大麦籽粒灌浆期β-淀粉酶积累动态与气象因子关系研究

周元成 陈爱萍 曹永立 王 镇 赵玉坤 侯东红 解丽丽

（山西农业大学（山西省农业科学院）小麦研究所，041000，山西临汾）

大麦营养丰富，含有多种蛋白质和氨基酸，应用广泛，是酿酒、饲料加工、粮食生产和医药生产等不可缺少的重要原材料。就啤酒大麦而言，限制我国啤酒大麦生产的主要因素之一是品质较差，其中，糖化力较低是影响啤酒品质和产率的关键所在[1]。有研究表明，β-淀粉酶是最重要的淀粉降解酶之一，与糖化力呈高度正相关[2-4]；β-淀粉酶在种子成熟期间合成，以无活性聚合体的形式积累并以贮藏蛋白形式储存于种子的胚乳中[5]。成熟籽粒中的总β-淀粉酶含量可作为早期预判该品种酿造品质的重要参数[6]。β-淀粉酶活性在不同地区间、不同棱型和不同品种间存在较大差异，不同大麦品种籽粒灌浆期间β-淀粉酶积累也存在一定变化[7-8]。已有研究表明，农艺措施和环境对大麦β-淀粉酶活性有较大影响，但关于大麦籽粒灌浆期β-淀粉酶动态与气象因子的关系还未见报道。本研究分析了5个大麦品种两年间灌浆期β-淀粉酶动态与两年间大麦灌浆期气候因子的变化之间的关系，以期为啤酒大麦的优质生产提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为生育期相近的3个引进品种（系）（沪麦4号、浙农7号和临啤1号）和本课题组选育的2个高代品系（临96-58和临A9-W10）。

1.2 试验设计

于2012年10月至2013年6月和2013年10月至2014年6月在山西农业大学（山西省农业科学院）小麦研究所试验田进行，条播，小区宽2.8m，长2m，每小区种10行，总用氮量为150kg/hm2，分2次施入，基肥在播种时施入，追肥在拔节时施用，基追比为7∶3，3次重复。

两年试验中均在5月5日开始取穗，年度之间及所选5个大麦品种（系）的生育进程基本一致，均处在生育期的灌浆初期，之后间隔10d取样，至6月7日籽粒成熟，共取样4次，每次随机剪取主茎10穗，脱粒后用于测定β-淀粉酶活性（Y）。气象因子数据由临汾市气象台提供。计算两年间籽粒灌浆期的总积温（X1）、日均温（X2）、总雨量（X3）、日均雨量（X4）、总日照时数（X5）、日均日照时数（X6）、总积温与日均温互作（X7）、总雨量与日均日照时数互作（X8）、总日照时数与日均日照时数互作（X9）。

1.3 淀粉酶活性测定

采用3，5-二硝基水杨酸法[9-10]测定淀粉酶活力，酶活力单位[(mg·g)/min]用1g种子1min水解产生的麦芽糖量表示。

1.4 数据处理

采用SPSS 11.5和Excel 2007进行数据统计及分析。

2 结果与分析

2.1 大麦籽粒灌浆期气象因子的年度差异

由表1可以看出，两年间气象因子存在较大差异。2013年总积温比2014年高40.3℃；2013年5月积温变化比较平缓，中旬最高；2014年5月积温上、中旬积温较上年偏低，下旬积温骤然升高，达到245.2℃，比上年同期高33℃。2013年5月降雨总量高于2014年同期水平，在不同旬间降雨量呈现出较大差异。2013年5月上、中旬降雨较少，仅5.7mm，降雨主要集中在5月下旬，达76.2mm。2014年5月降雨主要集中在上旬，达55.1mm，而在中、下旬降雨较少，为16.2mm。2013年总日照时数和日均日照时数都少于2014年。

表1 大麦籽粒灌浆期气象因子年度差异Table 1 Variation of meteorological factors between years during barley grain grouting

2.2 大麦籽粒灌浆期β-淀粉酶活性动态

从图1中可以看出，大麦籽粒β-淀粉酶活性除2014年的临啤1号和临A9-W10外都呈升－降－升趋势，均在成熟期达到最大值。2014年临啤1号和临A9-W10 β-淀粉酶活性先降后升，这可能是由于当年两个品种灌浆较早，降雨前β-淀粉酶已经有一定积累，此后随着降水被植株吸收并运转到籽粒后对其中的内容物产生稀释作用，导致β-淀粉酶活性测定时呈下降趋势。所有品种的β-淀粉酶活性在腊熟后期达最高值，不同品种、同一品种不同年份间的β-淀粉酶活性有所不同；同一品种间，收获后的大麦籽粒β-淀粉酶活性2014年高于2013年。整体而言，大麦β-淀粉酶活性在5月中旬和下旬出现一定程度的下降，不同品种、不同年份间下降幅度不同。

图1 2013-2014年大麦β-淀粉酶活性Fig.1 β- amylase activity in 2013 and 2014

2.3 β-淀粉酶活性动态与气象因子的关系

2.3.1 β-淀粉酶活性与气象因子间的相关性 根据两年间气象因子差异及β-淀粉酶活性的变化，得出各因子间相关系数（表2）。

表2数据显示，β-淀粉酶活性与部分气象因子呈显著相关，相关系数为：总积温（0.468）＞总日照时数（0.418）＞日均温（0.330），与总雨量、日均日照时数和日均雨量等因子无显著相关性。各气象因子间，日均日照时数（X6）除与日均温相关极显著外，与其他各气象因子相关性均不显著；日均温（X2）与日均雨量（X4）、日均温（X2）与总日照时数与日均日照时数互作（X9）、总雨量（X3）与总日照时数与日均日照时数互作（X9）之间相关性不显著，除此以外，其他各气象因子间相关性极显著；从X7、X9与β-淀粉酶活性的相关性可以看出，各气象因子的交互作用影响β-淀粉酶活性，即其中1个气象因子的变化，必然导致其他若干个因子的相应变化，如雨量与日照时数、温度的变化往往是相关联的，从而引起β-淀粉酶活性的变化。因此，简单相关系数并不能完全反映β-淀粉酶活性与气象因子间的客观联系，需要对各因子作偏相关分析。

表2 各因子间相关系数（n=40）Table 2 Correlation coefficients between the factors (n=40)

在偏相关分析中，依据所有因子间的简单相关性，并结合实际情况，通过数据优化组合，排除总降雨量、日均降雨量和总日照时数3个因子，β-淀粉酶活性与降雨之间的关系主要是通过降雨量与日均日照时数的互作来体现，β-淀粉酶活性与总日照时数间的关系由总日照时数与日均日照时数的互作来体现。结果（表3）显示，β-淀粉酶活性与各气象因子的偏相关性达显著（P＜0.05）或极显著水平（P＜0.01），且β-淀粉酶活性与X1呈极显著正相关，与X9呈显著相关，与X2、X6呈显著负相关，与X7、X8呈极显著负相关，偏相关系数大小依次为X1＞X8＞X7＞X9＞X6＞X2。无论是简单相关分析还是偏相关分析，都只能对各气象因子与β-淀粉酶活性之间的关系得出定性的结果，并不能定量明确β-淀粉酶活性受气象因子的影响，尤其不能准确地说明多个气象因子同时对β-淀粉酶活性的影响，及各气象因子互作对β-淀粉酶活性的影响。要明确β-淀粉酶活性与各气象因子间的量化关系，还需引入多元回归方程加以分析。

表3 各因子间偏相关系数（n=40）Table 3 Partial correlation coefficients between each factors (n=40)

2.3.2 气象因子对β-淀粉酶活性的多元回归分析综合考虑各气象因子间的交互作用，并对共线性数据进行筛选，舍去部分相关性和回归系数不显著的因子，得到最优标准化回归方程：

式中，总积温（X1）、日均温（X2）、日均日照时数（X6）、总积温与日均温互作（X7）、总雨量与日均日照时数互作（X8）、总日照时数与日均日照时数互作（X9），各因子量均是每年5月份的计算值。

该回归方程表明，这些气象因子是影响大麦籽粒β-淀粉酶活性的主要因素，其中β-淀粉酶活性与X1（P=0.003）、X9（P=0.015）呈显著正相关，即总积温、总日照时数与日均日照时数互作的增加有利于大麦β-淀粉酶的积累；β-淀粉酶活性与X2（P=0.02）、X6（P=0.016）、X7（P=0.009）和X8（P=0.005）呈显著负相关，其中以总积温与日均温互作（X7）对大麦籽粒β-淀粉酶积累的影响最大，这说明式中气象因子对大麦籽粒灌浆期间β-淀粉酶活性动态有着直接或间接的影响。在不考虑品种差异、栽培措施及土壤环境的影响时，可以根据气象因子，通过该方程预测当年大麦籽粒的β-淀粉酶活性。

3 讨论

β-淀粉酶（EC 3.2.1.2）催化水解淀粉链之非还原α-1，4糖苷键，释放β-麦芽糖，其活性与淀粉糖化力紧密相关，因此被认为是最关键的淀粉降解酶[11]。大麦β-淀粉酶活性除受基因型影响外，还受环境因素的影响[12]；Ahokas等[13]研究认为，灌浆中期干旱有利于大麦籽粒β-淀粉酶活性的提高，年平均降水量、平均降水日数与β-淀粉酶活性呈负相关关系；而汪军妹等[14]研究表明，大麦籽粒充实中期，水分胁迫有利于β-淀粉酶的积累，而热胁迫对其无明显影响。本试验中，简单相关分析与偏相关关系分析所得出结论并不一致。简单相关分析的结果是，除日均日照时数外（X6），β-淀粉酶活性与各气象因子都是正相关，且与X3、X4、X6、X8各因子间的相关性未达显著水平。究其原因，这很可能是因为各气象因子间有较强的交互作用，从而干扰了简单相关的分析结果。偏相关关系分析仅考虑两两因素间的关系，排除了其他因素的影响，因此能更准确地反映β-淀粉酶活性与其他各气象因子间的关系。通过分析两年间不同大麦品种籽粒灌浆期的积累情况，表明β-淀粉酶活性与气象各因子间存在显著相关性，其偏相关系数为X1＞X8＞X7＞X9＞X6＞X2，β-淀粉酶活性与X1呈极显著正相关，与X9呈显著正相关，与X2、X6呈显著负相关，与X7、X8呈极显著负相关，这与本文得出的回归方程分析结果相一致，也与Ahokas等[13]的研究基本一致。

陈锦新等[8]通过测定β-淀粉酶活性，发现在整个籽粒发育过程中β-淀粉酶活性呈升高趋势，抽穗后25d内和抽穗后40d至成熟期升高幅度明显高于中期，并在成熟期达到最高值，这与本研究中以3，5-二硝基水杨酸法测定的β-淀粉酶活性呈升－降－升的积累过程，成熟期达到最大值的结论基本一致。本试验中，2014年β-淀粉酶活性在5月中旬和下旬下降幅度比较明显，这可能是由于2014年5、6月份的降水主要集中在5月上旬，即在灌浆前期降水量大，水分的充足供应使得籽粒内其他内容物加速积累，β-淀粉酶被稀释，使β-淀粉酶活性总体上表现为下降的现象。2013年5月中、下旬的β-淀粉酶活性虽有一定下降，但下降幅度平缓，结合2013年5、6月降水主要集中在5月下旬，这一时期为大麦处于灌浆后期，说明灌浆后期降水量加大对于淀粉酶累积影响不大。因此，本研究认为，降水时期对大麦籽粒β-淀粉酶积累有一定影响，如降水主要集中在灌浆前期则大麦籽粒β-淀粉酶积累影响较大，如降水集中在灌浆后期，则对β-淀粉酶积累影响不大。由于试验条件限制，本试验在设计时只考虑了β-淀粉酶的积累情况，对于同一时期的大麦籽粒内容物成分组成、籽粒干物质积累等因素没有测定，将在以后的研究工作中得到补充和完善。

当然，气象因子是一个比较复杂的因素，不同气象因子彼此间存在较强的交互作用。就本试验而言，在进行数据分析时，结合工作实际情况，对一些数据进行了取舍，一定程度上排除了共线性数据干扰，但限于试验条件，本文中所得多元回归方程的完善还需要多年多点试验的数据支撑。根据大麦灌浆期的气象因子，结合本文中多元回归方程，可以在一定程度上预判不同地区当年大麦β-淀粉酶的累积情况，从而为优质啤酒大麦的选择和生产提供一定的参考。

4 结论

本试验通过对两年间5个大麦品种籽粒灌浆期β-淀粉酶活性动态与气象因子进行相关分析，得出大麦籽粒灌浆期的β-淀粉酶活性呈升－降－升的动态过程，在成熟期达到最大值；同时得出降水时期对大麦籽粒β-淀粉酶积累有一定影响，如降水主要集中在灌浆前期则大麦籽粒β-淀粉酶积累影响较大，如降水集中在灌浆后期，则对β-淀粉酶积累影响不大。通过与气象因子的多元回归分析和偏相关分析得出，大麦籽粒灌浆期β-淀粉酶活性与总积温呈极显著正相关，与总日照时数和日均日照时数的互作显著相关，与日均温、日均日照时数呈显著负相关，与总积温和日均温的互作、总雨量和日均日照时数互作呈极显著负相关，偏相关系数从大到小依次为总积温、总雨量和日均日照时数交互作用、总积温和日均温交互作用、总日照时数和日均日照时数交互作用、日均日照时数、日均温。