糯玉米胚乳發(fā)育過(guò)程中淀粉粒粒度分布的變化

伊祖濤， 張海艷，2

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與植物保護(hù)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266109;2.山東省小麥玉米周年高產(chǎn)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 泰安 271018)

淀粉是一種廣泛存在于自然界中的多糖類碳水化合物［1-4］。它不僅是人類的主要食物成分，而且由于其具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、供應(yīng)穩(wěn)定、可再生等眾多優(yōu)點(diǎn)，也被廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織、精細(xì)化工、包裝材料等工業(yè)生產(chǎn)中［5］。淀粉的應(yīng)用主要取決于它的理化特性［6］。淀粉粒粒度分布對(duì)淀粉的理化特性有顯著影響［7-11］，目前已成為評(píng)價(jià)淀粉品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

糯玉米胚乳淀粉幾乎全由支鏈淀粉組成，其食用消化率、粘滯性和膨脹力高，適口性好，這些優(yōu)良特性賦予糯玉米寶貴的價(jià)值和廣泛的用途［12］。前人對(duì)糯玉米果穗不同部位籽粒淀粉粒粒度分布的差異［13］及生長(zhǎng)季節(jié)［11］和播期、品種和拔節(jié)期追氮量［14］對(duì)糯玉米淀粉粒粒度分布的影響進(jìn)行了研究。然而，關(guān)于糯玉米淀粉粒粒度分布的研究大多針對(duì)成熟期籽粒，缺乏對(duì)胚乳發(fā)育過(guò)程中淀粉粒粒度分布變化的研究。本試驗(yàn)以糯玉米品種為材料，研究其胚乳發(fā)育過(guò)程中淀粉粒粒徑及粒度分布的變化，以明確糯玉米淀粉粒粒度分布特征，為進(jìn)一步調(diào)控糯玉米淀粉粒粒度分布，在植物體內(nèi)直接生成結(jié)構(gòu)適宜、能滿足相應(yīng)需求的天然淀粉提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試糯玉米品種為紫糯208、西星白糯1號(hào)、京科糯2000、西星黃糯6號(hào)、西星赤糯1號(hào)、西星黑糯1號(hào)、黑糯4號(hào)，2012年6月20日于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州試驗(yàn)田種植。開(kāi)花期人工授粉，從授粉后10 d開(kāi)始，每隔5 d取10個(gè)果穗，直至成熟期(授粉后45 d)。

1.2 淀粉提取

參照 Peng 等［15］和 Malouf等［16］的方法。取一定量籽粒于蒸餾水中浸泡，去除果種皮與胚后在研缽中研磨，勻漿過(guò)200目篩布，固體部分繼續(xù)研磨過(guò)濾，重復(fù)3次。勻漿后4 000 g離心10 min，去掉上清液，加入蒸餾水，旋渦混合，勻漿再離心，重復(fù)4次。去上清液，分別加2%SDS、0.2%NaOH和蒸餾水清洗，勻漿后4 000 g離心10 min，再用丙酮清洗1次，風(fēng)干后貯存于-20℃?zhèn)溆谩?/p>

1.3 淀粉粒粒度分布的測(cè)定

采用LS13320激光衍射粒度分析儀，參考石德楊等［17］的方法測(cè)定。取50 mg淀粉放入離心管，加10 ml蒸餾水懸浮，旋渦混勻后置4℃下1 h，每10 min振蕩1次。吸取2 ml轉(zhuǎn)移至激光衍射粒度分析儀的分散盒中，測(cè)量淀粉粒的分布狀況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS軟件進(jìn)行差異顯著性分析，用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

由于胚乳發(fā)育過(guò)程中，7個(gè)糯玉米品種淀粉粒粒徑及粒度分布的變化趨勢(shì)一致，文中僅以紫糯208的結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 糯玉米胚乳淀粉粒粒徑

由表1可知，授粉后10 d，糯玉米胚乳淀粉粒的最小粒徑為0.496 μm，最大粒徑為12.99 μm。隨著胚乳發(fā)育，淀粉粒的最小粒徑逐漸減小，最大粒徑和平均粒徑逐漸增大;授粉后20 d一直到成熟期，粒徑范圍和平均粒徑基本穩(wěn)定，最小粒徑為 0.375 μm，最大粒徑為 20.71～24.95 μm，平均粒徑為 10.07 ～ 12.79 μm。可見(jiàn)，胚乳發(fā)育前期(授粉后20 d前)是糯玉米淀粉粒形成的關(guān)鍵時(shí)期。

表1 糯玉米胚乳淀粉粒粒徑的變化Table 1 Change of starch granule diameter in waxy corn endosperm

2.2 糯玉米胚乳淀粉粒體積分布

由圖1可知，糯玉米胚乳發(fā)育過(guò)程中，胚乳淀粉粒的體積分布呈“單峰-雙峰-三峰曲線”的變化。具體表現(xiàn)為，授粉后10 d時(shí)，淀粉粒的體積分布呈單峰曲線，其峰值粒徑為4.656 μm;授粉后15 d時(shí)，淀粉粒的體積分布變化為雙峰曲線，第1個(gè)峰值出現(xiàn)在1.669 μm，第2個(gè)峰出現(xiàn)在8.148 μm，谷值出現(xiàn)在3.519 μm;授粉后20 d一直到成熟期，淀粉粒的體積分布則始終保持為三峰曲線，峰值均出現(xiàn)在1.669 μm、5.610 μm 和 15.650 μm 附近，谷值均出現(xiàn)在3.519 μm 和7.422 μm 附近。

根據(jù)小麥研究中以雙峰曲線凹處為分界線將淀粉粒分級(jí)的方法，本研究以成熟期淀粉粒體積分布三峰曲線的谷值3.519和7.422 μm為界線，將糯玉米淀粉粒分為小型淀粉粒(＜3.519 μm)、中型淀粉粒(3.519～7.422 μm)和大型淀粉粒(＞7.422 μm)。

圖1 糯玉米胚乳淀粉粒體積分布的變化Fig.1 Change of starch granule volume distribution in waxy maize endosperm

從表2可以看出，胚乳發(fā)育前期，小型和中型淀粉粒所占體積百分比呈降低的趨勢(shì)，大型淀粉粒所占體積百分比呈顯著增加的趨勢(shì);授粉后20 d一直到成熟期，各類型淀粉粒所占體積百分比趨于穩(wěn)定。授粉后10 d，不同類型淀粉粒所占體積百分比表現(xiàn)為小型淀粉粒＞中型淀粉粒＞大型淀粉粒;授粉后15 d一直到成熟期，各類型淀粉粒所占體積百分比表現(xiàn)為大型淀粉粒＞小型淀粉粒＞中型淀粉粒。

2.3 糯玉米胚乳淀粉粒表面積分布

糯玉米胚乳發(fā)育過(guò)程中，胚乳淀粉粒的表面積分布呈“單峰-雙峰-三峰曲線”變化(圖2)。具體表現(xiàn)為，授粉后10 d時(shí)，淀粉粒的表面積為單峰分布，峰值出現(xiàn)在粒徑1.832 μm處;授粉后15 d時(shí)，淀粉粒的表面積分布變化為雙峰曲線，峰值出現(xiàn)在粒徑1.385 μm和8.148 μm 處，谷值出現(xiàn)在粒徑3.519 μm處;而授粉后20 d一直到成熟期，淀粉粒的表面積分布始終表現(xiàn)為三峰曲線，峰值均出現(xiàn)在粒徑1.520 μm、5.111 μm 和 15.650 μm 處，谷值均出現(xiàn)在粒徑3.519 μm和7.422 μm 處。

表2 糯玉米不同類型淀粉粒體積百分比的變化Table 2 Change of volume percent of small，middle and large starch granules in waxy corn

圖2 糯玉米胚乳淀粉粒表面積分布的變化Fig.2 Change of starch granule surface area distribution in waxy maize endosperm

從表3可以看出，授粉后10～20 d，小型淀粉粒所占表面積百分比顯著降低，大型淀粉粒所占表面積百分比顯著增多，中型淀粉粒所占表面積百分比開(kāi)始無(wú)顯著變化后顯著降低;授粉后20 d一直到成熟期，各類型淀粉粒所占表面積百分比均維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。整個(gè)胚乳發(fā)育時(shí)期，小型淀粉粒所占表面積百分比始終最多，為52.86% ～72.85%;授粉后10 d和15 d，中型淀粉粒所占表面積百分比(分別為18.66%、18.85%)大于大型淀粉粒(分別為8.48%、13.58%);授粉后20 d到成熟期，中型淀粉粒所占表面積百分比(6.90%～11.30%)小于大型淀粉粒(35.12%～37.57%)。可見(jiàn)，胚乳發(fā)育過(guò)程中，糯玉米胚乳淀粉粒表面積構(gòu)成始終以小型淀粉粒為主;胚乳發(fā)育前期中型淀粉粒所占表面積百分比大于大型淀粉粒，而胚乳發(fā)育中后期大型淀粉粒所占表面積百分比大于中型淀粉粒。

2.4 糯玉米胚乳淀粉粒數(shù)目分布

由圖3可知，糯玉米胚乳發(fā)育過(guò)程中，胚乳淀粉粒的數(shù)目分布一直為單峰曲線。隨著籽粒發(fā)育，峰值對(duì)應(yīng)的粒徑呈減小趨勢(shì)。

表3 糯玉米不同類型淀粉粒表面積百分比的變化Table 3 Change of surface area percent of small，middle and large starch granules in waxy corn

圖3 糯玉米胚乳淀粉粒數(shù)目分布的變化Fig.3 Change of starch granule number distribution in waxy maize endosperm

與授粉后10 d相比，授粉后15 d時(shí)小型和大型淀粉粒所占數(shù)目百分比顯著增多，中型淀粉粒所占數(shù)目百分比顯著減少;之后各類型淀粉粒所占數(shù)目百分比基本維持不變(表4)。不同類型淀粉粒間比較，數(shù)目百分比表現(xiàn)為小型淀粉粒＞中型淀粉粒＞大型淀粉粒。可見(jiàn)，整個(gè)胚乳發(fā)育期間，糯玉米淀粉粒始終以小型淀粉粒為主，其次為中型淀粉粒，大型淀粉粒數(shù)目最少。

表4 糯玉米不同類型淀粉粒數(shù)目百分比的變化Table 4 Change of number percent of small，middle and large starch granules in waxy corn

2.5 淀粉粒平均粒徑與粒度分布的相關(guān)性

淀粉粒平均粒徑與不同類型淀粉粒的體積、表面積和數(shù)目之間存在密切關(guān)系。具體表現(xiàn)為，平均粒徑與大型淀粉粒的體積百分比(r=0.97＊＊)、表面積百分比(r=0.97＊＊)和數(shù)目百分比(r=0.67*)以及小型淀粉粒的數(shù)目百分比(r=0.89＊＊)呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與小型淀粉粒體積百分比(r=-0.95＊＊)和表面積百分比(r=-0.92＊＊)以及中型淀粉粒的體積百分比(r=-0.99＊＊)、表面積百分比(r=-0.98＊＊)和數(shù)目百分比(r=-0.89＊＊)則呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

小麥淀粉粒可分為A型和B型2種［9］。A型淀粉粒呈盤狀或透鏡狀，直徑10～35 μm;B型淀粉粒一般呈球形或多邊形，直徑 1～10 μm［18］。而關(guān)于玉米淀粉粒大小的分級(jí)尚沒(méi)有明確的劃分界限。張麗等［19］以 2 μm 和 15 μm 為界限，將玉米淀粉粒劃分成小型、中型和大型3類。Rubí等［20］將≥10 μm的淀粉粒定為大淀粉粒，＜10 μm為小淀粉粒。Ji等［21］將玉米淀粉粒分為5 組: ＜5 μm、≥5 μm 且＜9 μm、≥9 μm 且 ＜13 μm、≥13 μm 且 ＜17 μm、≥17 μm。本試驗(yàn)中，采用激光衍射粒度分析儀測(cè)得的糯玉米成熟期淀粉粒體積分布為三峰曲線，參照 Park 等［22］、Stoddard［23］、Chojecki等［24］在小麥研究中以雙峰曲線凹處為分界線劃分淀粉粒的方法，將糯玉米淀粉粒分為小型(＜3.519 μm)、中型(3.519 ～7.422 μm)和大型( ＞7.422 μm)。這與上述結(jié)果不同，可能與淀粉樣品制備、粒徑測(cè)量技術(shù)、軟件計(jì)算方法、劃分依據(jù)等不同有關(guān)［20］，但與本課題組在普通玉米上的研究結(jié)果［17］一致。

玉米在授粉后6 d胚乳細(xì)胞開(kāi)始分化，胚乳細(xì)胞出現(xiàn)淀粉體［25］;授粉后9 d才能在籽粒頂部的胚乳細(xì)胞中見(jiàn)到淀粉體［26］。本試驗(yàn)從授粉后10 d開(kāi)始研究淀粉粒的分布狀況。荊彥平等［25］拍攝的糯玉米胚乳顯微結(jié)構(gòu)圖顯示，授粉后12 d時(shí)淀粉體較小，18 d時(shí)淀粉體的數(shù)量明顯增多、體積明顯增大。這與本試驗(yàn)結(jié)果一致，本試驗(yàn)結(jié)果表明授粉后20 d之前是糯玉米淀粉粒形成的關(guān)鍵時(shí)期。籽粒淀粉的生物合成是由腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶(DBE)等多種酶協(xié)同作用，通過(guò)復(fù)雜的途徑完成的［5］。Zhang等［27］發(fā)現(xiàn)小麥淀粉粒粒度分布與淀粉合成酶活性變化及其基因表達(dá)有著密切關(guān)系。Peng等［28］研究發(fā)現(xiàn)，淀粉分支酶容易與小麥A型淀粉粒結(jié)合，不易與B型淀粉粒結(jié)合。Tyynel?等［29］發(fā)現(xiàn)大麥shx位點(diǎn)突變體中，淀粉合成酶Ⅰ活性降低，A型淀粉粒粒徑減小，認(rèn)為淀粉合成酶Ⅰ影響大麥淀粉粒粒徑大小。本試驗(yàn)中，糯玉米胚乳發(fā)育前期，小型和中型淀粉粒體積比顯著降低，大型淀粉粒所占體積百分比顯著增加;胚乳發(fā)育后期，粒徑及各類型淀粉粒所占體積百分比變化不顯著。前人研究發(fā)現(xiàn)，糯玉米籽粒可溶性淀粉合成酶(SSS)和SBE 活性在授粉后 12 d［30］或 20 d［31］活性最高。可見(jiàn)，胚乳發(fā)育前期是糯玉米淀粉粒及粒度分布形成的關(guān)鍵時(shí)期，推測(cè)SSS和SBE與大淀粉粒形成有關(guān)，SSS和SBE活性越高，大淀粉粒所占體積百分比越大，這與麥類作物上的研究結(jié)果［28-29］一致。因此，可通過(guò)分子生物學(xué)手段或合理的栽培措施調(diào)整淀粉合成相關(guān)酶活性，以調(diào)控淀粉粒粒度分布，從而改良糯玉米淀粉的理化特性和應(yīng)用品質(zhì)。

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