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粟谷(Setaria italica L. Beauv)是我国主要的杂粮作物之一,富含淀粉、蛋白质、脂质、维生素和矿物质等营养成分。此外,粟谷还含有预防脂肪肝、降低胆固醇和抗癌等多种功能的活性成分。采用生物技术控制粮谷类种子发芽过程,既可转化其中的营养物质,又可富集对人体有生理功能的活性物质,如γ-氨基丁酸(GABA)、抗氧化物质等。GABA是一种非蛋白质氨基酸,是哺乳动物大脑抑制性神经递质,具有降低血压、镇定神经等重要的生理功能。植物在低氧、盐胁迫等逆境条件下,均能显著地提高GABA含量,增加抗氧化物质。本文以粟谷为原料,研究不同品种粟谷发芽期间贮藏物质的动员和GABA的动态变化；采用低氧胁迫和盐胁迫处理,研究粟谷发芽过程中GABA的富集机理,并对低氧胁迫和盐胁迫下发芽粟谷活性氧(ROS)、抗氧化酶活性及抗氧化物质与抗氧化性的变化进行探讨。主要研究结果如下：1、五种粟谷在25℃避光浸润条件下发芽60h期间,其生理活性和化学组成发生一系列变化,芽长增加8-14mm,呼吸强度升高3.51-5.02倍,淀粉含量下降43-60%,还原糖和游离氨基酸含量分别增加0.90-1.19倍和1.28-2.22倍,GABA含量提高92.32-161.42%；不同品种的粟谷GABA富集量差异显著,其中粟谷JG-34中GABA富集量由发芽前的5.63 mg/l00gFW提高到13.54 mg/l00gFW,该粟谷品种可作为富集GABA的良好原料。2、以JG-34为原料,对低氧胁迫(1.5 L/min通气量)下,粟谷在两种有机酸缓冲体系中GABA富集的研究结果表明,柠檬酸缓冲液富集的GABA量高于醋酸缓冲液,且柠檬酸缓冲液最适浓度为10 mmol/L。以培养温度、通气量和培养液pH为因素,采用Box-Behnken实验设计研究粟谷富集GABA的培养条件,得出发芽粟谷富集GABA的最适条件为：培养温度33℃、通气量1.9 L/min、培养液pH5.8。在此条件下,发芽粟谷中GABA最大富集量为26.96 mg/l00gFW,比原料提高5倍。方差分析结果表明,培养温度和通气量显著影响发芽粟谷中GABA生成量,培养温度和培养液pH的交互作用也显著影响GABA生成量。采用单因素和Box-Behnken实验设计,通过对低氧胁迫下培养液组分对粟谷富集GABA影响的研究得出,发芽粟谷富集GABA的培养液组分最适添加量分别为Glu 1.2 mg/ml、PLP 50μmol/L、CaCl2 2.5 mmol/L。在此培养液中,发芽粟谷GABA的最大富集量为42.87 mg/100gFW。低氧胁迫下,Glu浓度显著影响发芽粟谷GABA含量,PLP和Ca2+的交互作用也显著影响GABA含量。3、发芽48h的粟谷在NaCl胁迫(25℃)下,GAD活性随NaCl浓度的增加和处理时间的延长显著提高。100mmol/L NaCl胁迫下发芽粟谷GAD活性最高；胁迫48h时GAD活性比胁迫前提高71%,GABA含量达到24.53 mg/100g,比胁迫前增加1.08倍。盐胁迫下添加Ca2+显著提高了发芽粟谷GAD活性,促进GABA富集。与单纯NaCl处理相比,盐胁迫下加5mM Ca2+浓度时,GAD活性提高79.91%,GABA含量提高40.99%；盐胁迫下添加Ca2+的抑制剂LaCl3或Ca2+的螯合剂EGTA后GAD活性显著降低,GABA富集量减少。通过比较低氧胁迫和盐胁迫对发芽粟谷GAD活性和GABA富集的影响得出,低氧胁迫对发芽粟谷GAD活性和GABA富集的促进作用大于盐胁迫,Ca2+对低氧胁迫和盐胁迫下发芽粟谷富集GABA的调节作用则相反。4、发芽粟谷用植物激素脱落酸(ABA)处理后,GAD活性提高,GABA富集量增加。75μM ABA处理36h时,发芽粟谷GAD活性比处理前提高92.89%；处理60h时GABA富集量达到28.77mg/100g,比处理前提高1.30倍。用ABA处理36h时,发芽粟谷内源ABA水平达最高值,GAD活性变化趋势与之一致,同时GABA含量增加；NaCl处理36h时发芽粟谷内源ABA含量最高,处理48h时GAD活性达最大值。GABA含量与芽长、GAD活性和内源ABA含量呈显著正相关。通过比较ABA处理和NaCl胁迫对发芽粟谷GABA富集的影响得出,ABA处理对发芽粟谷GABA富集的促进效果大于NaCl处理,ABA与NaCl联合处理对发芽粟谷GAD活性有叠加效应,并且使GAD活性最大值持续时间延长,GABA富集量明显增多。由此说明,盐胁迫和ABA处理通过调节发芽粟谷内源ABA含量,从而调节GAD活性,促进GABA积累。5、通过研究低氧胁迫和盐胁迫对发芽粟谷ROS和抗氧化酶活性的影响发现,低氧胁迫下,随着培养液中通气量的减少,发芽粟谷膜脂过氧化和H2O2含量增加,SOD和POD活性呈先上升后下降的趋势,CAT活性呈下降趋势。发芽粟谷MDA.REL和H2O2含量随着盐浓度的加大而上升,SOD和POD活性随盐浓度加大呈先上升后下降的趋势,高浓度盐胁迫促进了CAT活性。通过研究低氧胁迫和盐胁迫下添加Ca2+对发芽粟谷抗氧化系统的影响得出,外源Ca2+处理降低了低氧胁迫和盐胁迫下发芽粟谷MDA、REL和H2O2含量,提高了其SOD、POD和CAT活性。进一步研究低氧胁迫和盐胁迫下添加LaCl3和EGTA处理发芽粟谷后发现,发芽粟谷H2O2含量提高,抗氧化酶活性降低,并且EGTA处理的效果高于LaCl3处理。研究结果证实,Ca2+提高了发芽粟谷抗氧化酶活性从而缓解了低氧胁迫和盐胁迫引起的活性氧对植物带来的伤害。低氧胁迫和盐胁迫下发芽粟谷富集的GAB含量与SOD、CAT和POD活性呈极显著正相关。6、低氧胁迫和盐胁迫处理提高了发芽粟谷中抗氧化物质含量和抗氧化能力。低氧胁迫下发芽粟谷中总酚和总黄酮含量呈先上升后下降的趋势,AsA含量呈缓慢增长趋势。处理12h时,总酚和总黄酮含量达到最高值,分别比处理前增加18.95%和57.86%,处理60h时AsA含量比处理前提高61.79%。低氧胁迫处理36h后发芽粟谷的还原力提高；低氧胁迫下发芽粟谷清除羟自由基能力呈先上升后趋于稳定的变化趋势,处理36h时清除羟自由基能力是处理前的2.86倍；低氧胁迫下发芽粟谷DPPH自由基清除能力呈先上升后下降趋势,抑制脂质过氧化能力显著提高,处理60h时其抑制率比胁迫前提高91.61%,而在整个低氧胁迫处理期间其清除超氧阴离子能力没有显著变化。7、盐胁迫处理显著提高了发芽粟谷总酚、总黄酮和AsA含量。处理36h时,总酚和AsA含量达到峰值,分别比胁迫前提高20.61%和99.26%,处理48h时总黄酮出现峰值,其含量是处理前的1.99倍。NaCl胁迫处理显著提高了发芽粟谷的还原力,处理48h时的还原力是处理前的2倍,清除羟自由基能力呈先上升后下降的变化趋势,处理24h时比处理前提高91.18%；抗O2能力迅速上升,处理60h时比处理前提高2.88倍；盐胁迫下发芽粟谷DPPH自由基清除能力急剧增长,抗脂质过氧化能力显著提高,处理36h时抑制脂质过氧化率达到83.00%。8、低氧胁迫下发芽粟谷SOD、POD活性及AsA和GABA含量对抗氧化能力的相关性大于总酚和总黄酮。盐胁迫下发芽粟谷抗氧化酶活性与其抗氧化能力存在较高的相关性,总黄酮和GABA含量对盐胁迫下发芽粟谷抗氧化能力的相关性大于总酚,而总酚对抗氧化能力的相关性大于AsA。表明低氧胁迫和盐胁迫促进了发芽粟谷抗氧化酶活性,增加了抗氧化物质,从而提高了发芽粟谷抗氧化性。