高淀粉玉米胚乳淀粉粒度分布特征及其對水分脅迫的

摘要：以鄭單21為試驗材料，利用透射電鏡（TEM： Transmission Electron Microscope）和激光粒度分析儀研究水分脅迫下玉米胚乳淀粉粒的形態和粒度分布。結果表明：水分脅迫導致玉米籽粒形態建成滯后，尤其是內、外珠被組織解體和胚乳淀粉粒積累的速度減緩。授粉后7天，水分脅迫處理的籽粒外珠被尚未退化消失，果皮、內珠被和胚乳細胞的界限模糊，幾乎每個果皮細胞內都含有細胞核；而正常供水處理的玉米籽粒外珠被已退化消失，果皮、內珠被和胚乳細胞的界限清晰，果皮細胞內容物較少，細胞壁較薄，內珠被細胞明顯較大，內容物少，絕大多數細胞無細胞核。授粉后11天，兩處理的胚乳細胞的細胞壁明顯變薄，細胞內容物顯著增多，細胞內已明顯可見大大小小的淀粉粒，但正常供水處理的淀粉粒明顯大且多。水分脅迫處理的淀粉粒表面積、數目和體積分布均呈單峰曲線，而正常供水處理表現為淀粉粒數目分布呈單峰曲線，表面積分布和體積分布呈雙峰曲線。水分脅迫可降低A型淀粉粒的表面積、數目和體積百分比，增加B型淀粉粒的表面積、數目和體積百分比。

關鍵詞：高淀粉玉米；淀粉粒發育；粒度分布；水分脅迫

中圖分類號：S513.01文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2013）01-0054-06

玉米是我國重要的糧食作物，常年種植面積約2 400×104 hm2，50%以上種植在東北、西北、西南地區依靠自然降水、缺水的旱地上。玉米的生長發育受遺傳特性和各種環境因素的影響，在其遭受的諸多自然災害中，尤以干旱最為嚴重，由于水分脅迫導致的減產，超過其它因素造成減產的總和[1]。

淀粉是玉米籽粒中的主要積累物質，占籽粒總重的70%左右，其數量多寡直接影響玉米產量和品質。玉米淀粉是人類主要的淀粉來源之一，也是工業淀粉和以淀粉為原料的深加工產業的主要原料。全世界淀粉年產量為1 600×104 t，其中80%以上是玉米淀粉，美國95%以上淀粉來自于玉米，我國淀粉行業90%以玉米為原料。玉米淀粉的生產在整個玉米加工業中占十分重要的地位[2]。

玉米胚乳淀粉粒的發育不僅受控于遺傳因子，同時也受環境因素的制約。關于玉米籽粒淀粉積累與基因型及環境因素的關系，前人已做了較深入的研究[3～16]。但有關高淀粉玉米在不同供水條件下籽粒淀粉粒發育規律、形態結構及粒度分布特征的研究尚少見報道。為此，本研究以高淀粉玉米為材料，比較研究了高淀粉玉米在不同供水條件下，籽粒淀粉粒的動態變化以及淀粉粒度分布特征，旨在為高淀粉玉米產量提高和節水栽培提供理論依據。

1材料與方法

11試材與試驗設計

試驗于2010年6月～2011年10月在山東省六一農場人工旱棚內進行。旱棚高35 m，棚頂用透光率89%的陽光板覆蓋，棚四周為通風良好的鐵制防護網。每處理選用統一規格的瓷盆25個，完全隨機排列，瓷盆上口徑、下口徑和盆高分別為40、38 cm和40 cm。供試材料為鄭單21（粗淀粉含量為7542%），6月5日播種，每盆播種4粒，留苗1株。試驗設水分脅迫（土壤含水量為田間持水量的40%～45%）和正常供水（土壤含水量為田間持水量的65%～70%）2個處理。處理時間為6月20日（三葉期）至8月8日（吐絲期），處理期間每次灌水前采用烘干法控制土壤含水量，之后所有處理正常供水（土壤含水量為田間持水量的65%～70%）。

12取樣及測定方法

剝取授粉后3、7、11、15 天的玉米果穗中部籽粒，切取胚與花柱遺跡之間的籽粒橫切面用4%戊二醛前固定，磷酸緩沖液沖洗；再用1%鋨酸后固定，乙醇梯度脫水；Epon-812 （環氧樹脂）浸透與包埋；LKB-7800型超薄切片機切片，切片厚06 μm。部分切片放到載玻片上，加熱至60℃展片，吸干水分，干燥后在60℃下用堿性品紅-亞甲基藍染色液染色，BX-51型OLMPUS熒光顯微鏡觀察及數碼照相，進行籽粒種皮形態建成和淀粉粒分布研究。部分材料在定位后用醋酸雙氧鈾-檸檬酸鉛雙重染色，JEM-1200EX型透射電鏡下觀察照相，用于淀粉粒超微結構研究。

13玉米籽粒淀粉提取

參考Raeker[17]、Peng[18]和Stoddard[19]的淀粉提取方法：取保存待用的各處理授粉后15 天的籽粒5 g，加入05 mol/L NaCl 25 ml，置于4℃冰箱中48 h，去除籽粒的果皮和胚，置于研缽中加入05 mol/L NaCl 溶液研磨，直至有面筋析出，過濾。將未濾過物多次研磨過濾，直至濾出液用碘試劑染色不顯藍色為止。合并濾液，3 000 r/min離心10 min，取沉淀。沉淀再分別用2 mol/L NaCl、2% SDS 和02% NaOH 溶液順序振蕩沖洗，去除蛋白質，直至沉淀為白色為止。最后沉淀用丙酮振蕩沖洗3遍，40℃烘干，磨細，貯藏備用。每個樣品重復2次。

14淀粉粒度分布的測定

利用LS13320 型激光粒度分析儀（貝克曼庫爾特公司）測定，采用其通用液體樣品池，所用液體為蒸餾水。具體試驗方法如下：稱取005 g 淀粉樣品，加入5 ml 蒸餾水振蕩分散成懸濁液，得待測液。打開儀器，調節泵速為45 r/min，設運行時間為35 s，選Fraunhofertf 780z 光學模型，檢測儀器背景和光路中心，然后注入1 ml 待測液，待遮蔽率顯示OK后開始分析。每個樣品重復3～5 次。

15統計分析與作圖

應用DPS 統計軟件進行數據統計與分析；利用Excel 軟件和LS13320 型激光粒度分析儀自帶軟件進行作圖。

2結果與分析

21高淀粉玉米籽粒發育動態

授粉后7 天，水分脅迫處理的玉米籽粒發育明顯落后于正常供水處理，其外珠被和內珠被均尚未退化消失（圖1），果皮約有20～40層細胞，其最外幾層細胞呈扁長形，含有明顯的細胞核；越靠近內層的細胞越小，至接近外珠被時，細胞已基本成圓形小顆粒。內珠被由2層細胞組成，每層細胞大小基本一致，細胞中內容物相對較少，無細胞核，細胞呈扁長形，排列有序。與內珠被緊密相連的是一層大小整齊一致且有核的細胞，其內為多層大小不一、形狀不規則的細胞組成的珠心。珠心細胞表現為最外層細胞小，且顏色較深，內層細胞大，細胞呈透明狀。而正常供水處理的玉米籽粒發育較快，其外珠被已退化消失，內珠被由三層細胞組成，細胞明顯較大，內容物少，絕大多數細胞無細胞核，其與珠心相連部位的細胞顏色較深，呈一明顯的黑色分界線。珠心組織與水分脅迫處理的形態差異不明顯。可見，水分處理對玉米籽粒發育的影響主要體現在形態建成的速度，尤其是內、外珠被組織解體的速度上。

授粉后11天，水分脅迫與正常供水處理的果皮、外珠被、內珠被、珠心和胚乳細胞的形態、數量和內容物等均發生顯著變化（圖1）。其中，果皮的內層細胞已開始解體，僅水分脅迫處理的少數細胞內可見細胞核；細胞體積明顯增大，數量大幅減少。外珠被細胞也變得支離破碎，但外珠被和內珠被組織界線清晰可辨，內珠被細胞已彼此離散，細胞質和細胞核解體，細胞被破壞，正常供水處理的內珠被里幾乎無完整細胞存在。而胚乳細胞的細胞壁明顯變薄，細胞內容物顯著增多，細胞內已明顯可見大大小小的淀粉粒，且越靠近胚乳內層，細胞中的淀粉粒越大、數量越多。處理間比較可見，水分脅迫處理內外珠被退化消失的速度明顯低于正常供水處理，且正常供水處理胚乳淀粉粒的數目和大小均顯著大于水分脅迫處理。說明，水分不僅可顯著影響玉米內外珠被降解的速度，也顯著影響籽粒胚乳中淀粉粒的積累。

授粉后15天，兩處理的果皮細胞層數均明顯減少，細胞內幾乎已無內容物存在，內外珠被均已慢慢降解并濃縮成一條黑線，緊緊貼在一起與胚乳的糊粉層細胞相連。糊粉層細胞中含有大量的油脂，呈褐色。糊粉層以內的胚乳細胞中含有大量的淀粉粒，淀粉粒的體積和數量較授粉后11天明顯增加。處理間仍表現為：正常供水處理的淀粉粒明顯比水分脅迫處理大且多（圖1）。

22胚乳淀粉粒粒度分布特征

221淀粉粒的表面積分布水分對玉米淀粉粒的表面積分布有較大影響，水分脅迫處理玉米胚乳淀粉粒的表面積分布表現為單峰曲線，峰值出現在2107 μm；而正常供水處理的胚乳淀粉粒表面積分布表現為雙峰曲線，峰值分別出現在1204 μm和1029 μm（圖2）。其中，水分脅迫處理B型（直徑<10 μm）淀粉粒的表面積占總數的100%，而正常供水處理B型淀粉粒的表面積約占總數的86%，A型（直徑>10 μm）淀粉粒占14%左右。與正常供水處理相比，水分脅迫處理<40 μm的淀粉粒表面積百分比顯著增加，達4794%，其中10～20 μm和20～40 μm的淀粉粒表面積百分比分別增加3378%和35816%；而<10 μm、40～100 μm和>10 μm的淀粉粒表面積百分比均顯著降低，分別降低7512%、5984%和100%（表1）。說明，水分脅迫處理B型淀粉粒的表面積百分比的增加主要是20～40 μm淀粉粒表面積百分比的顯著增加所致，而A型淀粉粒的表面積百分比的降低主要是>10 μm淀粉粒表面積百分比的顯著降低所致。水分脅迫可降低A型淀粉粒的表面積百分比，增加B型淀粉粒的表面積百分比。

223胚乳淀粉粒體積分布水分對玉米胚乳淀粉粒的體積分布亦有很大影響，其中水分脅迫處理的體積分布呈單峰曲線，峰值出現在306 μm，而正常供水處理呈雙峰曲線，峰值分別出現在1322 μm和1129 μm（圖4）。處理間比較可見，水分脅迫處理B型淀粉粒的體積占總數的100%，而正常供水處理B型淀粉粒的體積占總數的6130%，A型占3870%。與正常供水處理相比，水分脅迫處理<60 μm的淀粉粒體積百分比顯著增加，高達22078%，其中06～20 μm和20～60 μm分別增加10971%和31149%，<06 μm的淀粉粒體積百分比降低100%。而水分脅迫處理>6 μm的淀粉粒體積百分比較正常供水處理降低9827%，其中60～100 μm和>6 μm分別降低9607%和100%（表3）。

缺氮缺水，SS活性在授粉后20～30天峰值較低，SPS活性甚至在授粉后20天沒有峰值出現，意味著玉米葉片中SS、SPS活性受到嚴重抑制，導致了源端生產的用于淀粉合成的蔗糖數量減少，籽粒淀粉的積累量因此受到抑制；缺氮缺水使籽粒中的淀粉代謝酶SSS、GBSS、ADPG-PPase、UDPG-PPase活性過早下降，導致淀粉合成過程中酶系統的紊亂，抑制淀粉生物形成的正常進行，降低籽粒淀粉含量[20～23]。

本試驗結果表明，水分脅迫導致玉米籽粒形態建成滯后，尤其是內、外珠被組織解體和胚乳淀粉粒積累的速度減緩。授粉后7天，水分脅迫處理的玉米籽粒外珠被尚未退化消失，果皮、內珠被和胚乳細胞的界限模糊，幾乎每個果皮細胞內都含有細胞核；而正常供水處理的玉米籽粒外珠被已退化消失，果皮、內珠被和胚乳細胞的界限清晰，果皮細胞內容物較少，細胞壁較薄，內珠被細胞明顯較大，內容物少，絕大多數細胞無細胞核。授粉后11天，兩處理的胚乳細胞的細胞壁明顯變薄，細胞內容物顯著增多，細胞內已明顯可見大大小小的淀粉粒，但正常供水處理的淀粉粒明顯大且多。授粉后15天，糊粉層以內的胚乳細胞中含有大量的淀粉粒，淀粉粒的體積和數量較授粉后11天明顯增加，且仍表現為正常供水處理的淀粉粒明顯比水分脅迫處理大且多。

水分脅迫處理的淀粉粒表面積、數目和體積分布均呈單峰曲線，而正常供水處理表現為淀粉粒數目分布呈單峰曲線，表面積分布和體積分布呈雙峰曲線。水分脅迫可降低A型淀粉粒的表面積、數目和體積百分比，增加B型淀粉粒的表面積、數目和體積百分比。

綜上所述，水分脅迫抑制了高淀粉玉米籽粒淀粉粒的發育，降低了籽粒淀粉的積累量。這為進一步研究水分脅迫復水后高淀粉玉米胚乳淀粉粒發育的補償生長機制及高淀粉玉米的高產、抗旱栽培提供了初步的理論依據。參考文獻：

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