不同基因型玉米籽粒发育过程中糖代谢相关酶活性的比较

崔丽娜 许 诊 高荣岐 董树亭

不同基因型玉米籽粒发育过程中糖代谢相关酶活性的比较

崔丽娜 许 诊 高荣岐 董树亭

(山东农业大学农学院作物生物学国家重点实验室，泰安 271018)

对高淀粉玉米与低淀粉玉米籽粒发育过程中蔗糖代谢和淀粉合成相关酶活性的变化动态进行了比较研究。结果表明，费玉3号籽粒支链淀粉、直链淀粉及总淀粉积累速率高于豫玉22;费玉3号籽粒支链淀粉、直链淀粉及总淀粉含量大于豫玉22;豫玉22的高峰黏度、低谷黏度、最终黏度及胶凝值均显著高于费玉3号，其崩解值和糊化温度低于费玉3号;豫玉22的可溶性糖含量高于费玉3号;费玉3号的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG－PPase)活性、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG－Ppase)活性、可溶性淀粉合成酶(SSS)活性、束缚态淀粉合成酶(GBSS)活性高于豫玉22。

玉米籽粒 蔗糖 淀粉 酶活性

随着经济和技术的发展，玉米生产由单一的粮用结构转变为饲料、食品工业和加工原料等多元利用结构。高油玉米、超甜玉米、高淀粉等优质专用玉米以优良的加工品质和多种用途而倍受人们青睐，并越来越具有广阔的发展前景［1－2］。已有许多关于普通玉米、高油玉米、超甜玉米籽粒品质的研究［3－4］，并对其籽粒中合成淀粉相关酶活性的分布做了探讨［5－8］，但关于高淀粉、低淀粉玉米籽粒主淀粉积累动态、淀粉糊化特性的研究鲜有报道。为此，本研究选取高淀粉、低淀粉型玉米为材料，主要探讨玉米籽粒中淀粉积累动态和相关酶活性的变化，为玉米品质育种、优质高产栽培和籽粒加工利用提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 供试材料与仪器

试验于2008、2009年在山东农业大学教学基地玉米科技园进行。供试品种为高淀粉玉米费玉3号(74．49%);低淀粉玉米豫玉 22(65．03%)，代号分别为A、B。种植密度均为45 000株/公顷。

3K30高速冷冻离心机:SIGMA公司;UV－2450紫外分光光度计:日本岛津公司。

1．2 测试项目与方法

1．2．1 淀粉含量

采用改良双波长法。籽粒样品经索式抽提法去除脂肪后测定直链、支链淀粉的含量，总淀粉含量为二者含量之和［10］。

1．2．2 籽粒 ADPG － PPase、UDPG － PPase、SSS、GBSS、叶片磷酸蔗糖合成酶活性

酶液提取，准确称取1．0 g籽粒样品，加入10 mL pH 7．5的 Hepes－NaOH缓冲液，冰浴研磨。取30μL匀浆液，加 1．8 mL pH 7．5的 Hepes－NaOH缓冲液，1 000×g冰冻离心1 min，沉淀经pH 7．5的Hepes－NaOH缓冲液悬浮后用于GBSS活性的测定，其余匀浆10 000×g冷冻离心2 min，上清液用来测定叶片磷酸蔗糖合成酶、ADPG－PPase、UDPGPPase、SSS、GBSS［11］。叶片磷酸蔗糖合成酶活性的测定 方 法 参 照 Tsai的 方 法［12］;ADPG － PPase、UDPG －PPase活性的测定参照 Thomas等［13］、张振清等［14］的方法;SSS和GBSS活性的测定参照梁建生等［15］的方法并做适当改动。

1．2．3 可溶性糖含量

可溶性糖含量采用测定蒽酮比色法［9］。

1．3 数据处理和分析

采用EXCELL 2000及DPS 7．05数据处理系统进行数据统计与分析

2 结果与分析

2．1 籽粒淀粉含量和组成的变化

2．1．1 籽粒淀粉及组分积累速率的动态变化

淀粉是玉米籽粒中所占比例最大的贮存性碳水化合物，由直链淀粉和支链淀粉组成。由图1看出，籽粒发育过程中，支链淀粉、直链淀粉及总淀粉积累速率呈单峰曲线变化。费玉3号支链淀粉积累速率在开花后30 d达到最大，豫玉22在开花后40 d左右达到最大，费玉3号前期支链淀粉积累快，在开花后40 d到50 d，两品种支链淀粉积累速率没有显著差异。随籽粒的发育，费玉3号直链淀粉积累速率显著高于豫玉22。两品种总淀粉积累速率差异同支链淀粉积累速率的差异。

图1 不同类型玉米籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉积累速率的变化

2．1．2 籽粒淀粉及组分含量的动态变化

由图2看出，支链淀粉含量明显高于直链淀粉含量，表明支链淀粉是玉米籽粒中淀粉的主要组成成分。随着籽粒发育，支链淀粉、直链淀粉及总淀粉含量均呈现逐渐上升的趋势;开花20 d左右，两品种支链淀粉、直链淀粉及总淀粉含量之间差异不显著，开花20天以后费玉3号支链淀粉、直链淀粉及总淀粉含量都显著高于豫玉22。

图2 不同类型玉米籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉含量的变化

2．2 淀粉糊化特性

淀粉悬浮液的黏度可以通过RVA来测定。表1显示，两品种的淀粉糊化参数存在一定的差异，豫玉22的高峰黏度、低谷黏度、最终黏度及胶凝值均显著高于费玉3号，其崩解值和糊化温度低于费玉3号。

表1 不同类型玉米淀粉的糊化特性

2．3 可溶性糖含量的变化

可溶性糖是作物碳素营养的主要部分，其作用主要是合成纤维素组成细胞壁;转化并组成其他有机物如核苷酸、核酸等;分解产物是许多有机物合成的原料，如糖在呼吸过程中形成的有机酸，可以作为氨气的受体而转化为氨基酸;糖类作为呼吸基质，为作物的各种生命活动提供了所需的能量。因而可溶性糖是营养物质中最基本的物质，也是必不缺少的物质。

由图3看出，两品种籽粒中的可溶性糖含量在开花20 d以后均呈现逐渐降低的趋势，花后40 d之前下降迅速，花后40 d之后，下降幅度变小，在50 d时含量最低，50 d后可溶性糖无显著变化，且豫玉22的可溶性糖含量高于费玉3号。

图3 不同类型玉米籽粒可溶性糖含量的变化

2．4 籽粒ADPG－PPase活性

ADPG－PPase催化1－磷酸葡萄糖与无机焦磷酸生成ADPG，而ADPG是淀粉生物合成中葡萄糖的直接供体，因此ADPG－PPase是籽粒淀粉生物合成过程中的关键酶。由图4可知，费玉3号及豫玉22籽粒中的ADPG－PPase活性随籽粒发育呈单峰曲线，峰值都在花后30 d，30 d之前，两者差异不明显，30 d之后，费玉3号ADPG－PPase活性明显高于豫玉22。说明，费玉3号在灌浆后期可以保持ADPGPPase较高活性，费玉3号在灌浆后期具有比费玉22更强的将玉米籽粒将前体物质转化为淀粉的能力，有利于提高玉米籽粒淀粉积累库的强度，提高籽粒中淀粉的含量。

图4 不同类型玉米籽粒ADPG－PPase活性的变化

2．5 籽粒UDPG－PPase活性

UDPG是淀粉合成的底物之一，它的合成依赖于UDPG－PPase催化1－磷酸葡萄糖(G－1－P)转化为尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)。由图5可知，费玉3号及豫玉22籽粒中的ADPG－PPase活性随籽粒发育呈单峰曲线，峰值在30 d左右，豫玉22的峰值大于费玉3号，但费玉3号在峰值后下降速度缓慢，豫玉22下降迅速，即费玉3号UDPG－PPase活性一直在较高水平，更有利于催化1－磷酸葡萄糖(G－1－P)转化为尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)，为淀粉合成提供前体物质。

图5 不同类型玉米籽粒UDPG－PPase活性的变化

2．6 籽粒SSS活性

SSS主要存在于造粉体中，它催化一分子的ADPG与淀粉引物反应，而将一分子的葡萄糖基连接到淀粉引物上，使淀粉链加长。SSS是籽粒中淀粉生物合成的重要调节位点，主要催化支链淀粉的合成。由图6可知，费玉3号及豫玉22籽粒SSS活性随籽粒发育呈下降趋势，费玉3号SSS活性多数时间高于豫玉22，在30 d左右低于豫玉22，说明费玉3号SSS活性一直处于较高水平，更有利于催化支链淀粉的合成。

图6 不同类型玉米籽粒SSS活性的变化

2．7 籽粒GBSS活性

GBSS也是以ADPG作为葡萄糖供体，将一分子葡萄糖基转移到淀粉引物上，但它必须在淀粉内部才能起催化作用，故称之为淀粉粒结合态淀粉合成酶。一般认为，GBSS主要催化直链淀粉的合成，也是淀粉合成过程中的重要调节酶之一。由图7可知，费玉3号及豫玉22籽粒GBSS活性随籽粒发育呈单峰曲线，豫玉22的峰值出现在30天左右，费玉3号的峰值出现在40 d，费玉3号籽粒GBSS活性一直高于豫玉22，有利于化直链淀粉的合成。

图7 不同类型玉米籽粒GBSS活性的变化

3 结论

费玉3号籽粒支链淀粉、直链淀粉及总淀粉积累速率高于豫玉22;费玉3号籽粒支链淀粉、直链淀粉及总淀粉含量大于豫玉22;豫玉22的高峰黏度、低谷黏度、最终黏度及胶凝值均显著高于费玉3号，其崩解值和糊化温度低于费玉3号;豫玉22的可溶性糖含量高于费玉3号;费玉3号ADPG－PPase活性、UDPGPPase活性、SSS活性、GBSS活性高于豫玉22。

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Comparison of Enzymes Activity Associated with Sucrose Metabolism in Developing Grains in Different Genotypes Maize(Zea mays L．)

Cui Lina Xu Zhen Gao Rongqi Dong Shuting
(Agronomy College of Shandong Agricultural University，State Key Lab of Crop Biology，Tai'an 271018)

Field experiments were carried out to compare the dynamic variations of enzymes activities of sucrose and starch metabolism in the developing grains of high－starch maize(Zea mays L．)and low －starch maize(Zea mays L．)．Amyloectin，amylose and total starch content in Feiyu No．3 were more than those in Yuyu 22．Peak viscosity，trough viscosity，final viscosity and setback in Yuyu 22 were higher than those in Feiyu No．3;while breakdown and pasting temperatures in Yuyu 22 were lower．Soluble sugar content in Feiyu No．3 was less than Yuyu 22．The activities of ADPG －PPase，UDPG －PPase，SSSand GBSSwere higher in Feiyu No．3 than normal Yuyu 22．

maize(Zea mays L．)，sucrose，starch，enzyme activity

S38

A

1003－0174(2011)10－0056－05

国家科技支撑计划(2006BADO2A09)，国家自然科学基金(30871476)，农业成果转化项目(2006cb0058)，山东省良种工程(2006．90，2007．7)

2010－09－06

崔丽娜，女，1981年出生，博士，种子生物学及玉米高产研究

董树亭，男，1953年出生，教授，博士生导师，作物高产研究