Starch granules size distribution in superior and inferior grains of wheat is related to enzyme activities and their gene expressions during grain filling

Mature wheat endosperm contains A-, B-, C-type starch granules, and each class has unique physiochemical properties which determine the quality of starch. The dynamics of the starch granule size distribution, activities of starch synthases and expression of starch synthase encoding genes were studied in superior and inferior grains during grain filling. Compared with inferior grains, superior grains showed higher grain weight, contents of starch, amylose and amylopectin. The formation of A-, B-, C-type starch granules initiated at 4, 8, 20 DAF, respectively, and was well consistent with the temporally change patterns of starch synthase activities and relative gene expression levels. For instance, activities of soluble and granule-bound starch synthases (designated SSS and GBSS) peaked at 20 and 24 DAF. Genes encoding isoforms of starch synthases expressed at different grain filling periods. In addition, SS I was generally expressed over the grain filling stage; the SS II and SS III were expressed over the early and mid grain filling stage, and the GBSS I was expressed during the mid to late grain filling stage. In addition, the time-course changes in activities of starch synthases and expression of starch synthase encoding genes explained well the dynamics of the starch granule size distribution.     

长江中下游麦区小麦地方品种幼苗耐镉性的差异

为了明确不同小麦地方品种耐镉（Cd）性的差异,采用水培方法,测定了长江中下游麦区32个小麦地方品种的苗期生长指标、叶绿素含量、荧光参数和光合参数,并对参试品种的Cd耐性进行了比较和聚类分析。结果表明,32个小麦地方品种镉耐性指数变异系数为10.4%～49.4%,耐Cd性差异较大。根据耐性指数可将参试品种分成耐镉型（7个）、较耐镉型（4个）、中间型（6个）、镉较敏感型（8个）、镉敏感型（7个）5组。     

利用VIGS技术初步验证WSR1基因功能的研究

为进一步了解小麦淀粉合成酶转录因子对淀粉合成的影响,以水稻 RSR1基因为探针,首先利用同源克隆技术和RACE技术获得了小麦 WSR1基因的全长cDNA;生物信息学分析表明,该基因含有AP2保守结构域。随后,以大麦条纹花叶病毒(BSMV)为载体,八氢番茄红素脱氢酶(PDS)基因为指示基因,利用VIGS技术和qRT-PCR技术对 WSR1基因的功能进行研究。结果表明,在接种5 d后, WSR1基因的相对表达量下降到50%, 25 d后下降到12%; WSR1基因沉默后的冀麦325籽粒内支链淀粉、总淀粉和抗性淀粉含量均较对照显著增加;直链淀粉含量、千粒重较对照极显著增加。以上结果表明 WSR1基因负向调控小麦的淀粉合成。     

不同小麦品种氮素利用效率特征差异的研究

为了给氮高效优质小麦品种的选育和栽培提供理论依据,采用盆栽试验,研究了郑麦0943、郑麦0856和郑麦7698三个中强筋小麦品种的氮素利用效率特征以及茎叶中氮组分、氮代谢酶活性的差异。结果显示,施氮可显著促进小麦氮素的吸收和累积,不同小麦品种氮素利用效率特征存在明显差异。3个小麦品种中,郑麦0943氮素吸收量最大,氮素吸收效率和氮素利用效率均较高,氮素收获指数也显著高于其他两个品种,且籽粒中氮素来源以后期根系氮素的吸收和转移为主,前期地上部营养体的氮素转移能力也明显强于其他两个品种;不施氮条件下,郑麦0943开花期茎叶中具有较高的营养性氮含量和较低的结构性氮和功能性氮含量,且施氮后功能性氮含量增幅最大,硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性也最高;不施氮条件下,郑麦7698氮素干物质生产效率和氮素收获指数均最低,郑麦0856氮素干物质生产效率最高,但氮素收获指数低于郑麦0943。综合而言,郑麦0943的氮肥生产效率最高,而郑麦0856的氮素农学利用效率最高,二者的氮素吸收效率和氮素表观回收率均高于郑麦7698。     

普通小麦品种陕农33矮秆突变体的矮化效应分析

为了解普通小麦品种陕农33矮秆突变体的矮化原因,通过农艺性状调查、茎秆细胞学观察、苗期赤霉素（GA）反应试验、内源激素含量测定和矮秆基因检测,分析了陕农33的13个矮秆突变体植株生长发育、茎秆解剖特征及对GA的敏感性。结果表明,与野生型陕农33相比,矮秆突变体的株高都显著下降,株高的下降与节间数无关,主要是由于节间长度的缩短,其中穗下节和第四节间的降秆效应较大。经进一步细胞学观察,突变体变矮是由茎秆细胞长度减少和细胞变小共同引起的,其中细胞长度减少是主因。从苗期植株对GA₃的反应看,13个矮秆突变体属于赤霉素不敏感型或弱敏感型,说明赤霉素转导途径存在问题,即矮秆突变位点可能在赤霉素转导途径上。从内源激素测定结果看,13个矮秆材料中只有1个材料的茎秆GA₃含量较陕农33略降,其余均增加,而CTK含量均减少,10个材料的IAA含量增加,说明这些材料的株高下降与赤霉素等内源激素代谢变化密切相关。通过矮秆基因检测,13个矮秆突变体和陕农33均含有目前应用范围较广的 Rht-D1b基因,只有两个矮化材料含有 Rht-B1b,因而推测矮秆突变体可能还含有其他致矮相关的基因。     

基于小麦产量三要素的产量条件QTL分析

为了从单个QTL水平上解析产量与产量三要素的遗传基础,利用花培3号和豫麦57杂交获得的168个家系的DH群体及其遗传图谱,在5个环境下对产量进行了非条件QTL分析和基于产量三要素(穗粒数、千粒重和单位面积穗数)的条件QTL分析,共检测到9个非条件QTL和28个条件QTL。其中,检测到2个主效QTL(QY.sdau-4D和QY.sdau-6D.2),它们可分别解释15.77%和10.16%的表型变异。分别检测到6个"一因多效"QTL和11个微效QTL;其中,QYsdau-4D.2通过影响单位面积穗数、穗粒数和千粒重而影响产量,QYsdau-2D.1和QYsdau-3A.1能提高单位面积产量但不影响穗粒数,即单位面积产量和穗粒数在该位点上几乎没有关联。本研究结果为通过分子设计聚合高产有利基因提供了理论基础,对培育单位面积产量大幅度提高的小麦新品种具有重要意义。     

In vitro pullulanase activity of wheat (Triticum aestivum L.) limit-dextrinase type starch debranching enzyme is modulated by redox conditions

Expression of a limit-dextrinase (LD) type starch debranching enzyme (EC 3.2.1.41) was observed in developing wheat (Triticum aestivum L.) endosperm and germinating grains, indicating a role for the enzyme in both biosynthesis and degradation of starch. A full-length cDNA, TaLD1, encoding LD in wheat developing kernels was isolated and predicted to encode a 98.6 kDa mature protein active in amyloplasts. Isolated cDNA was expressed in Escherichia coli to produce a recombinant His-tagged LD, which mainly accumulated in inclusion bodies as an inactive enzyme. Extraction of His-tagged LD from the inclusion bodies followed by dialysis under thiol/disulphide redox conditions allowed partial refolding of the protein and detection of pullulanase specific activities by zymogram analysis and enzyme assays. Several active conformations were demonstrated by the recombinant TaLD1 and pullulanase activity could be modulated by redox conditions in vitro. The results suggest that cellular redox conditions may regulate the level of LD activity in wheat tissues.     

几种生物刺激素对小麦产量形成及品质的调控

为比较农用腐殖酸、生化腐殖酸、海藻酸钠寡糖、氨基酸、复合生物刺激素在小麦上的应用效果,采用盆栽试验,分析了这5种生物刺激素喷施对小麦产量形成及品质的影响。结果表明,喷施5种生物刺激素均可一定程度促进小麦旗叶的生长和提高SPAD值,以海藻酸钠寡糖处理效果最优,其净光合速率和水分利用效率较对照均显著增加,气孔限制值则显著下降。除氨基酸处理外,其他生物刺激素处理均可不同程度增加小麦产量,也以海藻酸钠寡糖处理效果最佳,其穗顶部、中部和基部的籽粒重、穗粒数及千粒重均显著增加。5种生物刺激素处理均能不同程度提高小麦总淀粉含量,以生化腐殖酸处理效果最优;此外,生化腐殖酸、农用腐殖酸和海藻酸钠寡糖处理还可提高支链淀粉含量,降低直/支比。除农用腐殖酸外,其余生物刺激素处理的蛋白质、湿面筋和干面筋含量均显著下降。综合而言,5种生物刺激素中,以海藻酸钠寡糖对小麦产量形成的促进效果较好,但对品质具有不利影响。     

节水灌溉条件下不同施磷量对冬小麦磷素吸收利用的影响

为提高节水灌溉条件下小麦磷素利用效率,以济麦22和石优20为材料,设置60、120和180 kg P₂O₅·hm^-2三个磷素供应水平（分别用P₆₀、P₁₂₀和P₁₈₀代表）研究了节水栽培下磷素（P）用量对小麦P吸收和利用特性的影响。结果表明,供试小麦品种在各生育时期植株干重均随施P水平增高而提高;低P（P₆₀）水平下石优20植株干重较大,在高P（P₁₈₀）水平下济麦22则植株干重较大。两小麦品种各生育时期植株P含量均以高P处理下较高,且石优20高于济麦22。随施P水平的增高,小麦植株P累积量增多, P累积速率增大,以开花至成熟期P累积速率较高,且施P水平对P累积速率有正向调控作用。成熟期,植株各器官的干重、P累积量和P分配比例均以籽粒最高,茎秆和叶鞘及叶片次之,颖壳和穗轴最低;各器官P含量以籽粒最高,茎秆、叶鞘、颖壳和穗轴次之,叶片最低,表明生育后期植株体内P素主要向籽粒转运、积累。低P和中P（P₁₂₀）处理下,石优20产量显著高于济麦22;高P处理下,石优20的产量较济麦22低。随供P水平的提高,植株花前的P转运量和P转运效率增大,但P贡献率、P利用效率和P肥偏生产力下降。不同品种相比,石优20植株的花前P转运量和营养器官P贡献率与济麦22相近,但石优20的P收获指数、花前P转运效率、P利用效率和P肥偏生产力较济麦22低。研究表明,节水条件下,小麦养分高效品种石优20在低P水平下具有较高P吸收能力和籽粒产量,适当施P可增强济麦22植株生育后期P的吸收、利用能力和高产潜力。     

种植密度对小麦籽粒HMW GS含量及GMP粒度分布的影响

为给小麦优质栽培提供理论依据,以强筋小麦品种藁优8901和中筋小麦品种泰农18为材料,研究了高（HD,24×10⁵·hm^-2）、中（MD,18×10⁵·hm^-2）、低（LD,12×10⁵·hm^-2）3个种植密度对小麦籽粒高分子量谷蛋白亚基（HMW GS）含量和谷蛋白大聚合体（GMP）形成的影响。结果表明,在不同种植密度下,藁优8901的GMP含量表现为MD＞HD＞LD,而泰农18则表现为MD＞LD＞HD,均以MD的最高。不同密度条件下藁优8901籽粒的总HMW GS含量均高于泰农18,表明强筋小麦具有较强的谷蛋白积累能力。2个品种籽粒的单个HMW GS含量对不同种植密度的响应不同,但都以MD的最高,种植密度过高、过低均不利于小麦籽粒HMW GS含量的提高。GMP的粒度分析表明,MD处理提高了2个品种籽粒GMP大颗粒（粒径＞100 μm）体积百分比,说明中等种植密度有利于大粒径GMP颗粒的形成。     

不同小麦品种对干旱锻炼响应的综合评价

为明确不同小麦品种对干旱锻炼响应的差异,采用PEG6000模拟干旱胁迫,选取江苏、山东、河南、河北等地大面积种植的110个小麦品种进行水培试验,分析了不同小麦品种叶片相对含水量、叶面积、地上部干鲜重、根干鲜重、植株干物质积累量、根系形态、脯氨酸含量、可溶性总糖含量和蔗糖含量等14个指标的锻炼系数,通过主成分分析、聚类分析方法对这些品种的锻炼响应进行综合评价。结果表明,干旱胁迫下经锻炼处理的植株各指标总体均值大于未经锻炼处理的植株。小麦不同指标的锻炼系数存在差异,其中,可溶性糖、脯氨酸等渗透物质含量的锻炼系数较大。采用主成分分析将14个形态及生理指标综合成4个相互独立的综合指标,其累计贡献率为77.178%;根据主成分综合得分评价值进行系统聚类,可将110个小麦品种分为锻炼敏感型和锻炼不敏感型两大类,前者包括扬麦158、晋麦33、济麦22、豫麦47、洛旱11等81个品种;后者包括淮麦20、淮麦28、泗水38、苏麦188等29个品种。     

不同灌溉处理对小麦花后氮素积累和转运的影响

为了解灌水对小麦花后氮素积累和转运的调控作用,以强筋小麦品种济南17和中筋小麦品种鲁麦21为材料,分析比较了节水灌溉（W1）、常规灌溉（W2）和旱作栽培（W0）3种水分条件下小麦花后植株氮素吸收、积累和转运的差异。结果表明,小麦植株开花期营养器官氮素积累量、花后氮素转运量及氮素转运对籽粒氮素的贡献率均表现为W1和W2显著高于W0。与W0相比较,W1和W2条件下成熟期植株氮素积累量分别增加了9.0%~12.6%和7.1%~20.7%,花后营养器官氮素转运量分别增大了5.7%~17.4%和5.3%~10.7%,氮素转运对籽粒的贡献率分别提高了19.4%~28.2%和21.2%~27.1%,说明土壤水分匮缺不利于植株营养器官对氮素的吸收和花后氮素向籽粒的转运。从花后营养器官的氮素转运效率来看,济南17的平均转运效率表现为W1显著高于W0,这主要归因于叶和茎+叶鞘转运效率的显著提高;而鲁麦21则表现为W0＞W1＞W2,其中旗叶和茎+叶鞘上处理间存在显著差异。这表明小麦氮素转运能力对不同灌溉处理的反应存在显著的基因型差异。不同灌溉处理对两个小麦品种的籽粒产量影响也不同,济南17的籽粒产量表现为W2＞W1＞W0,处理间差异显著;鲁麦21的籽粒产量为W1＞W2＞W0,W1 与W0差异显著。     

小麦白斑突变体I30的特征特性及遗传分析

类病斑突变体是研究植物程序性死亡和抗病性的理想材料。为了丰富小麦斑点突变体的研究,对叠氮化钠诱变小麦品种陕农33产生的稳定遗传的白斑突变体I30进行了特征特性研究和遗传分析。结果表明,突变体I30从三叶期开始表现白色块斑和长条纹。锥虫蓝染色和DAB染色显示,I30斑点处出现细胞死亡和H_2O_2积累现象。透射电子显微镜观察表明,I30的叶绿体形状发生改变,数目减少,基粒垛叠高度无序,部分甚至降解。农艺性状调查结果表明,I30的株高、单株有效穗数、穗粒数、穗长和结实率与野生型间无显著差异,但千粒重、穗粒重、单株产量、旗叶长度和宽度显著低于野生型。遗传分析表明,I30由1对隐性核基因控制。利用BSA+660K基因芯片技术,将该基因定位于小麦6D染色体上,位于SSR分子标记Xcfd190和6DS-5之间,遗传距离分别为6.4cM和9.1cM。     

氮量及减灌对冬小麦旗叶生理参数和细胞保护酶活性的影响

为给小麦水氮高效栽培提供依据,以水氮响应特征不同小麦品种保麦10（适合高水肥）和石麦22（节水型）为材料,通过田间试验,研究了不同施氮量及春季灌水次数对小麦旗叶光合色素含量、保护酶活性和产量的影响。结果表明,増施氮素和增加灌水次数能提高供试品种旗叶叶绿素a、b含量、可溶隆蛋白含量、超氧化物气化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性,改善产量构成因素及产量,减少细胞膜质过氧化产物丙二醛（MDA）累积量。高水氮组合（N225结合春季2次灌水）下保麦10和石麦22旗叶生理生化参数及产量性状的差异较小;在高氮、低氮灌1水下,与保麦10相比,石麦22旗叶生长中后期被测细胞保护酶活性、游离脯氨酸、可溶性糖含量显著增加,MDA含量显著降低,产量得到明显改善。石麦22较强的耐低氮及干旱能力与其水氮胁迫下植株上位叶维持较高光合色素含量、较多渗透物质含量和较强细胞保护酶活性有关。     

Amylolysis of wheat starches. II. Degradation patterns of native starch granules with varying functional properties

Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were employed to investigate degradation patterns of native starch granules from wheat (Triticum aestivum L.) by different starch-degrading enzymes. The starches examined were from a waxy wheat and four varieties with slightly elevated amylose content, but with different functional properties. Differences in the digestion patterns after partial α-amylolysis of starch granules were noted between the starches. The waxy starch seemed to be degraded by endocorrosion, whereas the amylose-rich starches followed a slower mode of hydrolysis starting from the granular surface. X-ray diffractograms of the amylose-rich starches were not significantly altered by 2 h of α-amylolysis, whereas partial hydrolysis of the waxy starch decreased scattering intensity at higher 2θ angles, consistent with a different mode of attack by α-amylase in the initial digestion stages of granules of waxy and amylose-rich starches. We propose these differences are due to the combined effects of the change in packing density and partial preference for hydrolysis of amorphous material. The native starch granules were also attacked by beta-amylase, isoamylase and amyloglucosidase, which indicates that α-amylase is not the only starch-degrading enzyme that is able to initiate starch hydrolysis of native granules.     

Influence of high temperature during filling period on grain phytic acid and its relation to spikelet sterility and grain weight in non-lethal low phytic acid mutations in rice

Low phytic acid (lpa) crop is considered as an effective strategy to improve crop nutrition. However, the inferior agronomic performance of lpa crops and their environmental growth adaptation have not yet been fully understood. Three rice lpa lines and their corresponding wild-types were used to compare their differences in grain phytic acid (PA) in response to high temperature (HT) and its relation to spikelet sterility and grain weight at a controlled temperature at the filling stage. Results showed that HT caused an increase in grain PA and inorganic phosphate contents, with more substantial increase of PA content for lpa lines compared with corresponding wild-types. This increase in PA content in high temperature-ripened grains was not simply attributed to the reduction in grain weight and relatively enhanced proportion of aleurone-layer fraction to whole grains. Significant increase in PA contents was also detected in milled rice. Moreover, spikelet sterility and grain plumpness of lpa lines were more susceptible to HT stress than those of wild-types. Exogenous PA spraying with an appropriate concentration could increase grain PA content, but it had only a slight contribution to the enhancement of heat-tolerance and injury alleviation for rice exposed to stressful HT.     

松嫩平原春小麦耐盐碱性鉴定及品种(系)筛选

为确定松嫩平原春小麦品种(系)耐盐碱性鉴定的适宜盐碱浓度,同时筛选耐盐碱小麦材料,以黑龙江省试种的30个春小麦品种(系)为试验材料,采用不同浓度NaHCO3溶液分别在春小麦萌发期和苗期进行盐碱胁迫处理,筛选适合耐盐碱性鉴定的胁迫处理浓度,并通过主成分分析、隶属函数分析、聚类分析等方法对30个春小麦品种萌发期和苗期的耐盐碱性进行综合评价。结果表明,150mmol·L-1 NaHCO3为小麦耐盐碱性筛选的理想鉴定浓度;30个春小麦品种(系)中,九三09-1933等7个品种(系)萌发期高度耐盐碱,北麦9号为萌发期盐碱敏感品种;九三08-51271、龙麦36、7767为苗期高度耐盐碱品种(系),克旱14号、九三08-7127为苗期盐碱敏感品种(系);综合评价萌发期与苗期鉴定结果,其中高度耐盐碱的品种(系)为龙麦36和09-9933,盐碱敏感品种(系)为九三08-7127和克旱14号,克旱7号等其他品种(系)中度耐盐碱。     

转ZmPPDK基因小麦新品系的光合特性及产量分析

为明确玉米C_4型ZmPPDK基因提高小麦光合效率的功能,采用基因枪介导转化法,以小麦品种周麦23为受体,获得了转ZmPPDK基因小麦株系T14和T39,并于开花期和灌浆期测定了2个转基因株系及受体亲本的旗叶净光合速率日变化、光合相关基因表达量、叶绿素荧光参数以及成熟期产量性状。结果表明,T14和T39在2个测定时期10:00-14:00间的光合速率均显著高于野生型对照,在灌浆期2个转基因系的提高幅度均最大,分别达17.24%和21.11%。转基因小麦的ZmPPDK基因及内源CA、NADP-ME、FBP等光合相关基因的表达量均显著高于对照,其中ZmPPDK基因表达量的提高幅度分别为14.13和15.28倍,并显著高于光合相关基因。在13:00时刻,转基因小麦的F_v/F_m和Φ_(PSII)均显著高于对照,而W_K和V_J显著低于对照。转基因小麦的2年平均产量较对照分别提高6.40%和5.02%,千粒重的提高是其增产的主要因素。以上结果说明,转玉米ZmPPDK基因小麦的光合特性和产量显著优于对照,玉米ZmPPDK基因具有改善C_3植物光合特性并提高其产量的潜力。     

小麦铭贤169休眠解除期间种子结构与主要成分的变化

为探究小麦种子休眠解除期间的成分变化对发芽率的影响,了解种子休眠解除机制,以铭贤169为材料,在收获后不同储藏时间(间隔20 d)取样,通过显微设备观察了种子后熟期间的结构变化,测定了相关生理指标和成分,以探究铭贤169种子休眠性原因。结果表明,铭贤169种子休眠解除过程中,种皮细胞结构、组织结构、淀粉粒结构、蛋白基质等均发生变化,淀粉含量、粒径、糊化特性、热稳定性随贮藏时间延长变化显著。铭贤169的离体胚在花后25 d就具有发芽能力,但种子在花后35 d仍处于休眠。收获后熟期间,种胚活性、种子吸水率、含水量、淀粉含量、淀粉糊化谷值粘度和峰值时间、热稳定性逐步上升,与发芽率正相关。A型淀粉粒表面破损,淀粉粒与蛋白质结合紧密,种皮结构松散;淀粉粒径、淀粉酶活性、可溶性糖含量和沉降值减小;面筋和粗蛋白含量变化不大。推测铭贤169种子的休眠性与种子母体成分有关,休眠解除期间发芽率变化受种皮结构、淀粉的分解程度、淀粉粒与蛋白质的结合方式、可溶性糖含量、淀粉含量和性质以及淀粉酶活性等因素影响。     

小麦根系生理活性时空分布与土壤有效养分的关系

为了解小麦根系生理活性时空分布与土壤有效养分含量的关系,在2019-2021年两个小麦生长季,于小麦的不同生育时期采用长方体铁盒(0.2 m×0.05 m×0.2 m)在麦行上、行距1/4处、行距1/2处分别取0～0.2 m和0.2～0.4 m土层的样品,测定不同位点小麦根系生物量、根系活跃吸收面积、根总吸收面积、根系活力,以及土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量。结果表明,0～0.2 m和0.2～0.4 m土层中小麦根重密度、根总吸收面积和根系活跃吸收面积随生育时期的推进均呈先升后降的变化趋势;根系活力、根群生理势均呈“低-高-低-高-低”的变化趋势。0～0.2 m土层的根重密度、根总吸收面积、根系活跃吸收面积、根群生理势均显著高于0.2～0.4 m土层。在灌浆之前,0～0.2 m土层根系活力高于0.2～0.4 m土层;在灌浆到成熟期间,下层根系的根系活力显著增大。在整个生育期内,0～0.2 m土层中根重密度、根总吸收面积、根系活跃吸收面积和根群生理势的水平分布表现为行上>行距1/4处>行距1/2处;开花期之前,根系活力在行距1/4处最大,开花到成熟期间根系活力水平分布表现为行...