萌動玉米籽粒中α-淀粉酶的時空變化

王鳳鳳，劉衛(wèi)國，陸海燕，霍舉頌

（新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆烏魯木齊830046）

萌動玉米籽粒中α-淀粉酶的時空變化

王鳳鳳，劉衛(wèi)國?，陸海燕，霍舉頌

（新疆大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆綠洲生態(tài)重點實驗室，新疆烏魯木齊830046）

為明確淀粉酶在淀粉水解過程中的變化規(guī)律，以華西176玉米籽粒為材料，研究玉米籽粒不同部位的淀粉酶含量和活性在時空上的變化規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：α-淀粉酶活性均值在第3天時達到最大值后下降，然后在第5天時又有所回升，隨后繼續(xù)下降。α-淀粉酶活性在胚軸中最強，胚芽和胚根中次之，胚乳和種皮中最弱。在時間和空間的交互作用下，籽粒萌發(fā)第3天的胚軸上α-淀粉酶活性均值最大。α-淀粉酶含量在不同部位表現(xiàn)為雙峰曲線。

玉米籽粒；萌動；時空變化；α-淀粉酶；活性

王鳳鳳,劉衛(wèi)國,陸海燕,霍舉頌.萌動玉米籽粒中α-淀粉酶的時空變化 [J/OL].大麥與谷類科學(xué),2017,34(4):16-19,28 [2017-07-26].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20170726.1004.004.html.

在新疆谷類作物中，玉米的種植面積和總產(chǎn)量僅次于小麥，單產(chǎn)產(chǎn)量則居首位。隨著玉米種植面積的不斷擴大，對玉米的研究也不斷深入。但對玉米籽粒在萌發(fā)過程中淀粉酶的變化研究較少。淀粉酶是催化淀粉水解的一類酶，在籽粒萌發(fā)中通過對淀粉的水解，為籽粒的發(fā)育提供必需的營養(yǎng)和能源，從而使玉米籽粒長成營自養(yǎng)生活的幼苗[1]。因此淀粉酶在籽粒萌發(fā)過程中起重要作用，是植物在萌動生理生化過程中的核心。

根據(jù)作用類別，淀粉酶可分為α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和脫枝酶這4種，其中α-淀粉酶對淀粉水解起主導(dǎo)作用[2]。通過對α-淀粉酶分布以及活性的研究，可進一步研究該部位的生理機制，及其在植物體未來發(fā)育過程中的演化[3-4]。本研究通過比較玉米籽粒萌發(fā)過程中不同部位α-淀粉酶活性，進一步了解玉米籽粒萌動過程中，α-淀粉酶活性是如何影響籽粒部位從而控制籽粒萌發(fā)的，為進一步深入研究玉米籽粒萌發(fā)過程中的生理規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設(shè)計

試驗材料為華西176，是新疆華西種業(yè)公司培育的一個中抗蟲，中抗病的新型玉米品種。精選飽滿度一致、無病蟲害的華西176玉米籽粒，漂洗干凈后用蒸餾水侵泡12 h，后用7%的次氯酸鈉消毒5 min，然后將玉米籽粒胚乳部分朝下，排放在有3層濾紙的培養(yǎng)皿中，并用蒸餾水浸潤（覆蓋到籽粒一半位置為宜），將培養(yǎng)皿放入無光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，白天/夜間溫度為26℃/15℃,且各維持12 h。然后每天保證籽粒的水分需求。每處理3次重復(fù)。

1.2 試驗方法

1.2.1 淀粉酶液制備及測定。從玉米籽粒萌發(fā)第1天開始到第7天，每天取1個萌發(fā)的玉米籽粒將其解剖成胚芽、胚軸、胚根、胚乳、種皮5個部位，分別置于研缽中，加入少量石英砂以及2 mL蒸餾水，研磨勻漿。再將勻漿倒入離心管中，用6 mL蒸餾水潤洗后將殘渣洗入離心管中。室溫條件下提取液放置15～20 min，每隔數(shù)min攪動1次，使其充分提取。3 000 r/min轉(zhuǎn)速下離心10 min，提取上清液在100 mL容量瓶中定容，即配置出淀粉酶原液，用于測定α-淀粉酶活力和含量。

1.2.2 淀粉酶水解后麥芽糖的測定方法。用麥芽糖制作標(biāo)準(zhǔn)曲線[6]，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程為y= 0.321x-0.017(R2=0.995)。麥芽糖可以使3,5-二硝基水楊酸還原為3-氨基-5-硝基水楊酸，在540 nm波段中測其吸光度，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得到麥芽糖含量。

1.2.3 α-淀粉酶活力的測定。參照陳毓荃等方法進行酶活性測定[5-6]，酶活力定義為在37°C、pH值5.6條件下，以1mL酶液1min分解1g可溶性淀粉產(chǎn)生1 mg麥芽糖為1個酶活性單位(U)。每個樣品及空白對照均設(shè)3次重復(fù)。

1.2.4 計算公式。α-淀粉酶的活力（U）=(X×N)／(W×Vs×t)，式中：X為從表上查得的麥芽糖含量（mg）；N為樣品稀釋倍數(shù)；W為樣品質(zhì)量（g）；Vs為測定時取用的酶液體積（mL）；t為反應(yīng)時間（min）。1.2.5 α-淀粉酶含量的測定。α-淀粉酶含量使用還原糖測定儀（SGD-Ⅳ型）測定。α-淀粉酶含量（mg/g）=(X×N)/W，式中：X為測定的還原糖（麥芽糖）含量（mg）；N為樣品稀釋倍數(shù)；W為樣品質(zhì)量（g）。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計。通過SPSS用單因素方差分析法對獲得數(shù)據(jù)進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米籽粒萌發(fā)不同天數(shù)不同部位麥芽糖含量的變化

根據(jù)在萌發(fā)不同天數(shù)對玉米籽粒不同部位麥芽糖的含量（圖1）。在時間上都呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。其在胚軸、胚根、胚乳中麥芽糖含量在第6天達到最大值，在胚芽中麥芽糖含量在第7天達到最大值。在不同部位上胚根和種皮的變化趨勢一致都呈現(xiàn)雙峰趨勢，胚芽、胚軸、胚乳的變化趨勢呈現(xiàn)的規(guī)律不一致。在第6天的胚軸部位麥芽糖含量呈現(xiàn)出最大值0.113 mg/g，在第4天的胚乳部位麥芽糖含量呈現(xiàn)出最小值0.051mg/g。

圖1 玉米籽粒萌發(fā)不同天數(shù)不同部位麥芽糖含量

2.2 玉米籽粒萌發(fā)不同天數(shù)不同部位α-淀粉酶的活性變化

不同萌發(fā)天數(shù)對玉米籽粒不同部位α-淀粉酶活性的影響見圖2，可以看出，在同一時間上玉米籽粒中α-淀粉酶活性在不同部位具有差異性。其中第2天胚芽、種皮、胚乳與胚軸、胚根的α-淀粉酶之間存在顯著差異（P＜0.05），第4天胚芽、胚根與種皮、胚乳及胚軸的α-淀粉酶活性之間存在顯著差異（P＜0.05），第7天胚芽、胚根、種皮、胚乳與胚軸的α-淀粉酶活性之間存在顯著差異（P＜0.05）。胚芽中α-淀粉酶的活力在整個萌發(fā)周期中均表現(xiàn)出較高水平，隨萌發(fā)時間的增加，胚芽中的α-淀粉酶的活力呈雙峰趨勢，與其他部位淀粉酶活性規(guī)律大致相同，但其均值在不同時間上存在顯著差異（P＜0.05）。不同部位的α-淀粉酶活性均值變化表現(xiàn)為萌發(fā)前期3d胚芽中α-淀粉酶比胚根的活性均值大，而萌發(fā)后則比胚根的均值小。種皮和胚乳中的α-淀粉酶活力一直處于較低水平。

圖2 玉米籽粒萌發(fā)不同天數(shù)不同部位的α-淀粉酶活性

2.3 玉米籽粒萌發(fā)不同天數(shù)不同部位α-淀粉酶的含量變化

不同部位的α-淀粉酶含量在時間軸上，均大致表現(xiàn)為先增加后減少，然后再增加的趨勢，大致表現(xiàn)為雙峰曲線（圖3）。其中在第3天時達到最大，然后逐漸下降。在第5天時又有所回升，隨后繼續(xù)下降。胚芽和胚根的大致走向接近，在第3天達到最大值，含量在第4天至第7天走向趨于一致。原因在于玉米籽粒在萌發(fā)周期內(nèi)，隨著胚芽胚根的伸長發(fā)育，對淀粉的需求量有所減少。胚軸中α-淀粉酶的含量在整個萌發(fā)周期中均表現(xiàn)出較高水平，隨萌發(fā)時間的增加，胚軸中的α-淀粉酶的含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，其他部位的淀粉酶含量也有相似規(guī)律。種皮和胚乳中的α-淀粉酶含量一直處于較低水平。這可能是由于在種子萌發(fā)過程中胚的發(fā)育占主要地位，因而淀粉酶主要直接集中在胚芽、胚軸及胚根部位。

3 結(jié)論與討論

圖3 玉米籽粒萌發(fā)不同天數(shù)不同部位α-淀粉酶的含量

玉米籽粒在萌發(fā)過程中，糊粉層產(chǎn)生α-淀粉酶轉(zhuǎn)移到胚乳中，再由胚乳將α-淀粉酶二次轉(zhuǎn)移到胚芽、胚軸、胚根等處用于籽粒的發(fā)育。本研究結(jié)果表明，玉米籽粒不同部位的麥芽糖含量、α-淀粉酶含量與α-淀粉酶活性存在正相關(guān)。萌動玉米籽粒的α-淀粉酶活性在時間上存在一定差異，其中第1天、第3天除了和第4天不存在差異外，與其他幾天都存在顯著差異（P＜0.05），其他幾天之間差異不顯著。在空間上胚芽和胚根差異不顯著，其他各部位間都存在顯著差異。在時間和不同部位交互作用下，第3天胚軸的α-淀粉酶活性均值最大。對不同部位α-淀粉酶活性的比較說明，種皮中的α-淀粉酶活性整體比胚乳中的高?？赡苁怯捎诜N皮部分剝離時與糊粉層有點混合，從而在種皮的測定中，可能夾雜著α-淀粉酶活性較高的糊粉層，因此導(dǎo)致種皮的淀粉酶活性比胚乳中的大。位于玉米的種皮和胚乳之間的糊粉層是玉米籽粒中具有高營養(yǎng)價值的生理活性成分，極難物理剝離。根據(jù)前人的研究，在玉米籽粒萌發(fā)過程中，胚產(chǎn)生赤霉素，作用于玉米籽粒的糊粉層，從而誘導(dǎo)其產(chǎn)生α-淀粉酶，分解淀粉，釋放能量[7]。

萌動玉米籽粒的α-淀粉酶含量在空間上存在差異。胚軸中含量最多，胚芽和胚根中含量次之，胚乳和種皮中含量最少。這可能與萌發(fā)早期，α-淀粉酶分解淀粉所釋放的能量先作用于芽鞘的伸長生長然后為生根提供能量有關(guān)。這與張蕙心等的研究結(jié)果相似[8]。通過α-淀粉酶活性均值變化圖可以發(fā)現(xiàn)，不同部位的α-淀粉酶活性，均表現(xiàn)為先增加，后減少，再稍微增加后減少趨勢。第3天時達到最大，然后逐漸下降。在第5天時又有所回升，隨后繼續(xù)下降。這可能與糖的抑制效應(yīng)有關(guān)。糖類是籽粒萌發(fā)所需的能源物質(zhì)，是植物生長發(fā)育和基因表達的重要調(diào)節(jié)因子[9]。隨著糖含量的不斷增加，當(dāng)達到一定濃度時又反過來抑制α-淀粉酶活性，導(dǎo)致α-淀粉酶活性又有所下降。這與趙玉錦等的研究結(jié)果相似[10]。

α-淀粉酶含量在時間軸上，均大致表現(xiàn)為先增加，后減少，再稍微增加后減少。這種變化趨勢，反映了α-淀粉酶代謝變化的內(nèi)在規(guī)律。這與有關(guān)報道[4,12-13]在萌發(fā)第3天時α-淀粉酶含量通常達到最大值，隨后回落的單峰曲線結(jié)論有所不同?？赡苁怯?個方面原因造成：一方面是測定方法。在鈍化β-淀粉酶的過程中，可能使一定量的α-淀粉酶活性受到影響。另一方面是玉米本身的性質(zhì)，即α-淀粉酶和β-淀粉酶一起作用于玉米淀粉時的協(xié)同作用引起的。這與α-淀粉酶活性有關(guān)的激素或外界環(huán)境也可能存在關(guān)聯(lián)。這種差異的產(chǎn)生在之前ZHU等[11-15]的研究結(jié)果中也出現(xiàn)過類似情況，第5天的測量結(jié)果與第4天的均有所回升。從α-淀粉酶活性變化的總體趨勢中可以看到，萌發(fā)5 d后，酶活力明顯降低，這與前面的結(jié)果是一致的。

華西176在萌發(fā)第3天時所有不同部位α-淀粉酶活性達到最大值，說明華西176玉米籽粒與其他類型的玉米籽粒在萌發(fā)過程中的大致規(guī)律相同，但在不同部位的α-淀粉酶的變化規(guī)律是有所不同的。結(jié)果表明，第3天是玉米籽粒萌發(fā)過程中α-淀粉酶變化的一個重要的轉(zhuǎn)折點。

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Temporal and Spatial Expression Patterns of α-amylase During Maize Seed Germination

WANG Feng-feng,LIU Wei-guo,LU Hai-yan,HUO Ju-song
(College ofResourcesand EnvironmentalSciences,XinjiangKeyLaboratoryofOasisEcology, XinjiangUniversity,Xinjiang830046,China)

This study was aimed to clarify the temporal and spatial expression patterns of amylase in the process of starch hydrolysis in germinating maize seeds.The maize variety Huaxi 176 was used as the experimental material to determine the content and activity of α-amylase in different parts of maize seed at different time points during its germination.The results showed that the mean α-amylase activity in maize seed reached its maximum at the third day of germination and then declined,but rose again at the fifth day and fell subsequently.Alpha amylase activity was strongest in the hypocotyl,followed by the embryo and radicle,and was weakest in the endosperm and testa.In terms of the temporal and spatial expression patterns of alpha amylase,its activity peaked in the hypocotyl at the third day of germination;its content varied with time in different parts of maize seed,showing a double-peak curve.

Maize seed:Germination:Temporal and Spatial variation:α-amylase:Activity

S513

A

1673-6486-20170334

2017-03-07

國家自然科學(xué)基金（31260112）。

王鳳鳳（1991—），女，碩士研究生，主要從事荒漠生態(tài)系統(tǒng)研究。E-mail:13619903292@163.com。

?通訊作者：劉衛(wèi)國（1972—），男，副教授，主要從事荒漠植物逆境研究。E-mail:wgliuxj@126.com。