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摘要：近年来小麦淀粉理化特性遗传改良取得了显著进展，育成一系列高、低直链淀粉含量和糯性小麦，所用方法主要是常规杂交选育，化学诱变和转基因技术也得到广泛应用。但小麦淀粉理化特性遗传改良仍然存在诸多限制，最主要的是种质资源匮乏，另外淀粉检测技术也在很大程度上限制了淀粉特性的改良。
关键词：小麦；淀粉；理化特性；遗传改良
中图分类号：S512.101 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2013）08-0137-04
小麦淀粉的用途非常广泛，不仅可以制作面包、面条、馒头等各种食品，还可用于造纸和纺织，也可作为生产葡萄糖浆、胶带等的原料[1～3]。淀粉占小麦籽粒干重的60%～70%、面粉的65%～75%，与籽粒和面粉产量关系密切[4]。对加拿大33个春小麦的研究表明，淀粉含量与籽粒产量呈正相关（r=0.56，P=0.01）[5]。许多学者提出了各种提高籽粒产量的措施，如促进光合器官中碳水化合物的合成及其向籽粒的分配，但归根结底还是促进籽粒中淀粉的合成和积累[6～9]。
淀粉分为直链淀粉和支链淀粉。淀粉在小麦胚乳中以淀粉粒的形式存在。淀粉粒由结晶层和未定形层交替形成的重复生长环组成。支链淀粉链成束排列，在束内淀粉链以双螺旋排列成整齐的结晶层，结构致密；直链淀粉在淀粉粒内以单螺旋形式存在，主要分布在淀粉粒未定形区[1～3，10，11]。淀粉的合成需要一系列酶的参与，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）催化合成ADP-葡萄糖，成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。小麦AGPase酶活性升高，淀粉含量升高，籽粒产量增加[1～3，10，11]。淀粉合酶（SS）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），负责直链淀粉的合成，普通六倍体小麦含有三种Wx蛋白亚基（Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1）；可溶性淀粉合成酶（SSS），主要在支链淀粉合成中起作用。淀粉分支酶（SBE）形成支链。Wx蛋白突变/缺失或利用RNAi抑制GBSS活性，直链淀粉含量下降；支链淀粉合成相关的基因突变，直链淀粉含量相对升高[2，3，12，13]。1淀粉理化特性对小麦营养保健和加工品质至关重要
淀粉在胚乳中沉积的特性对淀粉含量、籽粒硬度、淀粉粒大小分布与形状、脂类的结合、支链淀粉结构、直/支链淀粉比例等均有重要影响，进而影响到利用时淀粉对热和水的反应，最终表现出不同的理化特性和加工品质[14～16]。淀粉粒的大小和分布是决定小麦磨粉/加工品质的重要因素。软质小麦淀粉粒和蛋白骨架结合疏松，而硬质小麦结合致密，在磨面过程中，软质小麦在淀粉粒和蛋白骨架之间破裂，而硬质小麦在淀粉粒和蛋白骨架内部破裂，因此硬质小麦淀粉破碎率高，和面时吸水也多，适合制作面包、面条，而软质小麦正相反，适合制作饼干、糕点[17]。
直链淀粉含量对面包体积和质地有巨大影响，含量过低，面团发粘，尽管面包体积有所增大，但结构变差，气泡大而不匀，总体质量下降[18]；而直链淀粉含量过高，面包品质也显著下降[19]。淀粉理化特性对馒头和面条加工品质也有重要影响。Huang等（1996）[20]研究表明，淀粉糊化参数中，除峰值时间外，所有粘度参数均与馒头比容呈正相关，其中峰值粘度与馒头体积、比容、结构和评分间的相关系数分别达到显著和极显著水平。面条的食用品质主要受淀粉（面粉）品质性状的影响，多数面条品质参数，特别是食用品质（如面条软度、光滑性及口感等）受面粉中淀粉特性的影响，直链淀粉含量较低的小麦品种或面粉在面条软度、粘性、光滑性、口感和综合评分等品质参数上有较好的表现[21]。
淀粉的糊化特性主要与淀粉粒大小和比例、直链淀粉的含量、直链淀粉与支链淀粉的比例有关[14～17]。高的峰值粘度和稀懈值、低的最终粘度和反弹值总是与低的直链淀粉含量同时出现[22]。直链淀粉含量接近零时，为糯小麦，其淀粉（支链淀粉）结晶程度高，回生慢，可以推迟烘烤食品的凝沉进程，延长烘烤食品的货架寿命，从而可以替代昂贵的添加剂来提高面团的水合力[18， 23， 24]。直链淀粉含量升高可以形成更多的抗性淀粉[25]。抗性淀粉是一种新型膳食纤维，对于肥胖、糖尿病、心血管疾病、结肠癌等一系列迅速蔓延的慢性非传染性疾病具有很好的预防和治疗作用[42]，尽管目前抗性淀粉产品主要来源于玉米，但由于小麦加工食品的多样性及其独特的口感，人们更希望在小麦抗性淀粉研究方面取得突破。因此，淀粉理化特性对小麦产量、营养保健和加工品质都有非常重要的影响，淀粉理化特性遗传改良也成为世界范围内研究的热点[2，3，12，13]。
2小麦淀粉品质遗传改良成效显著
从目前情况看，杂交选育仍是小麦淀粉品质改良的主要和首选方法。目前得到的糯性小麦大多是用此种方法得到的[23]，我国的优质面包、面条小麦品种也基本上是通过这种方法选出的[9]。Nakamura等（1995）[26]用关东107（缺失Wx-A1和Wx-B1蛋白）作母本，分别与Aldura （杜伦小麦，AABB）和白火麦（缺失Wx-D1蛋白）杂交，经系统选育，首次得到了糯性小麦。Hegstad等（1998）[27]将半糯性六倍体小麦与硬粒小麦杂交，得到了糯性硬粒小麦。Miura等（2002）[28]通过关东107与白火麦杂交得到了全部8种不同Wx组合类型。Zhao和Sharp（1996）[29]也得到了糯性六倍体小麦。中国农业大学用关东107和Ike分别与江苏白火麦和内乡白火麦杂交也得到了糯性株系[30]。Yamamori等（2000）[31]通过杂交选育，从Kanto79/Turkey116 F2//Chousen57后代中选育出高直链淀粉含量小麦品系。 化学诱变具有诱发突变率高、染色体畸变少、对处理材料损伤轻、所需设备简单、成本低、诱变效果好等特点，在小麦淀粉品质改良方面得到广泛应用。Kiribuchi-Octobe等（1998）[24]用甲基磺酸乙酯（EMS）处理关东107小麦得到糯性植株K107Wx1和K107Wx2，用叠氮化钠处理Tanikei A6099得到糯性变异品系Tanikei A6599-4（直链淀粉含量1.6%）和H1881（直链淀粉含量0.4%）。随着新技术的不断创新，诱变方法已发展成为定向诱导基因组局部突变（TILLING）方法，由于其具有高通量、大规模、高灵敏度和自动化等特点，得到更加广泛的应用[32～34]。Slade等（2005）[33]用TILLING法检测1 920份变异材料，其中246份材料淀粉合成基因发生变异。但通过化学诱变创造高抗性淀粉含量富保健功能小麦种质的研究报道很少。
随着生物技术的发展，转基因技术在改良淀粉理化特性方面发挥出越来越大的作用，基因工程改良淀粉品质成为国际研究的热点，并取得显著进展[35]。Stark等（1992）[36]将大肠杆菌K12突变株系618转入烟草，淀粉含量比对照增长近2倍。Chibbar等（1998）[37]利用遗传工程方法得到富含支链淀粉的小麦。Baga等（1999）[35]用基因枪法得到了缺失1个或2个GBSSI位点的小麦品系。Regina等（2006）[25]利用RNAi技术获得了直链淀粉含量高达70%的小麦突变体，抗性淀粉含量也明显增加。
3小麦淀粉品质遗传改良仍存在诸多限制
尽管小麦淀粉理化特性遗传改良近年来取得显著进展，但与水稻、玉米等其它作物相比差距仍然非常大。困扰小麦淀粉品质改良的一个主要问题是遗传资源的匮乏，淀粉特异性材料稀少严重制约了淀粉理化特性改良。自然条件下小麦Wx蛋白的多态性非常低，同时缺失两种亚基的材料非常少，而缺失Wx-D1蛋白的材料目前报道仅有我国的白火麦，3种亚基均缺失的糯小麦目前还没有报道，但在玉米、水稻、大麦等作物中均发现了天然的糯性突变类型[38]。我们对323份面粉材料的检测表明，我国小麦面粉直链淀粉的变异幅度为16.18%～31.79%，平均为23.24%，变异系数仅9.5%，日本小麦品种直链淀粉含量的变异幅度为22%～30%。从样品分布看，直链淀粉含量低于19%和高于29%的样品只有17份，淀粉特异性材料非常少[21]。
TILLING技术近年来在淀粉品质改良中得到广泛应用，但主要用于创制突变体进行理论研究。由于需要的仪器设备相对昂贵，很难在育种单位尤其是我国的育种单位得到广泛应用。另外，由于小麦染色体组的庞大和海量非编码区和微卫星重复序列的存在，检测到的大量突变体未必会导致性状（淀粉理化特性）的变异，进一步影响了TILLING技术在小麦淀粉品质改良上的应用。由于染色体组的复杂性等原因，小麦转基因技术也发展缓慢，基因枪法重复性好，但发生频率极低的转基因植株绝大部分为多拷贝插入，容易发生基因沉默现象；农杆菌介导法转入拷贝数少，可以降低转基因沉默频率，但在小麦上掌握该技术的报道非常少[39]。另外，再加上小麦组培技术尚没有完全过关，进一步限制了转基因技术在小麦上的应用，导致转基因效率远低于水稻、玉米等其它作物[35，39]。
影响淀粉品质改良的另一重要因素是淀粉特性的检测。目前直链淀粉含量测定用得较多的是I2-KI比色法，而溶液的pH值、温度、反应时间等反应条件均强烈影响显色结果，从而带来误差[40]。而糯小麦成功培育报道较多也是因为糯性胚乳I2-KI染色呈棕红色、而其它非糯材料染色呈紫黑色，检测简便易行[32，33]。抗性淀粉的测定是模拟人体内的消化过程，需要多种酶的连续作用，过程复杂，耗时长且成本高[41～43]。面包、馒头、面条等食品加工品质鉴定程序更加繁琐、耗时，而且需要大量样品[9]。小麦营养保健和加工品质与籽粒直链淀粉含量密切相关，直链淀粉含量与淀粉糊化特性高度相关，而淀粉糊化特性的测定仪器价格较低，宜于操作，重现性好，用样量少。因此我们研究建立了使用甲基磺酸乙酯EMS诱导淀粉理化特性变异，经过淀粉糊化特性初筛，然后测定直链淀粉含量进一步精选，最后测定抗性淀粉含量和进行食品制作评价确认，这种淀粉理化特性特异性材料创制方法，初步试验结果证明是高效可行的[44]。
EMS是一种烷化剂，在多倍体小麦中，诱变频率极高。Slade等（2005）[33]研究发现，六倍体小麦经EMS诱变后，每24 kb就有一个碱基突变，在四倍体小麦中每40 kb就有一个突变。我们通过EMS诱变济麦20和济麦22得到大量淀粉理化特性变异群体，初步检测表明其淀粉糊化参数、直链淀粉含量变异系数都在10%以上，有的参数甚至达到40%，远高于自然条件下的变异幅度。经过淀粉糊化特性筛选，从诱变群体中发现了直链淀粉含量显著下降和抗性淀粉含量明显升高的突变材料，分子标记检测表明，部分材料淀粉合成关键酶基因发生了突变[45]。
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关键词：小麦；淀粉；理化特性；遗传改良
中图分类号：S512.101 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2013）08-0137-04
小麦淀粉的用途非常广泛，不仅可以制作面包、面条、馒头等各种食品，还可用于造纸和纺织，也可作为生产葡萄糖浆、胶带等的原料[1～3]。淀粉占小麦籽粒干重的60%～70%、面粉的65%～75%，与籽粒和面粉产量关系密切[4]。对加拿大33个春小麦的研究表明，淀粉含量与籽粒产量呈正相关（r=0.56，P=0.01）[5]。许多学者提出了各种提高籽粒产量的措施，如促进光合器官中碳水化合物的合成及其向籽粒的分配，但归根结底还是促进籽粒中淀粉的合成和积累[6～9]。
淀粉分为直链淀粉和支链淀粉。淀粉在小麦胚乳中以淀粉粒的形式存在。淀粉粒由结晶层和未定形层交替形成的重复生长环组成。支链淀粉链成束排列，在束内淀粉链以双螺旋排列成整齐的结晶层，结构致密；直链淀粉在淀粉粒内以单螺旋形式存在，主要分布在淀粉粒未定形区[1～3，10，11]。淀粉的合成需要一系列酶的参与，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）催化合成ADP-葡萄糖，成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。小麦AGPase酶活性升高，淀粉含量升高，籽粒产量增加[1～3，10，11]。淀粉合酶（SS）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），负责直链淀粉的合成，普通六倍体小麦含有三种Wx蛋白亚基（Wx-A1、Wx-B1和Wx-D1）；可溶性淀粉合成酶（SSS），主要在支链淀粉合成中起作用。淀粉分支酶（SBE）形成支链。Wx蛋白突变/缺失或利用RNAi抑制GBSS活性，直链淀粉含量下降；支链淀粉合成相关的基因突变，直链淀粉含量相对升高[2，3，12，13]。1淀粉理化特性对小麦营养保健和加工品质至关重要
淀粉在胚乳中沉积的特性对淀粉含量、籽粒硬度、淀粉粒大小分布与形状、脂类的结合、支链淀粉结构、直/支链淀粉比例等均有重要影响，进而影响到利用时淀粉对热和水的反应，最终表现出不同的理化特性和加工品质[14～16]。淀粉粒的大小和分布是决定小麦磨粉/加工品质的重要因素。软质小麦淀粉粒和蛋白骨架结合疏松，而硬质小麦结合致密，在磨面过程中，软质小麦在淀粉粒和蛋白骨架之间破裂，而硬质小麦在淀粉粒和蛋白骨架内部破裂，因此硬质小麦淀粉破碎率高，和面时吸水也多，适合制作面包、面条，而软质小麦正相反，适合制作饼干、糕点[17]。
直链淀粉含量对面包体积和质地有巨大影响，含量过低，面团发粘，尽管面包体积有所增大，但结构变差，气泡大而不匀，总体质量下降[18]；而直链淀粉含量过高，面包品质也显著下降[19]。淀粉理化特性对馒头和面条加工品质也有重要影响。Huang等（1996）[20]研究表明，淀粉糊化参数中，除峰值时间外，所有粘度参数均与馒头比容呈正相关，其中峰值粘度与馒头体积、比容、结构和评分间的相关系数分别达到显著和极显著水平。面条的食用品质主要受淀粉（面粉）品质性状的影响，多数面条品质参数，特别是食用品质（如面条软度、光滑性及口感等）受面粉中淀粉特性的影响，直链淀粉含量较低的小麦品种或面粉在面条软度、粘性、光滑性、口感和综合评分等品质参数上有较好的表现[21]。
淀粉的糊化特性主要与淀粉粒大小和比例、直链淀粉的含量、直链淀粉与支链淀粉的比例有关[14～17]。高的峰值粘度和稀懈值、低的最终粘度和反弹值总是与低的直链淀粉含量同时出现[22]。直链淀粉含量接近零时，为糯小麦，其淀粉（支链淀粉）结晶程度高，回生慢，可以推迟烘烤食品的凝沉进程，延长烘烤食品的货架寿命，从而可以替代昂贵的添加剂来提高面团的水合力[18， 23， 24]。直链淀粉含量升高可以形成更多的抗性淀粉[25]。抗性淀粉是一种新型膳食纤维，对于肥胖、糖尿病、心血管疾病、结肠癌等一系列迅速蔓延的慢性非传染性疾病具有很好的预防和治疗作用[42]，尽管目前抗性淀粉产品主要来源于玉米，但由于小麦加工食品的多样性及其独特的口感，人们更希望在小麦抗性淀粉研究方面取得突破。因此，淀粉理化特性对小麦产量、营养保健和加工品质都有非常重要的影响，淀粉理化特性遗传改良也成为世界范围内研究的热点[2，3，12，13]。
2小麦淀粉品质遗传改良成效显著
从目前情况看，杂交选育仍是小麦淀粉品质改良的主要和首选方法。目前得到的糯性小麦大多是用此种方法得到的[23]，我国的优质面包、面条小麦品种也基本上是通过这种方法选出的[9]。Nakamura等（1995）[26]用关东107（缺失Wx-A1和Wx-B1蛋白）作母本，分别与Aldura （杜伦小麦，AABB）和白火麦（缺失Wx-D1蛋白）杂交，经系统选育，首次得到了糯性小麦。Hegstad等（1998）[27]将半糯性六倍体小麦与硬粒小麦杂交，得到了糯性硬粒小麦。Miura等（2002）[28]通过关东107与白火麦杂交得到了全部8种不同Wx组合类型。Zhao和Sharp（1996）[29]也得到了糯性六倍体小麦。中国农业大学用关东107和Ike分别与江苏白火麦和内乡白火麦杂交也得到了糯性株系[30]。Yamamori等（2000）[31]通过杂交选育，从Kanto79/Turkey116 F2//Chousen57后代中选育出高直链淀粉含量小麦品系。 化学诱变具有诱发突变率高、染色体畸变少、对处理材料损伤轻、所需设备简单、成本低、诱变效果好等特点，在小麦淀粉品质改良方面得到广泛应用。Kiribuchi-Octobe等（1998）[24]用甲基磺酸乙酯（EMS）处理关东107小麦得到糯性植株K107Wx1和K107Wx2，用叠氮化钠处理Tanikei A6099得到糯性变异品系Tanikei A6599-4（直链淀粉含量1.6%）和H1881（直链淀粉含量0.4%）。随着新技术的不断创新，诱变方法已发展成为定向诱导基因组局部突变（TILLING）方法，由于其具有高通量、大规模、高灵敏度和自动化等特点，得到更加广泛的应用[32～34]。Slade等（2005）[33]用TILLING法检测1 920份变异材料，其中246份材料淀粉合成基因发生变异。但通过化学诱变创造高抗性淀粉含量富保健功能小麦种质的研究报道很少。
随着生物技术的发展，转基因技术在改良淀粉理化特性方面发挥出越来越大的作用，基因工程改良淀粉品质成为国际研究的热点，并取得显著进展[35]。Stark等（1992）[36]将大肠杆菌K12突变株系618转入烟草，淀粉含量比对照增长近2倍。Chibbar等（1998）[37]利用遗传工程方法得到富含支链淀粉的小麦。Baga等（1999）[35]用基因枪法得到了缺失1个或2个GBSSI位点的小麦品系。Regina等（2006）[25]利用RNAi技术获得了直链淀粉含量高达70%的小麦突变体，抗性淀粉含量也明显增加。
3小麦淀粉品质遗传改良仍存在诸多限制
尽管小麦淀粉理化特性遗传改良近年来取得显著进展，但与水稻、玉米等其它作物相比差距仍然非常大。困扰小麦淀粉品质改良的一个主要问题是遗传资源的匮乏，淀粉特异性材料稀少严重制约了淀粉理化特性改良。自然条件下小麦Wx蛋白的多态性非常低，同时缺失两种亚基的材料非常少，而缺失Wx-D1蛋白的材料目前报道仅有我国的白火麦，3种亚基均缺失的糯小麦目前还没有报道，但在玉米、水稻、大麦等作物中均发现了天然的糯性突变类型[38]。我们对323份面粉材料的检测表明，我国小麦面粉直链淀粉的变异幅度为16.18%～31.79%，平均为23.24%，变异系数仅9.5%，日本小麦品种直链淀粉含量的变异幅度为22%～30%。从样品分布看，直链淀粉含量低于19%和高于29%的样品只有17份，淀粉特异性材料非常少[21]。
TILLING技术近年来在淀粉品质改良中得到广泛应用，但主要用于创制突变体进行理论研究。由于需要的仪器设备相对昂贵，很难在育种单位尤其是我国的育种单位得到广泛应用。另外，由于小麦染色体组的庞大和海量非编码区和微卫星重复序列的存在，检测到的大量突变体未必会导致性状（淀粉理化特性）的变异，进一步影响了TILLING技术在小麦淀粉品质改良上的应用。由于染色体组的复杂性等原因，小麦转基因技术也发展缓慢，基因枪法重复性好，但发生频率极低的转基因植株绝大部分为多拷贝插入，容易发生基因沉默现象；农杆菌介导法转入拷贝数少，可以降低转基因沉默频率，但在小麦上掌握该技术的报道非常少[39]。另外，再加上小麦组培技术尚没有完全过关，进一步限制了转基因技术在小麦上的应用，导致转基因效率远低于水稻、玉米等其它作物[35，39]。
影响淀粉品质改良的另一重要因素是淀粉特性的检测。目前直链淀粉含量测定用得较多的是I2-KI比色法，而溶液的pH值、温度、反应时间等反应条件均强烈影响显色结果，从而带来误差[40]。而糯小麦成功培育报道较多也是因为糯性胚乳I2-KI染色呈棕红色、而其它非糯材料染色呈紫黑色，检测简便易行[32，33]。抗性淀粉的测定是模拟人体内的消化过程，需要多种酶的连续作用，过程复杂，耗时长且成本高[41～43]。面包、馒头、面条等食品加工品质鉴定程序更加繁琐、耗时，而且需要大量样品[9]。小麦营养保健和加工品质与籽粒直链淀粉含量密切相关，直链淀粉含量与淀粉糊化特性高度相关，而淀粉糊化特性的测定仪器价格较低，宜于操作，重现性好，用样量少。因此我们研究建立了使用甲基磺酸乙酯EMS诱导淀粉理化特性变异，经过淀粉糊化特性初筛，然后测定直链淀粉含量进一步精选，最后测定抗性淀粉含量和进行食品制作评价确认，这种淀粉理化特性特异性材料创制方法，初步试验结果证明是高效可行的[44]。
EMS是一种烷化剂，在多倍体小麦中，诱变频率极高。Slade等（2005）[33]研究发现，六倍体小麦经EMS诱变后，每24 kb就有一个碱基突变，在四倍体小麦中每40 kb就有一个突变。我们通过EMS诱变济麦20和济麦22得到大量淀粉理化特性变异群体，初步检测表明其淀粉糊化参数、直链淀粉含量变异系数都在10%以上，有的参数甚至达到40%，远高于自然条件下的变异幅度。经过淀粉糊化特性筛选，从诱变群体中发现了直链淀粉含量显著下降和抗性淀粉含量明显升高的突变材料，分子标记检测表明，部分材料淀粉合成关键酶基因发生了突变[45]。
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