不同基因型玉米籽粒發育過程中糖代謝相關酶活性的比較

崔麗娜 許 診 高榮岐 董樹亭

不同基因型玉米籽粒發育過程中糖代謝相關酶活性的比較

崔麗娜 許 診 高榮岐 董樹亭

(山東農業大學農學院作物生物學國家重點實驗室，泰安 271018)

對高淀粉玉米與低淀粉玉米籽粒發育過程中蔗糖代謝和淀粉合成相關酶活性的變化動態進行了比較研究。結果表明，費玉3號籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉積累速率高于豫玉22;費玉3號籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉含量大于豫玉22;豫玉22的高峰黏度、低谷黏度、最終黏度及膠凝值均顯著高于費玉3號，其崩解值和糊化溫度低于費玉3號;豫玉22的可溶性糖含量高于費玉3號;費玉3號的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG－PPase)活性、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG－Ppase)活性、可溶性淀粉合成酶(SSS)活性、束縛態淀粉合成酶(GBSS)活性高于豫玉22。

玉米籽粒 蔗糖 淀粉 酶活性

隨著經濟和技術的發展，玉米生產由單一的糧用結構轉變為飼料、食品工業和加工原料等多元利用結構。高油玉米、超甜玉米、高淀粉等優質專用玉米以優良的加工品質和多種用途而倍受人們青睞，并越來越具有廣闊的發展前景［1－2］。已有許多關于普通玉米、高油玉米、超甜玉米籽粒品質的研究［3－4］，并對其籽粒中合成淀粉相關酶活性的分布做了探討［5－8］，但關于高淀粉、低淀粉玉米籽粒主淀粉積累動態、淀粉糊化特性的研究鮮有報道。為此，本研究選取高淀粉、低淀粉型玉米為材料，主要探討玉米籽粒中淀粉積累動態和相關酶活性的變化，為玉米品質育種、優質高產栽培和籽粒加工利用提供科學依據。

1 材料與方法

1．1 供試材料與儀器

試驗于2008、2009年在山東農業大學教學基地玉米科技園進行。供試品種為高淀粉玉米費玉3號(74．49%);低淀粉玉米豫玉 22(65．03%)，代號分別為A、B。種植密度均為45 000株/公頃。

3K30高速冷凍離心機:SIGMA公司;UV－2450紫外分光光度計:日本島津公司。

1．2 測試項目與方法

1．2．1 淀粉含量

采用改良雙波長法。籽粒樣品經索式抽提法去除脂肪后測定直鏈、支鏈淀粉的含量，總淀粉含量為二者含量之和［10］。

1．2．2 籽粒 ADPG － PPase、UDPG － PPase、SSS、GBSS、葉片磷酸蔗糖合成酶活性

酶液提取，準確稱取1．0 g籽粒樣品，加入10 mL pH 7．5的 Hepes－NaOH緩沖液，冰浴研磨。取30μL勻漿液，加 1．8 mL pH 7．5的 Hepes－NaOH緩沖液，1 000×g冰凍離心1 min，沉淀經pH 7．5的Hepes－NaOH緩沖液懸浮后用于GBSS活性的測定，其余勻漿10 000×g冷凍離心2 min，上清液用來測定葉片磷酸蔗糖合成酶、ADPG－PPase、UDPGPPase、SSS、GBSS［11］。葉片磷酸蔗糖合成酶活性的測定 方 法 參 照 Tsai的 方 法［12］;ADPG － PPase、UDPG －PPase活性的測定參照 Thomas等［13］、張振清等［14］的方法;SSS和GBSS活性的測定參照梁建生等［15］的方法并做適當改動。

1．2．3 可溶性糖含量

可溶性糖含量采用測定蒽酮比色法［9］。

1．3 數據處理和分析

采用EXCELL 2000及DPS 7．05數據處理系統進行數據統計與分析

2 結果與分析

2．1 籽粒淀粉含量和組成的變化

2．1．1 籽粒淀粉及組分積累速率的動態變化

淀粉是玉米籽粒中所占比例最大的貯存性碳水化合物，由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。由圖1看出，籽粒發育過程中，支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉積累速率呈單峰曲線變化。費玉3號支鏈淀粉積累速率在開花后30 d達到最大，豫玉22在開花后40 d左右達到最大，費玉3號前期支鏈淀粉積累快，在開花后40 d到50 d，兩品種支鏈淀粉積累速率沒有顯著差異。隨籽粒的發育，費玉3號直鏈淀粉積累速率顯著高于豫玉22。兩品種總淀粉積累速率差異同支鏈淀粉積累速率的差異。

圖1 不同類型玉米籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉積累速率的變化

2．1．2 籽粒淀粉及組分含量的動態變化

由圖2看出，支鏈淀粉含量明顯高于直鏈淀粉含量，表明支鏈淀粉是玉米籽粒中淀粉的主要組成成分。隨著籽粒發育，支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉含量均呈現逐漸上升的趨勢;開花20 d左右，兩品種支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉含量之間差異不顯著，開花20天以后費玉3號支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉含量都顯著高于豫玉22。

圖2 不同類型玉米籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉和總淀粉含量的變化

2．2 淀粉糊化特性

淀粉懸浮液的黏度可以通過RVA來測定。表1顯示，兩品種的淀粉糊化參數存在一定的差異，豫玉22的高峰黏度、低谷黏度、最終黏度及膠凝值均顯著高于費玉3號，其崩解值和糊化溫度低于費玉3號。

表1 不同類型玉米淀粉的糊化特性

2．3 可溶性糖含量的變化

可溶性糖是作物碳素營養的主要部分，其作用主要是合成纖維素組成細胞壁;轉化并組成其他有機物如核苷酸、核酸等;分解產物是許多有機物合成的原料，如糖在呼吸過程中形成的有機酸，可以作為氨氣的受體而轉化為氨基酸;糖類作為呼吸基質，為作物的各種生命活動提供了所需的能量。因而可溶性糖是營養物質中最基本的物質，也是必不缺少的物質。

由圖3看出，兩品種籽粒中的可溶性糖含量在開花20 d以后均呈現逐漸降低的趨勢，花后40 d之前下降迅速，花后40 d之后，下降幅度變小，在50 d時含量最低，50 d后可溶性糖無顯著變化，且豫玉22的可溶性糖含量高于費玉3號。

圖3 不同類型玉米籽粒可溶性糖含量的變化

2．4 籽粒ADPG－PPase活性

ADPG－PPase催化1－磷酸葡萄糖與無機焦磷酸生成ADPG，而ADPG是淀粉生物合成中葡萄糖的直接供體，因此ADPG－PPase是籽粒淀粉生物合成過程中的關鍵酶。由圖4可知，費玉3號及豫玉22籽粒中的ADPG－PPase活性隨籽粒發育呈單峰曲線，峰值都在花后30 d，30 d之前，兩者差異不明顯，30 d之后，費玉3號ADPG－PPase活性明顯高于豫玉22。說明，費玉3號在灌漿后期可以保持ADPGPPase較高活性，費玉3號在灌漿后期具有比費玉22更強的將玉米籽粒將前體物質轉化為淀粉的能力，有利于提高玉米籽粒淀粉積累庫的強度，提高籽粒中淀粉的含量。

圖4 不同類型玉米籽粒ADPG－PPase活性的變化

2．5 籽粒UDPG－PPase活性

UDPG是淀粉合成的底物之一，它的合成依賴于UDPG－PPase催化1－磷酸葡萄糖(G－1－P)轉化為尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)。由圖5可知，費玉3號及豫玉22籽粒中的ADPG－PPase活性隨籽粒發育呈單峰曲線，峰值在30 d左右，豫玉22的峰值大于費玉3號，但費玉3號在峰值后下降速度緩慢，豫玉22下降迅速，即費玉3號UDPG－PPase活性一直在較高水平，更有利于催化1－磷酸葡萄糖(G－1－P)轉化為尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，為淀粉合成提供前體物質。

圖5 不同類型玉米籽粒UDPG－PPase活性的變化

2．6 籽粒SSS活性

SSS主要存在于造粉體中，它催化一分子的ADPG與淀粉引物反應，而將一分子的葡萄糖基連接到淀粉引物上，使淀粉鏈加長。SSS是籽粒中淀粉生物合成的重要調節位點，主要催化支鏈淀粉的合成。由圖6可知，費玉3號及豫玉22籽粒SSS活性隨籽粒發育呈下降趨勢，費玉3號SSS活性多數時間高于豫玉22，在30 d左右低于豫玉22，說明費玉3號SSS活性一直處于較高水平，更有利于催化支鏈淀粉的合成。

圖6 不同類型玉米籽粒SSS活性的變化

2．7 籽粒GBSS活性

GBSS也是以ADPG作為葡萄糖供體，將一分子葡萄糖基轉移到淀粉引物上，但它必須在淀粉內部才能起催化作用，故稱之為淀粉粒結合態淀粉合成酶。一般認為，GBSS主要催化直鏈淀粉的合成，也是淀粉合成過程中的重要調節酶之一。由圖7可知，費玉3號及豫玉22籽粒GBSS活性隨籽粒發育呈單峰曲線，豫玉22的峰值出現在30天左右，費玉3號的峰值出現在40 d，費玉3號籽粒GBSS活性一直高于豫玉22，有利于化直鏈淀粉的合成。

圖7 不同類型玉米籽粒GBSS活性的變化

3 結論

費玉3號籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉積累速率高于豫玉22;費玉3號籽粒支鏈淀粉、直鏈淀粉及總淀粉含量大于豫玉22;豫玉22的高峰黏度、低谷黏度、最終黏度及膠凝值均顯著高于費玉3號，其崩解值和糊化溫度低于費玉3號;豫玉22的可溶性糖含量高于費玉3號;費玉3號ADPG－PPase活性、UDPGPPase活性、SSS活性、GBSS活性高于豫玉22。

［1］宋同明．發展我國玉米油生產［J］．中國油料作物學報，1993，(1):82 －85

［2］陳惠元，丁鐘敏，彭志剛，等．輻射變性淀粉的制備及漿液性能的研究［J］．核農學報，2007，21(3):264 －267

［3］劉鵬，胡昌浩，董樹亭，等．甜質型與普通型玉米籽粒發育過程中糖代謝相關酶活性的比較［J］．中國農業科學，2005，38(1):52 －58

［4］劉開昌，胡昌浩，董樹亭，等．高油、高淀粉玉米籽粒主要品質成分積累及其生理生化特性［J］．中國農業科學，2002，28(4):492 －498

［5］Steven Ball．From glycogen to Amylopectin a model for the biogenesis of the plant starch granule［J］．Cell，1996，86:786 －792

［6］Doehlert D C，Tsung M K．Characteristics of carbohydrate metabolism in sweet corn endosperm［J］．Journal of the American Society for Horticultural Science，1993，118(5):661 －666

［7］Tsai M，Qu L．Effect of increased temperature in apical region of maize ears on starch－synthesis enzymes and accumulation of sugar and starch［J］．Plant Physiology，1985，79:852 －855

［8］Alison M．Smith，K D，Cathie R M．What control the amount and structure of starch in storage organs［J］．Plant Physiology，1995，107:673 －677

［9］郝再彬，徐仲．植物勝利實驗技術［M］．哈爾濱:哈爾濱出版社，2002:107－108

［10］何照范．糧油籽粒品質及其分析技術［M］．北京:農業出版社，1985:290－294

［11］李永庚，于振文，余松烈．冬小麥旗葉蔗糖和籽粒淀粉合成動態及其有關的酶活性的研究［J］．作物學報．2001，27:658－664

［12］David Pan．A debranching enzyme deficiency in endosperm of the sugary － 1 mutants of maize［J］．Plant physiology，1984，74:324 －328

［13］Thomas W R，Phillip SK．Characterization of diurnal changes in activities of enzymes involved in sucrose biosynthesis［J］．Plant Physiology，1983，73:428 －433

［14］張振清，夏淑芳．無機磷對葉片蔗糖和淀粉積累的影響［J］．植物生理學報，1982，8:385 －391

［15］梁建生，曹顯祖，徐生．水稻籽粒庫強與其淀粉積累之間關系的研究［J］．作物學報，1994，20(6):689 －691．

Comparison of Enzymes Activity Associated with Sucrose Metabolism in Developing Grains in Different Genotypes Maize(Zea mays L．)

Cui Lina Xu Zhen Gao Rongqi Dong Shuting
(Agronomy College of Shandong Agricultural University，State Key Lab of Crop Biology，Tai'an 271018)

Field experiments were carried out to compare the dynamic variations of enzymes activities of sucrose and starch metabolism in the developing grains of high－starch maize(Zea mays L．)and low －starch maize(Zea mays L．)．Amyloectin，amylose and total starch content in Feiyu No．3 were more than those in Yuyu 22．Peak viscosity，trough viscosity，final viscosity and setback in Yuyu 22 were higher than those in Feiyu No．3;while breakdown and pasting temperatures in Yuyu 22 were lower．Soluble sugar content in Feiyu No．3 was less than Yuyu 22．The activities of ADPG －PPase，UDPG －PPase，SSSand GBSSwere higher in Feiyu No．3 than normal Yuyu 22．

maize(Zea mays L．)，sucrose，starch，enzyme activity

S38

A

1003－0174(2011)10－0056－05

國家科技支撐計劃(2006BADO2A09)，國家自然科學基金(30871476)，農業成果轉化項目(2006cb0058)，山東省良種工程(2006．90，2007．7)

2010－09－06

崔麗娜，女，1981年出生，博士，種子生物學及玉米高產研究

董樹亭，男，1953年出生，教授，博士生導師，作物高產研究