黑龍江種植區(qū)不同玉米品種胚乳淀粉粒發(fā)育對比分析

戴凌燕 蔡欣月 劉玉濤

摘要：以先玉335和鄭單958為試材，通過對比分析研究淀粉粒發(fā)育與灌漿過程和籽粒淀粉含量的關系。結果表明，在授粉后30 d內(nèi)，二者淀粉含量無較大差異，淀粉粒的發(fā)育從數(shù)量、形狀和排布上均有差異;但在40、50 d時，先玉335淀粉粒大小較均勻，排列緊密，淀粉含量高于鄭單958，而鄭單958淀粉粒則大小不一，排列較疏松;到60 d時，先玉335淀粉含量增幅很小，但鄭單958增幅較大;淀粉粒發(fā)育動態(tài)與灌漿速率和籽粒中淀粉含量發(fā)生趨勢大體一致。

關鍵詞：黑龍江省;玉米;胚乳細胞;淀粉粒;發(fā)育;品種;對比

中圖分類號： S513.01 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）17-0106-04

玉米籽粒的主要儲藏物質是淀粉，占干質量的60%～80%，直接影響玉米的產(chǎn)量和品質[1]。玉米淀粉純度可達99.5%，全世界80%淀粉產(chǎn)量來自玉米[2]。因此，玉米淀粉在整個玉米加工業(yè)中占十分重要的地位[3]。

黑龍江省是我國玉米的主產(chǎn)區(qū)，但由于處于我國早熟春玉米區(qū)的最北端，無霜期短和有效活動積溫低等氣候特點限制了一些高產(chǎn)玉米品種的種植[4-5]。近年來，先玉335因產(chǎn)量高、灌漿和脫水快，已成為黑龍江省種植面積最大的品種;而鄭單958在黑龍江省也可成熟，雖產(chǎn)量高，但灌漿和脫水持續(xù)時間長。淀粉的存在形式是淀粉粒，不同基因型玉米淀粉粒形態(tài)存在顯著差異[6-8]。本試驗以先玉335和鄭單958為試材，分析黑龍江省整個灌漿期胚乳淀粉粒的發(fā)育情況，旨在揭示淀粉粒發(fā)育與灌漿過程、籽粒成分的關系，以期為玉米品種選擇和優(yōu)質高產(chǎn)栽培提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與儀器

先玉335和鄭單958，均由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院齊齊哈爾分院提供。主要儀器名稱、規(guī)格及購買單位見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2013年5—10月在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院齊齊哈爾分院富拉爾基試驗基地（123°40′43″E、47°16′26″N）進行。采用隨機區(qū)組設計，3次重復，區(qū)組兩邊各設4行保護行，2個品種的種植密度均為6萬株/hm2，田間管理措施也相同。

1.3 測定項目與方法

在抽絲期選擇生長一致并同一天散粉的玉米果穗掛牌標記，授粉后每隔10 d取樣1次。

1.3.1 籽粒淀粉含量的測定 從授粉后20 d起取樣，每個品種各取5個果穗中部籽粒1 000粒，于105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干后用近紅外谷物分析儀測定籽粒淀粉含量[9]。

1.3.2 淀粉粒掃描電鏡觀察 取各時期穗中部籽粒，橫切取籽粒中部，立即放入2.5%戊二醛固定液（pH值6.7）中，用真空泵抽氣至苞葉樣品下沉，固定48 h后用0.1 mol/L PBS溶液沖洗3次，并經(jīng)50%、70%、90%、100%乙醇梯度脫水，Epon-812（環(huán)氧樹脂）浸透與包埋，超薄切片機切片，厚度 0.6 μm。用導電膠帶固定樣品，在離子濺射鍍膜儀中鍍金膜，然后在掃描電子顯微鏡下觀察拍照。

2 結果與分析

2.1 不同玉米品種籽粒淀粉含量的變化

授粉后10 d的玉米籽粒由于粒小、含水量大，沒有取樣。玉米籽粒授粉20～60 d淀粉含量動態(tài)變化結果如圖1所示，授粉30 d內(nèi)，籽粒中淀粉含量增加迅速，20 d時為40%多，30 d 時為60%多，隨后淀粉含量增速變緩。2個品種比較，授粉30 d內(nèi)，籽粒淀粉含量變化基本一致，但40～60 d 時，先玉335淀粉含量高于鄭單958，但未達到顯著水平，40、50 d時，先玉335淀粉積累較快，但到60 d時，鄭單958積累較快。

2.2 不同玉米品種灌漿期淀粉粒發(fā)育動態(tài)變化

2.2.1 10 d時對比分析 如圖2所示，先玉335果皮較厚，果皮外層細胞較大，里面內(nèi)含物較少，內(nèi)部細胞內(nèi)含物較多，分不清細胞輪廓（圖2-a）。鄭單958果皮較薄，果皮細胞中包括內(nèi)含物多和內(nèi)含物少的細胞，但分布無規(guī)律（圖2-b）。

先玉335有些胚乳細胞中內(nèi)含物較多，但未見淀粉粒（圖2-c）;鄭單958有些胚乳細胞中內(nèi)含物較少（圖2-d）;二者底部均可見許多小的圓形顆粒，在其他部位還有大小不一的圓形淀粉粒，但數(shù)量較少（圖2-c、圖2-d）。

2.2.2 20 d時對比分析 如圖3所示，先玉335果皮外側形成較厚臘質（圖3-a），鄭單958臘質較薄（圖3-b）;二者果皮薄壁細胞層數(shù)較10 d時變少，果皮細胞中有1到幾個數(shù)量不等的淀粉粒，數(shù)量少體積大，反之亦然;內(nèi)側胚乳細胞中有數(shù)量很多的淀粉粒（圖3-a、圖3-b）。先玉335胚乳細胞中淀粉粒近圓形，數(shù)量較多，大小較均勻，分布較緊湊，淀粉粒周圍有少量絮狀基質蛋白顆粒（圖3-c）;鄭單958胚乳細胞中淀粉粒形狀多樣，數(shù)量較少，大小不勻，分布稀疏，且表面附著較多絮狀基質蛋白顆粒（圖3-d）;二者胚乳細胞均有很大空間未被淀粉粒填充。

2.2.3 30 d時對比分析 如圖4所示，先玉335果皮細胞內(nèi)形成較多淀粉粒（圖4-a），鄭單958果皮外形成較厚臘質，果皮細胞內(nèi)淀粉粒較少（圖4-b）。與20 d相比，二者胚乳細胞被淀粉粒進一步填充，先玉335淀粉粒變大，大多數(shù)為近圓形，個別較大淀粉粒形狀不規(guī)則，胚乳細胞壁上附有較多絮狀蛋白（圖4-c）;鄭單958淀粉粒數(shù)目增加，多為圓球形，但有許多體積較小的淀粉粒（圖4-d）。

2.2.4 40～60 d時對比分析 如圖5所示，胚乳細胞逐漸被淀粉粒充實。40 d時，淀粉粒數(shù)量增加，體積增大，先玉335淀粉粒多角形較多（圖5-a），鄭單958淀粉粒仍多為圓球形，大小不一（圖5-d）。50 d時，先玉335淀粉粒排列較緊密，許多淀粉粒被緊壓成“足球”狀（圖5-b）;鄭單958淀粉粒排列較疏松，個別淀粉粒也變?yōu)椴灰?guī)則形狀（圖5-e）。60 d 時，先玉335胚乳細胞壁大多數(shù)解體，多邊形淀粉粒排列緊密（圖5-c）;鄭單958胚乳細胞胞壁少數(shù)解體，淀粉粒排列不及先玉335緊密，且多為近球形（圖5-f）。

3 結論與討論

淀粉粒大小、存在形式和分布受品種、栽培措施和環(huán)境的共同作用[10-15]。崔麗娜等研究發(fā)現(xiàn)， 授粉后20 d， 鄭單958籽粒淀粉粒呈圓形或橢圓形，大小不均勻，淀粉粒排布致密，內(nèi)含物含量豐富;先玉335大多呈圓形，大小均勻，淀粉粒排布較鄭單958稀疏，內(nèi)含物含量少于鄭單958[16]。2個品種淀粉粒形狀和大小的結果與本研究一致，但淀粉粒排布與本研究結果不同。本研究發(fā)現(xiàn)，在授粉20 d時，先玉335較鄭單958淀粉粒數(shù)量多，且排布緊湊。筆者認為，原因可能為種植地區(qū)不同，前者的試驗地在山東省，而本研究在黑龍江省，鄭單958作為黃淮海地區(qū)主要玉米品種，其在山東省種植會表現(xiàn)出更好的灌漿特性。

筆者所在項目組前期研究表明，授粉后30 d時間內(nèi)，2個品種間的平均灌漿速率無明顯差別，但在31～40 d時，先玉335的灌漿速率極顯著高于鄭單958。

有研究表明，爆裂玉米幾乎全為角質胚乳[18]，淀粉粒排列緊密、無空隙，可能是導致其膨脹系數(shù)高的原因之一[19]。超甜玉米可溶性糖含量高[20]，其胚乳淀粉粒排列稀疏，空間大，導致淀粉含量低[19]。本研究中，基于先玉335和鄭單958淀粉粒排列情況是否與膨脹系數(shù)或含糖量相關，還有待于進一步確定。

綜上所述，品種和栽培地區(qū)的氣候條件對淀粉粒的發(fā)育影響很大，先玉335和鄭單958在黑龍江省種植，在灌漿前期，二者淀粉粒發(fā)育和淀粉含量無較大差異，但灌漿中后期差異較明顯。淀粉粒發(fā)育動態(tài)與灌漿速率和籽粒中淀粉含量發(fā)生趨勢大體一致。

參考文獻：

[1]張智猛，戴良香，胡昌浩，等. 玉米灌漿期水分差異供應對籽粒淀粉積累及其酶活性的影響[J]. 植物生態(tài)學報，2005，29（4）：636-643.

[2]莊鐵成，王 月，李中華. 高淀粉玉米的遺傳與育種[J]. 玉米科學，1996（4）：12-14，36.

[3]Schittenhelm S. Yield potential，quality aspects and utilization of indigenous crop species for starch production[J]. Landbauforschung Voelkenrode，1993，43（1）：1-4.

[4]史桂榮. 黑龍江省“水玉米”產(chǎn)生的原因及解決途徑[J]. 作物雜志，2001（2）：1-3.

[5]李德新，宮秀杰，錢春榮. 玉米籽粒灌漿及脫水速率品種差異與相關分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2011，27：92-97.

[6]Ji Y，Wong K，Hasjim J，et al. Structure and function of starch from advanced generation of new corn lines[J]. Carbohydrate Polymers，2003，54（3）：305-319.

[7]Ji Y，Seetharaman K，Wong K，et al. Thermal and structural properties of unusual starches from developmental corn lines[J]. Carbohydrate Polymers，2003，51（4）：439-450.

[8]侯漢學，董海洲，宋曉慶，等. 不同品種玉米淀粉的理化性質及相關性研究[J]. 中國糧油學報，2009，24（1）：60-64.

[9]谷 巖，胡文河，王思遠，等. 不同株型玉米籽粒胚乳細胞與淀粉合成關鍵酶活性分析[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報（自然科學版），2011，39（8）：95-101.

[10]Lu T J，Jane J L，Kewling P L，et al. Maize starch fine structures affected by ear developmental temperature[J]. Carbohydrate Research，1996，282（1）：157-170.

[11]Liu Q，Weber E，Currie V，et al. Physicochemical properties of starches during potato growth[J]. Carbohydrate Polymers，2003，51（2）：213-221.

[12]Lu T J，Chen J C，Lin C L，et al. Properties of starches from cocoyam（Xanthosoma sagittifolium）tubers planted in different seasons[J]. Food Chemistry，2005，91（1）：69-77.

[13]Huang C C，Lin M C，Wang C C. Changes in morphological，thermal and pasting properties of yam （Dioscorea alata） starch during growth[J]. Carbohydrate Polymers，2006，64（4）：524-531.

[14]Kaur A，Singh N，Ezekiel R，et al. Physicochemical，thermaland pasting properties of starches separated from different potato cultivars grown at different locations[J]. Food Chemistry，2007，101（2）：643-651.

[15]陸大雷，郭換粉，陸衛(wèi)平. 播期、品種和拔節(jié)期追氮量對糯玉米淀粉粒分布的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2011，44（2）：263-270.

[16]崔麗娜，董樹亭. 2種玉米籽粒淀粉粒分布的比較[J]. 中國糧油學報，2013，28（12）：29-32.

[17]戴凌燕，劉玉濤，王宇先，等. 黑龍江春玉米種植區(qū)高產(chǎn)品種籽粒灌漿、脫水特性及產(chǎn)量分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2015，31（6）：75-79.

[18]李玉玲. 普通玉米花粉對爆裂玉米籽粒及爆裂特性的影響[J]. 中國農(nóng)學通報，1999，15（6）：24-26.

[19]崔麗娜，張 紅，孟佳佳，等. 不同胚乳類型玉米籽粒淀粉粒的粒度分布特征[J]. 作物學報，2012，38（9）：1723-1727.

[20]劉 鵬，胡昌浩，董樹亭，等. 甜質型與普通型玉米籽粒發(fā)育過程中糖代謝相關酶活性的比較[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學，2005，38（1）：52-58.