全 文 ：　
第 27 卷 第 2 期 作　物　学　报 V o l. 27, N o. 2
2001 年 3 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA M ar. , 2001
早籼稻籽粒灌浆过程中淀粉合成酶的变化及温度效应特征Ξ
程方民1　蒋德安2　吴　平2　石春海1
(1浙江大学农业与生物技术学院, 浙江杭州 310029; 2 浙江大学生命科学院, 浙江杭州 310029)
提　要　选 2 个不同淀粉类型的早籼品种, 对水稻开花后籽粒中直、支链淀粉的积累动态及淀粉合成
代谢的 3 个关键酶—AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶活性变化进行分析, 并采用
人工控温试验等方法探讨了不同温度下AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶的活性变
化特征。研究结果表明, 在水稻籽粒灌浆过程中支链淀粉与直链淀粉几乎是同步积累的, 不同品种的
淀粉积累形成差异表现在两者的相对积累比率上; 上述 3 个酶的活性变化在水稻灌浆过程中存在着十
分明显时期特点, 其中可溶性淀粉合成酶的活性在水稻籽粒灌浆初期的活性最高, 而AD PG 焦磷酸化
酶与淀粉分支酶的活性则分别在开花后 15 天与 20 天左右时达到其活性高峰值; 在籽粒淀粉合成代谢
的 3 个关键酶中, 淀粉分支酶 (Q 2酶)活性可能是温度对稻米淀粉品质变化产生影响作用的酶调节位点
之一, 其不同温度下的活性表现也可能存在着一定的品种类型特征。
关键词　籼稻; 淀粉品质; 淀粉合成酶; 温度
The D ynam ic Change of Starch Syn thes is Enzym es dur ing the Gra in
F ill ing Stage and Effects of Tem pera ture upon It
CH EN G Fang2M in1　J IAN G D e2A n2　W U P ing2　SH I Chun2H ai1
(1 Colleg e of A g ronomy and B iolog ica l T echn ique, Z hej iang U niversity , H ang z hou 310029; 2 Colleg e of B iolog ica l S cience,
Z hej iang U niversity , H ang z hou 310029, Ch ina)
Abstract 　　 In th is paper the dynam ic change p roperty of rice gra in sta rch syn thesis
includ ing am ylo se and am ylopect in and its rela t ive enzym es in 2 differen t rice variet ies w ere
ana lysed, and the effects of tem pera tu re upon the rela t ive enzym es such as AD PG
pyropho spho rylase and so lub le sta rch syn thesis enzym e (SSS) and Q 2enzym e w ere d iscu ssed
by art if icia l con tro lled tem pera tu re trea tm en t. T he resu lt show ed tha t the accum u la t ion of
am ylo se and am ylopect in in rice gra in w ere sim u ltaneity du ring the gra in filling stage and the
d ifference betw een 2 variet ies w as m ain ly in the rela t ive accum u la t ing ra t io of 2 type sta rch;
a lso the peak period of 3 enzym e vivid in the filling gra in w as d ifferen t clearly, am ong w h ich
SSS w as in the beginn ing period after an thesis, bu t AD PP and Q enzym e w as in the 15d and
20d after an thesis respect ively; Q enzym e w as the con tro lled enzym e th rough w h ich the
tem pera tu re affected the ra t io of am ylo se and am ylopect in and it exp ression had clo se
rela t ion sh ip w ith the variety type.
Key words　　Ind ica; Sta rch quality; Sta rch syn thesis enzym e; T em pera tu reΞ 本研究得到国家自然科学基金 (39830250 和 30070435)和中国博士后基金的资助
收稿日期: 1999212212, 接受日期: 2000205207
Received on: 1999212212, A ccep ted on: 2000205207

早籼稻在我国南方由于高温早籼稻米的直链淀粉含量普遍偏低或过高[ 1～ 3 ]。针对这一问
题, 近年来, 国内外不少学者从早籼稻的直链淀粉含量的遗传规律、品种特性及环境影响效
应角度已做了不少工作[ 4～ 6 ], 但是对早籼水稻灌浆结实过程中胚乳物质及酶类变化很少涉
及[ 1, 7 ], 对不同品质类型早籼品种籽粒灌浆过程中有关淀粉合成代谢关键酶活性变化及其温
度效应特征的差异, 目前尚不清楚。为此, 本文以水稻籽粒灌浆过程中不同类型淀粉的累积
变化特征及有关淀粉合成代谢的关键酶活性分析为基础, 并通过人工气候箱控温试验, 对不
同品质类型早籼品种籽粒灌浆过程中AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶
活性变化及其在不同温度处理下差异特征进行了探讨, 旨在揭示不同品质类型早籼间的蒸煮
食味品质差异及温度影响的内在生理基础, 为米质的生态、品种改良工作提供理论依据。
1　材料与方法
1. 1　试验材料
试验于 1999 年在浙江大学教学试验农场进行, 选用高直链淀粉早籼品种 73- 07 (直链淀
粉含量 25. 18% )、低直链淀粉含量早籼品种嘉早 935 (直链淀粉含量 13. 21% ) , 3 月 25 日播
种, 4 月 20 日移栽, 株、行距 15 cm ×20 cm , 田间常规栽培管理, 在各品种在生长至齐穗时
选取生长一致的单穗 300～ 400 个, 挂牌并标记开花日期基本接近的中、上位势小花, 以后每
隔 5 天取样, 液氮中保存, 最后统一测定。人工气候箱控温试验使用 2 台CONV IRON 箱, 设
高温 33℃ (最高温 38℃ö最低温 28℃)和适温 23℃ (最高温 28℃ö最低 18℃) 2 个温度处理, 采
用盆栽土培, 在自然温度条件下生长至抽穗后再将稻株移入不同温度处理的人工气候箱中,
人工气候箱内温度的日变化模拟自然气候特征, 24h 程序自控, 相对湿度保持 90% 左右, 光
强为 0. 5～ 2. 5 万 lx, 取样方法同大田处理。
1. 2　测定方法
1. 2. 1　粗酶液的提取　　取样品籽粒 25 粒, 去壳称重, 碾磨成粉, 加 5 mL 提取液 (含 100
mm o löL T ricine2N aOH , pH = 7. 5, 8 mm o löL M gC l2, 2 mm o löL ED TA , 12. 5% ( vöv )
Glycero l; 1% (w öv) PV P240, 50 mm o löL 22M ercap 2toethano l) , 磨成匀浆, 在 30000×g 离心
10 m in, 然后收集上清液置于冰浴, 作为粗酶液备用。
1. 2. 2　AD PG 焦磷酸化酶活性的测定　　取 20 ΛL 酶粗提液加入 110 ΛL 反应液中 (反应液
最终浓度是 100 mm o löL H epes2N aOH (pH = 7. 4)、1. 2 mm o löL AD PG, 3 mm o löL PP i; 5
mm o löL M gC l2, 4 mm o löL D T T ) , 30℃反应 20 m in 后, 沸水中终止反应 30s, 10000×g, 10
m in; 取上清液 100 ΛL 加 5. 2 ΛL 比色液 (5. 76 mm o löL NAD P, 0. 08 un it P2gucom u tase, 0.
07 un it G6P2dehydrogenase). 30℃反应 10 m in 后, 测定 340 nmOD 值。
1. 2. 3　可溶性淀粉合成酶活性的测定　　取20 ΛL 酶粗提取液加入36 ΛL 反应液(反应液最终浓度为
50 mm o löL H epes2N aOH (pH = 7. 4)、1. 6 mm o löL AD PG、0. 7 m g am ylopect in、15 mm o löL
D T T ) , 30℃反应 20 m in 后, 沸水中终止反应 30s, 冰浴中冷却; 加 20 ΛL 反应液(含 50 mm o löL
H epes2N aOH (pH = 7. 4)、4 mm o löL PEP、200 mm o löL KC l、10 mm o löL M gC l2、1. 2 un it
Pyruvate K inase) , 30℃反应20 m in 后, 沸水中终止反应, 10000×g 离心10 m in。
取上清液 60 ΛL 与 43 ΛL 反应液 (50 mm o löL H epes2N aOH (pH = 7. 4)、10 mm o löL
Gluco se 20 mM M gC l2、 2 mm o löL NAD P、 1. 4 un it H exok inase、 0. 35 un it G6P2
dehydrogenase) , 30℃反应 10 m in 后, 测定 340 nmOD 值的变化。
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1. 2. 4　淀粉分支酶活性的测定　　取 20 ΛL 粗酶液加 20 ΛL 反应液 (反应液最终浓度为 50
mm o löL H epes2N aOH (pH = 7. 4) , 5 mm o löL GlP, 1. 25 mm o löL AM P, pho spho rylase (5. 4
un it) , 30℃反应 30 m in 后, 10 ΛL 1 m o löL HC l 终止反应, 然后加 100 ΛL D im ethylsu lfox ide
和 140 ΛL 0. 1% 的 I2 和 1% K I, 测定 540 nmOD 值。
1. 2. 5　稻米直、支链淀粉含量的测定参照何照范的双波长法[ 8 ] , 并做适当的改进　　其中直
链淀粉含量测定的主波长用 620 nm , 参比波长用 430 nm , 支链淀粉含量测定的主波长用 540
nm , 参比波长用 720 nm。以脱脂精米米粉为样品进行测定。其中对水稻开花后 5 天的采样,
用手工方法去壳除糙。
2　结果与分析
2. 1　不同早籼品种籽粒灌浆过程中直、支链淀粉含量的积累趋势
由图 1、图 2 可见, 不同类型品种, 水稻开花后籽粒中直链淀粉与支链淀粉的累积变化趋
势基本相似, 大致呈“S”曲线变化。其中直链淀粉的累积变化在水稻开花后 5～ 15 天最为明
显, 与此同时, 籽粒中支链淀粉含量也在急剧增加, 可见, 水稻籽粒灌浆过程中支链淀粉的
合成是与直链淀粉的合成同时进行的。高直链淀粉含量品种 73- 07 与低直链淀粉含量品种
嘉早 935 相比, 两种类型淀粉的积累趋势均相差不大, 但前者的直链淀粉在水稻开花后前 15
天的积累速率要明显大于超过后者, 说明不同品种的淀粉特征差异主要表现在两种类型淀粉
的相对积累比率上。
图 1　　品种 73- 07 开花后稻米直、支链淀粉的变化
F ig. 1　　Change of am ylo se and am ylopectin
in rice grain after an thesis (73- 07)
图 2　　品种嘉早 935 开花后稻米直、支链淀粉的变化
F ig. 2　　Change of am ylo se and am ylopectin in
rice grain after an thesis (J ia zao935)
2. 2　水稻籽粒灌浆过程中AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶的变化
AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶、淀粉分支酶 (Q 2酶) 是水稻籽粒淀粉合成代谢的
3 个关键酶, 其中AD PG 焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶是水稻籽粒中淀粉生物合成的调节
位点, 而淀粉分支酶 (Q 2酶) 的作用是通过 Α- 1, 6 糖甘键形成而影响支链淀粉合成[ 9 ]。通过
对水稻开花后籽粒中这 3 个关键酶活性的动态变化分析 (图 3、图 4) , 结果表明, 在水稻灌浆
过程的不同时期, 这 3 个酶的活性表现出明显的差异。在水稻灌浆初期, 可溶性淀粉合成酶
的相对活性较高, 而AD PG 焦磷酸化酶和淀粉分支酶 (Q 2酶) 在水稻籽粒灌浆初期的相对活
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性则较低, 这表明在水稻灌浆的起始阶段, 可溶性淀粉合成酶在籽粒淀粉合成代谢中起相对
重要的作用。但是随着水稻开花后天数的推移, 可溶性淀粉合成酶的相对活性明显降低; 而
AD PG 焦磷酸化酶的活性表现与之相反, 在水稻籽粒灌浆初期相对活性较低, 之后其活性迅
速升高, 至开花后 15 天左右时其活性达到高峰值, 可见该酶在水稻灌浆中期的作用最为活
跃; 淀粉分支酶 (Q 2酶) 的活性在水稻开花后 15～ 20 天左右达到最高, 其活性高峰要明显滞
后于AD PG 焦磷酸化酶, 这说明在水稻灌浆中、后期, 籽粒中支链淀粉的合成代谢仍相当活
跃。而高直链淀粉类型品种 73- 07 和低直链淀粉类型品种嘉早 935 相比, 上述 3 个酶在水稻
籽粒灌浆过程中的活性变化趋势差别不明显。
图 3　　73- 07 籽粒AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉
合成酶及淀粉分支酶活性的动态变化
F ig. 3　　D ynam ics of AD PG pyropho spho rylase and
SSS and Q 2enzym e in grains of Zhe73- 70 图 4　　嘉早 935 籽粒AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶及淀粉分支酶的动态变化F ig. 4　　D ynam ics of AD PG pyropho spho rylase andSSS and Q 2enzym e in grains of J ia zao935
图 5　　73- 07 籽粒中AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀
粉合成酶及淀粉分支酶活性变化与温度的关系
F ig. 5　　T he relationsh ip betw een the temperature
and changes of AD PG pyropho spho rylase and SSS and
Q 2enzym e in grains of 73- 07 2. 3　AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶活性对温度的反应温度对稻米直、支链淀粉的含量变化有着较大的影响, 这已为前人的诸多研究结果所阐明。为了对温度影响稻米直链淀粉含量的内在生理特征有一更深入的认识, 本研究分别测定了AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶在 20℃, 25℃, 30℃,35℃, 40℃五个不同温度下的活性变化特征(见图 5、图 6) , 结果发现, AD PG 焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶的活性在不同温度下虽然有所变化, 但差异不明显, 以 25～ 35℃温度范围的酶活性稍高, 这说明上述两个酶
的活性表现对温度影响反应相对较为迟钝;
与之相反, 淀粉分支酶 (Q 2酶)在不同温度下的活性差异较大, 其活性表现对温度变化的反应
则较为敏感, 且淀粉分支酶的活性随温度变化大致呈双峰分布, 可见淀粉分支酶 (Q 2酶) 的活
性变化与温度间的关系较为复杂。上述现象可以说明, 在水稻籽粒淀粉合成代谢的3个关键
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图 6　　嘉早 935 籽粒中AD PG 焦磷酸化酶、可溶性淀粉
合成酶及淀粉分支酶活性变化与温度的关系
F ig. 6　　T he relationsh ip betw een the temperature
and changes of AD PG pyropho spho rylase and SSS
and Q 2enzym e in grains of J ia zao935酶中, 淀粉分支酶 (Q 2酶) 可能是温度对稻米直、支链淀粉含量变化产生调节作用的一个重要位点。高直链淀粉类型品种 73-07 与低直链淀粉品种嘉早 935 相比, 其淀粉分支酶 (Q 2酶) 活性随温度的变化趋势基本相似, 即当温度为 20℃左右时, 酶的活性处在较高的水平, 随着温度的升高,其活性呈明显下降趋势, 至 30℃左右时酶的活性最低, 之后随着温度的进一步上升高到 35℃左右时, 酶的活性又有一峰值出现。但是高直链淀粉类型品种 73- 07 与低直链淀粉含量品种嘉早 935 两者淀粉分支酶 (Q 2酶) 活性, 在不同温度下的表现差别在于, 前者在 20℃左右时的峰值相对高
于后者, 而在 35℃时恰好相反。由此可
见, 淀粉分支酶 (Q 2酶)在不同温度下的活性表现也可能存在着一定的品种类型特征。
表 1　　人工气候箱不同温度处理下籽粒中淀粉分支酶活性的变化
Table 1　　The changes of starch branch ing enzyme under the
differen t temperature treatmen t con trolled in chamber
开花后时间
D ays after
an thesis
73- 07 嘉早 935 J iazao935
高温 (33℃)
H igh T. (33℃)
适温 (23℃)
P roper T. (23℃)
高温 (33℃)
H igh T. (33℃)
适温 (23℃)
P roper T. (23℃)
5 4. 1 3. 4 5. 4 2. 7
15 162. 4 171. 3 147. 5 116. 2
25 54. 3 51. 4 45. 7 58. 9
2. 4　人工控温处理对
籽粒中淀粉分支酶活性
的影响
利用人工气候箱设
高 温 33℃ ( 最 高 温
38℃ö最低温 28℃) 和
适 温 23℃ ( 最 高 温
28℃ö最低 18℃) 2 个温
度典型处理, 通过对两
个品种在不同温度下籽粒灌浆过程中淀粉分支酶的活性变化分析 (见表 1) , 结果发现, 不同
温度处理下淀粉分支酶的活性差异以水稻开花后 15 天左右最明显, 低直链淀粉品种嘉早 935
在日均温度 33℃下的淀粉分支酶活性要高于日均温度 23℃处理的活性, 而对高直链淀粉类
型品种 73- 07 而言, 两者差异不明显。说明水稻灌浆结实中期的较高温度环境似乎更有利于
低直链淀粉类型品种的淀粉分支酶活性发挥。
3　讨论
水稻灌浆结实期间的温度对稻米的直、支链淀粉的含量及比率有着显著的影响[ 10 ]。
M asaka A saoko 等人认为稻米直链淀粉含量与结实期温度呈负相关[ 11 ] , 但 Gom ez 等人认为
呈正相关[ 12 ] , 而更多的学者则认为两者间关系与品种本身的遗传特性有关[ 13～ 15 ]。总之关于
二者间的关系目前尚无定论。在以往大量研究中, 多是通过研究成熟期间的表现型变化来探
索其影响程度的[ 14～ 16 ]。而对胚乳整个发育过程中复杂的生理生化变化及优质的生理特征研
究则较鲜见[ 7, 17 ]。本研究结果发现, 水稻灌浆过程中籽粒中淀粉合成代谢有关关键酶如可溶
性淀粉合成酶、AD PG 焦磷酸化酶和淀粉分支酶的活性变化及其温度影响效应, 不同类型品
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种之间既存在着共同的规律, 也有其固有遗传特征的差异。淀粉分支酶 (Q 2酶) 活性表现一般
在水稻开花后 20 天左右最高, 滞后于可溶性淀粉合成酶、AD PG 焦磷酸化酶, 而淀粉分支酶
的活性变化与温度间的复杂关系, 很可能是造成前人关于稻米直链淀粉含量与温度间关系的
纷乱研究结论所在。
P. L. Keeling (1993) [ 20 ]曾对小麦发育籽粒中AD PG 焦磷酸化酶、UD PG 焦磷酸化酶
(UD PGppase)、可溶性淀粉合成酶等酶的活性与温度间的关系作过分析, 结果发现, 该酶的
最适温度为 20～ 25℃, 温度升高, 酶活性下降 (称“knock dow n”现象) , 而温度升高对AD PG
焦磷酸化酶、UD PG 焦磷酸化酶等的活性影响不大, J enner (1993) [ 21 ]也发现, 35℃处理的小
麦谷粒 30 m in, 其可溶性淀粉合成酶的活性下降 50%。本研究通过对水稻灌浆籽粒中AD PG
焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶与淀粉分支酶活性在 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃五个不
同温度下的测定分析, 发现AD PG 焦磷酸化酶的活性在不同温度下表现较为稳定, 这与前人
在小麦上的研究结论相一致, 但是在不同温度下可溶性淀粉合成酶的活性变化, 虽然在 25℃
～ 30℃左右时的活性稍高, 但其活性变化幅度远不及淀粉分支酶明显, 而不同温度下淀粉分
支酶的活性差异较大, 可能是温度对水稻籽粒淀粉合成代谢产生影响的调节位点。这种现象
是小麦与水稻两个不同作物间的差异, 还是由于前人未在同一实验中对两个酶的温度效应特
征缺乏比较所致, 尚不清楚。值得进一步研究。
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