小麦籽粒不同部位贮藏蛋白积累的空间变异特征及其对施氮差异响应的生理机理

Gliadin and glutenin are the most important storage proteins in wheat grain. Their content, ratio and subunit compositions determine the processing quality of different special use of wheat grain. The distribution of protein amount and quality across the endosperm was inhomogenous and response differently to environment factors. Nitrogen is one of the most active factors affecting the synthesis of protein and has a direct effect on the yield and quality of wheat. Different special use cultivars and families from a recombinant inbred lines (RILs) will be used to study the spatial variation in accumulation of gliadin and glutenin, gene expression, subunit compositions, GMP size distribution and flour rheological properties at different position of grain with the method of pearling of wheat grain and ultramicroscopy. Nitrogen regulation experiment will also be conducted to study the response of gliadin and glutenin accumlation in different position to nitrogen application and underlying physiological mechannism, from the point of N metabolism, gene expression of HMW-GS and LMW-GS, and endosperm microstructure observations. The results should be helpful to further deepen the wheat quality formation mechanism and establish N fertilizer regulation technique system for different special use of wheat.

醇溶蛋白和麦谷蛋白是小麦籽粒最重要的贮藏蛋白，二者的含量、比例及亚基组成决定了小麦不同用途的加工品质。小麦胚乳中蛋白质数量及质量的分布是不均匀的，且对环境的响应程度不同，氮素是影响小麦籽粒蛋白质合成最活跃的因子，直接影响小麦籽粒的产量和品质。本项目拟以不同品质类型小麦品种和遗传背景相近的重组自交系群体（RILs）为材料，采用分层碾磨技术和籽粒分层切片技术，系统研究小麦籽粒不同层次面粉麦谷蛋白和醇溶蛋白含量、基因表达、亚基组成、GMP粒度分布以及面粉糊化特性与面团流变学特性等的空间变异规律及其形成的生理机理。同时开展不同氮肥调控试验，从籽粒氮代谢、HMW-GS和LMW-GS基因表达动态、胚乳超微结构观察等角度，深入研究小麦籽粒中不同部位贮藏蛋白对氮素的响应差异及其内在的生理机理。研究结果将进一步深化小麦籽粒品质形成机理研究，为确立不同专用类型小麦品种品质定向调优的氮肥调控技术提供理论支持。

小麦籽粒中蛋白质含量和组分是决定小麦籽粒品质的关键因素，醇溶蛋白和麦谷蛋白是贮藏蛋白的主要成分，决定了小麦籽粒加工品质。小麦胚乳不同部位面筋蛋白含量和组成空间分布差异显著，并受施氮等措施的调控，小麦籽粒面粉的分层利用是协调小麦优质和高产的重要途径。本项目以不同品质类型小麦和遗传背景相近的重组自交系为材料，通过分层碾磨技术，发现小麦籽粒结构蛋白（清蛋白和球蛋白）含量外层较高，中层次之，而内层最低。而贮藏蛋白（醇溶蛋白和麦谷蛋白）、GMP和HMW-GS含量籽粒外层较低，中层偏外层含量最高，内层较低，明确了小麦籽粒中贮藏蛋白空间分布规律。通过显微切片结合籽粒鲜样分层技术，研究了胚乳发育过程中器官建成规律，发现灌浆过程中，籽粒不同部位灌浆底物氨基酸组分含量差异较大，氨基酸代谢酶基因表达的和底物供应浓度的差异是籽粒中关键组分空间分布异质性的主要原因之一。同时开展不同氮肥调控试验，发现增施氮肥，明显提高了籽粒中蛋白的含量，籽粒中不同部位蛋白对氮肥响应不同。采用N15同位素标记，进一步研究了不同时期植株吸收氮素在不同器官中分配规律，发现拔节到开花期吸收的氮素对籽粒贡献最大，籽粒外层面粉蛋白以拔节到开花期吸收的氮素对其贡献最大，籽粒内层蛋白则以花后吸收的氮素贡献更大。研究结果深化小麦籽粒品质形成机理研究，为小麦品质定向调优提供理论支持和技术途径。