玉米直鏈淀粉含量遺傳研究進(jìn)展

孟令瑞　孫明茂等

摘要：高直鏈淀粉在食品、包裝、造紙和生物降解材料等產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。本文在介紹高直鏈淀粉用途的基礎(chǔ)上，綜述了玉米直鏈淀粉含量變異、生態(tài)環(huán)境影響、直鏈淀粉含量遺傳、生物合成、玉米直鏈淀粉含量的分子生物學(xué)研究以及高直鏈淀粉玉米種質(zhì)創(chuàng)新，展望了今后高直鏈淀粉玉米育種的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：玉米直鏈淀粉含量遺傳種質(zhì)創(chuàng)新

淀粉是植物體內(nèi)貯藏的高分子碳水化合物，富含淀粉的植物主要包括蕨類(lèi)、殼斗科、禾本科、蓼科和百合科等。其中，禾本科玉米淀粉是人類(lèi)主要的淀粉來(lái)源之一，也是工業(yè)淀粉和以淀粉為原料的深加工產(chǎn)業(yè)主要原料，美國(guó)淀粉加工業(yè)中95％的淀粉都是玉米淀粉。普通淀粉顆粒內(nèi)支鏈淀粉約占80％，直鏈淀粉約占20％。直鏈淀粉是種由D吡喃葡萄糖組成的線性聚合物，各葡萄糖單體主要以α-1，4-糖苷鍵連接，每個(gè)直鏈淀粉分子通常含有數(shù)千個(gè)葡萄糖單體。而支鏈淀粉是種具有樹(shù)枝形分支結(jié)構(gòu)的多糖，D-吡喃葡萄糖單位通過(guò)α-1，4-糖苷鍵連接成直鏈，此直鏈上又可通過(guò)α-1，6糖苷鍵形成側(cè)鏈，在側(cè)鏈上又會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)分支側(cè)鏈。直鏈淀粉經(jīng)理化修飾后功能會(huì)加強(qiáng)，如將直鏈淀粉進(jìn)行溶解，與氫鍵結(jié)合，可形成剛性不透明膠體保持糖果固定形狀與造型：直鏈淀粉還用作食品增厚劑、炸薯?xiàng)l過(guò)程中阻止薯?xiàng)l過(guò)度吸收油分的包衣劑：玉米直鏈淀粉是生產(chǎn)光解塑料最佳原料，是解決目前日益嚴(yán)重白色污染的有效途徑。直鏈淀粉含量越高，分子問(wèn)越容易結(jié)合，剪切力越強(qiáng)，成膜性能越好。直鏈淀粉含量超過(guò)50％的淀粉稱(chēng)為高直鏈淀粉，從普通玉米品種中提取直鏈淀粉成本很高，因此培育高直鏈淀粉玉米品種對(duì)于淀粉產(chǎn)業(yè)具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1玉米直鏈淀粉含量變異

Vineyard等（1958）采用一份共同ae基因來(lái)源的玉米自交系和135份玉米自交系分別雜交，發(fā)現(xiàn)其雜交種直鏈淀粉含量變幅在36.5％～64.9％。Fergason等（1966）研究表明玉米果穗的上、中和下籽粒直鏈淀粉含量分別為67.4％、69.8％和71.9％。Boyer等（1976）報(bào)道玉米直鏈淀粉含量與細(xì)胞生理成熟程度呈正比，隨著細(xì)胞成熟，淀粉粒變大，直鏈淀粉含量隨之增加；胚乳基部細(xì)胞淀粉合成晚，淀粉粒小，直鏈淀粉含量低。顧曉紅（1998）對(duì)中國(guó)國(guó)家種質(zhì)資源庫(kù)中長(zhǎng)期保存的1060份玉米種質(zhì)進(jìn)行品質(zhì)分析，結(jié)果顯示玉米直鏈淀粉含量變異幅度為0.36％-33.14％，平均為28.67％，大部分種質(zhì)直鏈淀粉含量介于25％-31％之間。

2生態(tài)環(huán)境對(duì)玉米直鏈淀粉含量影響

Fergason和Zuber（1962）用6份玉米自交系（1份正常馬齒型、4份ae基因型、1份du基因型自交系）連續(xù)3年在8個(gè)州做試驗(yàn)，結(jié)果表明地點(diǎn)和年份對(duì)玉米直鏈淀粉含量均有顯著影響，但地點(diǎn)比年份影響更大。Fergason和Zuber（1962）用4份高直鏈淀粉玉米單交種在2年、12個(gè)地點(diǎn)的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)地點(diǎn)、年份和品種問(wèn)的復(fù)雜相互作用。其中地點(diǎn)差異最大，并且生長(zhǎng)季節(jié)較低的溫度產(chǎn)生高直鏈淀粉含量。Helm等（1968）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)延遲播種期總是與玉米高直鏈淀粉含量和低產(chǎn)量正相關(guān)，表明玉米直鏈淀粉含量和生長(zhǎng)期積溫呈負(fù)相關(guān)，延遲播種有利于提高玉米直鏈淀粉含量，但降低其他農(nóng)藝性狀表現(xiàn)。

3直鏈淀粉含量遺傳

Garwood等（1972）研究發(fā)現(xiàn)若干ae位點(diǎn)玉米變異體的直鏈淀粉含量決定于ae基因與其修飾基因的相互作用。Fuwa等（1999）研究結(jié)果證明，ae基因的不同等位基因?qū)τ衩字辨湹矸酆坑胁煌绊?。滕文濤等?001）研究發(fā)現(xiàn)，在ae基因純合的情況下，不同玉米自交系對(duì)直鏈淀粉含量提高幅度存在巨大差異，表明遺傳背景與ae基因之間存在某種互作關(guān)系或者不同自交系存在不同數(shù)量的直鏈淀粉含量的修飾基因。將3份ae基因供體親本和8份普通玉米自交系進(jìn)行回交轉(zhuǎn)育，測(cè)定自交系本身及回交轉(zhuǎn)育的BC₁F₁和BC₁F₂代直鏈淀粉含量，結(jié)果表明BC₁F₁和BC₁F₂代的直鏈淀粉含量比普通玉米自交系的直鏈淀粉含量都有定程度增加，而且BC₁F₂代的直鏈淀粉含量比BC₁F₁代的直鏈淀粉含量更高。這是因?yàn)锽C₁F₂代中的ae基因處于純合狀態(tài)，而B(niǎo)C₁F₁代中的ae基因處于雜合狀態(tài)，玉米高直鏈淀粉含量性狀是由隱性ae基因控制。Stinard和Robertson（1988）發(fā)現(xiàn)一個(gè)ae基因的顯性變異體Ae-5180，淀粉中直鏈淀粉的含量為72％。Ae-5180基因?qū)τ衩字辨湹矸酆烤哂谢ǚ壑备行?yīng)。

利用玉米ae和du隱性純合突變自交系與普通玉米自交系48-2的雜交F₁、F₂代籽粒為研究材料，通過(guò)單粒法測(cè)定籽粒的直鏈淀粉含量和質(zhì)量，用于分析玉米胚乳突變基因ae和du的遺傳效應(yīng)。結(jié)果表明，F(xiàn)₂代中具有ae或者du純合突變的籽粒表皮皺縮，質(zhì)量明顯下降，直鏈淀粉含量顯著提高。在ae與du的雜交后代中，籽粒的單粒重和直鏈淀粉含量沒(méi)有顯著變化，表明ae與du雙突變并不能導(dǎo)致直鏈淀粉含量增加。單突變的ae和du群體內(nèi)各籽粒問(wèn)的直鏈淀粉含量和質(zhì)量差異較大，說(shuō)明遺傳背景中存在影響直鏈淀粉含量的修飾基因。以16個(gè)引進(jìn)和自選的常規(guī)玉米自交系及ae近等基因系為材料，測(cè)定了自交系本身及其雜交組合的直鏈淀粉含量。結(jié)果表明簡(jiǎn)單回交轉(zhuǎn)育成的玉米品種，ae基因能顯著提高其直鏈淀粉含量，但只有ae基因的籽粒直鏈淀粉含量為50％左右，遺傳背景對(duì)直鏈淀粉含量的影響主要表現(xiàn)為非加性效應(yīng)。

4直鏈淀粉生物合成

直鏈淀粉主要是由顆粒結(jié)合型淀粉合成酶Ｉ（GBSSl）催化合成，而支鏈淀粉主要是由可溶性淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶協(xié)同催化而成。

5玉米直鏈淀粉含量變異的分了牛物學(xué)研究

顆粒結(jié)合型淀粉合成酶Ｉ（GBSSl）除催化直鏈淀粉合成外，還參與支鏈淀粉超長(zhǎng)分支鏈的合成。

高珍妮和王漢寧（2007）研究發(fā)現(xiàn)，高直鏈淀粉玉米籽粒發(fā)育過(guò)程中，顆粒結(jié)合型淀粉合成酶（GBSSl）活性高于普通玉米，而可溶性淀粉合成酶（SSS）和淀粉分支酶（SBE）活性低于普通玉米。高直鏈淀粉玉米品種總淀粉積累量少、直鏈淀粉含量高是SSS、GBSSl和SBE綜合作用的結(jié)果?；蛐蛄斜葘?duì)分析表明，高直鏈淀粉玉米和普通玉米的cDNA序列具有較高同源性，但是所測(cè)高直鏈淀粉玉米ae基因的第9個(gè)外顯子序列全部缺失，而且高直鏈淀粉玉米與普通玉米ae基因cDNA序列存在幾個(gè)不同堿基的差異。高直鏈淀粉玉米與NCBl數(shù)據(jù)庫(kù)中sbel基因的cDNA序列具有很高的同源性，但是所測(cè)玉米品種GMES-0067（直鏈淀粉含量>70％）的sbel基因有15個(gè)堿基的改變，其中5個(gè)堿基改變導(dǎo)致該位點(diǎn)氨基酸發(fā)生突變，而其他高直鏈淀粉玉米品種sbel基因與網(wǎng)上公布sbel基因序列預(yù)測(cè)的蛋白序列沒(méi)有差異。

6高直鏈淀粉玉米種質(zhì)創(chuàng)新

在20世紀(jì)70年代，美國(guó)用于商業(yè)生產(chǎn)的高直鏈淀粉玉米雜交種有兩種類(lèi)型，ClassⅥ（含直鏈淀粉50％）和ClassⅦ（含直鏈淀粉70％-80％）。到20世紀(jì)80年代，Custom農(nóng)場(chǎng)種子公司推出直鏈淀粉含量超過(guò)94％的ClassⅦ和ClassⅨ玉米單交種。柴曉杰等（2005）利用RNA干涉技術(shù)，抑制玉米淀粉分支酶基因SBEIIb表達(dá)，使支鏈淀粉的合成受到抑制，在總淀粉含量基本沒(méi)有改變的情況下，將轉(zhuǎn)基因玉米植株直鏈淀粉含量提高到50％左右。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家玉米改良中心培育出高直鏈淀粉玉米新組合ND-ae-0201，該組合籽粒直鏈淀粉含量50％左右，2002年該組合在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)北京昌平實(shí)驗(yàn)站參加特用玉米產(chǎn)量評(píng)比試驗(yàn)，穗長(zhǎng)22.5cm、穗粗4.9cm、每穗16～18行，千粒重289.6g。

為進(jìn)一步獲得高淀粉高直鏈淀粉含量玉米材料，以淀粉分支酶SBE活性受到嚴(yán)重抑制的高直鏈淀粉含量（54％）株系為母本和AGPase（葡萄糖焦磷酸化酶）大、小亞基基因過(guò)量表達(dá)的高淀粉含量（77％）株系為親本，通過(guò)有性雜交，產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因聚合植株，其直鏈淀粉含量最高為53.5％，對(duì)應(yīng)的總淀粉含量為71％。而未轉(zhuǎn)基因?qū)φ盏闹辨湹矸酆繛?8％，總淀粉含量約66％。

7展望

高直鏈淀粉因其特殊分子結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，具有獨(dú)特營(yíng)養(yǎng)功能、消化特性和加工性能，應(yīng)用前景廣泛，是當(dāng)前玉米育種研究中的熱點(diǎn)之一。但是高直鏈淀粉玉米育種不僅要考慮籽粒直鏈淀粉含量，而且還要考慮總淀粉含量以及農(nóng)藝性狀，育種難度很高。直鏈淀粉合成受復(fù)雜的基因與環(huán)境互作的影響，當(dāng)前高直鏈淀粉玉米育種中遇到的主要問(wèn)題是淀粉總含量的減少和較高的水分含量，最終導(dǎo)致減產(chǎn)。目前高直鏈淀粉玉米雜交種的產(chǎn)量低于普通玉米和糯玉米雜交種的產(chǎn)量，僅為普通玉米的65％-75％，差異達(dá)20％-30％。

要完成高直鏈淀粉玉米育種的目標(biāo)，不僅需要合理搭配各種有效育種途徑，更關(guān)鍵的是對(duì)育種總目標(biāo)進(jìn)行分解，通過(guò)種質(zhì)創(chuàng)新，培育出各個(gè)符合育種分解目標(biāo)的新種質(zhì)。谷明光和黃克虎（2002）分析鑒定國(guó)家種質(zhì)資源庫(kù)長(zhǎng)期保存的玉米種質(zhì)，結(jié)果表明我國(guó)玉米種質(zhì)資源中高淀粉種質(zhì)非常稀少，特別是高直鏈淀粉材料（直鏈淀粉含量>50％）空缺。這就需要我們方面通過(guò)引進(jìn)國(guó)外的高直鏈淀粉含量及高總淀粉含量玉米優(yōu)異種質(zhì)，另外方面通過(guò)基因突變、轉(zhuǎn)基因等途徑如過(guò)量表達(dá)GBSSl、AGPase、Sucrosesynthase（蔗糖合成酶）和SSS等基因，抑制表達(dá)SBElla、SBEllb和SBEl等基因培育符合中國(guó)國(guó)內(nèi)生態(tài)環(huán)境條件的高直鏈淀粉含量及高總淀粉含量玉米優(yōu)異種質(zhì)。在轉(zhuǎn)基因后代篩選中，盡量選擇既滿足育種分解目標(biāo)，千粒重、籽粒水分含量等農(nóng)藝性狀又優(yōu)良的植株、株系。最后通過(guò)基因聚合育種等途徑，把各個(gè)分解育種目標(biāo)綜合起來(lái)，最后得到我們期望的滿足育種總目標(biāo)的高直鏈淀粉玉米新品種。