不同株型玉米籽粒胚乳細(xì)胞與淀粉

資料范本本資料為word版本，可以直接編輯和打印，感謝您的下載不同株型玉米籽粒胚乳細(xì)胞與淀粉地點(diǎn)：時(shí)間:說(shuō)明：本資料適用于約定雙方經(jīng)過(guò)談判，協(xié)商而共同承認(rèn)，共同遵守的責(zé)任與義務(wù)，僅供參考，文檔可直接下載或修改，不需要的部分可直接刪除，使用時(shí)請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀內(nèi)容不同株型玉米籽粒胚乳細(xì)胞與淀粉合成關(guān)鍵酶活性分析［收稿日期］2011-01-19［基金項(xiàng)目］國(guó)家糧食豐產(chǎn)工程項(xiàng)目（2011BAD16B10）;吉林省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（20100210）;吉林省農(nóng)委農(nóng)業(yè)新品種研發(fā)項(xiàng)目［作者簡(jiǎn)介］谷巖（1981-），女，吉林長(zhǎng)春人，助理研究員，主要從事作物生理生態(tài)學(xué)研究。Email：guyan810831@163.commailto:guyan810831@163.com"mailto:guyan810831@163.com"［通信作者］吳春勝（1956-），男，吉林長(zhǎng)春人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物生理生態(tài)學(xué)研究.Email：wcs8131587@mailto:wcs8131587@"mailto:wcs8131587@"［摘要］【目的】研究不同類型玉米品種籽粒胚乳細(xì)胞增殖與籽粒充實(shí)期淀粉合成關(guān)鍵酶的關(guān)系?！痉椒ā恳跃o湊型玉米品種（先玉335和鄭單958）和平展型玉米品種（長(zhǎng)城799和農(nóng)大364）為試驗(yàn)材料，于授粉后3，5，7，10，15d等取果穗中部籽粒，測(cè)定胚乳細(xì)胞數(shù)、單粒質(zhì)量、淀粉含量、籽粒ADPG和UDPG焦磷酸化酶活性、可溶性淀粉合成酶（SSS）和束縛態(tài)淀粉合成酶（GBSS）活性，研究不同玉米品種籽粒胚乳細(xì)胞增殖動(dòng)態(tài)和籽粒相關(guān)酶活性的關(guān)系。【結(jié)果】在灌漿中后期，先玉335籽粒淀粉合成關(guān)鍵酶活性均高于其他3個(gè)品種；先玉335和鄭單958籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)、淀粉含量、單粒質(zhì)量顯著高于長(zhǎng)城799和農(nóng)大364。玉米籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與粒重、淀粉含量和四種淀粉合成關(guān)鍵酶均呈正相關(guān)。【結(jié)論】庫(kù)容量和庫(kù)活性是制約玉米籽粒淀粉積累的主要因素。保證籽粒充實(shí)期間較高的胚乳細(xì)胞增殖速率及淀粉合成關(guān)鍵酶活性是玉米實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的關(guān)鍵。［關(guān)鍵詞］玉米；胚乳細(xì)胞；焦磷酸化酶；淀粉合成酶［中圖分類號(hào)］［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ ［文章編號(hào)］RelationshipbetweenendospermcellandactivitiesofkeyenzymesforstarchinmaizewithdifferentplanttypeGUYanla,HUWen-he1b,WANGSi-yuan1b,LIANGXuan-he2,HEWen-anla,SunMing-chun1b,WUChun-sheng1a*(1.aTheResearchCenterofCrop,b.CollegeofAgronomy,JilinAgriculturalUniversity,ChangchunJilin130118；2.AcademyofAgriculturalSciencesofJilinProvince,Changchun,Jilin130124,China)Abstract：【Objective】Theproliferationprocessofendospermcellanditsrelationshipwithactivitiesofkeyenzymesforstarchwerestudied.【Method】TheuprightmaizevarietiesXianyu335andZhengdan958andthecommonmaizevarietiesChangcheng799andNongda364werechosenastheexpeirimentmaterial.Centralkernelswerecollectedafterthepollinationstage,endospermcellnumber,kernelweight,starchcontent,activitiesofkeyenzymesforstarchweredetermined,andtherelationshipwasanalyzed.【Result】Duringthelatergrain-fillingperiod,keyenzymesforstarchofXianyu335werehigherthanotherthreevarieties.Andtheendospermcellnumber,starchcontent,grainweightofianyu335andZhengdan958werehigherthanChangcheng799andNongda364.Theendospermcellnumberhadsignificantlypositivecorrelationwithgrainweight,starchcontentandtheenzymeactivitiesforstarch.【Conclusion】Theresultsheresuggestedthatgrainsinkstrengthandactivitiesarethemainfactorresponsibleforstarchaccumulationinmaize.Thehigherendospermcellnumbersandkeyenzymesforstarchwereveryimportantforthehighyieldofmaize.Keywords:maize；endospermcell；pyrophosphorylose；enzymesforstarchsynthesis淀粉是玉米籽粒貯藏的主要代謝產(chǎn)物，其數(shù)量多少直接影響玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)［1］。目前，世界淀粉產(chǎn)量約為4600萬(wàn)t，其中90%是玉米淀粉［2］。玉米籽粒中淀粉含量一般占粒質(zhì)量的60%?80%，其灌漿過(guò)程首先是胚乳細(xì)胞的分裂增殖，然后是淀粉的合成和積累過(guò)程，莖、葉等源器官制造的光合產(chǎn)物以蔗糖形式通過(guò)韌皮部長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)阶蚜?，?jīng)過(guò)一系列酶的催化作用轉(zhuǎn)化為淀粉［3］。在玉米籽粒胚乳發(fā)育過(guò)程中涉及到30多種酶，其中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG)［4］、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG)［5］、可溶性淀粉合成酶(SSS)和顆粒結(jié)合淀粉合成酶(GBSS)被認(rèn)為具有關(guān)鍵性的作用［6-7］。目前，關(guān)于水稻、小麥、玉米等籽粒淀粉積累與胚乳細(xì)胞增殖關(guān)系的研究較深入［8-10］，但針對(duì)吉林省不同類型春玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中胚乳細(xì)胞增殖動(dòng)態(tài)與籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性的研究較少。本研究以緊湊型和平展型玉米品種為試驗(yàn)材料，深入系統(tǒng)分析了玉米籽粒的胚乳細(xì)胞增殖動(dòng)態(tài)和籽粒淀粉合成關(guān)鍵酶及淀粉積累量的相關(guān)性，探明造成不同株型玉米淀粉積累差異的原因，旨在探討玉米胚乳細(xì)胞增殖和淀粉積累的酶學(xué)機(jī)理，進(jìn)一步為生產(chǎn)上選擇合適的高產(chǎn)栽培環(huán)境、實(shí)現(xiàn)玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。1材料與方法1.1供試材料供試品種為緊湊型玉米品種先玉335和鄭單958，分別由先鋒公司和河南金博士種業(yè)有限公司提供；平展型玉米品種長(zhǎng)城799和農(nóng)大364,分別由長(zhǎng)城種業(yè)公司和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2011年在吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行。土壤為典型黑土，上等肥力水平。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。每小區(qū)10行，行長(zhǎng)10m，壟距0.65m，小區(qū)面積為65m2。區(qū)組兩邊各2行保護(hù)行。于04-29按各品種最佳密度播種。施入底肥為有機(jī)肥40m3/hm2、純氮50kg/hm2、P2O5120kg/hm2、K2O120kg/hm2；播種時(shí)施入種肥純氮40kg/hm2、P2O530kg/hm2、K2O30kg/hm2；拔節(jié)期追肥為純氮80kg/hm2，大喇叭口期追肥為純氮110kg/hm2。于吐絲期選取生長(zhǎng)一致的植株套袋人工授粉，于授粉后3，5，7，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60d分別取各玉米品種人工授粉果穗5穗，用于各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定。2008-09-26收獲測(cè)產(chǎn)。1.3測(cè)定項(xiàng)目和方法取人工授粉果穗5穗，剝?nèi)≈胁孔蚜?00粒，分別用于籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)、淀粉含量、粒質(zhì)量和籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性的測(cè)定。1.3.1籽粒胚乳細(xì)胞計(jì)數(shù)將10~15粒玉米籽粒樣品用FAA固定液固定于小瓶中，保存在-40°C冰箱，參照張祖建等［11］和李紹長(zhǎng)等［12］的方法測(cè)定胚乳細(xì)胞數(shù)。單粒胚乳細(xì)胞數(shù)二(視野中平均細(xì)胞數(shù)X濾膜面積/視野面積)X(酶解液體積/用于抽濾的懸浮細(xì)胞液體積)/酶解的籽粒數(shù)。籽粒細(xì)胞增殖動(dòng)態(tài)可用Richards方程擬合：W=A(1+Be-kt)-1/N(式中A，B，k，N為參數(shù))，(W為胚乳細(xì)胞數(shù)；t為授粉后時(shí)間)，根據(jù)方程求導(dǎo)數(shù)得胚乳細(xì)胞增殖特征參數(shù)：籽粒胚乳細(xì)胞增殖速率最大的時(shí)間Tmax(d)=(lnB-lnN)/K，籽粒胚乳細(xì)胞增殖最大時(shí)的胚乳細(xì)胞數(shù)WmaxG(X104)=A(N+1)-1/N，籽粒胚乳細(xì)胞最大增殖速率Gmax=(KWmax/N)［1-(Wmax/A)N］。(K為生長(zhǎng)速率參數(shù)，Wmax為籽粒胚乳細(xì)胞增殖最大時(shí)的胚乳細(xì)胞數(shù))1.3.3籽粒質(zhì)量和淀粉含量的測(cè)定籽粒于105C殺青30min,80C烘干后稱質(zhì)量，計(jì)算單粒質(zhì)量。籽粒淀粉含量采用近紅外谷物分析儀(FossInfratec1241GrainAnalyzer)，并用經(jīng)典方法(旋光法)對(duì)儀器及分析結(jié)果進(jìn)行校正。1.3.4籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性測(cè)定稱取新鮮玉米籽粒1.000g放入預(yù)冷的冰浴研缽中，加8mL預(yù)冷酶提取液(50mmoll-1，pH7.5HEPES-NaOH緩沖液)，研磨至勻漿，過(guò)濾，取30此勻漿加入1.8mL緩沖液，1700g冷凍離心10min，沉淀物用緩沖液懸浮后用于籽粒GBSS活性的測(cè)定；其余勻漿繼續(xù)冷凍離心10000g15min，上清液用于籽粒ADPG、UDPG和SSS活性的測(cè)定。其中，ADPG和UDPG酶活性參照Nakamura等［8］］和張振清等［13］的方法；SSS和GBSS活性參照Nakamura等［8］、梁建生等［14］和李太貴等［15］的方法。1.4數(shù)據(jù)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MicrosoftExcel2003軟件進(jìn)行處理，SPSS13.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析。2結(jié)果與分析2.1不同品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞增殖的動(dòng)態(tài)圖1表明，在整個(gè)灌漿期，不同品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞增殖趨勢(shì)均呈“S”型曲線。在授粉后25d，各品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)達(dá)到最大值，先玉335＞鄭單958＞長(zhǎng)城799＞農(nóng)大364；在籽粒灌漿前期，玉米品種間籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)差異不大，授粉15?20d，先玉335和鄭單958籽粒胚乳細(xì)胞分裂加快，胚乳細(xì)胞數(shù)較長(zhǎng)城799和農(nóng)大364平均增加20.22%。圖1不同品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞的增殖動(dòng)態(tài)Fig.1Proliferationofendospermcellofkernelinmaizeofdifferentvareity胚乳細(xì)胞增殖速率反映了籽粒胚乳細(xì)胞分裂的快慢，用Richard方程W=A(1+Be-kt)-1/N模擬各品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞的增殖動(dòng)態(tài)，結(jié)果見(jiàn)表1。方程的決定系數(shù)(R2)在0.9938~0.9971；4個(gè)品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞平均增殖速率Gmean不同，大小順序?yàn)猷崋?58＞先玉335＞長(zhǎng)城799＞農(nóng)大364；而胚乳細(xì)胞最大增殖速率以先玉335最高，長(zhǎng)城799最低。表1不同品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞增殖參數(shù)Table1Proliferationparameterofendospermcellofkernelinmaizeofdifferentvariety2.2不同品種玉米籽粒干物質(zhì)積累圖2不同品種玉米籽粒單粒質(zhì)量的增長(zhǎng)動(dòng)態(tài)Fig.2Increasedynamicsofsingle-kernelweightinmaizeofdifferentvarieties玉米籽粒質(zhì)量與籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)增殖在時(shí)間上不同步，本研究中，籽粒質(zhì)量的增加較胚乳細(xì)胞數(shù)增殖進(jìn)程晚，且不同玉米品種間存在差異。在授粉后5?15d，玉米籽粒單粒質(zhì)量增加緩慢，品種間無(wú)顯著差異；隨著授粉后時(shí)間的推移，單粒質(zhì)量迅速增加，長(zhǎng)城799和農(nóng)大364在授粉后50d單粒質(zhì)量基本穩(wěn)定，此后無(wú)顯著變化，而先玉335和鄭單958在授粉后50d仍然穩(wěn)步提高，在55d趨于穩(wěn)定，4個(gè)玉米品種最終單粒質(zhì)量順序?yàn)橄扔?35＞鄭單958＞長(zhǎng)城799＞農(nóng)大364。2.3不同品種玉米籽粒淀粉含量的變化籽粒干質(zhì)量的增加不僅取決于胚乳細(xì)胞數(shù)的多少，還取決于胚乳細(xì)胞的物質(zhì)充實(shí)即淀粉的積累速度和積累時(shí)間。玉米籽粒淀粉含量動(dòng)態(tài)分析（圖3）表明，4個(gè)玉米品種的籽粒淀粉含量呈現(xiàn)”S”型曲線。灌漿前期（授粉后5~10d），淀粉含量增加緩慢，此后迅速增加，同粒質(zhì)量變化趨勢(shì)基本一致。授粉后35d淀粉含量增加變緩，基本保持不變，但由于此期籽粒質(zhì)量仍在增加（圖2），導(dǎo)致淀粉積累量也在增加。在籽粒成熟期總淀粉積累量達(dá)到最大值。圖3不同品種玉米籽粒淀粉含量的變化Fig.3Dynamicsofstarchcontentinmaizeofdifferentvariety2.4不同品種玉米籽粒淀粉合成關(guān)鍵酶活性的變化2.4.1籽粒焦磷酸化酶ADPG和UDPG酶活性圖4不同品種玉米籽粒ADPG和UDPG焦磷酸化酶活性Fig.4.ADPGandUDPGactivitiesofgrainsindifferentmaizevarietiesADPG是淀粉體中催化淀粉合成的第一步步驟的酶，是淀粉生物合成的重要調(diào)節(jié)位點(diǎn)和樞紐［16］。UDPG主要催化UDPG與無(wú)機(jī)焦磷酸反應(yīng)生成1-磷酸葡萄糖和UDPG［17］。由圖4可以看出，授粉后玉米籽粒ADPG活性隨著灌漿時(shí)間的推移和籽粒發(fā)育先增加后下降，先玉335峰值出現(xiàn)在授粉后40d，而其他3個(gè)品種的峰值均出現(xiàn)在授粉后35d。在灌漿前期（授粉后10?20天），各玉米品種籽粒ADPG活性無(wú)顯著差異；授粉后25d開(kāi)始，先玉335籽粒ADPG活性顯著高于其他3品種，說(shuō)明在籽粒發(fā)育后期，先玉335具有更強(qiáng)的ADPG供應(yīng)能力。與ADPG變化趨勢(shì)類似，鄭單958、長(zhǎng)城799和農(nóng)大364籽粒UDPG活性較先玉335峰值出現(xiàn)時(shí)間早。2.4.2籽粒淀粉合成酶SSS和GBSS在淀粉合成過(guò)程中，SSS主要催化支鏈淀粉的合成，GBSS催化直鏈淀粉的合成［18］。圖5表明，在整個(gè)灌漿期間，4種玉米籽粒SSS和GBSS活性呈單峰曲線，峰值均出現(xiàn)在授粉后30d。在灌漿前期（授粉后10?20d），各品種籽粒SSS和GBSS活性均無(wú)顯著差異；授粉后30d，SSS活性順序?yàn)猷崋?58＞先玉335＞長(zhǎng)城799＞農(nóng)大364，達(dá)到峰值后，鄭單958籽粒SSS活性迅速下降，顯著低于其他3個(gè)玉米品種；而在灌漿中后期，先玉335籽粒GBSS活性顯著高于其他3個(gè)玉米品種。說(shuō)明在催化淀粉合成反應(yīng)中，先玉335有較強(qiáng)的直鏈淀粉合成能力。圖5不同品種玉米籽粒淀粉合成酶SSS和GBSS活性Fig.5.SSSandGBSSactivitiesofgrainsindifferentmaizevarieties2.5不同品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞增殖與籽粒性狀的相關(guān)分析表2不同品種玉米籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與籽粒性狀的相關(guān)分析Table2Therelationbetweenendospermcellnumberandinterrelatedtraitsofkernel注：*表示在0.05水平上差異顯著；**表示在0.01水平上差異極顯著。Note：*meanssignificantdifferenceat0.05level；**manssignificantdifferenceat0.01level由表2可以看出，玉米籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與單粒質(zhì)量、淀粉含量及籽粒淀粉合成關(guān)鍵酶活性均呈正相關(guān)。相關(guān)分析（表2）表明，4個(gè)玉米品種的籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與單粒質(zhì)量與淀粉含量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.9051~0.9828（P＜0.01），說(shuō)明籽粒胚乳細(xì)胞的增殖對(duì)單粒質(zhì)量和淀粉含量的提高有極顯著的促進(jìn)作用；胚乳細(xì)胞充實(shí)主要是淀粉的積累，4個(gè)玉米品種的籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與ADPG和UDPG活性均呈正相關(guān)，其中與UDPG活性相關(guān)達(dá)極顯著水平，相關(guān)系數(shù)在0.8891~0.9746；除鄭單958外，先玉335、長(zhǎng)城799和農(nóng)大364籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與SSS活性均呈顯著正相關(guān)；4個(gè)品種籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與GBSS活性均呈顯著正相關(guān)，其中長(zhǎng)城799和農(nóng)大364呈極顯著水平。3討論（1） 玉米實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)的重要前提是大的庫(kù)容。而庫(kù)容主要取決于最大胚乳細(xì)胞數(shù)［19］。籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)既反映了籽粒庫(kù)的潛力，也反映了該潛力的實(shí)現(xiàn)程度。較多的胚乳細(xì)胞數(shù)是庫(kù)大的基本特征，有利于籽粒以較快的速度積累同化產(chǎn)物，同時(shí)容納和積累較多的淀粉粒［10］，增加粒質(zhì)量進(jìn)而提高產(chǎn)量。Reddy等［20］認(rèn)為，硬齒型和馬齒型玉米品種間粒質(zhì)量的差異與各自的籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)有關(guān)，與細(xì)胞大小無(wú)關(guān)；Pinto［21］指出，玉米胚乳細(xì)胞數(shù)與胚乳干質(zhì)量、籽粒干質(zhì)量、體積、淀粉含量和每個(gè)胚乳中的淀粉粒數(shù)呈正相關(guān)。李紹長(zhǎng)等［12］的研究結(jié)果表明，胚乳細(xì)胞數(shù)是決定籽粒質(zhì)量的主要原因。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)不同產(chǎn)量潛力玉米籽粒胚乳細(xì)胞增殖動(dòng)態(tài)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)：在供試的4個(gè)玉米品種中，緊湊型有高產(chǎn)潛力的玉米品種（先玉335和鄭單958）的最大胚乳細(xì)胞數(shù)在灌漿中后期均顯著高于普通平展型玉米品種（長(zhǎng)城799和農(nóng)大364），與淀粉含量及單粒質(zhì)量的差異表現(xiàn)一致，說(shuō)明2種類型玉米淀粉和單粒質(zhì)量與其較大的庫(kù)容有關(guān)。（2） 淀粉是玉米籽粒的主要組成成分，淀粉積累速率的高低直接影響粒質(zhì)量。莖、葉等源器官制造的光合產(chǎn)物以蔗糖形式運(yùn)輸?shù)綆?kù)器官（籽粒），在一系列酶的催化作用下形成淀粉［22］。Douglas等［3］在1988年提出了玉米籽粒淀粉合成過(guò)程中可能包括的中間產(chǎn)物及其有關(guān)的酶，認(rèn)為ADPG和UDPG均為淀粉合成的直接前體物質(zhì)。本研究結(jié)果表明，在籽粒發(fā)育過(guò)程中，先玉335籽粒ADPG和UDPG活性峰值出現(xiàn)時(shí)間均比鄭單958、長(zhǎng)城799和農(nóng)大364推遲一周左右，有較長(zhǎng)的高值持續(xù)期，為淀粉的合成奠定了良好的基礎(chǔ)。Singletary等人［6］研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒胚乳突變體若失去ADPG活性，淀粉含量將大幅度下降，故ADPG通常被認(rèn)為是淀粉合成的限速酶。而籽粒SSS、GBSS活性的降低增加了將ADPG的葡萄糖基向2,4-葡萄糖鏈的非還原性末端的轉(zhuǎn)移，從而增加了淀粉合成的阻力［23］。結(jié)果表明，供試的4個(gè)玉米品種籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)與ADPG、UDPG酶活性、SSS和GBSS均呈正相關(guān)，但在整個(gè)灌漿期內(nèi)，酶活性變化與淀粉積累速率、灌漿速率的變化并不完全同步，說(shuō)明供試酶活性并非完全是籽粒淀粉合成與積累的限速因子。作者前期研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒蔗糖轉(zhuǎn)化酶和淀粉磷酸化酶活性雖受籽粒淀粉積累的反饋調(diào)節(jié)［24］，但并不存在對(duì)淀粉合成的限速作用。因此，淀粉積累所需底物的供應(yīng)水平可能是多種酶綜合作用的結(jié)果。籽粒淀粉的積累取決于庫(kù)容量和庫(kù)活性2個(gè)方面，庫(kù)容量即籽粒胚乳細(xì)胞數(shù)，而籽粒ADPG、UDPG、SSS和GBSS是影響庫(kù)活性的主要淀粉