高淀粉玉米胚乳淀粉粒度分布特征及其对水分胁迫的
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摘要：以郑单21为试验材料，利用透射电镜（TEM： Transmission Electron Microscope）和激光粒度分析仪研究水分胁迫下玉米胚乳淀粉粒的形态和粒度分布。结果表明：水分胁迫导致玉米籽粒形态建成滞后，尤其是内、外珠被组织解体和胚乳淀粉粒积累的速度减缓。授粉后7天，水分胁迫处理的籽粒外珠被尚未退化消失，果皮、内珠被和胚乳细胞的界限模糊，几乎每个果皮细胞内都含有细胞核；而正常供水处理的玉米籽粒外珠被已退化消失，果皮、内珠被和胚乳细胞的界限清晰，果皮细胞内容物较少，细胞壁较薄，内珠被细胞明显较大，内容物少，绝大多数细胞无细胞核。授粉后11天，两处理的胚乳细胞的细胞壁明显变薄，细胞内容物显著增多，细胞内已明显可见大大小小的淀粉粒，但正常供水处理的淀粉粒明显大且多。水分胁迫处理的淀粉粒表面积、数目和体积分布均呈单峰曲线，而正常供水处理表现为淀粉粒数目分布呈单峰曲线，表面积分布和体积分布呈双峰曲线。水分胁迫可降低A型淀粉粒的表面积、数目和体积百分比，增加B型淀粉粒的表面积、数目和体积百分比。
中图分类号：S513.01文献标识号：A文章编号：1001-4942（2013）01-0054-06
玉米是我国重要的粮食作物，常年种植面积约2 400×104 hm2，50%以上种植在东北、西北、西南地区依靠自然降水、缺水的旱地上。玉米的生长发育受遗传特性和各种环境因素的影响，在其遭受的诸多自然灾害中，尤以干旱最为严重，由于水分胁迫导致的减产，超过其它因素造成减产的总和[1]。
淀粉是玉米籽粒中的主要积累物质，占籽粒总重的70%左右，其数量多寡直接影响玉米产量和品质。玉米淀粉是人类主要的淀粉来源之一，也是工业淀粉和以淀粉为原料的深加工产业的主要原料。全世界淀粉年产量为1 600×104 t，其中80%以上是玉米淀粉，美国95%以上淀粉来自于玉米，我国淀粉行业90%以玉米为原料。玉米淀粉的生产在整个玉米加工业中占十分重要的地位[2]。
玉米胚乳淀粉粒的发育不仅受控于遗传因子，同时也受环境因素的制约。关于玉米籽粒淀粉积累与基因型及环境因素的关系，前人已做了较深入的研究[3～16]。但有关高淀粉玉米在不同供水条件下籽粒淀粉粒发育规律、形态结构及粒度分布特征的研究尚少见报道。为此，本研究以高淀粉玉米为材料，比较研究了高淀粉玉米在不同供水条件下，籽粒淀粉粒的动态变化以及淀粉粒度分布特征，旨在为高淀粉玉米产量提高和节水栽培提供理论依据。
1材料与方法
11试材与试验设计
试验于2010年6月～2011年10月在山东省六一农场人工旱棚内进行。旱棚高35 m，棚顶用透光率89%的阳光板覆盖，棚四周为通风良好的铁制防护网。每处理选用统一规格的瓷盆25个，完全随机排列，瓷盆上口径、下口径和盆高分别为40、38 cm和40 cm。供试材料为郑单21（粗淀粉含量为7542%），6月5日播种，每盆播种4粒，留苗1株。试验设水分胁迫（土壤含水量为田间持水量的40%～45%）和正常供水（土壤含水量为田间持水量的65%～70%）2个处理。处理时间为6月20日（三叶期）至8月8日（吐丝期），处理期间每次灌水前采用烘干法控制土壤含水量，之后所有处理正常供水（土壤含水量为田间持水量的65%～70%）。
12取样及测定方法
剥取授粉后3、7、11、15 天的玉米果穗中部籽粒，切取胚与花柱遗迹之间的籽粒横切面用4%戊二醛前固定，磷酸缓冲液冲洗；再用1%锇酸后固定，乙醇梯度脱水；Epon-812 （环氧树脂）浸透与包埋；LKB-7800型超薄切片机切片，切片厚06 μm。部分切片放到载玻片上，加热至60℃展片，吸干水分，干燥后在60℃下用碱性品红-亚甲基蓝染色液染色，BX-51型OLMPUS荧光显微镜观察及数码照相，进行籽粒种皮形态建成和淀粉粒分布研究。部分材料在定位后用醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色，JEM-1200EX型透射电镜下观察照相，用于淀粉粒超微结构研究。
13玉米籽粒淀粉提取
参考Raeker[17]、Peng[18]和Stoddard[19]的淀粉提取方法：取保存待用的各处理授粉后15 天的籽粒5 g，加入05 mol/L NaCl 25 ml，置于4℃冰箱中48 h，去除籽粒的果皮和胚，置于研钵中加入05 mol/L NaCl 溶液研磨，直至有面筋析出，过滤。将未滤过物多次研磨过滤，直至滤出液用碘试剂染色不显蓝色为止。合并滤液，3 000 r/min离心10 min，取沉淀。沉淀再分别用2 mol/L NaCl、2% SDS 和02% NaOH 溶液顺序振荡冲洗，去除蛋白质，直至沉淀为白色为止。最后沉淀用丙酮振荡冲洗3遍，40℃烘干，磨细，贮藏备用。每个样品重复2次。
14淀粉粒度分布的测定
利用LS13320 型激光粒度分析仪（贝克曼库尔特公司）测定，采用其通用液体样品池，所用液体为蒸馏水。具体试验方法如下：称取005 g 淀粉样品，加入5 ml 蒸馏水振荡分散成悬浊液，得待测液。打开仪器，调节泵速为45 r/min，设运行时间为35 s，选Fraunhofertf 780z 光学模型，检测仪器背景和光路中心，然后注入1 ml 待测液，待遮蔽率显示OK后开始分析。每个样品重复3～5 次。
15统计分析与作图
应用DPS 统计软件进行数据统计与分析；利用Excel 软件和LS13320 型激光粒度分析仪自带软件进行作图。
2结果与分析
21高淀粉玉米籽粒发育动态
授粉后7 天，水分胁迫处理的玉米籽粒发育明显落后于正常供水处理，其外珠被和内珠被均尚未退化消失（图1），果皮约有20～40层细胞，其最外几层细胞呈扁长形，含有明显的细胞核；越靠近内层的细胞越小，至接近外珠被时，细胞已基本成圆形小颗粒。内珠被由2层细胞组成，每层细胞大小基本一致，细胞中内容物相对较少，无细胞核，细胞呈扁长形，排列有序。与内珠被紧密相连的是一层大小整齐一致且有核的细胞，其内为多层大小不一、形状不规则的细胞组成的珠心。珠心细胞表现为最外层细胞小，且颜色较深，内层细胞大，细胞呈透明状。而正常供水处理的玉米籽粒发育较快，其外珠被已退化消失，内珠被由三层细胞组成，细胞明显较大，内容物少，绝大多数细胞无细胞核，其与珠心相连部位的细胞颜色较深，呈一明显的黑色分界线。珠心组织与水分胁迫处理的形态差异不明显。可见，水分处理对玉米籽粒发育的影响主要体现在形态建成的速度，尤其是内、外珠被组织解体的速度上。
授粉后11天，水分胁迫与正常供水处理的果皮、外珠被、内珠被、珠心和胚乳细胞的形态、数量和内容物等均发生显著变化（图1）。其中，果皮的内层细胞已开始解体，仅水分胁迫处理的少数细胞内可见细胞核；细胞体积明显增大，数量大幅减少。外珠被细胞也变得支离破碎，但外珠被和内珠被组织界线清晰可辨，内珠被细胞已彼此离散，细胞质和细胞核解体，细胞被破坏，正常供水处理的内珠被里几乎无完整细胞存在。而胚乳细胞的细胞壁明显变薄，细胞内容物显著增多，细胞内已明显可见大大小小的淀粉粒，且越靠近胚乳内层，细胞中的淀粉粒越大、数量越多。处理间比较可见，水分胁迫处理内外珠被退化消失的速度明显低于正常供水处理，且正常供水处理胚乳淀粉粒的数目和大小均显著大于水分胁迫处理。说明，水分不仅可显著影响玉米内外珠被降解的速度，也显著影响籽粒胚乳中淀粉粒的积累。
授粉后15天，两处理的果皮细胞层数均明显减少，细胞内几乎已无内容物存在，内外珠被均已慢慢降解并浓缩成一条黑线，紧紧贴在一起与胚乳的糊粉层细胞相连。糊粉层细胞中含有大量的油脂，呈褐色。糊粉层以内的胚乳细胞中含有大量的淀粉粒，淀粉粒的体积和数量较授粉后11天明显增加。处理间仍表现为：正常供水处理的淀粉粒明显比水分胁迫处理大且多（图1）。
22胚乳淀粉粒粒度分布特征
221淀粉粒的表面积分布水分对玉米淀粉粒的表面积分布有较大影响，水分胁迫处理玉米胚乳淀粉粒的表面积分布表现为单峰曲线，峰值出现在2107 μm；而正常供水处理的胚乳淀粉粒表面积分布表现为双峰曲线，峰值分别出现在1204 μm和1029 μm（图2）。其中，水分胁迫处理B型（直径10 μm）淀粉粒占14%左右。与正常供水处理相比，水分胁迫处理10 μm淀粉粒表面积百分比的显著降低所致。水分胁迫可降低A型淀粉粒的表面积百分比，增加B型淀粉粒的表面积百分比。
223胚乳淀粉粒体积分布水分对玉米胚乳淀粉粒的体积分布亦有很大影响，其中水分胁迫处理的体积分布呈单峰曲线，峰值出现在306 μm，而正常供水处理呈双峰曲线，峰值分别出现在1322 μm和1129 μm（图4）。处理间比较可见，水分胁迫处理B型淀粉粒的体积占总数的100%，而正常供水处理B型淀粉粒的体积占总数的6130%，A型占3870%。与正常供水处理相比，水分胁迫处理6 μm分别降低9607%和100%（表3）。
缺氮缺水，SS活性在授粉后20～30天峰值较低，SPS活性甚至在授粉后20天没有峰值出现，意味着玉米叶片中SS、SPS活性受到严重抑制，导致了源端生产的用于淀粉合成的蔗糖数量减少，籽粒淀粉的积累量因此受到抑制；缺氮缺水使籽粒中的淀粉代谢酶SSS、GBSS、ADPG-PPase、UDPG-PPase活性过早下降，导致淀粉合成过程中酶系统的紊乱，抑制淀粉生物形成的正常进行，降低籽粒淀粉含量[20～23]。
本试验结果表明，水分胁迫导致玉米籽粒形态建成滞后，尤其是内、外珠被组织解体和胚乳淀粉粒积累的速度减缓。授粉后7天，水分胁迫处理的玉米籽粒外珠被尚未退化消失，果皮、内珠被和胚乳细胞的界限模糊，几乎每个果皮细胞内都含有细胞核；而正常供水处理的玉米籽粒外珠被已退化消失，果皮、内珠被和胚乳细胞的界限清晰，果皮细胞内容物较少，细胞壁较薄，内珠被细胞明显较大，内容物少，绝大多数细胞无细胞核。授粉后11天，两处理的胚乳细胞的细胞壁明显变薄，细胞内容物显著增多，细胞内已明显可见大大小小的淀粉粒，但正常供水处理的淀粉粒明显大且多。授粉后15天，糊粉层以内的胚乳细胞中含有大量的淀粉粒，淀粉粒的体积和数量较授粉后11天明显增加，且仍表现为正常供水处理的淀粉粒明显比水分胁迫处理大且多。
水分胁迫处理的淀粉粒表面积、数目和体积分布均呈单峰曲线，而正常供水处理表现为淀粉粒数目分布呈单峰曲线，表面积分布和体积分布呈双峰曲线。水分胁迫可降低A型淀粉粒的表面积、数目和体积百分比，增加B型淀粉粒的表面积、数目和体积百分比。
综上所述，水分胁迫抑制了高淀粉玉米籽粒淀粉粒的发育，降低了籽粒淀粉的积累量。这为进一步研究水分胁迫复水后高淀粉玉米胚乳淀粉粒发育的补偿生长机制及高淀粉玉米的高产、抗旱栽培提供了初步的理论依据。参考文献：
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