小麦籽粒种皮色素成分的形成机制及种皮化学成分的解析

小麦种皮中含多种色素成分，这些组分的积累可能与籽粒品质形成有关，同时，某些组分还有独特的药理活性。为阐明小麦种皮色素成分与籽粒品质的关系，明确其主要化学成分及其功效，本研究以白皮小麦豫麦18号、温麦6号和莱农2066号，红皮小麦扬麦158号、宁麦9号和S105号，以及紫皮小麦品种黑麦76号三组不同籽粒色泽的小麦品种为材料，分析小麦种皮色素化学成分的积累动态和关键酶活性对色素合成的影响，以及色素含量与品质指标的相互关系；在此基础上，进一步明确小麦籽粒种皮色素成分形成的生理机制及调控途径；同时对小麦种皮（麸皮）的化学成分进行系统研究及药理活性筛选，阐明麦麸总黄酮和烷基酚抗肿瘤的作用．主要研究结果如下：1小麦种皮色素成分的形成及与籽粒品质的关系1．1不同籽粒色泽种皮色素的形成小麦籽粒种皮色素成分包括叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素、黄酮和花青素．伴随籽粒灌浆进程，小麦种皮叶绿素、叶黄素及类胡萝卜素的含量，各品种均呈单峰曲线，在灌浆中前期迅速上升至高峰值，然后快速下降，至籽粒成熟时达到整个发育过程中的较低水平。籽粒成熟时，黑麦76号的含量高于红皮小麦和白皮小麦，差异显著。红皮小麦和白皮小麦的色素含量差异不显著。总黄酮含量灌浆前期上升，中后期逐渐下降，后期迅速上升。在籽粒成熟时，黑麦76号总黄酮的含量为其他品种的1.6-3.9倍。总黄酮的含量表现为黑麦＞红皮小麦＞白皮小麦。方差分析表明，各品种间总黄酮含量具有显著性差异。花青素的含量，黑麦76号灌浆中前期平缓上升，后期快速上升，籽粒成熟时为最高。豫麦18号、宁麦9号和S105灌浆前期有个积累高峰，然后开始迅速下降，后期开始上升至籽粒成熟。扬麦158号、温麦6号和莱农2066花青素含量，灌浆前期缓慢上升，中期下降，后期上升。花青素的含量表现黑麦＞红皮小麦＞白皮小麦。方差分析表明，各品种间花青素含量具有显著性差异。试验结果表明，小麦籽粒种皮色素成分主要由叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素、黄酮和花青素组成。其籽粒色泽由其种皮色素成分的种类及含量决定，其中总黄酮和花青素的含量是主要影响因素。1．2不同籽粒色泽种皮色素合成酶形成动态各颜色籽粒品种在发育期时种皮多酚氧化酶（PPO）活性变化趋势呈“M”型。在籽粒成熟时，黑麦76号PPO活性高于红皮小麦，红皮小麦PPO活性总体高于白皮小麦，各颜色籽粒间PPO活性变化差异不显著。酪氨酸酶的活性在灌浆前期较高，以后逐渐下降，籽粒成熟时，酪氨酸酶的活性达到最低。黑麦76号PPO活性明显高于红皮小麦，红皮小麦PPO活性总体高于白皮小麦。苯丙氨酸解氨酶（PAL）的活性基本呈现低-高-低-高的“N”型变化曲线．黑麦76号PAL活性明显高于红皮小麦，红皮小麦总体高于白皮小麦。各颜色籽粒间PAL活性变化差异极显著。在籽粒接近成熟时，种皮中的PPO和酪氨酸酶的活力下降，而PAL的活力增加，这说明在籽粒发育的后期，种皮色泽的差异可能主要是PAL的差异所致。1．3不同籽粒色泽种皮中色素、酶、籽粒品质性状之间的相关性相关分析结果表明，小麦籽粒种皮中叶绿素A和B、叶黄素、类胡萝卜素、黄酮含量之间呈显著或极显著正相关．花青素含量与叶绿素A、叶绿素B和黄酮呈显著或极显著正相关，而与叶黄素，类胡萝卜素相关不显著。小麦籽粒种皮各色素成分均与苯丙氨酸解氨酶活性呈显著性正相关，而与多酚氧化酶和酪氨酸酶活性相关不显著。除叶绿素A和花青素的含量与降落值呈显著性相关外，各色素成分与籽粒品质的各性状均相关不显著。表明小麦籽粒种皮色泽不能反映其籽粒品质的优劣。2小麦籽粒种皮的化学成分及其药理作用2．1小麦籽粒种皮化学成分对宁麦9号麸皮的化学成分进行了系统的研究，共分析、分离到了31个化合物，并利用波谱法(1H-NMR，13C-NMR，DEPT，HMQC，HMBC，ESI-MS，GC／MS，IR，UV等)、理化常数、标准品对照等方法分析和鉴定了其中29个化合物的结构，其中6个为首次从小麦属植物中分离得到，9个为首次于小麦中发现，2个新化合物，1个新天然产物。包括5个黄酮类化合物：伞耳花草苷WB-8)、异伞耳花草苷（WB-9）、小麦新苷A（WB-10A）、小麦新苷B（WB-10B）、芹菜素（WB-13）；2个酚酸美化合物：反式-3，4-二甲氧基肉桂酸（WB-11）、阿魏酸（WB-12）；5个烷基酚类化合物：5-十七烷基间苯二酚（WB-3）、5-十九烷基间苯二酚（WB-4）、5-二十一烷基间苯二酚（WB-5）、5-二十三烷基间苯二酚（WB-6）、5-二十五烷基间苯二酚（WB-7）；17个甾体类化合物：4-甲基4-豆甾烯-3-酮（WS-1）、豆甾-4，22-二烯-3-酮（WS-2）、5α-豆甾-24（28）烯-3-酮WS-3)、5α-豆甾-22-烯-3-酮（WS-4）、4-豆甾烯-3-酮（WS-5）、豆甾-4，24（28）-二烯-3-酮（WS-6）、24-乙基-5α-胆甾-3-酮（WS-7）、24-甲基-5α-胆甾-3-酮（WS-8）、菠菜甾酮（WS-9）、4-甲基-豆甾-4，24（28）-二烯-3-酮（WS-10）、4-甲基-豆甾-4，22-二烯-3-酮（WS-11）、4-甲基-4α，5α-胆甾-3-酮（WS-12）、4-甲基-6-豆甾烯-3-醇（WS-13）、谷甾醇（WS-14、WB-2）、豆甾醇（WS-15、WB-1）、谷甾烷（WS-16）、4，4-二甲基谷甾醇（WS-17）。其中WB-1、WB-2、WB-9、WB-10A、WB-10B、WB-11为首次从本属植物中分离得到，WS-1、WS-3、WS-4、WS-9、WS-10、WS-11、WS-12、WS-13、WS-17为首次从小麦中发现，WB-10A、WB-10B为新化合物．WS-17为新天然产物。2．2小麦麸皮总黄酮和烷基酚的制备工艺及其药理作用以宁麦9号麸皮为材料，对麦麸有效成分总黄酮和总烷基酚的提取方法及富集纯化工艺进行了研究，确定了总黄酮和总烷基酚制备工艺．麦麸总黄酮得率为2.1‰，含量达76％；总烷基酚得率为4.5‰，含量达72％。对麸皮中所含的总黄酮（含量为76％）和烷基酚（含量为72％），进行了抗肿瘤作用的初步药效学试验。结果表明，麦麸总黄酮（TF）和总烷基酚（TW）能够降低S180肿瘤株的肉瘤模型动物的肉瘤重量，抑制小鼠S180肿瘤细胞的生长，延长S180肿瘤小鼠的存活时间，改善腹水症状，对于S180癌症有一定的治疗作用；五种小麦麸皮烷基酚类化合物均对人肝癌细胞株HepG2和人乳腺癌细胞株MAD-MB-231有杀伤作用，抑制率随样品浓度的增加而增大。IC50数据显示，5-十七烷基间苯二酚（5-heptadecylresorcinol）在五种小麦麸皮烷基酚类化合物中活性最为显著，对人肝癌细胞株HepG2和人乳腺癌细胞株MAD-MB-231的增殖抑制作用IC50分别达到156.11μg／ml和136.45μg／ml。表明麦麸总黄酮和烷基酚具有较好的抗肿瘤作用，应予重点关注和深入研究。