大麥表皮蠟質(zhì)組分及晶體結(jié)構(gòu)的差異性分析

康朝麒,朱 娟,洪 益,張宇航,呂 超,郭寶健,王菲菲,許如根

(植物功能基因組學(xué)教育部重點實驗室/江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點實驗室/江蘇糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院,江蘇揚州 225009)

蠟質(zhì)是指覆蓋在植物表皮細(xì)胞外的一層疏水結(jié)構(gòu),多數(shù)植物的莖、葉、果實等器官表面均有分布[1]。表皮蠟質(zhì)主要由特長鏈脂肪酸及其衍生物組成,分為內(nèi)層蠟質(zhì)和外層蠟質(zhì),二者分布方式迥異,內(nèi)層蠟質(zhì)零星點綴于角質(zhì)之間,外層蠟質(zhì)則以各式形狀晶體或者薄膜形式附著在植物器官表面[2-3];其合成是發(fā)生在表皮細(xì)胞中的一個復(fù)雜生理過程,需要多種酶以及細(xì)胞器參與,首先在質(zhì)體中進(jìn)行C16和C18脂肪酸的從頭合成,進(jìn)而脂肪酸碳鏈延長形成超長鏈脂肪酸,最后通過脫羰途徑和?；€原途徑將超長鏈脂肪酸衍生成多種蠟質(zhì)組分[4-6]。表皮蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)及組分受多種因素影響,Samuels等[7-8]研究表明,不同物種之間,其蠟質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)以及含量存在較大差異;同一物種不同器官、不同生育時期蠟質(zhì)的分布也有差異。蠟質(zhì)的組分、結(jié)構(gòu)及含量除受遺傳因素控制外,對外部環(huán)境響應(yīng)較敏感,當(dāng)存在環(huán)境脅迫因子時,蠟質(zhì)改變自身晶體微觀結(jié)構(gòu)及化學(xué)組分,以適應(yīng)外部環(huán)境脅迫[9]。

大麥?zhǔn)鞘澜缟系谒拇蠛坦阮愖魑?用途廣泛,具有較強(qiáng)抗性。表皮蠟質(zhì)作為大麥植株表面的第一道防線,可通過在器官表面建立物理邊界來應(yīng)對生物和非生物逆境。Lewandowska等[10]研究表明,蠟質(zhì)能在一定程度上防止植物因過度蒸騰造成水分損失過多,抗紫外線輻射,抵御害蟲和其他病原體的侵襲。Daszkowska-Golec等[11]發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下,大麥材料CBP20表皮蠟質(zhì)含量相較野生型有所增加,葉片失水較少,更利于適應(yīng)干旱環(huán)境。Tsuimuk等[12]研究表明,大麥對蚜蟲的抗性與表皮蠟質(zhì)含量呈正相關(guān)。明確大麥表皮蠟質(zhì)組分及結(jié)構(gòu)有助于明晰大麥表皮蠟質(zhì)與抗旱、抗蟲性關(guān)系,對于抗性大麥品種的選育有著重要意義,而目前相關(guān)研究鮮見。本研究以鄂9706、QS、蘇農(nóng)91-7112等7份大麥品種(系)為材料,通過對其開花期3個不同器官表皮蠟質(zhì)組分和結(jié)構(gòu)測定、觀察與分析,了解不同大麥品種(系)間蠟質(zhì)組分與結(jié)構(gòu)差異性、不同器官表皮蠟質(zhì)組分與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系,為大麥表皮蠟質(zhì)合成機(jī)理及抗性機(jī)制研究及抗逆性大麥品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 參試材料

以鄂9706、QS、蘇農(nóng)91-7112、Y5S086、FR、SYR01、早熟3號為材料,其來源及特性見表1。

1.2 方 法

1.2.1 大麥表皮蠟質(zhì)樣品制備及蠟質(zhì)成分分析

參試材料于2021年秋播種于揚州大學(xué)農(nóng)學(xué)院育種試驗地;于2022年大麥開花期選取倒二葉、穗下節(jié)、穗進(jìn)行表皮蠟質(zhì)提取,采用Trace ISQ氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀(Trace ISQ,美國賽默飛世爾)進(jìn)行蠟質(zhì)成分測定,3次重復(fù)。蠟質(zhì)提取方法、氣質(zhì)聯(lián)用儀分析條件和升溫程序均參照孫瑜琳[13]的方法。

根據(jù)質(zhì)譜數(shù)據(jù)庫,對蠟質(zhì)各組分進(jìn)行定性分析和鑒定。利用Xcalibur軟件對各組分離子峰面積進(jìn)行積分,參照內(nèi)標(biāo)正二十四烷含量定量分析蠟質(zhì)各組分化合物。

1.2.2 蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)觀察

參照孫瑜琳[13]的方法,將大麥各器官樣品于50 ℃烘干,切成5 mm×5 mm小塊,用導(dǎo)電膠將其固定在托盤上,抽真空后鍍金;在S-4800II場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi,S-4800)上觀察各部位表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)并拍照。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用SPSS statistics 21和Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 大麥表皮蠟質(zhì)組分及碳鏈分布分析

由表2可知,參試大麥品種(系)不同器官表皮蠟質(zhì)共分5類、20種,分別是5種烷烴、5種初級醇、4種醛、4種脂肪酸及2種二酮,其中烷烴均為碳鏈長度處于C25～C33之間的奇數(shù)碳原子直鏈飽和烴類;初級醇碳鏈長度為C22、C24、C26、C28、C30;醛與初級醇類似,碳鏈長度變化范圍為C24～C30,且為偶數(shù)碳原子;脂肪酸主要由碳鏈長度為 C22～C28偶數(shù)碳原子脂肪酸組成;二酮類組分碳鏈長度均為C31,包含β-二酮和羥基-β-二酮2種物質(zhì)。由表3可知,不同器官5類蠟質(zhì)組分含量及總蠟質(zhì)含量在品種(系)間均存在顯著差異;初級醇、烷烴、醛及脂肪酸含量及蠟質(zhì)組分總含量均以倒二葉最高,二酮含量均以穗下節(jié)最高。

表2 大麥表皮蠟質(zhì)組分及組成Table 2 Wax components on different organs of different varieties (lines)

表3 參試品種(系)不同器官表皮蠟質(zhì)組分含量Table 3 Wax components and contents on different organs of different varieties (lines) μg·g-1

2.2 大麥穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)組分及含量分析

由表3可知,大麥穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)主要由二酮、初級醇、烷烴、醛、脂肪酸組成,以二酮含量最高,占比約為57.66%～79.13%;醇和烷烴次之,占比分別為10.25%～18.35%和6.44%～ 19.22%;醛類物質(zhì)較少,占比2.57%～4.27%;脂肪酸含量最低,占比0.76%～2.14%。SYR01的穗下節(jié)無白霜覆蓋,其二酮含量和總蠟質(zhì)含量均顯著(P<0.05)低于其余穗下節(jié)有白霜覆蓋的品種(系)。

由圖1可知,穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)組分中,蘇農(nóng)91-7112、鄂9706、Y5S086、早熟3號中C28醇含量最高,QS、FR中以C26醇為主,SYR01則以C24醇為主。供試材料的烷烴以C29或C31烷為主,C33烷含量最低;脂肪酸以C26酸為主,醛類物質(zhì)以C28醛所占比重最高;二酮類物質(zhì)包括β-二酮和羥基-β-二酮,且在部分品種(系)間二酮含量差異顯著,其中SYR01穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)中β-二酮和羥基-β-二酮含量明顯低于其余6個白霜型品種(系)。

相同組分圖柱上不同小寫字母表示品種(系)間差異在0.05水平顯著。下圖同Different letters above columns of same componert indicate significant difference among varieties(lines). at 0.05 level. The same in figures 2 and 3.圖1 參試品種(系)穗下節(jié)蠟質(zhì)組分碳鏈長度分布Fig.1 Carbon chain length distribution of wax on peduncles of different varieties(lines)

2.3 參試大麥品種(系)穗表皮蠟質(zhì)組分及含量

參試品種(系)穗表皮蠟質(zhì)組分及含量見表3。大麥穗部表皮蠟質(zhì)主要包括二酮、烷烴、初級醇、醛、脂肪酸。穗部有白霜覆蓋品種(系)表皮蠟質(zhì)中,二酮占57.09%～68.24%,烷烴占11.45%～ 21.57%,初級醇占9.62%～19.39%,醛占 3.36%～11.31%,脂肪酸占0.43%～1.61%。穗部無白霜覆蓋的品種(系)表皮蠟質(zhì)組分較穗部有白霜覆蓋品種(系)差異明顯,其二酮含量極低;以烷烴和初級醇為主,分別占39.24%～71.04%和 22.98%～ 41.43%;醛類和脂肪酸較少,分別占 3.78%～ 17.66%和1.50%～1.74%。無白霜覆蓋品種(系)穗部表皮蠟質(zhì)總量顯著低于白霜型品種(系)(P<0.05)。

由圖2可知,穗部表皮蠟質(zhì)烷烴組分中,C31或C29烷含量最高;醇類含量較烷烴含量略低,除Y5S086以C28醇為主、SYR01以C24醇為主外,其余品種(系)醇類組分以C26醇為主;醛類碳鏈長度多為C26或C28;所有品種(系)脂肪酸類含量均很低,且多以C28酸為主。白霜型大麥表皮蠟質(zhì)二酮含量與無白霜大麥差異顯著,白霜型大麥穗部表皮蠟質(zhì)中有大量二酮類物質(zhì)積累,其中β-二酮含量均高于羥基-β-二酮,且不同品種(系)間,β-二酮和羥基-β-二酮含量均存在較大差異。QS、SYR01、FR共3個穗部無白霜覆蓋品種表皮蠟質(zhì)中二酮含量極低,僅有極少量β-二酮和羥基-β-二酮存在,3者間差異不顯著。

圖2 參試品種(系)穗部蠟質(zhì)組分碳鏈長度分布Fig.2 Carbon chain length distribution of wax on spikes of different varieties(lines)

2.4 參試大麥品種(系)葉片表皮蠟質(zhì)組分及含量

由表3可知,參試品種(系)葉片表皮蠟質(zhì)組分中,初級醇含量最高,占蠟質(zhì)總量74.91%～86.23%;其次是醛、烷烴、脂肪酸,分別占6.25%～14.93%、5.43%～8.91%和0.90%～1.95%;二酮含量最少,占比僅為0.14%～0.54%。

由圖3可知,參試品種(系)葉片表皮蠟質(zhì)中初級醇組分多為C26醇;烷烴含量與醛含量接近,不同品種(系)間有所差異,其中鄂9706、Y5S086、FR和SYR01葉片表皮蠟質(zhì)中,醛類組分含量高于烷烴含量,僅次于初級醇;其余3品種(系)葉片表皮蠟質(zhì)第二大組分則為烷烴。所有品種(系)表皮蠟質(zhì)中烷烴主要為C29烷,醛類則以C28或C26醛為主。脂肪酸在各品種(系)葉表皮蠟質(zhì)中積累較少,且多為C28酸。參試品種(系)葉表皮蠟質(zhì)中僅檢測到極少量β-二酮和羥基-β-二酮物質(zhì),且多數(shù)品種間差異不明顯。

圖3 參試品種(系)葉片蠟質(zhì)組分碳鏈長度分布Fig.3 Carbon chain length distribution of wax on leaves of different varieties (lines)

2.5 參試大麥品種不同器官表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)

由圖4、圖5可知,不同器官表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)存在明顯差異。穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)晶體均呈棒狀,其中無白霜覆蓋的SYR01穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)晶體分布較其余6個品種(系)更為稀疏(圖4K)。白霜型大麥品種(系)穗部表皮蠟質(zhì)晶體均呈棒狀,光滑表型品種(系)QS和FR穗部表面僅有少量片狀晶體附著(圖4D、圖4J),而SYR01穗部無蠟質(zhì)晶體附著(圖4L)。倒二葉近軸面、遠(yuǎn)軸面表皮蠟質(zhì)晶體均呈片狀結(jié)構(gòu),且附著密度較為一致,差異不明顯。

A和B:鄂9706穗下節(jié)和穎殼;C和D:QS穗下節(jié)和穎殼;E和F:蘇農(nóng)91-7112穗下節(jié)和穎殼;G和H:Y5S086穗下節(jié)和穎殼;I和J:FR穗下節(jié)和穎殼;K和L:SYR01穗下節(jié)和穎殼;M和N:早熟3號穗下節(jié)和穎殼。A and B: Peduncle surface and glume surface of E 9706; C and D: Peduncle surface and glume surface of QS; E and F: Peduncle surface and glume surface of Sunong 91-7112; G and H: Peduncle surface and glume surface of Y5S086; I and J: Peduncle surface and glume surface of FR; K and L: Peduncle surface and glume surface of SYR01; M and N: Peduncle surface and glume surface of Zaoshu 3.圖4 參試品種(系)穗下節(jié)和穗表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)Fig.4 Cuticular wax crystals on the stem and glume surfaces of different varieties(lines)

A和B:鄂9706倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面;C和D:QS倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面;E和F:蘇農(nóng)91-7112倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面;G和H:Y5S086倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面;I和J:FR倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面;K和L:SYR01倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面;M和N:早熟3號倒二葉近軸面和遠(yuǎn)軸面。A and B: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of E 9706; C and D: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of QS; E and F: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Sunong 91-7112; G and H: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Y5S086; I and J: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of FR; K and L: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of SYR01; M and N: Adaxial and abaxial surface of top second leaf of Zaoshu 3.圖5 參試品種(系)葉片表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)Fig.5 Cuticular wax crystals on the leaf surface of different varieties(lines)

3 討 論

本研究利用GC-MS測定了7個大麥品種穗、穗下節(jié)、倒二葉表皮蠟質(zhì)組分及含量,分析結(jié)果表明,參試品種(系)表皮蠟質(zhì)均由20種成分構(gòu)成,其中初級醇5種、烷烴5種、醛4種、脂肪酸4種、二酮2種,但不同品種(系)、不同器官表皮蠟質(zhì)組分含量差異顯著,這與前人研究結(jié)果一致[14]。

3.1 蠟質(zhì)組分對蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的影響

Barthlott等[15]研究表明,植物表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)存在多種表現(xiàn)形式,以片狀和棒狀最為常見,棒狀晶體的形成與蠟質(zhì)中的二酮類物質(zhì)密切相關(guān)。Li等[16]發(fā)現(xiàn),無蠟材料w5葉鞘蠟質(zhì)β-二酮含量顯著低于高蠟小麥濟(jì)麥22,二者蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)均為棒狀,但w5晶體附著量較濟(jì)麥22少。Zhou等[17]發(fā)現(xiàn),無蠟大麥突變體材料cer-b.2葉鞘表皮蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)呈片狀,二酮含量為零,顯著低于蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)呈棒狀的白霜型品種Bowman;初級醇、烷烴等成分含量明顯高于Bowman。本研究中,參試品種(系)穗下節(jié)和4個白霜型品種(系)穗部表皮蠟質(zhì)組分均以二酮含量最高,且蠟質(zhì)晶體均呈棒狀,QS、FR及SYR01穗表皮蠟質(zhì)中僅含有極少量二酮物質(zhì),穗部無棒狀蠟質(zhì)晶體附著;SYR01穗下節(jié)表皮蠟質(zhì)二酮含量(57.66%)明顯低于6白霜型品種(系)(70.26%～79.14%),同時SYR01穗下節(jié)棒狀蠟質(zhì)晶體密度明顯小于其余品種(系),說明大麥表皮蠟質(zhì)晶體呈現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)可能與表皮蠟質(zhì)中二酮含量有關(guān),二酮含量可能在一定程度上影響棒狀蠟質(zhì)晶體的附著密度。

Richardson等[18]研究表明,大麥成熟葉片表皮蠟質(zhì)中1-二十六烷醇占有很大比例;Wang等[19]也發(fā)現(xiàn),小麥葉片表皮蠟質(zhì)各組分中初級醇含量最高。本研究結(jié)果與此類似,大麥葉片表皮蠟質(zhì)中初級醇蠟質(zhì)組分約占蠟質(zhì)總量74.91%～86.23%,占絕對主導(dǎo)地位,葉片近軸面、遠(yuǎn)軸面表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)均為片狀,緊密附著于葉表面,說明較高的初級醇含量可能是葉片表皮蠟質(zhì)晶體呈現(xiàn)片狀的誘因。

趙 帥等[20]發(fā)現(xiàn),濟(jì)麥6097穗部蠟質(zhì)二酮占比(84.21%)顯著高于泰山4447(58.38%),而初級醇和烷烴比重則較泰山4447低;泰山4447穗部蠟質(zhì)晶體呈片狀和棒狀,濟(jì)麥6097穗部蠟質(zhì)晶體則均呈棒狀,本研究與之存在一定差異,可能是因為本研究中主要成分二酮比例降低,穗部蠟質(zhì)中占比提升的烷烴或初級醇促進(jìn)了片狀蠟質(zhì)晶體的合成,出現(xiàn)蠟質(zhì)層片狀、棒狀晶體共存的現(xiàn)象。張蕓蕓等[21]認(rèn)為,白霜型小麥倒二葉上表皮蠟質(zhì)多為致密片狀晶體,而下表皮蠟質(zhì)多以管狀晶體形式存在。本研究結(jié)果與此不一致,可能是因為大麥葉片上下表皮蠟質(zhì)組分與小麥存在差異,導(dǎo)致大、小麥葉片擁有不同的表皮蠟質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)。

3.2 蠟質(zhì)組分對白霜表型的影響

Zhang等[22]研究表明,W1、W2基因功能缺失或者Iw1、Iw2基因的存在會導(dǎo)致小麥旗葉鞘表皮蠟質(zhì)β-二酮合成受阻,葉鞘出現(xiàn)無白霜表型。Adamskin等[23]也認(rèn)為,二酮含量與小麥白霜表型關(guān)系密切。本研究發(fā)現(xiàn),除SYR01外的6個品種(系)穗下節(jié)及鄂9706、蘇農(nóng)97-7112、Y5S086、早熟3號穗部表面均有明顯白霜狀物質(zhì)覆蓋,有白霜覆蓋的器官表皮蠟質(zhì)中二酮占比最高,無白霜覆蓋的器官表皮蠟質(zhì)中二酮組分含量顯著低于有白霜覆蓋器官。說明,不同器官蠟質(zhì)白霜表型不同是因為表皮二酮含量差異引起的。

3.3 蠟質(zhì)對大麥抗性的影響

González等[24]研究表明,干旱處理下高蠟質(zhì)大麥品種籽粒產(chǎn)量及抗旱性相較低蠟質(zhì)品種均有較大提高。黃 玲等[25]認(rèn)為,高蠟質(zhì)小麥品種干旱脅迫下葉片細(xì)胞膜穩(wěn)定性強(qiáng),細(xì)胞失水少,水分利用效率和產(chǎn)量較高。本研究中,植株表面蠟質(zhì)覆蓋較多的品種早熟3號曾是長江中下游主體推廣大麥品種,表現(xiàn)較好的抗性與豐產(chǎn)性;穗下節(jié)、穗部蠟質(zhì)含量較低的品系FR則易感蚜蟲。大麥穗、穗下節(jié)及上部葉片表皮蠟質(zhì)與大麥的抗旱性及抗蟲性可能存在一定的關(guān)系,尚需進(jìn)一步研究探討。