全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2015, 51 (1): 88~92　　doi: 10.13592/j.cnki.ppj.2014.049088
收稿 2014-11-06　　修定 2015-01-04
资助 国家自然科学基金(31101100)、山东省科技发展计划
(2014GNC111001)、作物生物学国家重点实验室开放课题
(2013KF05)和山东省旱地作物水分高效利用科研创新团队。
* 通讯作者(E-mail: hyzhang608@126.com; Tel: 0532-
86080447)。
糯玉米胚乳淀粉粒粒度分布形成的酶学机理
伊祖涛1, 张海艳1,2,*
1青岛农业大学农学与植物保护学院/山东省旱作农业技术重点实验室, 山东青岛266109; 2山东省小麦玉米周年高产高效生
产协同创新中心, 山东泰安271018
摘要: 以7个糯玉米品种为材料, 测定其籽粒发育过程中淀粉粒粒度分布及淀粉合成相关酶活性的变化, 分析两者之间的关
系。结果表明, 随着籽粒发育, 糯玉米淀粉粒平均粒径逐渐增大, 可溶性淀粉合成酶(SSS)和淀粉分支酶(SBE)活性呈单峰
曲线变化。籽粒发育前期, 小淀粉粒(≤7.4 µm)所占体积较大; 随着籽粒发育, 小淀粉粒所占体积减少, 大淀粉粒(>7.4 µm)
所占体积增多; 籽粒发育后期, 大淀粉粒所占体积较大。相关分析表明, SSS和SBE活性与大淀粉粒体积增大速率和平均粒
径增大速率均呈显著或极显著正相关。因此, SSS和SBE是影响糯玉米胚乳淀粉粒粒度分布形成的主要酶, SSS和SBE活性
越高, 淀粉粒平均粒径越大, 大淀粉粒所占体积越多。
关键词: 糯玉米; 淀粉粒粒径; 粒度分布; SSS; SBE
Enzyme Mechanism of Starch Granule Size Distribution Formation in Waxy
Corn Endosperm
YI Zu-Tao1, ZHANG Hai-Yan1,2,*
1College of Agronomy and Plant Protection, Qingdao Agricultural University/Shandong Key Laboratory of Dry Farming Tech-
nique, Qingdao, Shandong 266109, China; 2Cooperative Innovation Center of Efficient Production with High Annual Yield of
Wheat and Corn, Tai’an, Shandong 271018, China
Abstract: In this study, seven varieties of waxy corn (Zea mays var. sinensis) were used to determine starch
granule size distribution and starch synthetic enzyme activity and analyze their correlation. The results indicat-
ed that with kernel development, mean diameter of starch granule increased, and soluble starch synthase (SSS)
and starch-branching enzyme (SBE) activities showed single peak curve. During early period of kernel devel-
opment, the volume percentage of small starch granule (≤7.4 µm) was large. Then, the volume percentages of
small and large starch granules decreased and increased, respectively. During late period, the volume percent-
age of large starch granule (>7.4 µm) was large. Correlation analysis indicated that SSS and SBE activities were
positively (highly) significantly correlated with the increasing percentages of large starch granule volume and
mean diameter. Therefore, SSS and SBE are the key enzymes to affect starch granule size distribution formation
of waxy corn. The higher SSS and SBE activities are, the larger mean diameter and volume percentage of large
starch granule are.
Key words: waxy corn; starch granule diameter; size distribution; SSS; SBE
淀粉是玉米籽粒胚乳的主要成分, 以大小不
同的淀粉粒形式存在。淀粉粒粒度分布对淀粉的
理化特性有显著影响(Wei等2010; 银永安等2010;
陆大雷等2010), 进而决定淀粉的食用和加工品质
(Singh等2009), 目前已成为淀粉品质评价的一个
重要因素。
籽粒淀粉的生物合成是由腺苷二磷酸葡萄糖
焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGP-
ase)、可溶性淀粉合成酶(soluble starch synthase,
SSS)、束缚态淀粉合成酶(granule-bound starch
synthase, GBSS)、淀粉分支酶(starch-branching
enzyme, SBE)和淀粉去分支酶(starch-debranching
enzyme, DBE)等多种酶协同作用, 通过复杂的途径
完成的(Tetlow 2011)。Zhang等(2010)研究认为, 小
麦强势粒和弱势粒灌浆期间的淀粉粒粒度分布与
淀粉合成酶活性变化及其基因表达有密切的关
伊祖涛等: 糯玉米胚乳淀粉粒粒度分布形成的酶学机理 89
系。Peng等(2000)报道, SBE容易与小麦A型淀粉
粒结合, 不易与B型淀粉粒结合。Tyynelä等(1995)
发现在大麦shx位点突变体中, SSI活性降低, A型淀
粉粒粒径变小, 粒径分布变为单峰曲线, 认为SSI能
影响大麦淀粉粒的粒径大小。糯玉米胚乳淀粉几
乎全由支链淀粉组成, 其食用消化率、粘滞性和
膨胀力高, 适口性好, 这些优良特性赋予糯玉米宝
贵的价值和广泛的用途(印志同等2006)。关于糯
玉米籽粒发育过程中淀粉粒粒度分布的变化及淀
粉粒粒度分布形成与淀粉合成酶活性之间的关系,
目前尚不清楚。本文以7个糯玉米品种为材料, 研
究其籽粒发育过程中淀粉粒粒度分布及淀粉合成
相关酶活性的变化, 分析两者之间的关系, 探讨淀
粉合成酶对糯玉米淀粉粒粒度分布形成的影响,
对进一步调控糯玉米籽粒淀粉品质, 在作物体内
直接生成结构适宜、能满足相应需求的天然淀粉
提供理论依据。
材料与方法
1 植物材料
供试糯玉米(Zea mays L. var. sinensis Kulesh)
品种为‘西星白糯1号’、‘京科糯2000’、‘西星黄糯
6号’、‘西星赤糯1号’、‘紫糯208’、‘西星黑糯1
号’、‘黑糯4号’, 2012年6月20日种植于青岛农业大
学胶州试验田。小区9 m×5 m, 行距60 cm, 种植密
度52 500株·hm-2, 随机排列, 重复3次, 生长期间统
一管理。开花期选择生长发育一致的植株人工授
粉。从授粉后5 d开始, 每隔5 d取10个果穗, 直至成
熟(授粉后45 d), 发育期果穗于–40 ℃冰箱保存, 成
熟期果穗自然风干保存。
2 淀粉的提取
参照Peng等(1999)的方法提取胚乳淀粉。
3 淀粉粒粒度分布的测定
用贝克曼库尔特公司的LS13320激光衍射粒
度分析仪分析淀粉粒。取50 mg淀粉放入离心管,
加10 mL蒸馏水悬浮, 旋涡混匀后置4 ℃下1 h, 每10
min振荡1次, 摇匀, 吸取2 mL转移至激光衍射粒度
分析仪的分散盒中, 测量淀粉粒的体积分布曲线。
4 淀粉合成酶活性的测定
称取1.0 g冷冻籽粒, 冰浴研碎, 加入3~5 mL
Hepes-NaOH提取液, 通过4层纱布过滤, 15 000×g
冷冻离心10 min, 上清液用于SSS和SBE活性的测
定, 沉淀悬浮在2 mL缓冲液中用于GBSS活性的
测定。SSS和GBSS活性测定参考Nakamura等
(1989)的方法, SBE活性测定参考李太贵等(1997)
的方法。
5 数据分析
采用Excel软件和激光衍射粒度分析仪自带软
件作图, SPSS软件进行相关性分析。
实验结果
1 淀粉粒平均粒径的变化
由图1可知, 籽粒发育过程中, 7个糯玉米品种
胚乳淀粉粒的平均粒径呈现增加的变化趋势, 由
授粉后5 d的2.26~3.85 µm迅速增加到授粉后30 d
的11.12~13.19 µm, 然后缓慢增加到成熟期的
12.33~14.54 µm。品种间比较, 籽粒发育后期‘紫糯
208’淀粉粒平均粒径显著小于其他品种, ‘西星黄
糯6号’淀粉粒平均粒径较大。
图1 糯玉米籽粒发育过程中胚乳淀粉粒的平均粒径
Fig.1 Mean diameter of starch granule in waxy corn
endosperm during kernel development
2 大、小淀粉粒体积的变化
根据激光衍射粒度分析仪测定结果, 糯玉米
成熟期的淀粉粒体积呈三峰曲线分布(图2)。本文
以三峰曲线第二个谷值7.4 µm为界线, 将淀粉粒划
分为大(> 7.4 µm)、小(≤7.4 µm)两部分。
由图3可知, 籽粒发育过程中, 7个糯玉米品种
胚乳小淀粉粒所占体积不断减少, 大淀粉粒所占
体积不断增多。授粉后5 d时, 糯玉米胚乳中淀粉
植物生理学报90
粒几乎全部为小淀粉粒; 授粉后10 d时, 小淀粉粒
所占体积有所减少, 与此同时, 大淀粉粒开始产
生; 从授粉后10 d开始, 小淀粉粒所占体积呈先急
剧后缓慢下降的变化, 到授粉后30 d时为20%左
右, 而大淀粉粒所占体积表现为先急剧后缓慢增
多的变化, 到授粉后30 d时为80%左右; 之后, 一
直到籽粒成熟, 小、大淀粉粒所占体积基本不发
生变化。说明籽粒发育前期, 糯玉米以小淀粉粒
为主; 随着籽粒发育, 小淀粉粒所占体积减少, 大
淀粉粒所占体积增多; 籽粒发育后期, 以大淀粉粒
所占体积为主。
3 淀粉合成酶活性的变化
由图4可知, 籽粒发育过程中, 7个糯玉米品种
籽粒中SSS和SBE活性均呈先升高后降低的变化,
在授粉后15 d时活性最高, 且籽粒发育后期的活性
小于发育前期(图4-A、C)；而GBSS活性一直低于
2.0 μmol·g-1 (FW)·h-1, 且无规律变化(图4-B), 可见
糯玉米籽粒发育过程中几乎不存在GBSS。
4 淀粉合成酶活性与淀粉粒粒度分布的关系
由于糯玉米籽粒发育过程中基本没有GBSS
活性, 因此仅对SSS和SBE活性与大、小淀粉粒体
积变化速率的关系进行了分析。结果表明, 7个糯
玉米品种籽粒中SSS和SBE活性均与小淀粉粒体
积减小速率和大淀粉粒体积增大速率呈显著或极
显著正相关, 即SSS、SBE活性越高, 小淀粉粒所
占体积越小, 大淀粉粒所占体积越大; SSS和SBE
活性与淀粉粒平均粒径的增大速率呈显著或极显
著正相关, 即SSS、SBE活性越大, 淀粉粒的平均
图2 糯玉米成熟期胚乳淀粉粒的体积分布
Fig.2 Starch granule volume distribution in
mature waxy corn endosperm
图3 糯玉米籽粒发育过程中胚乳大、小淀粉粒的体积变化
Fig.3 Changes in volume percentages of large and small starch granules in waxy corn endosperm during kernel development
粒径越大(表1)。可见, SSS和SBE活性是影响糯玉
米淀粉粒形成及粒度分布的关键因素。
讨　　论
1 糯玉米籽粒发育过程中淀粉粒粒径的变化
禾谷类作物淀粉含量占胚乳细胞的90%左右,
对作物品质起决定作用。淀粉以淀粉粒的形式存
在 , 淀粉粒形成是一个受生长发育调节的过程
(Bechtel等1990)。对小麦的研究表明, 淀粉粒在前
期增大较快, 后期相对稳定(Zhang等2010); 对木薯
(Huang等2006)和菱角(Chiang等2007)的研究发现,
随着生育进程的推进淀粉粒粒径逐渐增加; 而在
马铃薯上则发现淀粉粒粒径呈先升高后降低的变
化(Noda等2004)。在糯玉米中, 通过显微镜观察发
现, 随着籽粒发育淀粉粒平均粒径逐渐增大, 且在
授粉后0~10 d增大最快(张海艳2009)。本试验中,
通过激光衍射粒度分析仪分析发现, 糯玉米淀粉
伊祖涛等: 糯玉米胚乳淀粉粒粒度分布形成的酶学机理 91
粒平均粒径呈增加趋势, 籽粒发育前期(授粉后30
d前)增加较快, 后期相对稳定。这与前人研究结果
不完全一致, 可能与作物种类、品种类型以及淀
粉粒提取、测定和统计方法等有关。就本试验采
用的激光衍射粒度分析仪而言, 测定时淀粉与水
的比例、光学模型的选用及淀粉分散程度等也会
对测定结果产生影响。
表1 淀粉合成酶活性与淀粉粒粒度分布的相关分析
Table 1 Correlation analysis of starch synthetic enzyme
activity and starch granule size distribution

品种
淀粉合成 小淀粉粒体积减小速率 平均粒径
酶活性 (大淀粉粒体积增大速率) 增大速率
‘西星白糯1号’ SSS 0.83** 0.98**
SBE 0.80* 0.74*
‘京科糯2000’ SSS 0.88** 0.93**
SBE 0.89** 0.95**
‘西星黄糯6号’ SSS 0.75* 0.97**
SBE 0.76* 1.00**
‘西星赤糯1号’ SSS 0.85** 0.94**
SBE 0.91** 0.90**
‘紫糯208’ SSS 0.81** 0.88**
SBE 0.88** 0.93**
‘西星黑糯1号’ SSS 0.74* 0.94**
SBE 0.68* 0.96**
‘黑糯4号’ SSS 0.72* 0.86**
SBE 0.68* 0.82**
　　*和**分别表示差异在0.05水平显著和0.01水平极显著。
图4 糯玉米籽粒发育过程中淀粉合成酶活性的变化
Fig.4 Changes in starch synthetic enzyme activity in waxy
corn during kernel development
2 淀粉合成酶活性与淀粉粒粒度分布的关系
前人报道, 植物贮藏器官中, SSS和SBE共同
作用合成支链淀粉。本试验中, 籽粒发育过程中,
SSS和SBE的活性呈单峰变化, 这与小麦(闫素辉等
2007; 王自布等2010)和水稻(张玲等2008)中的研
究相同。前人研究认为，小麦灌浆期间强势粒和
弱势粒的淀粉粒粒度分布与淀粉合成酶活性变化
及其基因表达有着密切关系(Zhang等2010); SBE
容易与小麦A型淀粉粒结合, 不易与B型淀粉粒结
合(Peng等2000); 大麦shx位点突变体中, SSI活性降
低, A型淀粉粒粒径减小, 粒径分布变为单峰曲线,
即SSI影响大麦淀粉粒的粒径大小 (Tyynelä等
1995)。本试验中, SSS和SBE活性与小淀粉粒体积
减小速率、大淀粉粒体积及淀粉粒平均粒径的增
大速率呈显著或极显著正相关, 说明SSS和SBE影
响糯玉米胚乳淀粉粒粒度分布, 酶活性越高, 粒径
越大, 大淀粉粒所占体积越多。然而, 淀粉生物合
成酶具有多种同工型, 究竟哪种同工型与淀粉粒
粒度分布形成密切相关, 还有待进一步研究。
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