小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的研究进展

植物蔗糖合成酶(SS)和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)在植物淀粉生物合成过程中起着重要的作用,淀粉是小麦等禾谷类作物子粒胚乳的重要组成成分,与作物的产量和品质密切相关。综述了小麦蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的细胞定位生物学功能、分子生物学分析及酶活性的调控,并进一步对两种酶的研究作出设想。     

小麦籽粒淀粉分支酶同工酶基因型与酶活性关系研究

测定了71个小麦品种的籽粒淀粉分支酶活性,并采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（Native-PAGE）,鉴定了分支酶同工酶的基因型,以明确小麦籽粒淀粉分支酶（SBE）各同工型等位基因的分布特点和基因型组成,阐明分支酶活性与分支酶同工酶基因型的相关性。结果表明,分支酶有SBEⅠ和SBEⅡ两个基因位点,SBEⅡ位点未显现多态性,SBEⅠ位点存在多样性。在SBEⅠ位点鉴定出A、B、D_ⅰ和D_ⅱ共4个等位基因位点,各等位基因位点出现频率分别为9.9%、76.1%、95.8%和57.8%;共检测到9种基因型,其中基因型D_ⅰD_ⅱB、D_ⅰB和D_ⅰD_ⅱ有较高的分布频率,分别为45.1%、28.2%和8.5%。从单一位点分析,分支酶活性与SBEⅠ位点有显著的相关性,与SBEⅡ位点相关性不显著。由此可见,小麦籽粒胚乳淀粉分支酶同工酶不同基因位点和基因型对酶活性具有不同的遗传效应。     

腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性对小麦K、V、T型不育系育性及籽粒形成的影响

为进一步探寻小麦不育系的不育机制和籽粒不饱满的生理机制,以冀5418核基因为遗传背景,对同核异质K、V、T型不育系叶片、幼穗和籽粒中的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)活性和淀粉积累量进行了动态观测,并与各自的保持系进行了比较。在雌雄蕊原基分化期, 不育系幼穗中AGPase活性较保持系高9.33~27.94 μmol g^-1 FW h⁻¹, 差异达极显著水平(F=133.81, P<0.0001); 而在四分体期, 不育系幼穗中该酶活性极显著低于保持系(F=13.97~75.20, P<0.0001),差异为4.27~7.44 μmol g^-1 FW h⁻¹。雌雄蕊原基分化期至四分体时期,不育系叶片中AGPase活性较保持系高7.39~80.77 μmol g^-1 FW h⁻¹,差异极显著(F=135.76~5454.28,P<0.0001)。不育系强、弱势粒中总淀粉、直链淀粉和支链淀粉积累量、AGPase平均活性、淀粉含量及直/支比均极显著低于保持系,且这些指标均表现为强势粒显著高于弱势粒。Logistic方程显示,不育系籽粒淀粉积累量的减少主要由淀粉积累速率降低引起;籽粒AGPase活性与淀粉积累速率显著或极显著正相关(r=0.4460~0.7150, P=0.0004~0.0487);灌浆期, 叶片中AGPase活性与光合速率呈负相关(r=−0.28634, P=0.2823)。因此,雄性不育的可能原因是雌雄蕊原基分化期幼穗和叶片中AGPase活性高,幼穗发育所需能量供应不足;而四分体期幼穗AGPase活性低,影响花粉中淀粉积累。不育系对籽粒AGPase活性具有明显的不良胞质效应,降低ADPG供应水平,影响淀粉的积累,以及旗叶AGPase活性对净光合速率的不良影响,是籽粒不饱满的重要原因之一。     

植物UDP-葡萄糖焦磷酸化酶家族基因鉴定及序列进化分析

UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UDP glucose pyrophosphorylase, UGP)是糖代谢合成途径中的一个关键酶。UGP以葡萄糖-1-磷酸和尿苷三磷酸为底物,催化反应生成尿苷二磷酸葡萄糖和焦磷酸,直接参与了植物糖代谢的生物合成。为了系统梳理UGP在植物基因组中的状况,我们对其基因进行了全面的鉴定和进化分析,并重点考察该基因在番茄中的表达。首先,我们针对UGP的基因序列,鉴定得到其保守结构域,在此基础上对相关基因进行了全面鉴定,从而构建了其进化树;其次,将番茄CDS序列比对到各探针,从而从数据库中提取组织中的表达数据;最后,通过结构域鉴定,进化树和表达量的分析,得出UGP在植物中的生物合成的机理。本研究为UDP-葡萄糖焦磷酸化酶提供了基因信息,为植物中糖代谢生物合成途径的作用机理及其对蔗糖合成的影响相关基因进化机制的研究提供帮助。     

灌水量对小麦籽粒淀粉含量和相关酶活性及水分利用效率的影响

在2004-2005年和2005-2006年小麦生长季,设置不同的灌水时期和灌水量处理,研究了小麦籽粒产量、籽粒淀粉含量、淀粉合成相关酶活性和水分利用效率。结果表明,全生育期不灌水条件下,籽粒中的可溶性淀粉合酶（SSS）和淀粉粒结合态淀粉合酶（GBSS）活性在灌浆初期显著升高,在灌浆中后期显著降低,同时灌浆后期支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量亦显著降低。拔节期和开花期每次灌水60mm有利于小麦在灌浆中后期保持较高的SSS和GBSS活性,提高灌浆后期籽粒中的支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量;灌水量进一步增加时,灌浆中后期的SSS活性显著降低,GBSS活性升高,灌浆后期的支链淀粉含量降低,直链淀粉含量升高。在两个生长季中拔节期和开花期每次灌水60mm处理的土壤贮水消耗量较高,水分利用效率最高和籽粒产量较高。在此基础上增加灌水量时,开花至成熟阶段0～60cm土层的土壤含水量显著升高,土壤贮水消耗量降低,籽粒产量无显著变化,水分利用效率和灌溉水利用效率降低。     

氮素对玉米淀粉累积及相关酶活性的影响

氮素在提高玉米籽粒产量和改善品质方面起着重要的调节作用,淀粉是玉米籽粒的主要成分,其数量多寡直接影响玉米的产量.正在发育的玉米籽粒中,合成淀粉的原料来自叶片中合成的或淀粉降解产生的蔗糖,通过韧皮部长距离运输至籽粒[1].     

小麦灌浆期子粒淀粉合成关键酶活性对不同水氮条件的响应

在盆栽条件下,以旱地小麦品种长旱58为材料,研究了3种不同施氮条件下,灌桨期两种供水处理的小麦子拉中蔗糖代谢、淀粉积累及相关酶活性的变化特征。发现干旱处理有利于小麦灌装前中期淀粉积累,干旱能提高子粒中蔗糖合成酶(SS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)以及腺普二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AG-Pase)的活性,干旱处理会降低灌浆后期子粒中淀粉合成相关酶活性及淀粉积累。结果表明在中氮水平下,干旱处理提高了小麦灌装前期子粒中淀粉合成相关酶的生理活性、进而促进了小麦子粒中淀粉的合成与积累。     

小麦籽粒淀粉分支酶同工酶结构组成及时空表达

本研究的目的是阐明小麦支链淀粉合成的酶学机制。以8个小麦品种的籽粒为材料, 采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(Native-PAGE)和SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)鉴定SBE同工酶类型、时空表达谱及亚基组成, 分析SBE同工酶空间分布特点和器官表达特异性。共检测到4种SBE同工酶, 其中B和SBEIIa分布在胚乳和叶片中, 而A和D_i专一定位于胚乳中。在小麦籽粒灌浆过程中, D_i和SBEIIa首先表达, 而后是B, A最后表达;至灌浆末期, B和SBEIIa停止表达。SBE同工酶都是单亚基酶, 均由一条86~92 kD的多肽链组成。SBE同工酶的空间分布具有器官特异性, 并在籽粒发育进程中顺序表达。D_i、B和SBEIIa是占主导地位的SBE同工酶, 可能是决定SBE总酶活性的主效应酶, 在籽粒和叶片支链淀粉合成中起关键作用。     

黄淮冬麦区小麦品种植酸含量与植酸酶活性聚类分析

植酸含量与植酸酶活性是影响铁、锌等微量元素生物有效性的关键因子。2009—2010和2010—2011年度,在河南安阳种植212个黄淮麦区代表性小麦品种和高代品系,分析其籽粒植酸含量和植酸酶活性。结果表明,这2个指标变异范围较大,植酸含量为2.18~13.37 g kg–1,平均5.72 g kg–1;植酸酶活性为10~1759 U kg–1,平均657 U kg–1。品种及品种与年度互作效应显著影响植酸含量和植酸酶活性,以品种效应较大。根据植酸含量与植酸酶活性将参试品种分别聚为5类,类间植酸含量和植酸酶活性差异显著。石麦12、衡4568、洛麦21和济麦096141的植酸含量较低,且植酸酶活性较高,可作为进一步改良植酸含量和植酸酶活性的亲本。     

小麦籽粒总淀粉及支链淀粉含量的遗传分析

选用淀粉含量较低的重庆面包麦(P1)与淀粉含量较高的小麦品种宁麦9号(P2)配制了P1、P2、F1、F2、B1(F1/P1)和B2(F1/P2)6个世代,测定了每个世代单株籽粒混合样品中总淀粉及支链淀粉含量,并进行了遗传分析,结果表明:在F2分离世代中,淀粉含量呈现3峰分布,支链淀粉含量呈现双峰分布;小麦籽粒淀粉含量受二对主基因和多基因控制,支     

小麦花后弱光对籽粒淀粉积累和相关酶活性的影响

2005—2007年选用小麦品种济麦20和山农1391, 在大田试验条件下研究了花后不同阶段弱光对籽粒淀粉积累、淀粉粒分布及相关酶活性的影响。结果表明, 花后不同阶段弱光显著降低成熟期籽粒淀粉积累量, 但提高了籽粒直链淀粉含量。花后不同阶段弱光使籽粒A型淀粉粒比例显著增加, B型淀粉粒比例显著降低。不同阶段弱光处理对籽粒淀粉积累的影响程度不同, 灌浆中期的效应大于灌浆前期。Logistic方程拟合籽粒淀粉积累进程发现, 花后弱光对籽粒淀粉积累量的影响, 主要是通过影响其平均积累速率与活跃期积累速率, 而不是积累持续期。花后弱光显著降低小麦磷酸蔗糖合酶(SPS)、蔗糖合酶(SS)和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)的活性。灌浆前期弱光使束缚态淀粉合酶(GBSS)、可溶性淀粉合酶(SSS)活性高于对照或与对照无显著差异, 而灌浆中期弱光使这两种酶的活性均显著低于对照。灌浆前期弱光减少了淀粉合成底物的供应, 系旗叶SPS活性、籽粒SS及AGPase活性下降所致; 而灌浆中期弱光除淀粉合成底物减少外, 籽粒淀粉合酶活性亦降低。     

强、弱筋小麦籽粒形成期蔗糖、淀粉合成相关酶活性及其与氮代谢的关系

2005—2006年生长季, 以小麦强筋品种藁城8901和弱筋品种豫麦50为材料, 研究了灌浆期籽粒和旗叶氮代谢底物含量与相关酶活性变化、蔗糖淀粉合成相关酶活性及籽粒淀粉积累特征, 分析了氮代谢与籽粒淀粉积累的关系。结果表明, 旗叶蔗糖合酶(SS)和磷酸蔗糖合酶(SPS)、籽粒腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、可溶性淀粉合酶(SSS)、束缚态淀粉合酶(GBSS)和淀粉分支酶(SBE)活性均呈单峰曲线变化。两品种比较, 除AGPP活性峰值豫麦50低于藁城8901外, 其他酶活性峰值均是豫麦50高于藁城8901。相关分析表明, 藁城8901支链淀粉积累速率与SS、SPS、AGPP和SBE活性呈极显著正相关, 相关系数分别为0.9377**、0.8857**、0.6489**和0.5980**; 直链淀粉积累速率与SS、SPS活性呈极显著正相关, 相关系数分别为0.7616**和0.7750**。豫麦50支链淀粉积累速率与SS、SPS、AGPP、GBSS和SBE活性呈极显著或显著正相关, 相关系数分别为0.8182**、0.6762**、0.7028**、0.8749**和0.5433*; 直链淀粉积累速率与SS、SPS和SBE活性呈极显著正相关, 相关系数分别为0.8528**、0.8428**和0.8603**。两品种硝酸还原酶(NR)、谷氨酰胺合成酶(GS)活性在开花后逐渐降低, 且藁城8901的NR活性一直高于豫麦50。硝态氮和氨态氮含量与NR、GS活性呈极显著正相关; 藁城8901的NR、GS活性与SS、SPS活性呈显著负相关, 而豫麦50只有GS与SPS达显著负相关(r = -0.5212*)。上述结果表明, 不同品质类型小麦籽粒淀粉合成积累受氮代谢相关酶活性的影响, 藁城8901较高的NR活性抑制与蔗糖合成有关酶SS、SPS的活性, 导致淀粉合成积累速率降低。由此可见, SPS/NR比值对淀粉合成具有重要调节作用。     

灌浆期高温对小麦籽粒淀粉的积累、粒度分布及相关酶活性的影响

以不同耐热性品种济麦20和鲁麦21为材料, 于花后5~9 d进行高温处理, 研究了小麦灌浆期高温对籽粒淀粉的积累、粒度分布及合成相关酶活性的影响。结果表明, 灌浆期高温显著降低籽粒淀粉积累量, 显著降低籽粒淀粉、支链淀粉含量, 提高直链淀粉含量和直/支链淀粉比例。高温对济麦20籽粒淀粉积累的影响程度较鲁麦21大。灌浆期高温使小麦籽粒A型淀粉粒的体积、数量和表面积百分比显著增加, B型淀粉粒这3指标则显著降低。高温处理后, 济麦20籽粒蔗糖合酶(SS)、ADPG焦磷酸化酶(AGPP)、可溶性淀粉合酶(SSS)、束缚态淀粉合酶(GBSS)活性与对照无显著差异, 而鲁麦21上述酶活性则高于对照。济麦20、鲁麦21籽粒上述酶活性分别于花后15 d和20 d开始低于对照。与其他淀粉合成相关酶相比, 高温对籽粒GBSS活性的影响程度较小。两品种处理间籽粒蔗糖含量及SS、AGPP、SSS和GBSS活性的变化趋势, 与其籽粒淀粉积累量的变化趋势基本一致。灌浆期高温使籽粒淀粉积累量降低, 主要因高温抑制了籽粒灌浆中后期的淀粉合成, 这是由籽粒蔗糖供应不足和籽粒淀粉合成相关酶活性下降所造成的。     

两个直链淀粉含量不同的小麦品种籽粒淀粉合成酶活性与淀粉积累特征的比较

以均含有3个Waxy蛋白亚基的普通小麦品种济麦20（低直链淀粉含量）和鲁麦21（高直链淀粉含量）为材料，对灌浆期籽粒淀粉合成相关酶活性的变化及淀粉积累特征进行了研究，并分析了两者之间的关系。结果表明，蔗糖合成酶(SS)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、束缚态淀粉合成酶(GBSS)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和淀粉分支酶(SBE)活性均呈单峰曲线变化。鲁麦21的上述酶活性均高于济麦20。相关分析表明，支链淀粉积累速率与SS、AGPP、SSS和SBE呈显著或极显著正相关；直链淀粉积累速率与SS、AGPP和GBSS呈极显著正相关。Logistic方程拟合淀粉积累过程发现，支、直链淀粉最终积累量的高低取决于积累启动时间的早晚和积累速率的高低，而积累持续期的调节作用较小。直链淀粉的积累速率除受GBSS活性影响外，还受SS和AGPP活性的影响，其中，GBSS活性的变化与2品种籽粒直链淀粉积累量的变化情况基本吻合。籽粒灌浆后期的GBSS活性对直链淀粉最终积累量的调节作用大于灌浆前期，说明对同时具有3个Waxy蛋白亚基的不同品种，Waxy蛋白亚基表达量(GBSS活性)的差异可能是导致品种间籽粒直链淀粉含量较大差异的一个关键原因。     

不同品质类型小麦籽粒淀粉粒度的分布特征

选用小麦强筋品种德丰3号、德99-3和弱筋品种滨育535和鲁麦21,研究了籽粒中淀粉粒度、淀粉粒的体积、数目和表面积的分布特征,及其与小麦籽粒蛋白质和淀粉含量的相关性。结果表明,成熟期小麦籽粒含有A (＞9.8 μm)、B (＜9.8 μm)两种类型淀粉粒,其粒径为0.37~52.60 μm。淀粉粒的体积和表面积均表现为双峰分布;淀粉粒的数目表现为单峰分布,其中B型淀粉粒数目占总数的99%以上。在强筋品种中,B型淀粉粒所占体积和表面积百分比相对较高,而弱筋品种中A型淀粉粒体积、表面积百分比相对较高。籽粒直链淀粉和总淀粉含量与2.0~9.8 μm和＜9.8 μm的淀粉粒体积百分比分别呈显著和极显著负相关,与9.8~18.8 μm的淀粉粒体积百分比呈极显著正相关。籽粒蛋白质含量与2.0~9.8 μm和＜9.8 μm的淀粉粒体积百分比呈显著正相关,而与9.8~18.8 μm的淀粉粒呈极显著负相关。籽粒淀粉和蛋白质含量均与其他粒径范围的淀粉粒体积无显著相关性。     

旱作和灌溉条件下小麦籽粒淀粉粒粒度的分布特征

在灌溉和旱作2种栽培条件下, 以籽粒淀粉含量不同的小麦品种鲁麦21和德99-3为试验材料, 研究了籽粒淀粉粒的分布特征及基因型差异。结果表明, 与灌溉栽培相比, 旱作栽培条件下2个小麦品种籽粒B型淀粉粒(2.0~9.8 mm和<9.8 mm)的体积、表面积百分比显著增加, 而粒径>18.8 mm的A型淀粉粒的体积、表面积百分比明显减少。水分亏缺降低了2个品种的籽粒直链淀粉和总淀粉含量, 而增加了籽粒蛋白质含量、峰值黏度和最终黏度, 这表明旱作栽培有利于小麦籽粒品质的改善。相关分析表明, 2个品种籽粒的直链淀粉和总淀粉含量均与2.0~9.8 μm和<9.8 mm的淀粉粒体积百分比呈负相关, 与9.8~18.8 mm的淀粉粒体积百分比呈正相关, 籽粒蛋白质含量与2.0~9.8 mm和<9.8 mm的淀粉粒呈显著和极显著正相关, 而与9.8~18.8 mm的淀粉粒呈负相关。表明小淀粉粒(2.0~9.8 mm和<9.8 mm)的直链淀粉和总淀粉含量较低、蛋白质含量较高, 而大淀粉粒(9.8~18.8 mm和>9.8 mm)具有较高的直链淀粉和总淀粉含量。     

中国小麦育成品种和农家种中慢锈基因Lr34/Yr18的分子检测

Lr34/Yr18是重要的慢叶锈和慢条锈基因, 携带该连锁基因的小麦品种被广泛种植于世界许多国家。利用STS标记csLV34对慢叶锈和慢条锈基因Lr34/Yr18进行分子检测的结果表明, 我国231份育成品种(系)中仅有14份材料携带Lr34/Yr18基因, 占6.1%。不同麦区分布频率不同, 其中北部冬麦区为零, 黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区、西南冬麦区和西北春麦区分别为3.0%、21.4%、16.7%和33.3%。在422份农家种中, 359份含有Lr34/Yr18基因, 占85.1%。Lr34/Yr18基因在不同麦区的分布频率也存在差异, 北部冬麦区、黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区、西南冬麦区、南部冬麦区和西北春麦区分别为89.6%、77.4%、93.1%、93.8%、96.6%和61.1%。csLV34标记扩增产物为150 bp和229 bp的片段, 能有效鉴别品种是否携带Lr34/Yr18基因, 是一个重复性好、准确率高的分子标记, 可用于小麦Lr34/Yr18基因的鉴定与选择。     

小麦籽粒产量及穗部相关性状的QTL定位

由小麦品种花培3号和豫麦57杂交获得DH群体168个株系,种植于3个环境中,利用305个SSR标记对籽粒产量和穗部相关性状(穗长、穗粒数、总小穗数、可育小穗数、小穗着生密度、千粒重和粒径)进行了QTL定位。利用基于混合线性模型的QTLNetwork 2.0软件,共检测到27个加性效应和13对上位效应位点,其中 8个加性效应位点具有环境互作效应。相关性高的性状间有一些共同的QTL位点,表现出一因多效或紧密连锁效应。5D染色体区段Xwmc215–Xgdm63,检测到控制籽粒产量、穗粒数、总小穗数、可育小穗数和小穗着生密度5个性状的QTL位点,各位点的遗传贡献率较大且遗传效应方向相同,增效等位基因均来源于豫麦57,适用于分子标记辅助育种和聚合育种。控制千粒重与穗粒数的QTL位于染色体不同区段,有利于实现穗粒数与粒重的遗传重组。     

大穗型小麦品种强、弱势籽粒淀粉积累和相关酶活性的比较

在大田条件下, 以两个大穗型小麦品种山农12和PH01-35为材料, 对籽粒发育过程中强、弱势籽粒淀粉积累及其相关酶活性变化进行了比较研究。结果表明, 两品种强势粒直链淀粉积累量和支链淀粉积累量均高于弱势粒。Logistic方程模拟淀粉积累过程, 强势粒淀粉积累起始势(C₀)高, 活跃持续期长, 平均积累速率(R_mean)高, 最终淀粉积累量高。 籽粒蔗糖合酶(SS)、ADPG焦磷酸化酶(AGPase)、UDPG焦磷酸化酶(UGPase)、可溶性淀粉合酶(SSS)和束缚态淀粉合酶(GBSS)活性均呈单峰曲线变化, 强势粒上述酶活性均高于弱势粒。花后7~21 d, 弱势粒蔗糖含量明显高于强势粒, 表明弱势粒淀粉积累量低, 并不以其淀粉合成底物的供给为限制因子, 而主要与淀粉合成能力低有关, 同时与籽粒灌浆前期胚乳细胞的数量关系密切。