小麦细胞壁结构对水分迁移的调控作用

李 佟 应瑞峰 吴彩娥 李婷婷 范龚建 黄梅桂

(南京林业大学南方现代林业协同创新中心1，南京 210037)

(南京林业大学轻工科学与食品学院2，南京 210037)

小麦是世界性的重要粮食作物，全球超过1/3的人口以小麦为主食。小麦细胞壁主要由阿拉伯木聚糖(AX)与β－(1－3)(1－4)葡聚糖(BG)组成，比例约为78/22［1］。研究发现糊粉层细胞壁为复合多层结构，即AX层与BG层交替重叠的多层层状结构［2－3］。但这种奇特的多层结构在小麦生长发育的过程中起什么样的作用却不得而知。在小麦和大麦籽粒发育和成熟阶段，特别是籽粒脱水阶段(含水量从40%降到约12% ～14%)，发现胚乳各部位含水量存在巨大的差异性:胚芽附近，胚乳四周含水量较高，而胚乳中心区域含水量较低［4］。其原因很可能是胚乳细胞壁层状结构调控了水分的分布与扩散速率［5－6］。在干旱与高温胁迫下，籽粒中BG和AX的含量都发生了显著改变［7］，特别是小麦籽粒AX含量和植物水分利用率都增加了，两者呈正相关，其原因很可能是AX调节了水分的分布与扩散速率，从而提高了水分的利用率［8－9］。研究中发现不同产地不同生长环境下的小麦中AX和BG的含量都有较大的差异，且相应的AX和BG的含量越高，小麦中蛋白质的含量就越高［10］。其原因可能是糊粉层细胞壁越厚，AX和BG的含量越高，调控水分迁移和扩散，从而影响小麦的品质。目前小麦糊粉层细胞壁多层结构对水分分布及扩散的影响研究的较少，因此实验以小麦籽粒为研究对象，测定其水分扩散速率。通过低场核磁共振法测定样品的横向弛豫时间T2比较水分子的移动性，研究细胞壁结构调控水分迁移和扩散。

1 材料与方法

1.1 实验材料与设备

小麦:周麦22产自河南周口;小麦:中麦895产自江苏徐州;小麦:百农矮抗58产自江苏淮安;小麦:三抗1产自山东济南;大麦产自山东临沂;青稞产自西藏。

SZF－06B脂肪测定仪:上海新嘉电子有限公司;SX－4－10箱式电阻炉:江苏通州市沪通实验仪器厂;K－355半自动凯氏定氮仪:上海万捷可以有限公司;Quanta 200环境扫描电子显微镜:美国FEI公司;VTMR20－010－T低场核磁共振分析仪:上海纽迈电子科技有限公司。

1.2 实验方法

1.2.1 基本理化性质测定

千粒重采用GB/T 5519—2008;将小麦磨粉后进行下面实验，粗蛋白含量测定采用 GB/T 31518—2015;灰分含量测定采用GB 5009.4—2010;脂肪含量测定采用GB 5009.6—2016;淀粉含量测定采用GB/T 5009.9—2008。

1.2.2 籽粒的微观结构观察

通过环境扫描电子显微镜观察小麦横截面的糊粉层及细胞壁结构。样品经干燥除气和镀膜喷金后，放入环境扫描电镜观察台，抽气，然后真空环境下观察样品［11］。

1.2.3 籽粒的水分迁移速率测定

配制 NaBr、NaCl、BaCl23 种饱和盐溶液，20 ℃ 密闭环境下达到平衡时，相对湿度分别为59%、75%、91%。

吸水速率的测定:准确称取大小基本相同的2种小麦、大麦和青稞各10颗，重复3次。将每组样品放置于干燥器中干燥平衡，达到平衡后分别放入相对湿度为59%、75%、91%的真空干燥器中，每隔1 h称量一次，根据公式(1)计算吸水速率。

式中:V1为吸水速率;Mi为第i次吸水后的质量;M0为干燥环境中达到平衡时的质量;T为时间。

干燥速率的测定:将平衡后的样品，分别放入3个相对湿度为0%的干燥器中，进行干燥，每隔1 h称量一次，并根据公式(2)计算水分干燥速率。

式中:V2为水分干燥速率;mi为干燥i小时的质量;M0为干燥环境中达到平衡时的质量;T为时间。

含水量的测定:准确称量大小基本相同的4种干燥样品，分别放在3个相对湿度条件下1、2、3、4、5、6 h，然后放入烘干至恒重的称量皿中，放入真空干燥箱中，设置温度70 ℃、真空度 93.3 ～98.6 kPa，干燥10 h，待称量皿冷却后称量质量［12］。根据公式(3)计算含水量。

式中:H为含水量;Mi为第i次吸水后的质量;m0为自干燥箱取出时称量皿和小麦的总质量。

1.2.4 籽粒水分移动性研究

CPMG(Carr－Purcell－Meiboom －Gill)脉冲序列被用于测定样品的自旋－自旋弛豫时间(T2)［13－14］。将小麦种子置于永磁场中心位置的射频线圈的中心进行CPMG脉冲序列实验。参数:采样点数TD=400 074，谱宽SW=200 kHz，回波个数Echo Count=4 000，重复描次数NS=4，采样重复时间TW=2 000 ms，回波时间TE=0.5 ms。利用T2FitFrm软件调用CPMG序列拟合T［15－16］。

2 结果与分析

2.1 小麦的基本理化性质

样品理化性质数据如表1所示，从表中数据可以发现，这6种样品的理化性质存在明显的差异，其差异可能与生长的环境及品种有关。

表1 4种小麦、青稞和大麦的基本成分

2.2 小麦、大麦和青稞籽粒的糊粉层结构

如图1可见小麦籽粒糊粉层为单层细胞结构，大麦籽粒糊粉层为双层细胞结构，青稞籽粒糊粉层为三层细胞结构。表1可见，4个小麦品种的糊粉层及细胞壁与青稞和大麦都存在显著差异。其中小麦品种中Z22的糊粉层及细胞壁最厚，Z895的糊粉层及细胞壁最薄。Z22糊粉层的厚度是是Z895糊粉层的1.22倍，Z22糊粉层细胞壁的厚度是Z895糊粉层细胞壁的1.11倍。选取Z22和Z895与QK和DM进行下面的水分迁移速率的比较。

图1 籽粒糊粉层电镜图(800×)

表2 不同品种小麦麸皮和糊粉层及细胞壁的厚度/μm

2.3 2种小麦和大麦、青稞籽粒的水分迁移速率及含水量

如图2～图4所示在59%、75%、91%的相对湿度环境下，糊粉层细胞壁厚度分别为4.93、5.21μm的Z895和Z22的吸水速率明显高于糊粉层细胞壁分别为7.04、7.33 μm 的 DM 和 QK，Z895 吸水速率最大，大麦最小。从渐近线及公式中，发现吸水速率与糊粉层细胞壁的厚度大小呈负相关，且 R2＞0.900，相关性较强，所以籽粒吸水速率随着糊粉层的细胞壁壁厚的增加而减慢。

如图5～图7所示，在59%、75%、91%的相对湿度环境下，糊粉层细胞壁厚度为4.93μm的Z895，干燥速率最快，糊粉层细胞壁厚度为5.21μm的Z22次之，糊粉层细胞壁为7.33μm的DM最慢。从图中的渐近线及公式中，发现干燥速率与糊粉层细胞壁的厚度大小呈负相关，且R2＞0.900，相关性较强，所以籽粒水分向外扩散的速率随着糊粉层的细胞壁壁厚的增加而减慢。

图2 不同糊粉层厚度样品的吸水速率(相对湿度RH=59%)

图3 不同糊粉层厚度样品的吸水速率(相对湿度RH=75%)

图4 不同糊粉层厚度样品的吸水速率(相对湿度RH=91%)

图5 不同糊粉层厚度样品的干燥速率(在59%相对湿度下平衡的样品)

图6 不同糊粉层厚度样品的干燥速率(在75%相对湿度下平衡的样品)

图7 不同糊粉层厚度样品的干燥速率(在91%相对湿度下平衡的样品)

如图8～图10中可见在干燥状态下，DM的含水量最高，QK次之，Z895含量最低，但在吸水后Z895和Z22的含水量逐渐高于QK和DM。

通过实验结果发现:不同样品在相同条件下，吸水速率、干燥速率和含水量都有一定差异，糊粉层细胞壁越厚水分吸收干燥速率就越慢，含水量越少，且水分迁移都要穿过糊粉层细胞壁，所以可以猜测糊粉层细胞壁对小麦籽粒体内水分微环境具有一定的调节作用，糊粉层细胞壁可以控制体内水分向外的扩散。

图8 样品的含水量(相对湿度RH=59%)

图9 样品的含水量(相对湿度RH=75%)

图10 样品的含水量(相对湿度RH=91%)

2.4 籽粒水分的移动性

在核磁共振反演拟合软件迭代次数为10 000次的参数设置下，每个T2反演曲线上均有2个波峰(见图11)，根据弛豫时间T2的差异将水分划分为2个存在状态。各个峰的结束时间T2i表示第i种成分的横向弛豫时间，各峰的峰面积A2i表示第i种成分的信号强度，对应各组分的的含量［17］。

如图11所示，每个反演图谱都有两个峰，根据水分的相态特征［18－19］，较短弛豫时间T21为自由度较低的水组分;较长弛豫时间T22为自由水度较高的水组分。根据核磁反演数据比较各样品的峰面积如图12～图15所示，发现随着吸收水分时间的延长，组分的峰面积会增大，且在相同吸水时间下，细胞壁较厚的大麦和青稞两个组分的总峰面积都小于细胞壁较薄的中麦和周麦;但细胞壁较厚的大麦和青稞中自由度较高水组分的峰面积大于中麦和周麦中自由度较高水组分的峰面积;比如在RH=91%条件下吸水4 h，中麦、周麦、青稞和大麦的含水量分别为:5.13%、5.02%、4.81% 和 4.63%，自由度较高水组分峰面积对应分别为:128.809、135.185、158.713 和162.560，大麦和青稞籽粒在较低含水量的情况下还具有较高的水分子移动性;所以细胞壁较厚籽粒内部水分子的移动性更好。可能原因是大麦和青稞细胞壁结构中多糖组分改变了体内水分的分布状态。

图11 迭代次数10 000次T2反演图谱(干燥样品)

图12 籽粒吸水后T21组分的峰面积(相对湿度RH=75%)

图13 籽粒吸水后T22组分的峰面积(相对湿度RH=75%)

图14 籽粒吸水后T2 1组分的峰面积(相对湿度RH=91%)

图15 籽粒吸水后T22组分的峰面积(相对湿度RH=91%)

3 结论

相同条件下，糊粉层细胞壁越厚，籽粒的吸水、干燥速率越慢;干燥状态下，细胞壁越厚籽粒体内含水量越多;相同吸水条件下，细胞壁越厚籽粒吸水量越少，且体内水分子移动性越好。即相同条件下，细胞壁越厚，籽粒内水分自由度越高，水分活度越高。由于小麦灌浆期间淀粉和蛋白质的合成不仅受到土壤水分、光照时间和温度等因素影响，还受到相关蛋白淀粉合成酶的影响，而相关合成酶的酶活性除了受基因编码的调控还受到体内水分活度的影响。所以在适当范围内体内水分活度越高，酶活性越高，蛋白淀粉合成量越多，小麦品质越好、产量越高。

本实验初步研究了糊粉层及细胞壁厚度对籽粒内部水分向外扩散的影响，并以此为基础探讨糊粉层及细胞壁对体内水分微环境的调控作用，为深入研究糊粉层及细胞壁结构对小麦产量和品质的影响提供参考。

Wheat Cell Wall Structure's Adjustment and Control Function of Water Migration

Li Tong1，2Ying Ruifeng1，2Wu Caie1，2Li Tingting1，2Fan Gongjian1，2Huang Meigui2

(Co － Innovation Centre for the Sustainable Forestry in Southern China，Nanjing Forestry University1，Nanjing 210037)
(College of Light Industry Science and Food，Nanjing Forestry University2，Nanjing 210037)

AbstractTo prove the adjustment and control effects of the wheat aleurone layer cell wall，composed multilayer structure，composed by araboxylan and beta－(1－3)(1－4)glucan，this paper studied the adjustment and control effects of the cell wall structure of the wheat aleurone layer，such as water absorption rate，drying rate and the mobility of water molecules.The results showed that:by environmental scanning electron microscopy(SEM)to screen Zhoumai22 with the thickest aleurone layer thickness and Zhongmai895 with the thinnest aleurone layer，take the barley and highland barley for contrast，therein the thickness of barley cell wall was1.49 times as thickness of the zhongmai cell wall.By comparing the relationship among water absorption rate，drying rate and the aleurone layer thickness of Zhoumai22，Zhongmai895，barley and highland barley，found that there's a negative correlation among the aleurone layer cell wall，water absorption and drying rate.The low field nuclear magnetic resonance showed that under the same water absorption conditions，aleurone cell wall was thicker，the water content was lower but the mobility of water molecules in vivo was better;in dry conditions，the aleurone layer cell wall was thicker，the content of water was higher and the mobility of water molecules in vivo was better.Therefore，wheat aleurone cell wall structure has a significant role in the adjustment and control of water migration.

Key wordswheat，cell wall，aleurone layer，araboxylan，beta－(1 －3)(1 －4)glucan