背景：
淀粉约占小麦籽粒干重的65–75%，小麦胚乳主要包括直径10μm的A-型淀粉粒和直径5-10μm的B-型淀粉粒，它们分别在开花后4–14天和10–16天开始形成。淀粉由两种淀粉多糖直链淀粉和支链淀粉组成，它们以D-葡萄糖通过α-(1,4)和α-(1,6)糖苷键连接而成。淀粉结构与理化特性受不同植物种、品种、基因型以及各种生物与非生物胁迫因子的影响，种子淀粉的组成和含量与小麦籽粒产量、营养特性和加工品质密切相关。
根据可消化习性，淀粉可分为快速消化淀粉（RDS）、慢消化淀粉（SDS）和抗性淀粉（RS）。抗性淀粉指摄入后未经降解和吸收淀粉的总称，它在结肠中发酵分解成短链脂肪酸（SCFAs）。根据植物来源与特性，抗性淀粉进一步分为5种类型：RS1—身体难消化淀粉、RS2—生淀粉颗粒、RS3—退化淀粉、RS4—化学修饰淀粉和RS5—直链淀粉-脂质复合体。SCFAs是抗性淀粉的功能形式，它们直接提供5~10%人体能量，有助于预防非传染性疾病如二型糖尿病、结/直肠癌和慢性肾脏疾病等。所以增加作物和淀粉食品抗性淀粉组分是促进人类健康的可行方法。干旱导致淀粉生物合成受阻，粒重和产量显著下降，而高氮肥应用可促进籽粒贮藏蛋白和淀粉生物合成，显著增加粒重、产量和加工品质。同时，高氮还能改变淀粉消化、糊化及其热特性。然而，水分亏缺和高氮肥处理对小麦抗性淀粉形成、分子结构及其理化特性的影响还不清楚。
近日，首都师范大学生命科学学院晏月明教授团队在《CarbohydratePlolymers》杂志发表了“Effectsofwater-deficitandhigh-nitrogentreatmentsonwheatresistantstarchcrystallinestructureandphysicochemicalproperties”（,:）的论文，该研究利用小麦品种中麦为材料进行连续两年的大田试验，首次揭示了在水分亏缺和高氮肥条件下小麦抗性淀粉形成、晶体结构及其理化特性的变化，为作物抗性淀粉形成机制提供了新的证据。
一、水分亏缺和高氮肥对淀粉粒形成、淀粉化学组成与水解特性的影响
-和-连续两年的大田试验表明，水分亏缺和高氮肥处理分别导致A-、B-型淀粉颗粒数量和直径的显著下降和增加（图1）。水分亏缺条件下，总淀粉和直链淀粉含量分别下降5.25%和14.75%，但支链淀粉含量无显著变化。相反，高氮肥施用下总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量均增加10%以上。与RS不同，RDS和SDS在小肠中分别在20和min内完全消化或吸收。水分亏缺和高氮肥都提高RDS、原生RS和RS含量，水分亏缺下SDS含量变化较小，高氮肥施用显著降低SDS含量，但RDS和RS含量分别提高20.46%和14.11%（表1）。与对照相比，高氮肥显著提高淀粉水解度，但水分亏缺条件下淀粉水解度逐渐降低（图2）。一般认为直链淀粉/支链淀粉含量比率、淀粉粒大小与表面积、结晶度、多孔性和完整性都影响淀粉体外消化率，我们的结果表明水分亏缺和高氮肥处理均显著影响淀粉粒数量和体积、淀粉化学组成与水解特性。
图1.–和–生长季水分亏缺和高氮肥条件下中麦75纯化淀粉粒数量和直径的变化.对照CK,水分亏缺WD和高氮肥HN。
图2.水分亏缺和高氮肥处理下小麦淀粉的水解曲线
图中数据为两个连续生长季的平均值。
二、不同处理下RS粒度分布和长/短程晶体结构的变化
高氮肥和水分亏缺处理分别增加和降低RS粒度分布，特别地，水分亏缺显著降低d(0.1)、d(0.5)和D(3,2)的直径，但高氮肥下所有RS颗粒大小测量值均显著增加（表2）。通过X-射线衍射（XRD）检测了不同处理下RS样品的长程晶体结构（Fig.3A）和相对结晶度（表2）变化，淀粉晶体结构可分为A、B、CandV四种类型。水分亏缺和高氮肥处理都增加RS结晶度，但不改变XRD模式。两种处理下RS具有一个B+V-型多晶型衍射特征，并在20.2°(2θ)具有一个强衍射峰和6.3°、17.2°与36~38°(2θ)处的弱衍射峰，在20.2°(2θ)的强度可能反映线性淀粉链单螺旋结构而非直链淀粉-脂质复合体。水分亏缺下17.2°(2θ)处的特征衍射峰逐渐变锐利而高氮下变模糊，与衍射峰变化一致，相对结晶度在水分亏缺下降低3.32%、高氮下增加7.61%（表2）。衍射峰强度与相对结晶度的改变暗示RS长程晶体结构随不同处理而发生变化，这与RS粒度分布的变化一致。与高氮相比，水分亏缺下较低的相对结晶度主要归因于直链淀粉含量、直链淀粉/支链淀粉比率和较大比例的短/长支链淀粉分支等变化。
傅里叶变换红外光谱(FTIR)可揭示水分亏缺和高氮肥条件下RS在特定吸收范围（0–cm-1）的短程晶体结构的变化（Fig.3B），在该区域的系列峰主要由C–OandC–C拉伸振动引起并易受糖类物理状态变化的影响，它显示淀粉分子链结构的有序信息。来自不同处理的RS样本具有一个相似的去卷积光谱和特征峰，未出现新的吸收峰，在和cm-1处的红外光谱分别可见RS结晶区和非结晶区，利用/cm1处的红外比率可定量RS的结构有序度和有序结晶对非结晶区的量，/cm1(IR1)和/cm1(IR2)强度比是FTIR数据与其他淀粉构象测量相比较的有用指数，吸光度IR1比率可用于定量有序度，而IR2比率可作为无定形结晶与有序糖类结构比率的测量。我们的结果显示，高氮肥显著提高IR1比率而降低IR2比率，水分亏缺则出现相反的结果（表2）。所以，与水分亏缺相比，高氮下RS有一个更加有序的短程结构，这与相对结晶度的变化一致。水分亏缺引起RS短程晶体结构的破坏可能来自过多的淀粉链移动（Huetal.,）。
图3.水分亏缺和高氮肥处理RS长/短程晶体结构的变化
(A)XRD图谱.(B)傅里叶变换红外光谱(FTIR)图谱.
三、不同处理RS理化特性变化
测定了在水分亏缺和高氮肥处理下RS的理化特性变化（表3），糊化特性包括峰值粘度PV、低值粘度TV、衰弱质BV、最终粘度FV、回生粘度SV和糊化温度PT。淀粉糊化特性与淀粉粒大小、直链淀粉含量、分子大小、支链淀粉含量、链-长度分布和直链淀粉-脂质复合体密切相关。结果显示，高氮处理显著增加PV、BV、SV和PT，减低TV，而水分亏缺显著提升FV、SV和PT，减低PV、TV和BV。RS油吸收能力（OAC）分析显示，水分亏缺和高氮处理对OAC分别具有负向和正向影响（表3）。冻融稳定性（FTS）是淀粉退化的量度，也是淀粉食品加工和运输过程中的关键指标，淀粉食品在冻融下的温度波动将导致贮藏、运输和销售过程中的水分损失、表皮裂纹、硬化和脆断等（Wangetal.,）。结果表明，水分亏缺和高氮处理分别显著降低和提高RS冻融稳定性。
四、RS相关参数的相关性
17个RS相关参数的Pearson相关系数分析表明，RS含量与总淀粉、直链淀粉、RDS含量、相对结晶度、IR1、峰值粘度和回生粘度、OAC和FTS呈显著正相关，与SDS、IR2和最终粘度显著负相关，与内源RS和糊化温度无明显相关；特别地，RS含量与直链淀粉含量的高度正相关与过去谷物淀粉的报道一致。直链淀粉和RS含量与其他参数往往具有高度一致的相关性，水稻中几乎所有淀粉理化特性都受到直链淀粉含量的影响（Qinetal.,）。
上述研究结果为深入了解作物抗性淀粉形成和分子结构以及高抗性淀粉品种选育与栽培奠定了理论基础。硕士研究生夏键和博士研究生朱东为论文共同第一作者，研究得到国家重大研究计划（YFD）和国家自然科学基金（）项目资助。