三種禾谷類作物強、弱勢粒淀粉粒形態與粒度分布的比較

徐云姬　李銀銀　錢希旸　王志琴　楊建昌

揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點 / 糧食作物現代產業技術協同創新中心, 江蘇揚州225009

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三種禾谷類作物強、弱勢粒淀粉粒形態與粒度分布的比較

徐云姬李銀銀錢希旸王志琴楊建昌*

揚州大學江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點 / 糧食作物現代產業技術協同創新中心, 江蘇揚州225009

摘要:本研究以水稻品種武運粳24和揚兩優6號、小麥品種揚麥16和寧麥13及玉米品種登海11和農樂988為試驗材料, 分別提取其成熟期強、弱勢粒的淀粉粒, 觀察比較不同作物及其強、弱勢粒間淀粉粒形態和淀粉粒數量、體積和表面積分布特性。結果表明, 3種禾谷類作物間淀粉粒形態大小差異明顯, 粒徑表現為玉米>小麥>水稻。水稻淀粉粒呈有棱角的無規則狀, 小麥淀粉粒呈透鏡體狀或球體狀, 玉米淀粉粒呈橢球體狀、多面體狀或圓球體狀。水稻和玉米淀粉粒數量、體積和表面積分別成單峰、三峰和雙峰分布; 小麥淀粉粒數量呈單峰分布, 體積呈微弱的四峰分布, 表面積呈三峰分布。水稻、小麥和玉米淀粉粒按各自粒徑不同人為劃分為小淀粉粒、中淀粉粒和大淀粉粒, 分界線分別為1.5 μm和20.0 μm、5.0 μm和50.0 μm、4.0 μm和50.0 μm。3種作物籽粒淀粉粒的總體積主要決定于中淀粉粒體積。3種作物的強、弱勢粒間小淀粉粒粒度分布比例及中淀粉粒所占數量比例沒有明顯差異, 但各作物強勢粒的中淀粉粒所占的體積和表面積比例均顯著高于弱勢粒, 大淀粉粒的分布比例低于弱勢粒。強、弱勢粒的中淀粉粒所占體積比例與其淀粉積累量和粒重的高低變化趨勢一致。表明淀粉粒體積是決定粒重的一個重要因素, 增加弱勢粒的中淀粉粒體積或減小大淀粉粒體積可望增加其粒重。

關鍵詞:淀粉粒; 形態; 粒度分布; 強勢粒; 弱勢粒; 水稻; 小麥; 玉米

本研究由國家自然科學基金項目(31271641, 31471438, 31461143015), 中央級科研院所基本科研業務費專項(農業)(201103003, 201203079), 江蘇省農業三新工程項目(SXGC[2014]313)和江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)專項經費資助。

The study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31271641, 31471438, 31461143015), China National Public Welfare Industry (Agriculture) Plan (201103003, 201203079), Jiangsu “Three-innovation” Agricultural Project (SXG2014313), and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (PAPD).

第一作者聯系方式: E-mail: xuyunji19881004@163.com

籽粒重量是作物產量的重要組成部分, 籽粒充實的程度直接關系到粒重和產量。水稻、小麥和玉米等禾谷類作物的粒重又會因其在穗上著生的位置不同而有較大差異, 通常分為強勢粒和弱勢粒兩種類型[1-3]。一般而言, 水稻的強勢粒位于稻穗上部一次枝梗上[1], 小麥的強勢粒位于麥穗中部[2], 玉米的強勢粒位于果穗中下部[3]。強勢粒灌漿快、充實好、粒重高。水稻的弱勢粒位于稻穗下部二次枝梗上[1],小麥的弱勢粒位于麥穗的基部和上部或一個小穗的中部[2], 玉米的弱勢粒位于果穗上部[3]。弱勢粒灌漿慢、充實差、粒重低。禾谷類作物籽粒成分主要是淀粉, 籽粒灌漿過程實質上是淀粉合成的過程。因此, 強、弱勢籽粒間的粒重差異主要歸因于淀粉生物合成和累積量的不同[4-6]。據Jiang等[4]報道, 小麥強勢粒之所以較弱勢粒具有較高粒重, 是因為其較高的淀粉積累速率和較強的蔗糖-淀粉代謝途徑關鍵酶活性。他們的研究表明, 成熟期小麥強勢粒中直鏈淀粉和支鏈淀粉含量顯著高于弱勢粒[4]。玉米中也有類似報道, 玉米果穗上部籽粒(弱勢粒)中的淀粉含量明顯低于中下部籽粒(強勢粒)[6]。

籽粒中淀粉是以半晶體狀態的淀粉粒形式儲存于胚乳中。淀粉粒的粒徑從1 μm到100 μm不等, 形狀各異(如球體狀、透鏡狀、多面體和不規則狀等),大小分布特征也有差異(如單峰分布、雙峰分布或三峰分布)[7-8]。前人指出, 小麥成熟期籽粒胚乳中存在2種類型淀粉粒, 規定為A型大淀粉粒和B型小淀粉粒, 二者的分界線為9.9 μm[9-10]。Peng等[11]也觀察到,成熟期小麥胚乳中含有A型淀粉粒(10～35 μm)和B型淀粉粒(1～10 μm)。后來, 有研究者又發現了C型淀粉粒, 它們較B型淀粉粒形成晚, 并且粒徑更小[12]。據報道, 玉米淀粉粒被分為3種類型, 即小淀粉粒組(<2 μm)、中淀粉粒組(2～15 μm)和大淀粉粒組(>15 μm)[13]。禾谷類作物淀粉粒度的數量分布、體積分布和表面積分布等, 不僅受遺傳因素控制[13-16],而且受環境條件的影響[17-19]。但已有的研究多集中于單種作物或單種作物不同穗位籽粒中淀粉粒的研究, 缺乏對不同作物間及同一作物穗上不同部位間籽粒淀粉粒形態及粒度分布特征的比較分析。本研究觀察比較3種典型禾谷類作物的強、弱勢籽粒中淀粉粒形態及粒度分布特征, 以期從淀粉粒的層面上進一步闡明禾谷類作物強、弱勢籽粒間淀粉積累及粒重差異的原因。

1　材料與方法

1.1試驗材料與生長條件

水稻試驗于2012年和2014年在揚州大學實驗農場進行。供試品種為武運粳24和揚兩優6號, 其直鏈淀粉含量分別為14.6％和16.5％。試驗地前茬均為小麥, 土壤為沙壤土, 耕作層含有機質2.02％、有效氮103.2 mg kg–1、速效磷24.5 mg kg–1、速效鉀85.6 mg kg–1。5月10日至11日播種, 6月9日至10日移栽。株、行距為15 cm×25 cm, 武運粳24雙本栽, 揚兩優6號單本栽, 小區面積為12.2 m × 5.6 m, 隨機區組排列, 重復3次。全生育期施尿素折合純氮240 kg hm–2, 按基肥∶分蘗肥∶穗肥=5∶2∶3施用。基施過磷酸鈣(含P2O513.5％) 445 kg hm–2和氯化鉀(含K2O 62.5％) 150 kg hm–2。其余田間管理同當地常規高產栽培。

小麥試驗于2013年10月—2014年5月在揚州大學江蘇省作物遺傳生理重點實驗室試驗農場進行。供試品種為普通小麥揚麥16和寧麥13, 其粗蛋白含量分別為14.2％和12.5％, 濕面筋含量分別為32.2％和27.6％。試驗地前茬作物為水稻, 土壤質地為沙壤土, 含有機質2.02％, 有效氮為105.0 mg kg–1,速效磷34.2 mg kg–1, 速效鉀68.0 mg kg–1。2013年10月28日人工條播, 基本苗225萬 hm–2, 行距30 cm, 三葉期定苗, 照高產栽培進行肥料運籌, 按基肥∶分蘗肥∶拔節肥∶孕穗肥=4∶2∶2∶2施用。全生育期施用尿素折合純氮180 kg hm–2, 播種前一次性施過磷酸鈣(含P2O513.5％)折合純磷90 kg hm–2和氯化鉀(含K2O 52％)折合純鉀90 kg hm–2, 其余管理措施同大田高產栽培。小區面積為12.2 m × 5.6 m,

隨機區組排列, 重復3次。

玉米試驗于2012年和2014年在揚州大學實驗農場大田進行。供試品種為普通玉米雜交種登海11和農樂988, 其粗淀粉含量分別為71.6％和73.2％。試驗地土壤類型為沙壤土, 土壤含有機質22.7 g kg?1、速效氮96.5 mg kg?1、速效磷20.4 mg kg?1、速效鉀120.0 mg kg?1。2012年的試驗于3月25日播種, 7月19日收獲。2014年試驗4月1日播種, 7月23日收獲。兩年玉米的株、行距均為37 cm × 55 cm,三葉期間苗定苗至4.91萬株 hm?2。播種前施用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀, 分別折合純氮42 kg hm?2、P2O576 kg hm?2和K2O 95 kg hm?2。在大喇叭口期和吐絲期分別追施尿素折合純氮27 kg hm?2和63 kg hm?2。試驗小區面積均為235 m2, 重復2 次。其他管理措施同當地玉米高產栽培。

1.2取樣與測定

于水稻抽穗期選擇大小基本一致的穗子150個掛牌, 標記部分穗穎花開花日期。成熟期取120個掛牌稻穗(每小區40個)用于剝取強、弱勢粒。強勢粒為穗上第1、第2天開花的穎花, 著生在穗頂部一次枝梗, 弱勢粒為穗上最后2 d開花的穎花, 著生在穗基部二次枝梗。

于小麥開花期選擇大小基本一致的穗子150個掛牌, 標記部分穗穎花開花日期。成熟期取120個掛牌麥穗(每小區40個)用于剝取強、弱勢粒。強勢粒為麥穗中部小穗(從基部往上數起的第4～第12小穗)的第1、第2位籽粒, 弱勢粒為穗上部和穗下部小穗的全部籽粒。

玉米吐絲期選擇同日吐絲且健壯一致的玉米10株掛牌標記。成熟期取掛牌果穗6個(每小區3個), 將果穗分為上、中、下三部分, 去除各分界處的邊際籽粒后, 將中、下部籽粒混合作為強勢粒, 取玉米果穗上部籽粒作為弱勢粒。

1.2.1強、弱勢籽粒重測定取強、弱勢籽粒各400粒烘干至恒重, 稱重后計算單粒重。將稱完重的籽粒分別磨成粉末用于淀粉含量的測定和淀粉粒的提取。水稻籽粒烘干去除穎殼后再磨成粉。

1.2.2強、弱勢籽粒中淀粉含量的測定上述烘干的強、弱勢籽粒粉末過100目篩, 采用雙波長比色法[20]測定直鏈淀粉和支鏈淀粉含量, 淀粉含量為直鏈淀粉和支鏈淀粉含量之和。

1.2.3淀粉粒提取與純化參照Peng等[21]和Ji 等[22]的方法并作修改提取淀粉粒。分別取成熟期強、弱勢籽粒粉末5～10 g放入50 mL離心管中, 按50 mg g–1的比例各自加入適量堿性蛋白酶和25 mL NaOH溶液(pH 9～10), 42℃下振蕩混勻24 h。然后將淀粉勻漿過200目篩, 濾液經4000×g離心20 min,去上清液, 并刮掉淀粉表層黃色物質。用去離子水懸浮淀粉沉淀后4000×g離心20 min, 重復此步驟3～4次洗去離子與雜質。然后依次用95％的乙醇、氯仿和甲醇混合液(1∶1, v/v)、甲醇和丙酮混合液(1∶1, v/v)各洗滌2～3次去脂。將提取物質70℃烘至半干, 用玻璃棒攪勻后過200目篩得淀粉, 收集并于4℃冰箱密封保存備用。

1.2.4淀粉粒形態觀察取2 mg提取的淀粉溶于5 mL無水乙醇中, 分別吸取1～2滴淀粉懸濁液加在樣品臺上, 25℃吹干后用離子濺射儀鍍金膜, 于掃描電子顯微鏡(ESEM XL-30, Philips, the Netherlands)下觀察與拍照。設置的電壓和電流分別為20 kV和150 mA, 分別于5000×、2500×和2500×放大倍數下觀察水稻、小麥和玉米淀粉粒形態。

1.2.5淀粉粒度分布測定用英國馬爾文公司的MS-2000激光粒度分析儀分析淀粉粒。取50 mg淀粉放入10 mL離心管, 加5 mL無水乙醇懸浮, 旋渦混勻后置4℃下1 h, 每10 min振蕩1次, 在吸取樣品前搖勻, 吸取2 mL左右轉移至激光衍射粒度分析儀的裝有無水乙醇的分散盒中, 測量淀粉粒數量、體積及表面積分布狀況。采用儀器本身攜帶的軟件獲取結果, 以百分比表示。

1.3數據處理

采用Microsoft Excel 2003和SPSS16.0統計軟件分析試驗數據, 用SigmaPlot 10.0作圖。用最小顯著差法(LSD0.05)檢驗平均數。小麥為1年的試驗數據。水稻和玉米因2年的結果趨勢一致, 所以用2年的平均數。

2　結果與分析

2.1強、弱勢粒淀粉積累及其粒重

由表1可知, 籽粒的重量表現為玉米>小麥>水稻。3種作物強勢粒的最終淀粉積累量及其粒重均顯著高于弱勢粒。強、弱勢粒間粒重的差異以玉米為最大, 其次為水稻, 小麥為最小(表1)。

2.2淀粉粒的形態特征

由圖1可見, 3種禾谷類作物間淀粉粒形態差異明顯。水稻的淀粉粒明顯小于小麥和玉米。水稻的淀粉粒形狀不規則, 含有棱角(圖1-A, B)。小麥的

淀粉粒主要表現為透鏡體狀和圓球體狀, 且表面光滑(圖1-C, D)。玉米的淀粉粒主要成多面體狀、橢球體狀或球體狀(圖1-E, F)。

表1　成熟期3種禾谷類作物強、弱勢粒淀粉積累量及其粒重Table 1　Grain weight and starch accumulation in superior and inferior grains of the three cereal crops at maturity

圖1　水稻(A, B: 放大倍數5000×)、小麥(C, D: 放大倍數2500×)和玉米(E, F: 放大倍數2500×)淀粉粒的形態特征Fig. 1　Scanning electron microscopy (SEM) showing the starch granule in rice (A, B: 5000×), wheat (C, D: 2500×) and maize (E, F: 2500×)

2.3淀粉粒度分布特征

圖2顯示, 無論強勢粒或弱勢粒, 淀粉粒的數量分布均呈現單峰變化趨勢, 且峰值對應的粒徑在0.5 μm左右, 體積分布表現為有一主峰的三峰分布,其主峰峰值對應的粒徑在6.0 μm左右, 三峰分界對應的粒徑分別在1.5 μm左右和20.0 μm左右。表面積分布表現為典型的雙峰分布, 2個峰值對應的粒徑分別在1.0 μm左右和4.0 μm左右。盡管強、弱勢粒間的淀粉粒度分布規律極度相似, 但不同粒徑范圍內的數量、體積或表面積均存在或多或少的差異。兩供試水稻品種的表現趨勢一致(圖2)。

圖3顯示, 小麥強、弱勢籽粒淀粉粒的數量呈單峰分布, 且峰值對應的粒徑在0.5 μm左右, 體積分布表現為微弱的四峰分布, 其主峰對應的峰值在20.0 μm左右, 四峰分界對應的粒徑分別在1.5 μm左右、5.0 μm和50.0 μm左右; 表面積表現為三峰分布,兩側主要峰值對應的粒徑分別在0.5 μm左右和15.0 μm左右。盡管小麥強、弱勢粒間的淀粉粒度分布規律也極度相似, 但不同粒徑范圍內的數量、體積或表面積均存在或多或少的差異。兩供試小麥品種的趨勢相同(圖3)。

圖4顯示, 無論強勢粒或弱勢粒, 玉米淀粉粒的數量分布呈單峰變化趨勢, 且峰值對應的粒徑在0.5 μm左右, 體積分布表現為有一主峰的三峰分布,主峰峰值對應的粒徑在15.0 μm左右, 三峰間的分

界對應的粒徑分別在4.0 μm左右和50.0 μm左右,而表面積分布也表現為典型的雙峰分布, 兩個峰值對應的粒徑分別在0.5 μm左右和12.0 μm左右。盡管強、弱勢粒間的淀粉粒度分布規律也基本相同,但不同粒徑范圍內的數量、體積或表面積均存在或多或少的差異。兩供試玉米品種的表現趨勢一致(圖4)。

圖2　兩供試水稻品種強、弱勢粒中淀粉粒的數量(A, B)、體積(C, D)和表面積(E, F)分布Fig. 2　Number (A, B), volume (C, D), and surface area (E, F) distributions of starch granule in the superior and inferior grains of two rice cultivars

由圖2至圖4可以看出, 水稻、小麥和玉米籽粒中絕大部分的淀粉粒對應粒徑大小分別在0.2～ 1.5 μm、0.2～5.0 μm和0.2～50.0 μm之間。淀粉粒平均粒徑表現為玉米>小麥>水稻, 這與它們的粒重大小相一致。

2.4淀粉粒數量分布

由表2得知, 兩供試水稻品種的小淀粉粒(粒徑<1.5 μm)和中淀粉粒(粒徑為1.5～20 μm)數量占總淀粉數的百分比分別為92.14％～94.11％和5.89％～7.86％;大淀粉粒(粒徑>20 μm)所占比例微乎其微, 這表明水稻胚乳淀粉幾乎由小淀粉粒組成。成熟期水稻強、弱勢粒間的小淀粉粒和中淀粉粒數量比例差異不明顯, 大淀粉粒雖然數量極少, 但表現出弱勢粒中多于強勢粒(表2)。

兩供試小麥品種的小淀粉粒(粒徑<5 μm)和中淀粉粒(粒徑為5～50 μm)的數量百分比分別為99.70％～99.77％和0.23％～0.30％, 大淀粉粒(粒徑>50 μm)所占比例很少, 這表明小麥胚乳淀粉基本上由小淀粉粒組成。成熟期小麥強、弱勢粒間的小淀粉粒和中淀粉粒數量比例差異不明顯, 大淀粉粒數量極少, 且弱勢粒中多于強勢粒(表3)。

圖3　兩供試小麥品種強、弱勢粒中淀粉粒的數量(A, B)、體積(C, D)和表面積(E, F)分布Fig. 3　Number (A, B), volume (C, D), and surface area (E, F) distributions of starch granule in the superior and inferior grains of two wheat cultivars

表2　水稻胚乳淀粉粒的數量、體積和表面積分布比例Table 2　Proportion of starch granule number, volume, and surface area distributions in rice endosperm (％)

圖4　兩供試玉米品種強、弱勢粒中淀粉粒的數量(A, B)、體積(C, D)和表面積(E, F)分布Fig. 4　Number (A, B), volume (C, D), and surface area (E, F) distributions of starch granule in the superior and inferior grains of two maize cultivars

表3　小麥胚乳淀粉粒的數量、體積和表面積分布比例Table 3　Proportion of starch granule number, volume, and surface area distributions in wheat endosperm (％)

兩供試玉米品種的小淀粉粒(粒徑<4 μm)和中淀粉粒(粒徑為4～50 μm)的數量百分比分別為99.69％～99.75％和0.25％～0.31％, 而大淀粉粒(粒徑>50 μm)所占比例更少。表明玉米胚乳淀粉基本上由小淀粉粒組成。成熟期玉米強、弱勢粒間小淀粉粒和中淀粉粒數量比例差異不明顯, 而大淀粉粒數量極少, 且在弱勢粒中多于強勢粒。

2.5淀粉粒體積分布

兩供試水稻品種的小淀粉粒(粒徑<1.5 μm)、中淀粉粒(粒徑為1.5～20 μm)和大淀粉粒(粒徑>20 μm)的體積百分比分別為9.01％～10.80％、73.45％～84.08％ 和5.12％～17.41％, 說明中淀粉粒(粒徑為1.5～20 μm)占淀粉粒總體積的主要部分(表2)。而且強勢粒的中淀粉粒所占百分比顯著高于弱勢粒。武運粳24和揚兩優6號強勢粒的中淀粉粒所占體積分別比弱勢粒高出13.50％和9.30％。與大淀粉粒所占數量百分比一致, 弱勢粒的大淀粉粒體積百分比高于強勢粒(表2)。

兩供試小麥品種的小淀粉粒(粒徑<5 μm)、中淀粉粒(粒徑為5～50 μm)和大淀粉粒(粒徑>50 μm)的體積百分比分別為9.11％～10.20％、78.76％～88.74％和1.36％～11.54％, 這表示小麥淀粉粒的總體積主要決定于中淀粉粒(表3)。在供試的2個小麥品種中, 強勢粒的中淀粉粒所占比例大于弱勢粒。小麥品種揚麥16和寧麥13強勢粒的中淀粉粒所占體積分別比弱勢粒高出11.62％和5.14％。與此相反, 弱勢粒的大淀粉粒所占百分比高于強勢粒(表3)。

兩供試玉米品種的小淀粉粒(粒徑<4 μm)、中淀粉粒(粒徑為4～50 μm)和大淀粉粒(粒徑>50 μm)的體積百分比分別為5.99％～7.42％、75.20％～88.97％和3.61％～18.81％ (表4)。與水稻和小麥一致, 玉米淀粉粒的體積主要決定于中淀粉粒, 且強勢粒的中淀粉粒所占體積百分比也高于弱勢粒, 弱勢粒的大淀粉粒所占體積比例高于強勢粒(表4)。

表4　玉米胚乳淀粉粒的數量、體積和表面積分布比例Table 4　Proportion of starch granule number, volume, and surface area distributions in maize endosperm (％)

2.6淀粉粒表面積分布

兩供試水稻品種的小淀粉粒(粒徑<1.5 μm)、中淀粉粒(粒徑為1.5～20 μm)和大淀粉粒(粒徑>20 μm)的表面積百分比分別為39.43％～40.53％、58.58％～ 60.18％和0.20％～1.32％, 表明淀粉粒表面積主要取決于小淀粉粒和中淀粉粒(表2)。強、弱勢粒間比較,強勢粒的中淀粉粒所占表面積百分比高于弱勢粒,弱勢粒的大淀粉粒所占表面積百分比高于強勢粒(表2)。

兩供試小麥品種的小淀粉粒(粒徑<5 μm)、中淀粉粒(粒徑為5～50 μm)和大淀粉粒(粒徑>50 μm)的表面積百分比分別為55.47％～58.25％、40.29％～43.84％ 和0.21％～1.86％ (表3)。強勢粒的中淀粉粒所占表面積百分比高于弱勢粒, 大淀粉粒的表面積比例表現為弱勢粒高于強勢粒(表3)。

兩供試玉米品種的小淀粉粒(粒徑<4 μm)、中淀

粉粒(粒徑為4～50 μm)和大淀粉粒(粒徑>50 μm)的表面積百分比分別為54.91％～55.12％、43.43％～44.77％ 和0.31％～1.45％ (表4)。與水稻和小麥一樣, 2個玉米品種強勢粒的中淀粉粒所占表面積百分比高于弱勢粒, 大淀粉粒所占比例低于弱勢粒(表4)。

3　討論

據報道, 水稻的淀粉體通常以多個淀粉粒緊密組裝的形式存在于胚乳中, 其淀粉體中組成復粒淀粉體的單個淀粉粒起先是圓球體狀的, 當多個淀粉粒緊密結合在一起的時候, 接觸面處會形成棱角。在淀粉粒提取的過程中, 單個淀粉粒會釋放出來,表現為有棱角的無規則的單個小淀粉粒[23-24]。小麥胚乳細胞內的淀粉粒大小分明, 較大的淀粉粒呈兩面凸狀, 似扁豆, 而小型的淀粉粒呈小球狀[25]。玉米胚乳中淀粉粒具有大、中、小3種類型[26]。本研究中, 供試3種作物各自籽粒中的淀粉粒形態特征與前人的描述[23-26]基本一致, 而且淀粉粒平均粒徑表現為玉米>小麥>水稻, 這與它們的粒重大小相一致。但是在淀粉粒度分布上, 本文的結果與前人的研究[13,15-16,27-29]存在差異。Dhital等[27]發現水稻淀粉粒的體積分布會因水稻類型(野生型、轉基因或突變體)的不同而不同, 可能表現為三峰或四峰的不同分布趨勢。本研究中, 供試的2個水稻品種的淀粉粒數量、體積和表面積分布分別為單峰分布、三峰分布和雙峰分布。戴忠民等[28]指出, 小麥淀粉粒的數目表現為單峰分布, 體積和表面積均表現為雙峰分布。蔡瑞國等發現糯小麥[15]和強筋小麥[29]籽粒淀粉粒度分布特征均與之相一致。余靜等[30]在糯小麥陜糯1號和非糯小麥西農1330淀粉粒徑的差異比較中發現, 兩品種的淀粉粒數量和表面積均分別呈單峰和三峰分布, 但兩品種間存在差異, 陜糯1號和西農1330的淀粉粒體積分別表現為四峰和雙峰曲線分布。本文中, 2種供試小麥淀粉粒的數量分布與他們的結果均相同, 但體積和表面積卻分別呈現微弱的四峰和三峰分布, 與上述糯小麥陜糯1號淀粉粒的粒度分布趨勢基本吻合。張麗等[13]報道, 玉米淀粉粒數量、體積和表面積分布分別表現為單峰、雙峰和三峰分布。崔麗娜等[16]發現, 玉米籽粒中淀粉粒數量表現為雙峰分布, 體積和表面積均表現為三峰分布。石德楊等[31]在玉米淀粉粒體積和表面積分布的研究結果與崔麗娜等[16]的相同, 但他們發現淀粉粒數量分布趨勢與張麗等[13]的一致。本文中發現,供試的2個玉米品種的淀粉粒數量、體積和表面積分布分別呈單峰、三峰和雙峰分布。綜上, 不同作物間淀粉粒形態和淀粉粒度分布特征均存在差異,說明不同作物籽粒的淀粉粒形態和淀粉粒度分布具有各自的特異性, 這可能是不同作物籽粒淀粉具有不同用途的內在原因。相同作物的不同品種間淀粉粒度分布趨勢也有不同之處, 表明不同品種籽粒淀粉粒度分布具有個體性。另外, 前人認為作物籽粒中最大的淀粉粒粒徑在50 μm左右[13,15-16,27-29], 本文中發現了在50～150 μm的大型淀粉粒, 但數量極少。近年來, Dhital等[27]、余靜等[30]和崔麗娜等[32]分別在水稻、糯小麥和玉米淀粉粒研究中, 也發現了在50～150 μm粒徑范圍內的大型或超大型淀粉粒, 其數量也較少。說明作物籽粒中50～150 μm的大型或超大型淀粉粒是確實存在的。

本研究中發現, 相同作物強、弱勢粒在淀粉粒形態和淀粉粒度分布趨勢方面差異并不顯著(圖1～ 圖4)。但淀粉粒在不同粒徑分布比例上存在差異。按不同作物各自的淀粉粒體積分布特點, 將淀粉粒劃分為小淀粉粒、中淀粉粒和大淀粉粒(表2～表4)。經比較, 3種作物的強、弱勢粒間小淀粉粒粒度分布比例及中淀粉粒所占數量比例沒有明顯差異, 但各作物強勢粒的中淀粉粒所占的體積和表面積比例均顯著高于弱勢粒, 大淀粉粒的分布比例低于弱勢粒。前人對作物強、弱勢粒間淀粉粒的研究雖然相對較少。但戴忠民等[17]指出, 小麥強、弱勢粒間淀粉粒體積和表面積分布具有明顯差異, 強勢粒的均呈三峰分布, 弱勢粒的均為雙峰分布。本文中的結果與之不同, 可能是因為選用品種不同或儀器的分析方法存在差異。Li等[5]指出, 小麥穗中部籽粒中A型淀粉粒和B型淀粉粒在數量比例上與穗基部及穗上部籽粒差異并不顯著, 然而它們在體積分布比例上分別明顯地低于和高于穗基部及穗上部籽粒。陸大雷等[14]報道, 甜玉米、普通玉米和糯玉米籽粒淀粉粒體積分布在果穗不同部位間差異顯著。他們發現普通玉米籽粒中粒徑為5～17 μm的淀粉粒所占體積比例表現為中部>上部>基部, >17 μm的趨勢與之相反[14]。本研究中發現, 供試的3種作物中籽粒的中淀粉粒占淀粉粒總體積的主要部分。而且籽粒的中淀粉粒所占體積百分比均表現為強勢粒的明顯大于弱勢粒, 這與其淀粉積累量和粒重高低相一致。與此同時, 大淀粉粒的體積分布比例均表現為強勢粒的低于弱勢粒, 這與其淀粉積累量和粒重高低正

好相反。近年, 作者也以盆栽種植的方式, 研究了不同土壤落干對小麥強、弱勢粒的淀粉粒度分布的影響。結果表明, 與正常灌溉相比, 土壤輕度干旱增加了弱勢粒粒重, 進而提高產量; 土壤重度干旱均降低了強、弱勢籽粒重。與此同時, 輕度干旱顯著增加了弱勢粒的中淀粉粒體積百分比, 降低了弱勢粒的大淀粉粒比例; 土壤重度干旱均降低了強、弱勢粒的中淀粉粒體積百分比和增加了大淀粉粒的比例(數據未列出)。說明較高的中淀粉粒的體積百分比和較低的大淀粉粒所占比例可能是強勢粒具有較高粒重的原因。表明淀粉粒體積是決定粒重高低的一個重要因素, 增加弱勢粒的中淀粉粒體積或減小大淀粉粒體積可望增加其粒重。

有研究報道, 在禾谷類作物胚乳發育過程中,大淀粉粒的發育形成一般較早, 小淀粉粒的發育形成相對較晚[33-35]。因強勢粒胚乳淀粉體發育啟始時間通常要早于弱勢粒, 故強勢粒大淀粉粒所占比例明顯高于弱勢粒。但本研究觀察到, 弱勢粒大淀粉粒(粒徑>50 μm)比例高于強勢粒。本研究結果與前人研究結果的差異, 可能與不同類型淀粉粒的粒徑劃分標準以及所用的品種不同有關。蔡瑞國等[29]和譚秀山等[35]將小麥淀粉粒分為A型淀粉粒(粒徑10～45 μm的大型淀粉粒)、BL型淀粉粒(粒徑為1～10 μm的B型淀粉粒)和BS型淀粉粒(粒徑為<1 μm的B型淀粉粒)。譚秀山等[35]曾研究了小麥不同穗位強、弱勢粒的淀粉粒度分布特性。其結果顯示, 麥穗中部的強勢粒中A型淀粉粒(粒徑為10～45 μm)所占體積和表面積比例均顯著高于麥穗上部或下部的弱勢粒。這與本研究的結果基本一致。以往的研究還表明, 強、弱勢粒的大淀粉粒所占比例因品種不同而有較大差異[14,17,35]。但對于強、弱勢粒大淀粉粒所占比例在不同品種間差異的原因, 尚需深入研究。

又有學者提出, 淀粉分支酶(SBE)不易與小麥B型淀粉粒結合, 但容易與小麥A型淀粉粒結合[36]。伊祖濤等[37]的研究指出, 糯玉米籽粒灌漿過程中,可溶性淀粉合酶(SSS)和淀粉分支酶(SBE)活性與大淀粉粒(粒徑>7.4 μm)的體積增大速率和平均粒徑增大速率呈顯著或極顯著正相關, SSS和SBE活性越高, 淀粉粒平均粒徑和大淀粉粒(粒徑>7.4 μm)體積分布比例就越大。Zhang等[33]提出小麥強、弱勢粒中的淀粉粒度分布的不同特性與其灌漿進程中的淀粉合成相關酶活性及其基因表達的差異密切相關。McMaugh等[38]利用RNA干擾技術人為抑制淀粉合酶I (SSI)在小麥胚乳發育中的表達, 結果表明, 直/支鏈淀粉的精細結構與含量及其淀粉粒的形態結構、分布比例均發生了顯著變化, 進而改變了淀粉的品質特性(例如:糊化溫度、膨脹勢和黏度特性等)。說明SSI在決定胚乳淀粉結構與特性方面發揮著重要作用。作者據此推測, 籽粒灌漿過程中淀粉合成相關酶活性或基因表達的差異可能是導致強、弱勢粒間淀粉粒度分布比例差異的原因, 其機制有待深入研究。

4　結論

籽粒的淀粉粒形態大小在水稻、小麥和玉米3種不同作物間存在明顯差異, 粒徑上表現為玉米>小麥>水稻。各作物按粒徑可將籽粒淀粉粒分為小淀粉粒、中淀粉粒和大淀粉粒3種類型。籽粒淀粉粒的總體積主要決定于中淀粉粒體積。各作物強勢粒的中淀粉粒所占的體積百分比均顯著高于弱勢粒,大淀粉粒所占的體積百分比則顯著低于弱勢粒。強、弱勢粒的中淀粉粒所占體積比例與其淀粉積累量和粒重變化趨勢一致。增加弱勢粒的中淀粉粒體積或減小大淀粉粒體積可望增加其粒重。

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Comparison of Starch Granule Morphology and Size Distribution in Superior and Inferior Grains of Three Cereal Crops

XU Yun-Ji, LI Yin-Yin, QIAN Xi-Yang, WANG Zhi-Qin, and YANG Jian-Chang*
Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology / Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China

Abstract:Using two rice cultivars, two wheat cultivars, and two maize cultivars, we extracted starch granules to observe the morphological characteristics and to compare the differences in the starch granule number, volume and surface area distributions among the three crops and between superior and inferior grains of each cultivar. The results showed that significant differences were observed in starch granule morphology and size among the three crops. The diameter of starch granule showed an order of maize > wheat > rice. Starch granules extracted in rice showed an irregular shape, the starch granules in wheat were lenticular-shaped and spherical-shaped. The starch granules in maize grain were mainly polyhedral or irregular and spherical in shape. Distributions of starch granule number, volume and surface area were changed in a typical unimodal-peak curve, a triple-peak curve and a typical bimodal-peak curve, respectively, in grains of rice and maize. Distributions of starch granule number, volume and surface area in wheat grains displayed a typical unimodal-peak curve, a four-peak curve and a triple-peak curve, respectively. According to starch granule diameters, all the starch granules were classified into small, medium, and large granules in this study. The thresholds for separating the starch granules were 1.5 μm and 20.0 μm, 5.0 μm and 50.0 μm, 4.0 μm and 50.0 μm, respectively, in rice, wheat and maize. The total volume of starch granules in grains of the three cereal crops was mainly determined by

the volume of medium starch granules. No significant difference was observed in the proportions of small starch granule size and medium starch granule number between superior and inferior grains of the three cereal crops. But the volume and surface area of medium starch granules were larger in superior grains than in inferior ones. The percentage of large starch granules was greater in the inferior than in the superior. Changes in the volume of medium starch granules in both superior and inferior grains were consistent with those in starch accumulation and grain weight. The results suggest that the starch granule volume is an important factor determining grain weight. Increasing the volume of medium starch granules or reducing the volume of large starch granules would increase the weight of inferior grains.

Keywords:Starch granule; Morphology; Size distribution; Superior grains; Inferior grains; Rice; Wheat; Maize

收稿日期Received(): 2015-05-31; Accepted(接受日期): 2015-09-06; Published online(網絡出版日期): 2015-10-08.

通訊作者*(Corresponding author): 楊建昌, E-mail: jcyang@yzu.edu.cn, Tel: 0514-87979317

DOI:10.3724/SP.J.1006.2016.00070