甜玉米果皮細(xì)胞層數(shù)、纖維素含量與 果皮柔嫩性的關(guān)系

趙捷，王美興，趙蕖，黃辰潔，杜龍崗

(1.杭州種業(yè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物與核技術(shù)利用研究所，浙江 杭州 310021)

果皮是玉米一個(gè)非常重要的組織器官，涉及玉米籽粒的抗性、脫水速度等性狀。對(duì)甜玉米而言，玉米果皮則與食用品質(zhì)有密切關(guān)系，果皮柔嫩度是影響適口性重要的品質(zhì)性狀之一。果皮的柔嫩度是指果皮咀嚼的難易程度，是衡量甜玉米口感品質(zhì)的重要指標(biāo)性狀。研究甜玉米果皮與其柔嫩性之間的關(guān)系，改良籽粒柔嫩度等相關(guān)性狀，是甜玉米品質(zhì)育種工作的關(guān)鍵之一[1]。

利用合理的研究方法，客觀地了解甜玉米果皮柔嫩度由哪些因素影響，是提高其果皮食用品質(zhì)的基礎(chǔ)。甜玉米果皮柔嫩度的鑒定方法主要有2種。品嘗法是鑒定鮮食玉米柔嫩性最直接、最便捷的方法，至今仍是育種家最常用的方法。另外一種較為便捷并且可以將鮮食玉米柔嫩性進(jìn)行量化的方法是針刺法。目前，有關(guān)果皮柔嫩度的研究主要集中在果皮厚度對(duì)柔嫩度的影響方面，包括果皮厚度和柔嫩度的關(guān)系，果皮厚度的遺傳規(guī)律，果皮厚度在各生長(zhǎng)期的變化規(guī)律等。Tracy等[2-3]研究結(jié)果表明，果皮厚度和籽粒柔嫩性存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系。周淑梅等[4-6]的研究結(jié)果表明，鮮食玉米的果皮厚度隨時(shí)間變化而變化，果皮厚度由薄變厚，然后由厚變薄。由此可見，果皮厚度在玉米籽粒生長(zhǎng)期間是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程。樂素菊等[7]從果皮結(jié)構(gòu)角度的研究結(jié)果表明，果皮厚度是影響果皮柔嫩度的重要因素之一，但非決定因素，果皮厚度和果皮細(xì)胞成分共同決定了玉米籽粒的柔嫩度。但史振聲等[8]的研究結(jié)果顯示，果皮柔嫩性與果皮厚度之間的相關(guān)性不顯著，玉米果皮的柔嫩性與其組織結(jié)構(gòu)有更緊密的關(guān)系。籽粒柔嫩性是鮮食玉米重要的食用品質(zhì)，關(guān)于果皮對(duì)鮮食玉米籽粒柔嫩性的研究，前人從果皮厚度、果皮厚度變化規(guī)律、果皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)等多個(gè)角度對(duì)玉米果皮與玉米籽粒柔嫩性之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。鑒于成熟前玉米果皮是一個(gè)動(dòng)態(tài)的性狀，由于不同材料間生長(zhǎng)期的不一致，導(dǎo)致生長(zhǎng)環(huán)境、發(fā)育時(shí)期很難一致。即使是在甜玉米采摘后，由于失水作用果皮厚度也會(huì)逐漸變薄，但柔嫩性顯著降低[9]。是否有更合理的方式來(lái)研究果皮厚度呢？在籽粒形成最初期，玉米果皮細(xì)胞層數(shù)已經(jīng)確定，整個(gè)生長(zhǎng)期是固定不變的，因此，我們研究了果皮細(xì)胞層數(shù)與果皮柔嫩度之間的關(guān)系。同時(shí)，也考查了果皮的纖維素含量。為了避免研究材料生長(zhǎng)期不同步的問題而以成熟種子為研究對(duì)象，在這種條件下，果皮細(xì)胞層數(shù)及纖維素含量都可以通過實(shí)驗(yàn)手段精確測(cè)定。通過考察玉米果皮細(xì)胞層數(shù)與穿刺指數(shù)的相關(guān)性及對(duì)穿刺指數(shù)的影響規(guī)律，纖維素含量與果皮穿刺指數(shù)的相關(guān)性及對(duì)果皮穿刺指數(shù)的影響規(guī)律，比較果皮細(xì)胞層數(shù)和纖維素含量對(duì)果皮穿刺指數(shù)的影響，試圖從一個(gè)新的角度探索果皮與鮮食玉米柔嫩性的關(guān)系，為鮮食玉米優(yōu)良自交系的培育及優(yōu)良組合的組配提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

以E327(品嘗法評(píng)價(jià)，其柔嫩度較好，果皮層數(shù)為4層。)為母本，B05-1(品嘗法評(píng)價(jià)，其柔嫩度較差，果皮層數(shù)為8層)為父本雜交一代自交一代獲得F2群體245份材料的成熟種子，考察每份材料的果皮細(xì)胞層數(shù)，并進(jìn)行果皮纖維素含量測(cè)定。

1.2 方法

果皮細(xì)胞層數(shù)測(cè)定。2013年3月從海南浙江省農(nóng)科院南繁基地試驗(yàn)田采收實(shí)驗(yàn)材料，每份材料選取果穗中間籽粒若干，蒸餾水浸泡24 h，剝?nèi)」?，切片，洋紅染色，在奧林巴斯BX51型號(hào)顯微鏡下觀察果皮細(xì)胞層數(shù)，并計(jì)數(shù)，3次重復(fù)。

果皮纖維素含量測(cè)定。籽粒浸泡24 h，剝?nèi)」ぃ瑢⒐ぴ贒HG9070型鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)70 ℃烘干至恒重，萬(wàn)分之一天平稱量果皮0.05～0.06 g，利用重鉻酸鉀滴定法測(cè)量果皮纖維素含量，每份樣品重復(fù)3次，取平均值作為果皮纖維素含量[10]。

果皮刺穿指數(shù)測(cè)定。籽粒浸泡24 h，利用TA-XT PLUS質(zhì)構(gòu)儀及其P/2 N探針分別測(cè)量籽粒胚面和胚背面探針穿透果皮時(shí)的瞬時(shí)受力值(穿刺指數(shù))，重復(fù)3次，取平均值作為果皮穿刺指數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

果皮細(xì)胞層數(shù)、纖維素含量、果皮穿刺指數(shù)等各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)全部完整的材料共45份，各性狀之間的相關(guān)性分析、回歸分析及圖表形成等在Excel中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 分離群體的果皮細(xì)胞層數(shù)

在顯微鏡下觀察玉米果皮細(xì)胞層數(shù)，同一份材料的3次重復(fù)間果皮層數(shù)一致。其中母本E327果皮層數(shù)為4層，父本G05-1果皮層數(shù)為8層，其后代果皮層數(shù)均為偶數(shù)，F(xiàn)1果皮層數(shù)為4層，245份F2群體材料的果皮層數(shù)有3種類型，分別是4層、6層、8層(圖1)，其材料數(shù)分別是105份、91份和49份。從圖1可以看出，同一份玉米材料的果皮細(xì)胞層厚度較為均勻，不同材料的果皮細(xì)胞壁厚度、果皮細(xì)胞排列緊密程度，以及細(xì)胞腔的大小等都存在差異。而這些差異可能是造成果皮纖維化程度差異的原因。因此，我們對(duì)果皮細(xì)胞層數(shù)及纖維素含量如何影響鮮食玉米的柔嫩性進(jìn)行了研究分析。

圖1 F2分離群體果皮細(xì)胞層數(shù)的類型

2.2 果皮細(xì)胞層數(shù)對(duì)果皮穿刺指數(shù)的影響

玉米籽粒的4個(gè)側(cè)面是從穗軸取食籽粒時(shí)的主要受力部位，籽粒側(cè)面果皮的柔嫩性和口感有較為直接的關(guān)系，而籽粒的胚面和胚背面是玉米籽粒側(cè)面果皮面積最大的部分。因此，我們利用果皮穿刺指數(shù)，考查了上述2個(gè)部位果皮被刺破瞬間的受力情況。結(jié)果顯示，果皮穿刺力胚面小于胚背面(圖2)。通過對(duì)胚面、胚背面果皮穿刺力相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，兩者果皮穿刺力呈顯著正相關(guān)(r=0.181 0*)，表明玉米籽粒不同側(cè)面的果皮柔嫩度有一定的差異，但其柔嫩度變化規(guī)律具有一致性，其中胚背面果皮的柔嫩性對(duì)籽粒的柔嫩性影響最大。因此,我們以胚背面果皮的穿刺指數(shù)代表玉米果皮的穿刺指數(shù)，研究果皮細(xì)胞層數(shù)、果皮纖維素含量對(duì)果皮柔嫩度的影響。胚背面果皮的穿刺指數(shù)為0.151 9～0.364 3 kg,不同材料之間果皮穿刺指數(shù)差異比較明顯。

如圖3所示，果皮細(xì)胞層數(shù)對(duì)玉米籽粒的穿刺指數(shù)有明顯的影響，果皮平均穿刺指數(shù)的大小順序?yàn)?層>6層>4層，即果皮細(xì)胞層數(shù)越多，穿刺指數(shù)越高，玉米籽粒的柔嫩性越差。

圖2 籽粒胚面與胚背面果皮穿刺指數(shù)的比較

圖3 果皮細(xì)胞層數(shù)與果皮穿刺指數(shù)的關(guān)系

2.3 果皮纖維素含量及其與果皮穿刺指數(shù)的關(guān)系

果皮纖維素含量在材料間的差異較大，最低為31.33%，最高達(dá)98.90%，母本E327纖維素含量為72.81%，父本G05纖維素含量為43.56%。纖維素是果皮中的主要成分之一，F(xiàn)2分離群體中較大的纖維素含量變幅意味著纖維素對(duì)果皮柔嫩性的影響較大。分離群體中材料果皮的纖維素含量主要分布在40%～80%(圖4)，即分布在2個(gè)親本果皮的纖維素含量之間。但也有少量材料果皮纖維素含量低于柔嫩度較低的親本或高于纖維素含量較高的親本。纖維素含量在群體內(nèi)呈連續(xù)分布狀態(tài)，因此，纖維素含量是由多個(gè)基因控制的數(shù)量性狀。

圖4 F2群體果皮纖維素含量的分布

果皮纖維素含量與玉米果皮穿刺指數(shù)之間的相關(guān)性分析表明，在不考慮果皮細(xì)胞層數(shù)影響的情況下，纖維素含量和穿刺指數(shù)之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系，兩者之間的相關(guān)系數(shù)為0.072 3(圖5)。

圖5 不考慮果皮細(xì)胞層數(shù)影響時(shí)纖維素含量 與果皮穿刺指數(shù)的關(guān)系

雖然果皮纖維素含量與果皮穿刺指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系不顯著，但我們?cè)谙嗤ぜ?xì)胞層數(shù)的前提下考察其與果皮穿刺指數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)將材料按果皮細(xì)胞層數(shù)4、6、8層數(shù)分類以后，纖維素含量都與果皮穿刺指數(shù)呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖6)，相關(guān)系數(shù)分別為0.544 9**、0.938 1**和0.742 8**。通過曲線擬合分析發(fā)現(xiàn)，纖維素含量與果皮穿刺指數(shù)存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而且隨著果皮細(xì)胞層數(shù)的增加，直線的斜率增加，表明果皮細(xì)胞層數(shù)越多，纖維素含量對(duì)果皮穿刺指數(shù)的影響越大。因此，纖維素含量隨著果皮細(xì)胞層數(shù)的增加對(duì)果皮的柔嫩性也有較為明顯的影響，降低纖維素含量也是提高玉米柔嫩性的關(guān)鍵措施。

果皮細(xì)胞層數(shù)A為4層，B為6層，C為8層圖6 考慮果皮細(xì)胞層數(shù)影響時(shí)果皮纖維素含量與 果皮穿刺指數(shù)的關(guān)系

2.4 果皮細(xì)胞層數(shù)、纖維素含量對(duì)果皮柔嫩性的協(xié)同影響

直觀上來(lái)看，在纖維素含量一定的情況下，果皮細(xì)胞層數(shù)越多，其柔嫩度越差；在果皮層數(shù)一定的情況下，纖維素含量越高，其柔嫩性越小。為了考察果皮細(xì)胞層數(shù)和果皮纖維素含量2個(gè)因素對(duì)果皮穿刺指數(shù)的綜合影響，我們對(duì)果皮細(xì)胞層數(shù)和纖維素含量的乘積與果皮穿刺力的關(guān)系進(jìn)行了分析，結(jié)果兩者存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.738 2**(圖7)，并且果皮穿刺指數(shù)隨著乘積的增加而變大，從此結(jié)果來(lái)看，果皮細(xì)胞層數(shù)與纖維素含量任何一種因素的變化均會(huì)影響果皮穿刺指數(shù)的。

圖7 果皮細(xì)胞層數(shù)、纖維素含量對(duì) 果皮穿刺指數(shù)的影響

由表1可以看出，果皮細(xì)胞層數(shù)為4層的材料，平均纖維素含量最高，但平均穿刺指數(shù)最低，果皮細(xì)胞層數(shù)為8層時(shí)平均纖維素含量最低，但平均穿刺指數(shù)最大，果皮細(xì)胞層數(shù)為6層時(shí)，平均纖維素含量及平均穿刺指數(shù)都居中間位置。在不考慮果皮細(xì)胞層數(shù)時(shí)，纖維素含量和穿刺指數(shù)的相關(guān)性差，而在考慮果皮細(xì)胞層數(shù)的前提下，果皮纖維素含量與果皮穿刺指數(shù)呈顯著正相關(guān)，這些結(jié)果表明，對(duì)果皮柔嫩性的影響果皮細(xì)胞層數(shù)大于纖維素含量。

表1 不同果皮細(xì)胞層數(shù)的纖維素含量和 果皮穿刺指數(shù)

3 小結(jié)與討論

鮮食玉米果皮柔嫩性是其食用品質(zhì)的重要指標(biāo)，因此前人對(duì)果皮柔嫩性進(jìn)行了一系列的研究，通常認(rèn)為，果皮厚度是影響鮮食玉米果皮柔嫩度的關(guān)鍵因素。Daniel等[11]用硬度計(jì)測(cè)試了果皮的柔嫩度，結(jié)果顯示，玉米籽粒的柔嫩度與果皮厚度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，然而從樂素菊等[7]的研究結(jié)果來(lái)看，果皮厚度并不是果皮柔嫩度的決定因素。果皮柔嫩度除了受到果皮厚度的影響以外還受到果皮細(xì)胞成分的影響。史振聲等[8]的研究結(jié)果也證明，果皮柔嫩性受到果皮組織結(jié)構(gòu)的影響，果皮較厚的品種也可能出現(xiàn)較高柔嫩性的情況。

果皮厚度和果皮柔嫩度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)性，目前，大部分研究者將其作為一個(gè)數(shù)量遺傳基因控制的性狀去研究[12-13]。我們通過對(duì)分離群體果皮細(xì)胞層數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，果皮細(xì)胞層數(shù)有3種類型，果皮細(xì)胞層數(shù)母本類型最少，雜合類型居次，父本類型最多。雖然果皮細(xì)胞層數(shù)為離散型的性狀，但其在后代中的分離比例不符合1∶2∶1質(zhì)量性狀的遺傳規(guī)律。果皮細(xì)胞層數(shù)與果皮穿刺指數(shù)之間的相關(guān)分析表明，果皮細(xì)胞層數(shù)與胚背面果皮呈極顯著的負(fù)相關(guān)性。這些結(jié)果暗示改良玉米果皮柔嫩性的途徑：通過降低父本果皮細(xì)胞層數(shù)來(lái)降低品種的果皮細(xì)胞層數(shù)，提高育成品種的柔嫩性。

在單獨(dú)考察果皮纖維素含量和果皮細(xì)胞層數(shù)與果皮穿刺指數(shù)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)纖維素含量與穿刺指數(shù)的相關(guān)關(guān)系不明顯，但相同果皮細(xì)胞層數(shù)的材料中，纖維素含量與果皮穿刺指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，表明在控制果皮細(xì)胞層數(shù)的基礎(chǔ)上，降低纖維素含量可以明顯地提高籽粒的柔嫩性。另外纖維素含量在F2群體中變化范圍較廣，為31.33%～98.90%，而親本果皮纖維素含量分別是母本72.81%，父本43.56%。其變化范圍已經(jīng)超出了2個(gè)親本所形成的區(qū)間，這預(yù)示著，通過人工定向選擇的方法，能夠優(yōu)化纖維素合成途徑，達(dá)到降低果皮纖維素含量，提高甜玉米柔嫩性的目的。

甜玉米籽粒果皮不同部位其柔嫩性不同，在我們的研究中，果皮穿刺指數(shù)胚面小于胚背面，兩者呈正相關(guān)關(guān)系，因此，胚背面果皮對(duì)籽粒的柔嫩性影響更大。樂素菊等[14]在研究超甜玉米籽粒果皮厚度及灌漿特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，胚面果皮與胚背面果皮的變化規(guī)律存在差異，前期胚面果皮厚度大于胚背面，后期胚背面和胚面果皮厚度趨于接近。綜合前人及本研究的結(jié)果可以推斷，降低纖維素含量可以同時(shí)降低玉米籽粒側(cè)面果皮的穿刺指數(shù)，提高甜玉米籽粒的柔嫩性。

綜上所述，果皮細(xì)胞層數(shù)和果皮纖維素含量是影響果皮柔嫩性的重要影響因素，其中果皮細(xì)胞層數(shù)對(duì)果皮穿刺指數(shù)的影響大于纖維素含量對(duì)果皮穿刺指數(shù)的影響。果皮細(xì)胞層數(shù)的遺傳規(guī)律易于觀測(cè)，通過降低果皮細(xì)胞層數(shù)改善甜玉米的食用品質(zhì)較為現(xiàn)實(shí)。纖維素含量則是較為復(fù)雜的數(shù)量性狀，要將可以降低纖維素含量的有利基因進(jìn)行高效的聚合或去除不利基因，還需進(jìn)一步對(duì)影響纖維素含量的基因進(jìn)行精細(xì)定位，然后借助分子標(biāo)記輔助選擇等手段進(jìn)行優(yōu)良自交系的培育。因此，揭示玉米果皮纖維素合成途徑，精細(xì)定位相關(guān)基因并獲得相關(guān)分子標(biāo)記，是未來(lái)提高玉米果皮柔嫩度的努力方向。