基于红外/拉曼化学成像的不同Wx蛋白缺失小麦籽粒的内部结构分析与品种鉴别研究

The absence of Wx proteins can decrease amylose content and change starch constitute of wheat granules, affecting the processing properties and eating quality of wheat flour, so it is important to analyze the microstructures of wheat granules with different Wx protein deficiencies. “In situ” sample preparation method can avoid physical and chemical damage to the starch microstructures during extraction process, and chemical imaging technique has the advantages of qualitative, quantitative and orentation in analysis of the grain structures, so this project will in situ get the physical information (size, shape, distribution etc.) of starch and protein by light microscopy (LM), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscope（TEM），atomic force microscopy (AFM) etc.. This project will also obtain the chemical and spatial information by infrared (IR)/Raman chemical imaging, and explore the effect of the absence of Wx proteins on physical and chemical microstrucures of components of wheat granules, then explain the relationship between the starch microstures and the processing properties of wheat flour. Besides, this project will establish qualitative identification model of wheat granules with different Wx protein deficiencies by combining chemical imaging and chemometrics methods, which will provide a new method for wheat identification.

Wx蛋白的缺失会导致直链淀粉含量显著降低，改变小麦淀粉构成，从而影响面粉加工性能及食用品质，因此，加强Wx蛋白小麦籽粒微观结构的分析对小麦面粉的加工应用有重要的意义。“原位”制样方法可最大程度避免物理化学提取过程对淀粉结构造成的损伤，化学成像技术在谷物籽粒内部成分分析时具有定性、定量、定位的优势，故本项目拟以不同Wx蛋白缺失小麦籽粒为研究对象，利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜等多种显微镜技术原位观察不同Wx蛋白缺失小麦籽粒内部淀粉、蛋白质等微观结构大小、形态、分布等；再利用红外和拉曼化学成像技术分析这些成分的空间分布、化学结构等信息，探索Wx蛋白的缺失对小麦籽粒组成成分的物理和化学结构影响，阐述淀粉、蛋白质等微观结构与小麦面粉性能之间的关系；并将化学计量学方法与化学图像相结合，建立不同Wx蛋白缺失小麦籽粒的定性鉴别模型，为小麦品种的鉴别提供一种新方法。

Wx蛋白的缺失会对小麦籽粒中直链淀粉含量及直链和支链淀粉比例有重要影响，在“原位”状态下研究不同Wx蛋白的缺失对小麦淀粉结构的影响以及对小麦品种进行无损鉴别具有重要的意义。本项目以Redland/99Y1436为遗传背景下的八种Wx蛋白缺失小麦籽粒品种为研究对象，进行了以下研究：（1）基于光学显微镜、扫描电镜、偏光显微镜等技术和原位样品制备方法，对不同Wx蛋白缺失小麦籽粒胚乳内淀粉结构进行了物理结构观察，发现八种Wx缺失小麦籽粒品种之间淀粉结构形态无明显差异，说明Wx蛋白的缺失未对淀粉颗粒物理形态有影响，对直链和支链淀粉含量比例影响不大，并发明了一种单籽粒小麦颗粒直链淀粉含量快速检测方法。（2）获取小麦籽粒不同位置处胚乳切片的红外化学图像，并选择合适的图像信息分析提取方法，比较不同Wx蛋白缺失型小麦样本的红外光谱信息发现三种Wx蛋白（Wx-A1，Wx-B1，Wx-D1）缺失对小麦籽粒中直链淀粉合成量影响程度大小分别为：Wx-D1>Wx-B1>Wx-A1；单基因缺失型小麦淀粉直/支比特征峰峰强度高于双基因缺失型小麦样本，即Wx基因缺失程度越大，小麦籽粒中直链淀粉比例越低。（3）采集八个小麦品种的近红外和拉曼光谱，分别建立主成分分析和聚类分析模型并进行优化，对于近红外光谱，校正集判别准确率为84.2％，验证集为84.8％；对于拉曼光谱，DA模型可以得到更好的分类，校正集和验证集的准确率分别高达94.4％和94.6％；拉曼光谱无损鉴别结果优于近红外光谱。（4）采集八个小麦品种的近红外高光谱信息，建立SNV、PLSDA、BPNN等三种定性分析模型并进行优化，对结果进行了比较发现：经SNV处理后的光谱建立的SVM模型对于野生型与单基因缺失型小麦品种的分类结果最优，四个小麦品种的分类正确率均达到100%；经一阶导数处理过的光谱建立的SVM模型对于野生型与双基因缺失型小麦品种的分类结果最优；用三种模型对野生型和糯型小麦分类结果均为100%；而对八种小麦品种同时进行分类，三种模型效果均较差。

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