厚的籽粒吸湿和干燥速率越慢，籽粒内部水分子的移动性越好。试验结果表明，细胞壁对小麦籽粒体内的水分分布和迁移有较强的调控作用，高温和干旱胁迫下，籽粒胚乳细胞壁越厚，水分移动性更好，更有利于籽粒灌浆期物质的积累。开展小麦细胞壁组分、结构和壁内多糖结构调控籽粒水分分布与扩散机理的研究对实现小麦高产优质生产有着重要的理论意义，将会带来巨大的经济与社会效益。