小麦灌浆期蛋白质组成与淀粉结构分化及其与成熟籽粒品质的关联

《Foods》：Protein Composition and Starch Structural Differentiation During Wheat Grain Filling Are Associated with Mature Grain Quality

　　

小麦籽粒品质是通过灌浆期贮藏物质的积累和结构组织逐步建立的，然而发育性状与成熟籽粒品质之间的关系仍未完全阐明。本研究旨在表征灌浆期籽粒发育性状的变化，并阐明其与成熟籽粒品质的关系，特别关注与小麦籽粒作为食品生产原料相关的品质属性。本研究选用四个成熟籽粒品质存在差异的小麦品种，在两个收获年份评估成熟籽粒品质，并在2024–2025生长季检测灌浆动态。研究人员在花后10、16、23和29天（DAA）表征籽粒生长过程，同时在籽粒发育期和成熟期检测蛋白质和淀粉积累及蛋白质组分。进一步在23和29 DAA及成熟期评估淀粉粒粒度分布、相对结晶度和热特性，同时测定成熟面粉的糊化特性，并分析发育性状与成熟品质性状之间的相关性。所有品种在籽粒增重、脱水和蛋白质及淀粉逐步积累方面表现出相似的基本模式，而蛋白质组分、直链淀粉含量、淀粉粒特性和淀粉结构方面的品种特异性差异在发育过程中日益明显。尽管部分品种间总淀粉含量差异在成熟期缩小，但直链淀粉含量、淀粉粒大小、B型淀粉粒比例、相对结晶度和热特性仍保持差异，并与谷蛋白相关特性和糊化特性变异相关联。在所检测的生长季内，23和29 DAA的发育性状均与成熟籽粒品质相关，其中29 DAA检测到的显著关联多于23 DAA。这些季节特异性关联表明，灌浆中后期蛋白质组成和淀粉结构的变化可能与成熟籽粒品质相关。这些结果有助于阐明灌浆特征与最终小麦籽粒品质之间的关联。

小麦籽粒品质的发育形成机制及其与成熟品质的关联——基于灌浆期蛋白质组成与淀粉结构分化的研究解读

小麦籽粒品质是复杂的综合性状，受籽粒质地、蛋白质含量与组成、淀粉组成与结构特征以及由此产生的加工特性共同影响。籽粒硬度不仅影响制粉行为，还影响胚乳中淀粉粒与蛋白质基质之间的界面特性；PINA和PINB等籽粒硬度相关蛋白通过调节淀粉–蛋白质界面相互作用影响籽粒质地。谷蛋白和麦谷蛋白的含量、比例及聚合特性影响面筋网络形成，而直链淀粉含量、淀粉粒粒度分布和结构组织进一步影响糊化和加工特性。因此，成熟籽粒品质并非由单一蛋白质或淀粉性状决定，而是蛋白质组成、淀粉组成与结构以及胚乳组织共同作用的整合表现型。这些成熟品质特性在花后籽粒发育过程中逐步建立，碳和氮同化物不断输入并转化为淀粉和贮藏蛋白，其沉积和组织呈现明显的时空动态。现有研究虽已对贮藏蛋白沉积、淀粉生物合成、淀粉粒起始和淀粉结构发育提供了重要认识，但将各性状层面整合以比较不同成熟品质小麦品种灌浆期差异的研究仍较少。尤其不清楚蛋白质组成和淀粉结构特征的品种间差异在哪些发育阶段变得更为明显，以及这些发育差异如何与成熟籽粒品质相关联。为此，研究人员选择四个成熟籽粒品质差异显著的小麦品种——QM725、FM8、WL169和XN9198，在两个收获年份评估成熟品质，并在2024–2025生长季系统分析灌浆期籽粒生长、蛋白质与淀粉积累、蛋白质组分、淀粉粒及理化特性动态，进而解析灌浆中后期性状与成熟品质的关联。

研究人员于西北农林科技大学实验田（陕西杨凌，34°18′ N，108°1′ E，海拔约527 m）种植四个小麦品种，包括两个软质小麦（全麦725，QM725；泛麦8，FM8）和两个硬质小麦（伟隆169，WL169；西农9198，XN9198）。成熟籽粒品质在两个收获年份（2024和2025）进行评估，灌浆动态仅在2024–2025生长季检测。花后10、16、23、29天（DAA）取样，每个品种每个时期设三个生物学重复。籽粒形态和含水量即时测定，蛋白质组分和淀粉分析按相应流程处理。成熟品质指标依据AACC方法测定籽粒硬度指数（HI）、蛋白质含量、湿面筋含量、容重、总淀粉和直链淀粉含量，并使用微量面团仪测定面团形成时间（DT）和稳定时间（ST）。蛋白质组分采用Osborne溶解度分类顺序提取白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，并用BCA法测定含量。淀粉经手工面团洗涤和碱提纯化后用激光衍射粒度分析仪测定淀粉粒粒度分布，包括D50、D[4,3]、D[3,2]和B型淀粉粒数目比例（BNP）。采用X射线衍射仪测定淀粉相对结晶度（RC），使用差示扫描量热仪（DSC）测定热特性参数（To、Tp、Tc、ΔH）。使用快速黏度分析仪（RVA）测定成熟面粉的糊化参数。统计分析采用双因素方差分析和Pearson相关分析，相关性以品种均值为独立观测值（n=4）。

主要研究结果如下。成熟籽粒品质特征：两个收获年份中，WL169和XN9198的硬度指数和湿面筋含量显著高于QM725和FM8；XN9198的蛋白质含量在2024年显著高于其他品种，2025年与WL169无显著差异但显著高于QM725和FM8；XN9198的总淀粉含量在两个年份均显著低于其他三个品种。面团稳定时间在两个年份均表现为XN9198 > WL169 > FM8 > QM725。双因素方差分析显示品种效应对所有成熟品质性状影响极显著，收获年份显著影响硬度指数和面团稳定时间，且多数性状存在品种×年份互作。籽粒生长和形态发育：四个品种的百粒鲜重和干重随灌浆推进逐渐增加，含水量逐渐下降。WL169在10–23 DAA保持较高鲜重和最高的百粒干重，XN9198后期增重明显并在29 DAA鲜重最高。籽粒长度主要在10–16 DAA快速增加，宽度和厚度在灌浆中后期继续变化。品种、发育阶段及其互作对百粒鲜重、干重和含水量影响极显著。蛋白质和淀粉积累：蛋白质含量总体增加，但品种排序随时期变化，29 DAA时XN9198最高，成熟期WL169和XN9198显著高于QM725。总淀粉含量在10–23 DAA增幅最大，后期趋缓，品种间差异在成熟期缩小，XN9198始终最低。直链淀粉含量从10 DAA至成熟持续增加，WL169始终最高，XN9198次之，QM725和FM8较低。蛋白质组分动态：白蛋白和球蛋白含量总体增加，但品种主效应不显著，存在显著品种×阶段互作。醇溶蛋白含量在灌浆期增加，WL169和XN9198在多个时期显著高于QM725和FM8。谷蛋白含量总体变化较小，品种效应和互作显著。淀粉粒特性：从23 DAA至成熟期，D50、D[4,3]、D[3,2]和BNP均表现明显品种差异。QM725的淀粉粒参数在成熟期显著高于WL169和XN9198，FM8居中。XN9198的BNP在23 DAA最高，29 DAA时XN9198和WL169分别约93%和82%，显著高于FM8和QM725（QM725约13%），成熟期维持XN9198 > WL169 > FM8 > QM725。淀粉结晶结构和热特性：所有淀粉样品在约15°、17°、18°和23°出现衍射峰。RC在23 DAA以QM725和XN9198较高、FM8最低；29 DAA QM725最高；成熟期XN9198最高、QM725最低。DSC结果显示To和Tp随发育变化，品种间在成熟期Tp仍存在显著差异（WL169最高，XN9198最低），Tc相对稳定，ΔH在XN9198于23和29 DAA最高、QM725于成熟期最低。成熟面粉糊化特性：FM8和QM725的峰值黏度（PV）显著高于WL169和XN9198，XN9198最低；FM8的谷值黏度（TV）和最终黏度（FV）最高，WL169最低；崩解值（BD）排序为QM725 > FM8 > WL169 > XN9198；回生值（SB）以FM8和XN9198较高；糊化温度（PT）范围较窄但品种间差异显著。发育性状与成熟品质的关联：23 DAA时，直链淀粉含量与成熟湿面筋含量和直链淀粉含量正相关，总淀粉含量与成熟直链淀粉含量负相关，百粒干重与成熟直链淀粉含量和硬度指数正相关。29 DAA时，BNP与成熟蛋白质含量、硬度指数、面团稳定时间和形成时间正相关；RC与蛋白质含量和稳定时间负相关；29 DAA蛋白质含量和醇溶蛋白含量与多种成熟蛋白质、面筋和面团性状相关；蛋白质含量与崩解值负相关，D50与崩解值正相关。未检测到与峰值黏度或回生值的显著关联。

讨论部分指出，四个品种在成熟品质上呈现不同组合，说明籽粒质地、蛋白质与面筋特征、淀粉糊化行为之间的品种差异并不总是一致，体现了小麦品质的多维性。所有品种的总体灌浆模式相似，但贮藏物质积累和组成轨迹不同，品种×发育阶段互作显著表明品种差异随灌浆进程而变化。蛋白质组分方面，醇溶蛋白品种差异在灌浆中后期更明显，谷蛋白无显著阶段主效应但有品种和互作效应。面团稳定时间较长的品种并未在整个发育期都表现出最高谷蛋白含量，说明成熟面筋品质不只取决于谷蛋白总量，还与醇溶蛋白/谷蛋白比例、HMW-GS和LMW-GS组成、谷蛋白聚合程度及分子间相互作用有关。淀粉方面，尽管部分品种总淀粉含量在成熟期趋同，但直链淀粉含量、淀粉粒分布、B型粒比例、结晶度和热特性持续存在差异。QM725表现为较大淀粉粒和较低B型粒比例，而XN9198相反，这种软硬麦间的差异与淀粉–蛋白质基质相互作用及胚乳组织有关。RVA参数并未与单一淀粉结构性状一致对应，表明成熟糊化特性受淀粉组成、粒级分配、结构组织及周围蛋白质基质的共同影响。在灌浆中后期，29 DAA的发育性状与成熟品质的关联多于23 DAA，说明灌浆后期可能是品质分化的关键窗口。但灌浆动态仅评估了一个生长季，结果需在不同环境中进一步验证。

研究结论为：四个小麦品种在灌浆期共享大体相似的发育模式，即籽粒增重、脱水和贮藏物质逐步积累，但蛋白质组成和淀粉结构变化的幅度和时点存在品种差异。蛋白质组分、直链淀粉含量、淀粉粒粒度分布、B型粒比例、相对结晶度和热特性的品种差异在灌浆中后期变得更加明显。尽管部分品种间总淀粉含量差异在成熟期缩小，但组成和结构差异持续存在，并与成熟面筋相关特性和糊化特性相关联。23和29 DAA的发育性状均与成熟品质相关，其中29 DAA的显著关联更多。这些季节特异性关系表明，成熟籽粒品质不仅与最终贮藏物质含量有关，还可能受到灌浆期蛋白质组成和淀粉结构发育动态的影响。该研究为理解小麦品质分化提供了发育视角，并为评估与成熟品质相关的灌浆后期性状奠定了基础。