糯玉米胚乳發(fā)育過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)與植物保護學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，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，而且由于其具有來源廣泛、價格低廉、供應(yīng)穩(wěn)定、可再生等眾多優(yōu)點，也被廣泛應(yīng)用于食品、造紙、紡織、精細化工、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］。淀粉粒粒度分布對淀粉的理化特性有顯著影響［7-11］，目前已成為評價淀粉品質(zhì)的一個重要指標(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值和廣泛的用途［12］。前人對糯玉米果穗不同部位籽粒淀粉粒粒度分布的差異［13］及生長季節(jié)［11］和播期、品種和拔節(jié)期追氮量［14］對糯玉米淀粉粒粒度分布的影響進行了研究。然而，關(guān)于糯玉米淀粉粒粒度分布的研究大多針對成熟期籽粒，缺乏對胚乳發(fā)育過程中淀粉粒粒度分布變化的研究。本試驗以糯玉米品種為材料，研究其胚乳發(fā)育過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 試驗材料

供試糯玉米品種為紫糯208、西星白糯1號、京科糯2000、西星黃糯6號、西星赤糯1號、西星黑糯1號、黑糯4號，2012年6月20日于青島農(nóng)業(yè)大學(xué)膠州試驗田種植。開花期人工授粉，從授粉后10 d開始，每隔5 d取10個果穗，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200目篩布，固體部分繼續(xù)研磨過濾，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定

采用LS13320激光衍射粒度分析儀，參考石德楊等［17］的方法測定。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，測量淀粉粒的分布狀況。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS軟件進行差異顯著性分析，用Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

由于胚乳發(fā)育過程中，7個糯玉米品種淀粉粒粒徑及粒度分布的變化趨勢一致，文中僅以紫糯208的結(jié)果進行分析。

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，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，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，淀粉粒的體積分布變化為雙峰曲線，第1個峰值出現(xiàn)在1.669 μm，第2個峰出現(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，大型淀粉粒所占體積百分比呈顯著增加的趨勢;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，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，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始無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穩(wěn)定的水平。整個胚乳發(fā)育時期，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%)?？梢?，胚乳發(fā)育過程中，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，峰值對應(yīng)的粒徑呈減小趨勢。

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?？梢?，整個胚乳發(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尚沒有明確的劃分界限。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。本試驗中，采用激光衍射粒度分析儀測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、粒徑測量技術(shù)、軟件計算方法、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胚乳細胞開始分化，胚乳細胞出現(xiàn)淀粉體［25］;授粉后9 d才能在籽粒頂部的胚乳細胞中見到淀粉體［26］。本試驗從授粉后10 d開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時淀粉體較小，18 d時淀粉體的數(shù)量明顯增多、體積明顯增大。這與本試驗結(jié)果一致，本試驗結(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位點突變體中，淀粉合成酶Ⅰ活性降低，A型淀粉粒粒徑減小，認為淀粉合成酶Ⅰ影響大麥淀粉粒粒徑大小。本試驗中，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?？扇苄缘矸酆铣擅?SSS)和SBE 活性在授粉后 12 d［30］或 20 d［31］活性最高?？梢姡呷榘l(fā)育前期是糯玉米淀粉粒及粒度分布形成的關(guān)鍵時期，推測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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