不同磷素水平下小麦淀粉粒结构特性变化及形成机理研究

Effects of phosphorus can result the changes of starch quality in wheat. In the present study, the effects of phosphorus on wheat starch quality focused on the ratio of amylose and amylopectin and the content of damaged starch. Actually, phosphorus may lead to the changes of chain length distribution of amylopectin, the number and structure of channels within wheat starch granules, which was the important factor for the starch physicochemical characteristics and quality. In this study, two winter wheat genotypes were employed. The chain lengths of amylopectin were analyzed by HPLC.The nature of channels within wheat starch granules at different stage under three phosphorus levels was investigated by using scanning electron and confocal laser scanning microscopy. The spatio-temporal profiling of enzymes for starch biosynthesis and degradation in the development wheat endosperm were revealed by using real-time PCR, in situ hybridization and enzymes activity measurements. The starch granule crystallinity and microstructure changes and the impact to starch quality were elucidated by investigating the location of sites of starch reaction with hydrolase, structure of amylopectin, granule size distribution and starch physicochemical characteristics. The objective of this study is to supply more information for further explore the pathway of starch biosynthesis, granule characteristics and starch quality under different phosphorus conditions.

磷素对小麦籽粒淀粉品质的形成有重要调节作用。目前关于磷素对小麦淀粉品质影响的研究多从直/支链淀粉比例和破损淀粉含量等方面入手；事实上，不同磷素水平将影响支链淀粉链长分布；同时可使淀粉粒表面的微孔和微通道的数量和结构发生变化，也是影响淀粉粒理化特性和品质的重要原因。本研究以2个冬小麦品种为供试材料，通过色谱法分析小麦籽粒不同发育时期支链淀粉链长分布；利用扫描电镜和激光共聚焦显微镜观察淀粉粒表面微通道的变化；利用Real-time PCR、显色原位杂交和组织化学染色等技术，研究不同时期胚乳中淀粉合成关键酶和降解酶活性、酶基因表达、淀粉粒积累的时空变化；通过分析不同磷素水平下淀粉粒的磷含量、结晶度、淀粉粒表面酶降解位点变化、粒级分布、品质特性等，揭示磷素对小麦淀粉粒结构特性的影响、形成原因以及对淀粉品质的影响，为研究不同磷素水平对小麦淀粉生物合成、淀粉粒性质及其品质变化提供一个新途径。

淀粉是小麦籽粒胚乳最重要的贮藏物质，磷素是影响淀粉合成与积累的重要营养因子之一。本研究以两个冬小麦品种为材料，设置磷素处理，采取了精确标记颖花时间、测定生理生化指标、树脂包埋颖果、电镜观察等方法，结合原位杂交技术，着重研究了磷素对小麦籽粒灌浆过程中淀粉粒发育、微观特性变化的影响机制，取得了以下重要结果：.1、阐明了磷素对不同小麦品种籽粒淀粉粒微观特性的影响。.（1）花后7d，对照的淀粉粒直径大于施磷处理；.（2）结合SEM和 CLSM的观察结果，及淀粉粒体外酶解效率，表明成熟期施磷条件下的淀粉粒内部的微通道结构发生了变化；.（3）小麦生长过程中适宜的施磷量有利于种子萌发过程中胚乳淀粉粒的降解，并促进胚根的伸长和干物质的积累，过量施磷则有抑制作用。.2、阐明了磷素对不同小麦品种淀粉粒积累及微观特性变化的生理及分子基础。.（1）施磷显著提高了籽粒淀粉含量、支链淀粉B链段比例；对淀粉合成酶和降解酶活性有显著影响；.（2）LP处理显著提高了灌浆前期和中期相关淀粉合成酶和灌浆中后期降解酶基因在胚乳中的表达；.（3）磷对amy4, bam1和bam5基因在小麦籽粒中的时空表达有重要影响；籽粒发育早期三个基因在果种皮和胚乳中均有表达；花后28d和35d，LP和HP处理下主要在胚乳边缘表达，LP胚乳边缘的表达量更高。.3、提出了磷素与小麦淀粉合成、积累及其淀粉粒微观结构变化间关系的机理模型。.4、阐明了淀粉粒微观特性变化对淀粉粒热特性的影响。. 以上结果揭示了磷素对小麦淀粉粒结构特性的影响、形成原因以及对淀粉品质的影响，从生理和分子生物学角度阐述了小麦生产中限量施磷的意义，同时可为小麦淀粉粒的开发利用提供新的依据。. 本项目严格按照计划内容实施，超额完成了预期的目标和任务。共发表学术论文14篇，其中被SCI收录5篇；申请专利2项，培养硕士生2人，其中1人被评为校优秀硕士毕业生，论文被评为校优秀硕士学位论文，参加国内外学术交流6次。