不同株型玉米籽粒胚乳细胞与淀粉之欧阳光明创编.docx

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不同株型玉米籽粒胚乳细胞与淀粉之欧阳光明创编

不同株型玉米籽粒胚乳细胞与淀粉

欧阳光明（2021.03.07）

合成关键酶活性分析

[摘要]【目的】研究不同类型玉米品种籽粒胚乳细胞增殖与籽粒充实期淀粉合成关键酶的关系。

【方法】以紧凑型玉米品种（先玉335和郑单958）和平展型玉米品种（长城799和农大364）为试验材料，于授粉后3，5，7，10，15d等取果穗中部籽粒，测定胚乳细胞数、单粒质量、淀粉含量、籽粒ADPG和UDPG焦磷酸化酶活性、可溶性淀粉合成酶（SSS）和束缚态淀粉合成酶（GBSS）活性，研究不同玉米品种籽粒胚乳细胞增殖动态和籽粒相关酶活性的关系。

【结果】在灌浆中后期，先玉335籽粒淀粉合成关键酶活性均高于其他3个品种；先玉335和郑单958籽粒胚乳细胞数、淀粉含量、单粒质量显著高于长城799和农大364。

玉米籽粒胚乳细胞数与粒重、淀粉含量和四种淀粉合成关键酶均呈正相关。

【结论】库容量和库活性是制约玉米籽粒淀粉积累的主要因素。

保证籽粒充实期间较高的胚乳细胞增殖速率及淀粉合成关键酶活性是玉米实现高产的关键。

[关键词]玉米；胚乳细胞；焦磷酸化酶；淀粉合成酶

[中图分类号][文献标识码][文章编号]

Relationshipbetweenendospermcellandactivitiesofkeyenzymesforstarchinmaizewithdifferentplanttype

GUYan1a，HUWen-he1b，WANGSi-yuan1b，LIANGXuan-he2，HEWen-an1a，SunMing-chun1b,WUChun-sheng1a*

（1.aTheResearchCenterofCrop,b.CollegeofAgronomy，JilinAgriculturalUniversity，ChangchunJilin130118；

2.AcademyofAgriculturalSciencesofJilinProvince,Changchun，Jilin130124,China）

Abstract：

【Objective】Theproliferationprocessofendospermcellanditsrelationshipwithactivitiesofkeyenzymesforstarchwerestudied.【Method】TheuprightmaizevarietiesXianyu335andZhengdan958andthecommonmaizevarietiesChangcheng799andNongda364werechosenastheexpeirimentmaterial.Centralkernelswerecollectedafterthepollinationstage,endospermcellnumber,kernelweight,starchcontent,activitiesofkeyenzymesforstarchweredetermined,andtherelationshipwasanalyzed.【Result】Duringthelatergrain-fillingperiod,keyenzymesforstarchofXianyu335werehigherthanotherthreevarieties.Andtheendospermcellnumber,starchcontent,grainweightofianyu335andZhengdan958werehigherthanChangcheng799andNongda364.Theendospermcellnumberhadsignificantlypositivecorrelationwithgrainweight,starchcontentandtheenzymeactivitiesforstarch.【Conclusion】Theresultsheresuggestedthatgrainsinkstrengthandactivitiesarethemainfactorresponsibleforstarchaccumulationinmaize.Thehigherendospermcellnumbersandkeyenzymesforstarchwereveryimportantforthehighyieldofmaize.

Keywords:

maize；endospermcell；pyrophosphorylose；enzymesforstarchsynthesis

淀粉是玉米籽粒贮藏的主要代谢产物，其数量多少直接影响玉米的产量和品质[1]。

目前，世界淀粉产量约为4600万t，其中90%是玉米淀粉[2]。

玉米籽粒中淀粉含量一般占粒质量的60%~80%，其灌浆过程首先是胚乳细胞的分裂增殖，然后是淀粉的合成和积累过程，茎、叶等源器官制造的光合产物以蔗糖形式通过韧皮部长距离运输到籽粒，经过一系列酶的催化作用转化为淀粉[3]。

在玉米籽粒胚乳发育过程中涉及到30多种酶，其中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPG）[4]、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UDPG）[5]、可溶性淀粉合成酶（SSS）和颗粒结合淀粉合成酶（GBSS）被认为具有关键性的作用[6-7]。

目前，关于水稻、小麦、玉米等籽粒淀粉积累与胚乳细胞增殖关系的研究较深入[8-10]，但针对吉林省不同类型春玉米生长发育过程中胚乳细胞增殖动态与籽粒淀粉合成相关酶活性的研究较少。

本研究以紧凑型和平展型玉米品种为试验材料，深入系统分析了玉米籽粒的胚乳细胞增殖动态和籽粒淀粉合成关键酶及淀粉积累量的相关性，探明造成不同株型玉米淀粉积累差异的原因，旨在探讨玉米胚乳细胞增殖和淀粉积累的酶学机理，进一步为生产上选择合适的高产栽培环境、实现玉米的高产稳产提供科学依据。

1材料与方法

1.1供试材料

供试品种为紧凑型玉米品种先玉335和郑单958，分别由先锋公司和河南金博士种业有限公司提供；平展型玉米品种长城799和农大364，分别由长城种业公司和中国农业大学提供。

1.2试验设计

试验于2011年在吉林农业大学试验站进行。

土壤为典型黑土，上等肥力水平。

试验采用随机区组设计，3次重复。

每小区10行，行长10m，垄距0.65m，小区面积为65m2。

区组两边各2行保护行。

于04-29按各品种最佳密度播种。

施入底肥为有机肥40m3/hm2、纯氮50kg/hm2、P2O5120kg/hm2、K2O120kg/hm2；播种时施入种肥纯氮40kg/hm2、P2O530kg/hm2、K2O30kg/hm2；拔节期追肥为纯氮80kg/hm2，大喇叭口期追肥为纯氮110kg/hm2。

于吐丝期选取生长一致的植株套袋人工授粉，于授粉后3，5，7，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60d分别取各玉米品种人工授粉果穗5穗，用于各项指标的测定。

2008-09-26收获测产。

1.3测定项目和方法

取人工授粉果穗5穗，剥取中部籽粒800粒，分别用于籽粒胚乳细胞数、淀粉含量、粒

质量和籽粒淀粉合成相关酶活性的测定。

1.3.1籽粒胚乳细胞计数

将10~15粒玉米籽粒样品用FAA固定液固定于小瓶中，保存在-40℃冰箱，参照张祖建等[11]和李绍长等[12]的方法测定胚乳细胞数。

单粒胚乳细胞数=（视野中平均细胞数×滤膜面积／视野面积）×（酶解液体积／用于抽滤的悬浮细胞液体积）／酶解的籽粒数。

籽粒细胞增殖动态可用Richards方程拟合：

W=A（1+Be-kt）-1/N（式中A，B，k，N为参数），（W为胚乳细胞数；t为授粉后时间），根据方程求导数得胚乳细胞增殖特征参数：

籽粒胚乳细胞增殖速率最大的时间Tmax（d）=（lnB-lnN）/K，

籽粒胚乳细胞增殖最大时的胚乳细胞数WmaxG（×104）=A（N+1）-1/N，

籽粒胚乳细胞最大增殖速率Gmax=（KWmax/N）[1-（Wmax/A）N]。

（K为生长速率参数，Wmax为籽粒胚乳细胞增殖最大时的胚乳细胞数）

1.3.3籽粒质量和淀粉含量的测定

籽粒于105℃杀青30min,80℃烘干后称质量，计算单粒质量。

籽粒淀粉含量采用近红外谷物分析仪（FossInfratec1241GrainAnalyzer），并用经典方法（旋光法）对仪器及分析结果进行校正。

1.3.4籽粒淀粉合成相关酶活性测定

称取新鲜玉米籽粒1.000g放入预冷的冰浴研钵中，加8mL预冷酶提取液（50mmoll-1，

pH7.5HEPES-NaOH缓冲液），研磨至匀浆，过滤，取30µL匀浆加入1.8mL缓冲液，1700g冷冻离心10min，沉淀物用缓冲液悬浮后用于籽粒GBSS活性的测定；其余匀浆继续冷冻离心10000g15min，上清液用于籽粒ADPG、UDPG和SSS活性的测定。

其中，ADPG和UDPG酶活性参照Nakamura等[8]]和张振清等[13]的方法；SSS和GBSS活性参照Nakamura等[8]、梁建生等[14]和李太贵等[15]的方法。

1.4数据分析

试验数据采用MicrosoftExcel2003软件进行处理，SPSS13.0进行方差分析和相关分析。

2结果与分析

2.1不同品种玉米籽粒胚乳细胞增殖的动态

图1表明，在整个灌浆期，不同品种玉米籽粒胚乳细胞增殖趋势均呈“S”型曲线。

在授粉后25d，各品种玉米籽粒胚乳细胞数达到最大值，先玉335>郑单958>长城799>农大364；在籽粒灌浆前期，玉米品种间籽粒胚乳细胞数差异不大，授粉15~20d，先玉335和郑单958籽粒胚乳细胞分裂加快，胚乳细胞数较长城799和农大364平均增加20.22%。

图1不同品种玉米籽粒胚乳细胞的增殖动态

Fig.1Proliferationofendospermcellofkernelinmaizeofdifferentvareity

胚乳细胞增殖速率反映了籽粒胚乳细胞分裂的快慢，用Richard方程W=A（1+Be-kt）-1/N模拟各品种玉米籽粒胚乳细胞的增殖动态，结果见表1。

方程的决定系数（R2）在0.9938~0.9971；4个品种玉米籽粒胚乳细胞平均增殖速率Gmean不同，大小顺序为郑单958>先玉335>长城799>农大364；而胚乳细胞最大增殖速率以先玉335最高，长城799最低。

表1不同品种玉米籽粒胚乳细胞增殖参数

Table1Proliferationparameterofendospermcellofkernelinmaizeofdifferentvariety

品种

单粒胚乳

细胞数

A（×104）

胚乳细胞增殖速率最大时

时间

Tmax（d）

胚乳细胞最大增殖速率

Gmax

胚乳细胞平均增殖速率Gmean

胚乳细胞增殖速率最大时的胚乳细胞数WmaxG

决定系数

R2

先玉335

Xianyu335

129.4308

14.5172

9.8433

5.5747

87.4852

0.9971

郑单958

Zhengdan958

124.9217

13.4098

8.9657

6.0373

80.5413

0.9955

长城799

Changcheng799

105.7905

10.9107

7.1267

4.4531

36.7251

0.9938

农大364

Nongda364

109.3499

11.2415

7.4041

4.3887

37.3584

0.9954

2.2不同品种玉米籽粒干物质积累

图2不同品种玉米籽粒单粒质量的增长动态

Fig.2Increasedynamicsofsingle-kernelweightinmaizeofdifferentvarieties

玉米籽粒质量与籽粒胚乳细胞数增殖在时间上不同步，本研究中，籽粒质量的增加较胚乳细胞数增殖进程晚，且不同玉米品种间存在差异。

在授粉后5~15d，玉米籽粒单粒质量增加缓慢，品种间无显著差异；随着授粉后时间的推移，单粒质量迅速增加，长城799和农大364在授粉后50d单粒质量基本稳定，此后无显著变化，而先玉335和郑单958在授粉后50d仍然稳步提高，在55d趋于稳定，4个玉米品种最终单粒质量顺序为先玉335>郑单958>长城799>农大364。

2.3不同品种玉米籽粒淀粉含量的变化

籽粒干质量的增加不仅取决于胚乳细胞数的多少，还取决于胚乳细胞的物质充实即淀粉的积累速度和积累时间。

玉米籽粒淀粉含量动态分析（图3）表明，4个玉米品种的籽粒淀粉含量呈现”S”型曲线。

灌浆前期（授粉后5~10d），淀粉含量增加缓慢，此后迅速增加，同粒质量变化趋势基本一致。

授粉后35d淀粉含量增加变缓，基本保持不变，但由于此期籽粒质量仍在增加（图2），导致淀粉积累量也在增加。

在籽粒成熟期总淀粉积累量达到最大值。

图3不同品种玉米籽粒淀粉含量的变化

Fig.3Dynamicsofstarchcontentinmaizeofdifferentvariety

2.4不同品种玉米籽粒淀粉合成关键酶活性的变化

2.4.1籽粒焦磷酸化酶ADPG和UDPG酶活性

图4不同品种玉米籽粒ADPG和UDPG焦磷酸化酶活性

Fig.4.ADPGandUDPGactivitiesofgrainsindifferentmaizevarieties

ADPG是淀粉体中催化淀粉合成的第一步步骤的酶，是淀粉生物合成的重要调节位点和枢纽[16]。

UDPG主要催化UDPG与无机焦磷酸反应生成1-磷酸葡萄糖和UDPG[17]。

由图4可以看出，授粉后玉米籽粒ADPG活性随着灌浆时间的推移和籽粒发育先增加后下降，先玉335峰值出现在授粉后40d，而其他3个品种的峰值均出现在授粉后35d。

在灌浆前期（授粉后10~20天），各玉米品种籽粒ADPG活性无显著差异；授粉后25d开始，先玉335籽粒ADPG活性显著高于其他3品种，说明在籽粒发育后期，先玉335具有更强的ADPG供应能力。

与ADPG变化趋势类似，郑单958、长城799和农大364籽粒UDPG活性较先玉335峰值出现时间早。

2.4.2籽粒淀粉合成酶SSS和GBSS

在淀粉合成过程中，SSS主要催化支链淀粉的合成，GBSS催化直链淀粉的合成[18]。

图5表明，在整个灌浆期间，4种玉米籽粒SSS和GBSS活性呈单峰曲线，峰值均出现在授粉后30d。

在灌浆前期（授粉后10~20d），各品种籽粒SSS和GBSS活性均无显著差异；授粉后30d，SSS活性顺序为郑单958>先玉335>长城799>农大364，达到峰值后，郑单958籽粒SSS活性迅速下降，显著低于其他3个玉米品种；而在灌浆中后期，先玉335籽粒GBSS活性显著高于其他3个玉米品种。

说明在催化淀粉合成反应中，先玉335有较强的直链淀粉合成能力。

图5不同品种玉米籽粒淀粉合成酶SSS和GBSS活性

Fig.5.SSSandGBSSactivitiesofgrainsindifferentmaizevarieties

2.5不同品种玉米籽粒胚乳细胞增殖与籽粒性状的相关分析

表2不同品种玉米籽粒胚乳细胞数与籽粒性状的相关分析

Table2Therelationbetweenendospermcellnumberandinterrelatedtraitsofkernel

品种

Vareity

单粒质量

Grainweight

淀粉含量Starchcontent

ADPG

UDPG

SSS

GBSS

先玉335Xianyu335

0.9521**

0.9828**

0.7347*

0.8891**

0.6510*

0.7634*

郑单958Zhengdan958

0.9127**

0.9567**

0.6530*

0.8923**

0.4695

0.7877*

长城799Changcheng799

0.9051**

0.9641**

0.6858*

0.9746**

0.7292*

0.9555**

农大364Nongda364

0.9730**

0.9758**

0.7114*

0.9183**

0.6902*

0.9248**

注：

*表示在0.05水平上差异显著；**表示在0.01水平上差异极显著。

Note：

*meanssignificantdifferenceat0.05level；**manssignificantdifferenceat0.01level

由表2可以看出，玉米籽粒胚乳细胞数与单粒质量、淀粉含量及籽粒淀粉合成关键酶活性均呈正相关。

相关分析（表2）表明，4个玉米品种的籽粒胚乳细胞数与单粒质量与淀粉含量呈极显著正相关，相关系数在0.9051~0.9828（P<0.01），说明籽粒胚乳细胞的增殖对单粒质量和淀粉含量的提高有极显著的促进作用；胚乳细胞充实主要是淀粉的积累，4个玉米品种的籽粒胚乳细胞数与ADPG和UDPG活性均呈正相关，其中与UDPG活性相关达极显著水平，相关系数在0.8891~0.9746；除郑单958外，先玉335、长城799和农大364籽粒胚乳细胞数与SSS活性均呈显著正相关；4个品种籽粒胚乳细胞数与GBSS活性均呈显著正相关，其中长城799和农大364呈极显著水平。

3讨论

（1）玉米实现高产的重要前提是大的库容。

而库容主要取决于最大胚乳细胞数[19]。

籽粒胚乳细胞数既反映了籽粒库的潜力，也反映了该潜力的实现程度。

较多的胚乳细胞数是库大的基本特征，有利于籽粒以较快的速度积累同化产物，同时容纳和积累较多的淀粉粒[10]，增加粒质量进而提高产量。

Reddy等[20]认为，硬齿型和马齿型玉米品种间粒质量的差异与各自的籽粒胚乳细胞数有关，与细胞大小无关；Pinto[21]指出，玉米胚乳细胞数与胚乳干质量、籽粒干质量、体积、淀粉含量和每个胚乳中的淀粉粒数呈正相关。

李绍长等[12]的研究结果表明，胚乳细胞数是决定籽粒质量的主要原因。

本试验通过对不同产量潜力玉米籽粒胚乳细胞增殖动态规律的研究发现：

在供试的4个玉米品种中，紧凑型有高产潜力的玉米品种（先玉335和郑单958）的最大胚乳细胞数在灌浆中后期均显著高于普通平展型玉米品种（长城799和农大364），与淀粉含量及单粒质量的差异表现一致，说明2种类型玉米淀粉和单粒质量与其较大的库容有关。

（2）淀粉是玉米籽粒的主要组成成分，淀粉积累速率的高低直接影响粒质量。

茎、叶等源器官制造的光合产物以蔗糖形式运输到库器官（籽粒），在一系列酶的催化作用下形成淀粉[22]。

Douglas等[3]在1988年提出了玉米籽粒淀粉合成过程中可能包括的中间产物及其有关的酶，认为ADPG和UDPG均为淀粉合成的直接前体物质。

本研究结果表明，在籽粒发育过程中，先玉335籽粒ADPG和UDPG活性峰值出现时间均比郑单958、长城799和农大364推迟一周左右，有较长的高值持续期，为淀粉的合成奠定了良好的基础。

Singletary等人[6]研究发现，玉米籽粒胚乳突变体若失去ADPG活性，淀粉含量将大幅度下降，故ADPG通常被认为是淀粉合成的限速酶。

而籽粒SSS、GBSS活性的降低增加了将ADPG的葡萄糖基向2，4-葡萄糖链的非还原性末端的转移，从而增加了淀粉合成的阻力[23]。

结果表明，供试的4个玉米品种籽粒胚乳细胞数与ADPG、UDPG酶活性、SSS和GBSS均呈正相关，但在整个灌浆期内，酶活性变化与淀粉积累速率、灌浆速率的变化并不完全同步，说明供试酶活性并非完全是籽粒淀粉合成与积累的限速因子。

作者前期研究发现，玉米籽粒蔗糖转化酶和淀粉磷酸化酶活性虽受籽粒淀粉积累的反馈调节[24]，但并不存在对淀粉合成的限速作用。

因此，淀粉积累所需底物的供应水平可能是多种酶综合作用的结果。

（3）籽粒淀粉的积累取决于库容量和库活性2个方面，库容量即籽粒胚乳细胞数，而籽粒ADPG、UDPG、SSS和GBSS是影响库活性的主要淀粉合成关键酶[9]。

玉米籽粒淀粉的合成与积累主要取决于同化器官向籽粒供应同化物的能力以及籽粒中同化物向淀粉的转化能力之间的平衡[22]。

本课题组前期的研究结果也表明，在灌浆中期，先玉335穗位叶蔗糖合成酶SS和磷酸蔗糖合成酶SPS活性均很高，说明其叶片在灌浆中期可以制造更多的蔗糖源源不断地向籽粒运输（另文待发）。

而郑单958和先玉335比较，虽然籽粒库容量没有显著差异，但源端叶片形成蔗糖数量少于先玉335，不能充分满足淀粉生物合成的需要，而且进入籽粒的蔗糖因SSS、GBSS活性低，不能完全把ADPG、UDPG催化形成底物连接到葡萄糖链上，从而降低了蔗糖的转化效率。

本试验仅研究了籽粒胚乳细胞增殖与淀粉合成关键酶之间的关系，探讨紧凑型高产潜力玉米产量形成的淀粉酶学机理，为揭示玉米的超高产的机理提供理论依据。

[参考文献]

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ZhangZM,DaiLX,HuCH，etal.Effectsofdifferentwatertreatmentsonstarchaccumulationandrelatedenzymeactivityongrainofmaizeduringgrain-fillingperiod[J].ActaPhytoecologicaSinica,2005，29（4）:

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[2]秦大鹏,刘鹏,王空军,等.高淀粉玉米籽粒胚乳细胞增殖与淀粉积累的关系[J].山东农业科学,2008,8:

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