全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2013, 49 (9): 949~958 949
收稿 2013-06-09　　修定 2013-06-30
资助 国家重点基础研究发展计划(2009CB118505)、国家自然科学基金(31171551和31271635)、现代农业产业体系建设专项(CARS-03-1-8)、
转基因生物新品种培育科技重大专项(2011ZX08002-003)和作物生物学国家重点实验室开放课题。
* 通讯作者(E-mail: sjzhao@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8249767; E-mail: song_jianmin@163.com, Tel: 0531-83179561)。
山东省不同时期主推小麦品种的籽粒淀粉合成比较
郭骞欢1, 谢彦庆1, 程敦公2, 周连杰1, 戴双3, 李豪圣2, 赵世杰1,*, 宋健民2,*
1山东农业大学生命科学学院, 作物生物学国家重点实验室, 山东泰安271018; 2山东省农业科学院作物研究所, 小麦玉米国
家工程实验室, 农业部黄淮北部小麦生物学与遗传育种重点实验室, 济南250100; 3山东省农业科学院农作物资源中心, 济南
250100
摘要: 籽粒淀粉含量对小麦产量和加工品质有重要影响, 本实验对1949年以来山东省不同时期8个主要小麦推广品种籽粒
灌浆过程中淀粉含量、淀粉合成关键酶活性和酶基因表达的动态变化进行了比较, 以期为小麦遗传改良提供理论依据。
结果表明, 8个小麦品种籽粒总淀粉含量和直、支链淀粉含量随着育成时间的推移表现明显的上升趋势, 与籽粒产量的变
化一致。籽粒灌浆过程中, 淀粉合成关键酶ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉粒束缚淀粉合酶(GBSS)和淀粉分支酶
(SBE)活性及其编码基因相对表达量呈单峰模式, 在花后20 d达到顶峰; 可溶性淀粉合酶(SSS)花后10 d以后呈缓慢下降的
趋势。AGPase和SSS活性及其编码基因相对表达量随着品种育成年代的推移呈上升的趋势, 近年选育的‘济南17’和
‘济麦22’显著高于其他品种, 而GBSS和SBE酶活性及其编码基因表达量变化趋势不明显。相关分析结果表明, AGPase
和SSS酶活性及其编码基因表达水平与成熟期籽粒淀粉含量的相关性高于GBSS和SBE酶, 说明胚乳淀粉合成在提高小麦
籽粒产量方面具有重要作用, AGPase和SSS对淀粉含量的影响可能超过GBSS和SBE。
关键词: 冬小麦; 淀粉合成酶; 基因表达; 遗传改良
Comparison in Grain Starch Biosynthesis of the Leading Wheat Cultivars of
Different Eras Released in Shandong Province
GUO Qian-Huan1, XIE Yan-Qing1, CHENG Dun-Gong2, ZHOU Lian-Jie1, DAI Shuang3, LI Hao-Sheng2, ZHAO Shi-Jie1,*, SONG
Jian-Min2,*
1State Key Laboratory of Crop Biology, College of Life Science, Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018,
China; 2Key Laboratory of Wheat Biology and Genetic Improvement on North Yellow and Huai River Valley, Ministry of Agricul-
ture, National Engineering Laboratory for Wheat and Maize, Crop Research Institute, Shandong Academy of Agricultural Scienc-
es, Jinan 250100, China; 3Shandong Center of Crop Germplasm Resources, Shandong Academy of Agricultural Sciences, Jinan
250100, China
Abstract: Grain starch plays a very important role in determining wheat yield and quality. Eight leading wheat
cultivars widely planted in Shandong province during different decades since 1949 were investigated in this
study. The dynamic change of starch content, starch biosynthesis of historical wheat cultivars during grain fill-
ing released in Shandong province were compared in order to extend the current view and provide the theoreti-
cal basis for wheat breeding. A comprehensive analysis of the starch biosynthesis in developing endosperm and
the activities of starch biosynthetic enzymes and the transcript levels of the encoding genes were investigated.
The results revealed that the content of amylose, amylopectin and total starch content in mature endosperm in-
creased significantly with the released time of eight wheat cultivars, in accordance with changes in the grain
yield. During the grain filling, the activities of starch biosynthetic enzymes and relative expressions of their en-
coding genes showed unimodal patterns peaking around 20 days after anthesis (DAA), such as ADP-glucose
pyrophosphorylase (AGPase), granule-bound starch synthase (GBSS), and starch branching enzyme (SBE).
Whereas, the activity of soluble starch synthase (SSS) and their transcript levels declined gradually after 10
DAA. The activities and relative expressions of AGPase and SSS genes increased pronounced with the cultivar
植物生理学报950
evolution, especially for the newest cultivars such as ‘Jinan17’ and ‘Jimai22’ with the highest activities and ex-
pression levels. However, the expression levels of GBSS and SBE varied insignificantly with the released time.
The activities and gene expression levels of AGPase and SSS were more related to the starch content in mature
seeds compared to that of GBSS and SBE, suggesting their more important roles in starch biosynthesis. There-
fore, grain yield could be improved in future breeding program by modification in starch physicochemical prop-
erties through screening of key enzyme activities and expressions involved in starch biosynthesis during devel-
oping endosperm.
Key words: winter wheat; starch synthetic enzymes; gene expression; genetic improvement
小麦是我国最重要的三大粮食作物之一, 据
预测未来20年如果要保障粮食安全, 小麦产量需
在现有基础上每年递增1.4%, 而目前主产麦区产
量潜力年均增长率仅为0.8% (何中虎等2011), 我国
56%的小麦产区产量徘徊不前(Ray等2012)。从目
前的需求和市场来看, 我国必须保持小麦持续增
产。淀粉占小麦籽粒干重的60%~70%, 与籽粒产
量关系密切(Tetlow 2011; Zeeman等2010)。Hucl和
Chibbar (1996)对加拿大春小麦的研究表明, 淀粉
含量与籽粒产量呈正相关。因此, 改良淀粉合成
能力对提高小麦产量非常重要。淀粉分为直链淀
粉和支链淀粉, 其合成受一系列淀粉相关酶和基
因表达的调控(Geigenberger 2011; Stitt和Zeeman
2012; Tetlow 2011; Zeeman等2010), 其中ADP-葡萄
糖焦磷酸化酶(AGPase, EC 2.7.7.27)催化合成
ADP-葡萄糖(ADPG), 作为淀粉合成的直接底物,
对淀粉生物合成起着重要的枢纽作用; 淀粉合酶
(SS, EC 2.4.1.21)催化淀粉的形成, 分为两类: 淀粉
粒结合淀粉合酶(GBSS, 又称Wx蛋白)和可溶性淀
粉合酶(SSS); 淀粉分支酶(SBE, EC 2.4.1.18)形成
淀粉的分支。小麦胚乳发育过程中, 淀粉合成非
常容易受到环境胁迫如高温、干旱等异常气候的
影响, 从而影响籽粒产量, 主要原因就是淀粉合成
关键酶对逆境相对敏感(石慧清等2011; Geigen-
berger 2011; Cossani和Reynolds 2012)。近年来全
球气候呈现变暖的趋势, 气温的持续升高势必对
小麦育种和生产产生重要影响(Lobell和Gourdji
2012)。山东是我国小麦生产的高产区和主产区,
小麦面积和产量分别占全国总数14%左右和18%
以上; 而且山东省在不同时期推出了很多栽培品
种。因此探讨不同时期(气候条件下)推广小麦品
种淀粉合成特性及其与籽粒产量的关系对理解高
产机制和推动山东乃至全国小麦育种都具有重要
的意义。本研究选用建国以来不同时期山东省8
个主要推广小麦品种为材料, 比较其籽粒灌浆过
程中淀粉组分含量、淀粉合成关键酶活性及其基
因表达的动态变化, 旨在探讨影响产量提高的关
键淀粉合成酶及基因, 为今后的小麦品种遗传改
良提供理论基础。
材料与方法
1 试验材料和试验设计
选用山东省1949年以来不同时期种植面积最
大的小麦(Triticum aestivum L.) 8个主推品种为试
验材料(彭芹等2012; 庄巧生2003) (表1)。试验于
2010~2012年在山东省泰安市农业科学院实验基
地进行。试验田0~20 cm土层含全氮0.9 g·kg-1、水
解氮91.9 mg·kg-1、有效磷35.8 mg·kg-1、速效钾
70.5 mg·kg-1、有效硫43.2 mg·kg -1。随机区组排
列 , 3次重复 , 小区面积4 m×1.5 m, 6行区, 行距
25 cm。田间管理同高产田, 幼苗返青后及时架尼
龙网防止倒伏。
2 测定方法
小麦开花期选取生长健壮、发育一致的植株
挂牌, 标记同一天开花的穗子中上部小穗。于花
后10、20、30 d取样[测定淀粉含量时再于成熟期
(花后40 d)取样], 每个品种取样时期严格按照其开
花时间的先后顺序, 每个小区取10穗, 剥取穗子中
部小穗发育较好的籽粒, 在液氮中速冻30 min后,
迅速转移到−80 ℃的超低温冰箱中, 保存备用。成
熟时收获全部籽粒。
2.1 籽粒淀粉含量的测定
籽粒淀粉含量的测定采用WZZ-2B(A)自动旋
光仪(上海易测仪器设备有限公司)测定; 直链淀粉
含量的测定采用Amylose/Amylopectin Kit (Mega-
zyme International Ireland Ltd, Co. Wicklow, Ire-
郭骞欢等: 山东省不同时期主推小麦品种的籽粒淀粉合成比较 951
land)的操作方法(Yasui等2009)。
2.2 淀粉合成酶液的提取和酶活性测定
粗酶液的提取参考程方民等(2001)的方法。
AGPase活性测定参考Nakamura等(1996)、张振清
和夏淑芳(1982)的方法; GBSS和SSS活性测定参考
Nakamura等(1996)的方法; SBE活性测定参考赵法
茂等(2007)的方法。
2.3 淀粉合成酶基因表达检测
参照全式金基因提取试剂(Trizol plant)操作
方法, 提取小麦籽粒胚乳总RNA。采用宝生物工
程(大连)有限公司(TaKaRa)的反转录试剂盒[RNA
LA PCRTM Kit (AMV) Ver.1.1], 按说明书进行反转
录, 反转录后的cDNA贮存于–80 ℃冰箱备用。
荧光定量PCR引物设计利用Beacon Designer
7软件(表2), 目的基因序列来自NCBI中小麦EST数
据库, 引物设计扩增区段通过NCBI中Blast的同源
比对功能选择, 对设计的引物特异性进行评价, 委
托上海生物工程有限公司合成引物。
定量PCR反应采用Fermentas试剂盒Fluorescein
qPCR Master Mix (SYBR Green), 每个反应重复5
次, 反应体系20 μL, 含cDNA模板1.6 μL, Fluoresce-
in qPCR Master Mix 10 μL, 正向引物0.6 μL, 反向
引物0.6 μL, ddH2O 7.2 μL。在CF96荧光定量PCR
仪(Bio-Rad Laboratories, Inc.)上完成测定。扩增程
序50 ℃温育2 min, 95 ℃ 10 min; 95 ℃ 15 s, 60 ℃
30 s, 72 ℃ 30 s, 40个循环。并计算基因的相对表
达量。
3 数据分析
采用SPSS16.0统计分析系统对试验数据进行
统计与分析。
表1 山东省1949年以来不同时期8个小麦主推品种情况
Table 1 Eight historical leading wheat cultivars released in Shandong province since 1949
序号 品种名称 杂交组合(母本/父本) 推广年份 年最大面积/万亩 最大面积年份
1 ‘碧蚂1号’ ‘蚂蚱麦’/‘碧玉麦’ 1949 1 800 1959
2 ‘济南2号’ ‘碧蚂4号’/‘早洋麦’ 1959 2 100 1967
3 ‘济南9号’ ‘辛石3号’/‘早洋麦’ 1965 1 000 1972
4 ‘泰山1号’ ‘碧蚂4号’/‘早熟1号’//‘欧柔’ 1971 2 990 1978
5 ‘济南13’ ‘欧柔白’//‘辉县红’/‘阿勃’ 1982 1 446 1985
6 ‘鲁麦14’ ‘C149’/‘F4530’ 1990 1 478 1994
7 ‘济南17’ ‘临汾5064’/‘鲁麦13’ 1999 1 049 2000
8 ‘济麦22’ ‘济麦935024’/‘济麦935106’ 2006 2 758 2011
1亩=666.7 m2。父本或母本中双斜杠前后品种名为上代杂交组合。
表2 用于分析目标基因表达的引物序列
Table 2 Primer sequences for analysis of target genes expression
目标基因 NCBI登录号 正向引物(5′→3′) 反向引物(5′→3′) 目标片段长度/bp
Actin DN551593 aagcccaatcataggaaaagtg ccgagaggaagtacagtgtc 131
SSUI EF405961 gccaatacccgatttcagtttc acacatccctcaccaataacac 123
LSUI DQ839506 cttccctgcatttgattga ctcgctgccacttctttac 142
SSUII EU586278 gctcccatttacacacaacc atagtagtccgcacccattag 192
LSUII EF378944 tgattactgggaagatattgg catagatggtggtaggtttc 139
GBSSI AY050174 gacactatcgtggaaggcaag ttgaccatctcatggtacgc 152
GBSSII AF109395 cacagaatgccagaggcatag gaacagatgggaatcactcca 151
SSSI AJ292521 gagagtagatgacggctgtg caatcgctaaggctaaagagtc 190
SSSII AB201445 cgttctttgctctgctcttcc gactgttgttgtgctccttcc 169
SSSIII AF258608 ttatccacattgccgttgag gtaaatccttgacactgctttg 159
SBEI AF286317 caacaaccgccctaactcattc ccagaagtcgcctcaccatc 189
SBEIIa Y11282 agaactgcggtcgtgtatgc acctatccatctgctcctcctg 191
SBEIIb AY740401 cgtatctcggaaacatgagga tccgagtctaagaccaccttg 150
AGPase包括4种亚基编码基因: 胞质型小亚基(SSUI)、质体型小亚基(SSUII)、胞质型大亚基(LSUI)和质体型大亚基(LSUII); 两种GBSS
基因分别是GBSSI和GBSSII; 三种SSS基因分别是SSSI、SSSII和SSSIII; 三种SBE基因分别是SBEI、SBEIIa和SBEIIb。
植物生理学报952
实验结果
1 籽粒灌浆过程中淀粉含量的变化
随着育成年代的推迟, 山东不同时期小麦主
推品种籽粒产量呈明显增长的趋势(图1-A), 1949
年推广的‘碧蚂1号’籽粒产量只有4.39 t·hm-2, 而
2006年育成的‘济麦22’产量达到了7.78 t·hm-2, 增长
了77%。
不同时期主推品种籽粒灌浆期总淀粉、直链
淀粉、支链淀粉含量总体上呈不断升高的趋势(图
1-B~D)。在成熟期, 最近育成的‘济麦22’籽粒总淀
粉含量、直链淀粉和支链淀粉含量分别为69.8%、
23.4%和46.5%, 比1949年代主推的‘碧蚂1号’分别
提高9、3和6个百分点。
2 籽粒灌浆过程中淀粉合成关键酶活性的变化
籽粒灌浆过程中4种最主要的淀粉合成关键
酶活性的变化见图2。由图2-A可以看出, 籽粒灌
浆过程中AGPase活性呈单峰变化, 约在花后20 d
达到峰值。从AGPase活性峰值(花后20 d)的情况
看, 酶活性的高低基本与品种育成推广的时期一
致, 近年代育成的‘济南17’、‘济麦22’酶活性最高,
而早期育成推广的小麦品种酶活性较低, 说明随
着品种更新淀粉合成能力在不断提高。
籽粒灌浆过程中, GBSS活性也呈现单峰变化
(图2-B), 约在花后20 d达到峰值, 但与AGPase活性
的变化相比, 其峰值相对不明显。从总体上看, 不
同小麦品种GBSS活性差异相对较小, 品种间变化
规律也不明显, 但最近育成的‘济麦22’酶活性在整
个籽粒灌浆期相对较高。
籽粒灌浆过程中, SSS活性花后呈不断下降的
趋势(图2-C), 不同年代育成推广的小麦品种SSS活
性随着年代的更替呈上升的趋势, ‘济麦22’、‘济
南17’等最近育成的品种酶活性较高, 而‘碧蚂1
图1 山东省不同时期主推小麦品种籽粒产量及灌浆过程中淀粉含量的变化
Fig.1 Changes in grain yield and starch content in filling grains of leading wheat cultivars in Shandong province at different ears
郭骞欢等: 山东省不同时期主推小麦品种的籽粒淀粉合成比较 953
号’、‘济南2号’等较早育成的品种酶活性较低。
籽粒灌浆过程中, SBE活性的变化趋势与AG-
Pase和GBSS相似, 均呈单峰变化模式, 约在花后20
d时达到峰值(图2-D), 但与AGPase和GBSS相比,
SBE活性到达峰值前上升的速度明显较快, 而峰值
以后下降的速度相对较慢。与GBSS相似, 不同年
代育成小麦品种的SBE活性差异相对较小, 品种更
替过程中变化规律不明显。
3 籽粒灌浆过程中淀粉合成关键酶基因表达的
变化
采用qRT-PCR方法对籽粒灌浆过程中淀粉合
成关键酶的12个基因进行了表达分析(图3), 籽粒
灌浆过程中4种AGPase基因(图3-A~D)相对表达量
均呈单峰变化模式, 约在花后20 d表达量达到峰
值, 但不同品种又存在明显的差异, 如‘济南2号’整
体表达水平较低, 峰值相对不明显; ‘济麦22’的
LSUI花后20 d达到峰值, 但峰值并不明显, 到达峰
值后的下降速度也比其他品种慢; ‘济南17’的LSUI
花后10 d即达到相当高的表达水平, 到达峰值以后
的下降速度也相对较快; 而‘济南13’的LSUI基因表
达水平到达峰值前和到达峰值后的下降速度基本
一致。不同品种基因表达水平差异非常明显, 如
花后20 d LSUI基因表达水平达到极显著差异
(P<0.01)。从4个基因的整体情况看, 近年代推广
的品种‘济麦22’和‘济南17’基因表达水平较高, 尤
其是‘济南17’明显高于其他品种, 而较早年代推广
的小麦品种, 如‘济南2号’、‘碧蚂1号’等品种表达
水平相对较低。
两种GBSS基因的表达, 均呈单峰变化(图3-
E~F), 在花后20 d达到高峰, 但8个品种GBSS基因
的表达明显不同, 有的品种峰值非常明显, 有的品
种峰值不明显, 个别品种甚至呈下降的趋势。8个
图2 山东省不同时期主推小麦品种籽粒灌浆过程中淀粉合成关键酶活性的变化
Fig.2 Changes of starch biosynthetic enzymes activity in filling grain from leading wheat cultivars released in Shandong province
at different ears
植物生理学报954
图3 山东省不同时期小麦品种籽粒灌浆过程中淀粉合成酶基因表达量的变化
Fig.3 Changes of the relative expression of genes encoding starch biosynthetic enzymes in filling grains from leading wheat
cultivars released in Shandong province at different ears
郭骞欢等: 山东省不同时期主推小麦品种的籽粒淀粉合成比较 955
品种GBSSI基因表达差异显著, 花后20 d相对表达
量达到1%的差异显著性, 其中在花后20 d ‘碧蚂1
号’和‘济南2号’表达量最低, ‘济麦22’和‘济南17’表
达量较高, 在其他灌浆期小麦品种没有明显的年
代更替趋势规律。8个品种GBSSII基因整体表达
水平差异较小, 但花后20 d相对表达量也达到5%
的差异显著性, 其中‘碧蚂1号’和‘济南2号’表达量
最低。
从整体情况看3种SSS基因相对表达量比较接
近(图3-G~I), 并表现出比较明显的时代变化趋势,
即随着推广时间的推移, 相对表达量呈上升的趋
势, 但籽粒灌浆过程中的变化趋势明显不同。SSSI
基因呈单峰变化, 约在花后20 d达到峰值; 而SSSII
和SSSIII基因在籽粒灌浆过程中呈下降的趋势, 只
有‘济麦22’ SSSII基因在花后20 d出现一个较小的
峰。8个品种比较, SSSI和SSSII基因表达量差异相
对较小, 而SSSIII差异相对较大, 尤其在花后10 d的
籽粒灌浆初期。
三种SBE基因(SBEI、SBEIIa、SBEIIb)在籽粒
灌浆过程中均呈单峰变化趋势(图3-J~L), 并在花
后20 d达到峰值, 与酶活性的变化趋势一致。8个
品种3种SBE基因相对表达量差异明显, 尤其是花
后20 d达到峰值时, 但与品种推广年代之间没有明
显的变化规律。
4 淀粉合成相关酶活性及基因表达水平与淀粉含
量的相关性分析
对淀粉合成关键酶活性及其编码基因相对表
达量与成熟期籽粒淀粉含量进行了相关分析(表
3、4)。由表3可知, 籽粒灌浆过程中AGPase平均
活性与总淀粉和支链淀粉含量呈极显著正相关,
表明AGPase在小麦籽粒淀粉积累过程中具有重要
作用。籽粒灌浆过程中SSS平均活性与支链淀粉
和总淀粉含量呈极显著性正相关, 说明其在支链
淀粉合成中具有重要作用, 进而影响总淀粉的合
成。SBE活性与支链淀粉含量显著负相关, 说明
SBE也是通过影响支链淀粉的合成进而影响总淀
粉含量。GBSS平均活性与淀粉含量相关不显著,
但花后10 d和30 d GBSS活性与直链淀粉和总淀粉
表3 淀粉合成关键酶活性与籽粒淀粉含量的相关性分析
Table 3 Relationship between activities of starch biosynthetic enzymes in filling grains and starch content in mature seeds
淀粉合成关键酶 总淀粉含量 直链淀粉含量 支链淀粉含量
AGPase 0.85** 0.65 0.89**
GBSS 0.50 0.50 0.44
SSS 0.85** 0.58 0.92**
SBE −0.49 −0.10 −0.67*
*和**分别表示显著(P<0.05)和极显著相关(P<0.01), 酶活性数据源自籽粒灌浆期3次测定结果的平均值。下表同。
表4 淀粉合成关键酶基因相对表达量与籽粒淀粉含量的相关性分析
Table 4 Relationship between relative expression of genes encoding starch biosynthetic enzymes in filling grains and starch
content in mature seeds
淀粉合成关键酶基因 总淀粉含量 直链淀粉含量 支链淀粉含量
SSUI 0.66 0.35 0.79*
SSUII 0.61 0.28 0.74*
LSUI 0.84** 0.55 0.93**
LSUII 0.86** 0.56 0.95**
GBSSI 0.72* 0.70* 0.66
GBSSII 0.69* 0.69* 0.62
SSSI 0.86** 0.66 0.89**
SSSII 0.80* 0.53 0.88**
SSSШ 0.92** 0.66 0.99**
SBEI −0.84** −0.63 −0.88**
SBEIIa 0.64 0.43 0.70*
SBEIIb 0.60 0.49 0.61
植物生理学报956
含量显著相关(数据未给出)。
由表4可以看出, AGPase大亚基LSUI和LSUII
在整个灌浆期的相对表达量与支链淀粉和总淀粉
含量呈极显著相关, 而SSUI和SSUII相对表达量仅
与支链淀粉含量显著相关。GBSSI和GBSSII的平
均表达水平与直链淀粉和总淀粉含量显著相关。
籽粒灌浆过程中3种SSS基因相对表达量与支链淀
粉和总淀粉含量显著或极显著相关。3种SBE基因
中, SBEI相对表达量与支链淀粉和总淀粉含量均
极显著负相关, SBEIIa与支链淀粉含量显著正相
关, 而SBEIIb与淀粉含量相关不显著。
讨　　论
前人研究表明, 小麦品种的遗传改良对籽粒
产量提高起着重要的作用(田中伟等2012; 庄巧生
2003), 但近年来品种的遗传改良进度明显减缓(彭
芹等2012; Fischer和Edmeade 2010; Graybosch和
Peterson 2010)。光合性能的改善是品种更替过程
中籽粒产量提高的重要基础(彭芹等2012; 田中伟
等2012), 但Borras等(2004)和Zhang等(2010)证明灌
浆期籽粒库容对产量的限制性很大。小麦籽粒中
淀粉含量达70% (Tetlow 2011; Zeeman等2010), 因
此本研究从淀粉合成关键酶及基因表达方面探讨
了籽粒淀粉合成能力对小麦产量的影响。结果发
现, 山东省不同时期8个小麦主推品种成熟期籽粒
总淀粉和直、支链淀粉含量随着推广时间的推移
表现明显的上升趋势; AGPase和SSS活性及其编码
基因表达水平随着年代更替而升高, 与籽粒产量
的变化一致, 尤其是1999年之后推广的‘济麦22’和
‘济南17’的籽粒产量以及AGPase和SSS酶活性及
其基因表达水平要明显高于1999年之前推广的小
麦品种, 相关分析也表明二者与淀粉含量的关系
更密切。这说明, 淀粉合成在决定籽粒产量形成
方面具有重要作用, 而AGPase和SSS对淀粉合成数
量的影响明显超过GBSS和SBE, 这也是与其在淀
粉合成中的不同功能相一致的。
小麦籽粒淀粉合成过程中, AGPase、SSS、
GBSS和SBE是控制小麦籽粒淀粉合成代谢的几种
关键酶(Jeon等2010), 并且目前国内外在小麦、玉
米、水稻、马铃薯等植物中已发现了AGPase、
SSS、GBSS和SBE的多种同工酶或同工型(钟连进
等2012; Kawagoe等2005)。AGPase是谷类作物淀
粉积累的限制因子, 甘薯过表达AGPase基因后, 淀
粉含量增加了35%; 玉米、水稻和小麦过表达
AGPase基因后 , 粒重和单株产量也明显提高
(Smidansky等2002); 反义抑制AGPase活性后, 淀粉
含量显著下降(Müller-Röber等1992)。AGPase由两
种功能不同的亚基组成, LSU负责调节功能, 而
SSU主要负责催化功能, 这两种亚基与AGPase活
性密切相关, 两者共同调节AGPase活性大小。本
研究发现, AGPase活性及其基因的表达量与籽粒
产量的变化趋势一致。因此, 促进淀粉合成和提
高籽粒产量需要调节AGPase基因的表达, 提高其
酶活性。遗传研究表明, GBSS、SSS和SBE在决定
淀粉复合体结构方面具有重要作用(Geigenberger
2011; Stitt和Zeeman 2012; Tetlow 2011; Zeeman等
2010)。GBSS负责直链淀粉的合成, 其编码基因突
变或缺失 , 直链淀粉含量下降或形成糯性胚乳
(Stitt和Zeeman 2012; Tetlow 2011; Zeeman等
2010)。SSSI、SSSII和SSSIII分别延长短链、中链
和长链; 与SBEII相比, SBEI更倾向于转移长链
(Stitt和Zeeman 2012; Tetlow 2011; Zeeman等
2010)。SSS和SBE在不同器官中的表达水平不同,
因而形成不同的淀粉结构, 如马铃薯块根中SSSIII
活性占SSS总活性的80%, 大豆胚中SSSII占60%,
玉米胚乳中SSSI占60% (Tetlow 2011; Zeeman等
2010)。水稻缺失SSSIIa、SBEI和SBEIIb后胚乳淀
粉粒表型改变(Satoh等2003)。粳稻和籼稻淀粉理
化特性的差异也是由其不同的淀粉合成的基因
表达水平不同造成的(Jeon等2010)。明确不同
酶基因的表达水平及其功能, 就可以采取不同的
策略对小麦淀粉含量进行遗传改良, 从而优化淀
粉结构, 改善淀粉理化特性, 提高其营养和加工
品质。
从本研究结果看, 山东省不同时期育成小麦
品种籽粒灌浆过程中12种淀粉合成关键酶编码基
因的相对表达量表现出十分明显的差异, 而4种淀
粉合成关键酶活性差异明显变小, 尽管AGPase和
SSS活性差异显著, 但淀粉含量的差异较小。说明
籽粒淀粉的合成是一个非常复杂的过程, 从基因
的表达到蛋白的翻译再到最终产物的合成都可能
受到复杂精细的调控。如AGPase除受蔗糖、无机
郭骞欢等: 山东省不同时期主推小麦品种的籽粒淀粉合成比较 957
磷、硝酸盐等信号转录水平的调节外, 还受变构
调节、氧化还原等转录后修饰、蛋白磷酸化、形
成多酶复合体等多层次的调节(Geigenberger 2011),
因此转录水平的变化通常不能完全从相应酶蛋白
水平和活性的变化反映出来(Gibon等2004)。
Ohdan等(2005)也发现SBEII转录水平与酶活性并
不完全一致。因此, 在小麦育种中除注重调节淀
粉合成关键酶及基因的表达活性外, 还应对整个
过程开展系统调控, 进而提高淀粉合成能力, 最终
提高籽粒产量。
以上结果表明, 山东省不同时期8个小麦品种
籽粒总淀粉和直、支链淀粉含量随着育成推广时
间的推移表现明显的上升趋势。小麦品种更替过
程中, AGPase和SSS活性及其编码基因相对表达量
随着年代的更替而升高, GBSS和SBE活性及其编
码基因相对表达量随着年代更替变化规律不明
显。相关分析结果表明AGPase和SSS活性与成熟
期籽粒淀粉含量的相关性更密切, 说明AGPase和
SSS在淀粉合成过程的作用可能更重要。因此今
后我们可以通过调节酶活性及基因表达进行遗传
改良, 进而选育高产优质的小麦新品种。
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