1. 研究目的与意义、国内外研究现状（文献综述）
小麦是世界上种植面积最大、分布范围最广的粮食作物。淀粉是世界上最重要的食物能源，也是小麦籽粒含量最高的组分，约占粒重的65-80[1]，对小麦产量、加工品质和生理功能有重要影响。小麦淀粉对人类而言是主要的碳水化合物来源和人体主要的能量来源[2]。因具有独特的理化特性而被广泛应用于食品工业，不仅可以制作面包、馒头、面条、饼干、蛋糕、通心粉，还可用于造纸和纺织工业及作为原料生产葡萄糖浆、胶带[3]。长期以来，人们对小麦品质的研究主要集中于蛋白质上，因为小麦蛋白质可以形成特有的面筋网络结构，对小麦面制品确有很大影响。但淀粉作为小麦的主要成分，占小麦籽粒干重的2/3-3/4,小麦淀粉特性对小麦品质具有不可忽视的影响[4]。小麦的品质与性能主要取决于小麦的品种、品质以及制粉技术。小麦籽粒品质在受自身遗传因素影响的同时，还受到环境条件的影响，其中氮肥运筹是栽培措施中的重要因素之一。近年来，随着测土配方施肥技术的推广应用, 人们在小麦生产中的施肥技术水平有了很大提高[5]，产量得到了显著提升，但在品质方面的改善工作并不深入，如何调控氮肥使小麦籽粒品质与产量协同提高成了目前最需要解决的问题。
本项目拟以优质专用小麦品种（强筋、中筋和弱筋）为材料，通过施用不同水平的氮素处理，重点从淀粉合成底物供应、淀粉合成关键酶活性及其编码基因表达模式等角度，研究小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征形成的生理机制，为优质专用小麦配套调优栽培技术的建立提供理论支持。主要研究内容包括：一.小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征形成生理机理，在籽粒淀粉积累关键生育期，重点分析淀粉合成关键酶、特别是可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉粒束缚态合成酶（GBSS）、淀粉分支酶（SBE）和淀粉脱分支酶（DBE）活性动态对淀粉合成的调控效应以及籽粒淀粉合成底物蔗糖、腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）动态供应水平；同时，分析籽粒发育过程中灌浆物质，尤其是淀粉合成底物从胚乳腔向胚乳细胞转运和积累的动态规律；并结合籽粒胚乳细胞发育、淀粉体、淀粉粒动态变化等形态学特征分析，阐释籽粒淀粉合成的生理机制；二.小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征形成的分子生物学机制，采用实时荧光定量PCR和RT-PCR技术，研究编码淀粉合成关键酶SSS和GBSS编码基因表达的动态变化规律，进而明确小麦籽粒淀粉时空分布特征形成的分子生物学机制；三.氮素施用对小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征的调控效应及其生理机制，设置不同施氮水平，研究籽粒淀粉理化特性空间分布特征以及淀粉合成关键酶活性与基因表达对不同氮肥处理的响应，进一步阐明通过氮素施用调节淀粉合成时空分布特征形成、进而调控小麦籽粒淀粉品质时空差异形成的生理机制。
氮素是小麦生长发育所必需的大量营养元素，约占植株干质量的1-1.6。氮在小麦体内有着多方面的营养作用，氮是冬小麦植株细胞原生质的重要组分，也是组成氨基酸、蛋白质的必需元素，是核酸、叶绿素、多种酶、维生素及植物激素的组成成分[6]。同时氮肥也是决定小麦籽粒产量与品质的重要因素，合理的氮肥运筹可以协调小麦产量与品质之间的关系，从而达到优质高产的生产目的。
2. 研究的基本内容和问题
淀粉是小麦籽粒中重要的组成部分，在成熟的籽粒中，胚乳重占籽粒重的90左右。胚乳中的主要成分是蛋白质和淀粉，其中淀粉占比75左右，由此可见淀粉对小麦品质有着重要的影响。本实验通过在大田条件下，设置不同的氮素处理，拟以优质专用小麦品种（强筋、中筋和弱筋）为材料，重点从淀粉合成底物供应、淀粉合成关键酶活性及其编码基因表达模式等角度，研究小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征形成的生理机制，为优质专用小麦配套调优栽培技术的建立提供理论支持。主要研究内容包括：
1.小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征形成生理机理。在籽粒淀粉积累关键生育期，重点分析淀粉合成关键酶、特别是可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉粒束缚态淀粉合成酶（GBSS）、淀粉分支酶（SBE）和淀粉脱分支酶（DBE）活性动态对淀粉合成的调控效应以及籽粒淀粉合成底物蔗糖、腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）动态供应水平；同时，分析籽粒发育过程中灌浆物质，尤其是淀粉合成底物从胚乳腔向胚乳细胞转运和积累的动态规律；并结合籽粒胚乳细胞发育、淀粉体、淀粉粒动态变化等形态学特征分析，阐释籽粒淀粉合成的生理机制。
2.小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征形成的分子生物学机制。采用实时荧光定量PCR和RT-PCR技术，研究编码淀粉合成关键酶SSS和GBSS编码基因表达的动态变化规律，进而明确小麦籽粒淀粉时空分布特征形成的分子生物学机制。
3. 研究的方法与方案
在大田条件下，采用裂区设计，以氮肥处理为主区，分为三个氮处理（0、225、270 kg·ha-1）；品种为副区，采用强筋（徐麦32）、中筋（扬麦16）和弱筋（扬麦15）优质专用小麦品种。每品种每处理重复3次，共27个小区。每小区面积17.5m2，基本苗16万左右/亩。样品分为鲜样和干样，干样105℃杀青30min，80℃烘干，用于淀粉组分含量和蔗糖的测定。剪下穗子后迅速放入液氮中，放入-80 ℃冰箱保存用于相关酶和基因的测定。
高效液相色谱（HPLC）技术和化学测定方法：分析小麦植株和籽粒糖/氮营养状况，研究植株与籽粒糖/氮营养水平与平衡对淀粉理化特性形成的调节机理；RT-PCR和荧光定量PCR技术：采用Invitrogenw公司的植物种子mRNA提纯化专用试剂合（TRIzol Reageng Kits）分离与纯化mRNA，根据已知SSS和GBSS相关编码基因序列，分别设计相应的引物，按标准程序分析各相关基因表达模式；小麦颖果切片和激光扫描共聚焦显微镜（CSLM）技术：将小麦颖果切块用戊二醛、饿酸等试剂固定，树脂浸透与包埋、染色，先制成半薄切片，用光镜观察颖果的基本结构，再制作超薄切片，用透射电镜观察胚乳细胞的超微结构。
4. 研究创新点
研究表明，花后叶片和穗等器官中的即时光合产物和茎鞘等营养器官中在花前和籽粒灌浆起始阶段贮存的非结构碳水化合物的再动员是小麦籽粒淀粉合成的物质基础，因此小麦籽粒淀粉合成能力受底物供应水平调控，同时小麦籽粒胚乳细胞发育、淀粉体、淀粉粒动态变化等形态学特征反映淀粉理化特性。小麦籽粒淀粉在胚乳淀粉质体中合成，其合成能力受淀粉合成关键酶活性调控，淀粉合成酶活性受其编码基因表达调控，并由此调控生物淀粉的合成。本项目通过研究淀粉粒发育的形态特征来研究淀粉粒的空间分布特征，并通过深入挖掘淀粉合成关键酶编码基因的表达水平来调控小麦淀粉理化特性分布特征的形成。
本项目除了阐明小麦籽粒淀粉合成的特征之外，还增加了氮素处理。结合氮肥施用来研究小麦籽粒淀粉的生物合成，通过比较施氮量对小麦籽粒淀粉组分、淀粉粒度分布以及淀粉糊化特性的影响，明确促进小麦籽粒淀粉生物合成的氮素用量，探究不同氮素水平对强筋小麦、中筋小麦和弱筋小麦淀粉生物合成的影响。
5. 研究计划与进展
前期通过研究淀粉合成底物从胚乳腔向胚乳细胞转运和积累的动态规律，并结合籽粒胚乳细胞发育、淀粉体、淀粉粒动态变化等形态学特征分析，阐释籽粒淀粉合成的生理机制；中期完成阐明小麦籽粒淀粉时空分布特征形成的分子生物学机制；后期完成明确氮素施用对小麦籽粒淀粉理化特性空间分布特征的调控效应及其生理机制。
2018年6月-2018年7月 了解研究背景，确定研究课题
2018年7月-2018年9月 进行前期淀粉生物合成机制相关实验
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