伊祖涛， 张海艳，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)

淀粉是一种广泛存在于自然界中的多糖类碳水化合物［1-4］。它不仅是人类的主要食物成分，而且由于其具有来源广泛、价格低廉、供应稳定、可再生等众多优点，也被广泛应用于食品、造纸、纺织、精细化工、包装材料等工业生产中［5］。淀粉的应用主要取决于它的理化特性［6］。淀粉粒粒度分布对淀粉的理化特性有显著影响［7-11］，目前已成为评价淀粉品质的一个重要指标。

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［12］。前人对糯玉米果穗不同部位籽粒淀粉粒粒度分布的差异［13］及生长季节［11］和播期、品种和拔节期追氮量［14］对糯玉米淀粉粒粒度分布的影响进行了研究。然而，关于糯玉米淀粉粒粒度分布的研究大多针对成熟期籽粒，缺乏对胚乳发育过程中淀粉粒粒度分布变化的研究。本试验以糯玉米品种为材料，研究其胚乳发育过程中淀粉粒粒径及粒度分布的变化，以明确糯玉米淀粉粒粒度分布特征，为进一步调控糯玉米淀粉粒粒度分布，在植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。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试糯玉米品种为紫糯208、西星白糯1号、京科糯2000、西星黄糯6号、西星赤糯1号、西星黑糯1号、黑糯4号，2012年6月20日于青岛农业大学胶州试验田种植。开花期人工授粉，从授粉后10 d开始，每隔5 d取10个果穗，直至成熟期(授粉后45 d)。

1.2 淀粉提取

参照 Peng 等［15］和 Malouf等［16］的方法。取一定量籽粒于蒸馏水中浸泡，去除果种皮与胚后在研钵中研磨，匀浆过200目筛布，固体部分继续研磨过滤，重复3次。匀浆后4 000 g离心10 min，去掉上清液，加入蒸馏水，旋涡混合，匀浆再离心，重复4次。去上清液，分别加2%SDS、0.2%NaOH和蒸馏水清洗，匀浆后4 000 g离心10 min，再用丙酮清洗1次，风干后贮存于-20℃备用。

1.3 淀粉粒粒度分布的测定

采用LS13320激光衍射粒度分析仪，参考石德杨等［17］的方法测定。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。吸取2 ml转移至激光衍射粒度分析仪的分散盒中，测量淀粉粒的分布状况。

1.4 数据分析

采用DPS软件进行差异显著性分析，用Excel软件作图。

2 结果与分析

由于胚乳发育过程中，7个糯玉米品种淀粉粒粒径及粒度分布的变化趋势一致，文中仅以紫糯208的结果进行分析。

2.1 糯玉米胚乳淀粉粒粒径

由表1可知，授粉后10 d，糯玉米胚乳淀粉粒的最小粒径为0.496 μm，最大粒径为12.99 μm。随着胚乳发育，淀粉粒的最小粒径逐渐减小，最大粒径和平均粒径逐渐增大;授粉后20 d一直到成熟期，粒径范围和平均粒径基本稳定，最小粒径为 0.375 μm，最大粒径为 20.71～24.95 μm，平均粒径为 10.07 ～ 12.79 μm。可见，胚乳发育前期(授粉后20 d前)是糯玉米淀粉粒形成的关键时期。

表1 糯玉米胚乳淀粉粒粒径的变化Table 1 Change of starch granule diameter in waxy corn endosperm

2.2 糯玉米胚乳淀粉粒体积分布

由图1可知，糯玉米胚乳发育过程中，胚乳淀粉粒的体积分布呈“单峰-双峰-三峰曲线”的变化。具体表现为，授粉后10 d时，淀粉粒的体积分布呈单峰曲线，其峰值粒径为4.656 μm;授粉后15 d时，淀粉粒的体积分布变化为双峰曲线，第1个峰值出现在1.669 μm，第2个峰出现在8.148 μm，谷值出现在3.519 μm;授粉后20 d一直到成熟期，淀粉粒的体积分布则始终保持为三峰曲线，峰值均出现在1.669 μm、5.610 μm 和 15.650 μm 附近，谷值均出现在3.519 μm 和7.422 μm 附近。

根据小麦研究中以双峰曲线凹处为分界线将淀粉粒分级的方法，本研究以成熟期淀粉粒体积分布三峰曲线的谷值3.519和7.422 μm为界线，将糯玉米淀粉粒分为小型淀粉粒(＜3.519 μm)、中型淀粉粒(3.519～7.422 μm)和大型淀粉粒(＞7.422 μm)。

图1 糯玉米胚乳淀粉粒体积分布的变化Fig.1 Change of starch granule volume distribution in waxy maize endosperm

从表2可以看出，胚乳发育前期，小型和中型淀粉粒所占体积百分比呈降低的趋势，大型淀粉粒所占体积百分比呈显著增加的趋势;授粉后20 d一直到成熟期，各类型淀粉粒所占体积百分比趋于稳定。授粉后10 d，不同类型淀粉粒所占体积百分比表现为小型淀粉粒＞中型淀粉粒＞大型淀粉粒;授粉后15 d一直到成熟期，各类型淀粉粒所占体积百分比表现为大型淀粉粒＞小型淀粉粒＞中型淀粉粒。

2.3 糯玉米胚乳淀粉粒表面积分布

糯玉米胚乳发育过程中，胚乳淀粉粒的表面积分布呈“单峰-双峰-三峰曲线”变化(图2)。具体表现为，授粉后10 d时，淀粉粒的表面积为单峰分布，峰值出现在粒径1.832 μm处;授粉后15 d时，淀粉粒的表面积分布变化为双峰曲线，峰值出现在粒径1.385 μm和8.148 μm 处，谷值出现在粒径3.519 μm处;而授粉后20 d一直到成熟期，淀粉粒的表面积分布始终表现为三峰曲线，峰值均出现在粒径1.520 μm、5.111 μm 和 15.650 μm 处，谷值均出现在粒径3.519 μm和7.422 μm 处。

表2 糯玉米不同类型淀粉粒体积百分比的变化Table 2 Change of volume percent of small，middle and large starch granules in waxy corn

图2 糯玉米胚乳淀粉粒表面积分布的变化Fig.2 Change of starch granule surface area distribution in waxy maize endosperm

从表3可以看出，授粉后10～20 d，小型淀粉粒所占表面积百分比显著降低，大型淀粉粒所占表面积百分比显著增多，中型淀粉粒所占表面积百分比开始无显著变化后显著降低;授粉后20 d一直到成熟期，各类型淀粉粒所占表面积百分比均维持在一个稳定的水平。整个胚乳发育时期，小型淀粉粒所占表面积百分比始终最多，为52.86% ～72.85%;授粉后10 d和15 d，中型淀粉粒所占表面积百分比(分别为18.66%、18.85%)大于大型淀粉粒(分别为8.48%、13.58%);授粉后20 d到成熟期，中型淀粉粒所占表面积百分比(6.90%～11.30%)小于大型淀粉粒(35.12%～37.57%)。可见，胚乳发育过程中，糯玉米胚乳淀粉粒表面积构成始终以小型淀粉粒为主;胚乳发育前期中型淀粉粒所占表面积百分比大于大型淀粉粒，而胚乳发育中后期大型淀粉粒所占表面积百分比大于中型淀粉粒。

2.4 糯玉米胚乳淀粉粒数目分布

由图3可知，糯玉米胚乳发育过程中，胚乳淀粉粒的数目分布一直为单峰曲线。随着籽粒发育，峰值对应的粒径呈减小趋势。

表3 糯玉米不同类型淀粉粒表面积百分比的变化Table 3 Change of surface area percent of small，middle and large starch granules in waxy corn

图3 糯玉米胚乳淀粉粒数目分布的变化Fig.3 Change of starch granule number distribution in waxy maize endosperm

与授粉后10 d相比，授粉后15 d时小型和大型淀粉粒所占数目百分比显著增多，中型淀粉粒所占数目百分比显著减少;之后各类型淀粉粒所占数目百分比基本维持不变(表4)。不同类型淀粉粒间比较，数目百分比表现为小型淀粉粒＞中型淀粉粒＞大型淀粉粒。可见，整个胚乳发育期间，糯玉米淀粉粒始终以小型淀粉粒为主，其次为中型淀粉粒，大型淀粉粒数目最少。

表4 糯玉米不同类型淀粉粒数目百分比的变化Table 4 Change of number percent of small，middle and large starch granules in waxy corn

2.5 淀粉粒平均粒径与粒度分布的相关性

淀粉粒平均粒径与不同类型淀粉粒的体积、表面积和数目之间存在密切关系。具体表现为，平均粒径与大型淀粉粒的体积百分比(r=0.97＊＊)、表面积百分比(r=0.97＊＊)和数目百分比(r=0.67*)以及小型淀粉粒的数目百分比(r=0.89＊＊)呈显著或极显著正相关关系，与小型淀粉粒体积百分比(r=-0.95＊＊)和表面积百分比(r=-0.92＊＊)以及中型淀粉粒的体积百分比(r=-0.99＊＊)、表面积百分比(r=-0.98＊＊)和数目百分比(r=-0.89＊＊)则呈极显著负相关关系。

3 讨论

小麦淀粉粒可分为A型和B型2种［9］。A型淀粉粒呈盘状或透镜状，直径10～35 μm;B型淀粉粒一般呈球形或多边形，直径 1～10 μm［18］。而关于玉米淀粉粒大小的分级尚没有明确的划分界限。张丽等［19］以 2 μm 和 15 μm 为界限，将玉米淀粉粒划分成小型、中型和大型3类。Rubí等［20］将≥10 μm的淀粉粒定为大淀粉粒，＜10 μm为小淀粉粒。Ji等［21］将玉米淀粉粒分为5 组: ＜5 μm、≥5 μm 且＜9 μm、≥9 μm 且 ＜13 μm、≥13 μm 且 ＜17 μm、≥17 μm。本试验中，采用激光衍射粒度分析仪测得的糯玉米成熟期淀粉粒体积分布为三峰曲线，参照 Park 等［22］、Stoddard［23］、Chojecki等［24］在小麦研究中以双峰曲线凹处为分界线划分淀粉粒的方法，将糯玉米淀粉粒分为小型(＜3.519 μm)、中型(3.519 ～7.422 μm)和大型( ＞7.422 μm)。这与上述结果不同，可能与淀粉样品制备、粒径测量技术、软件计算方法、划分依据等不同有关［20］，但与本课题组在普通玉米上的研究结果［17］一致。

玉米在授粉后6 d胚乳细胞开始分化，胚乳细胞出现淀粉体［25］;授粉后9 d才能在籽粒顶部的胚乳细胞中见到淀粉体［26］。本试验从授粉后10 d开始研究淀粉粒的分布状况。荆彦平等［25］拍摄的糯玉米胚乳显微结构图显示，授粉后12 d时淀粉体较小，18 d时淀粉体的数量明显增多、体积明显增大。这与本试验结果一致，本试验结果表明授粉后20 d之前是糯玉米淀粉粒形成的关键时期。籽粒淀粉的生物合成是由腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶(DBE)等多种酶协同作用，通过复杂的途径完成的［5］。Zhang等［27］发现小麦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。Peng等［28］研究发现，淀粉分支酶容易与小麦A型淀粉粒结合，不易与B型淀粉粒结合。Tyynelä等［29］发现大麦shx位点突变体中，淀粉合成酶Ⅰ活性降低，A型淀粉粒粒径减小，认为淀粉合成酶Ⅰ影响大麦淀粉粒粒径大小。本试验中，糯玉米胚乳发育前期，小型和中型淀粉粒体积比显著降低，大型淀粉粒所占体积百分比显著增加;胚乳发育后期，粒径及各类型淀粉粒所占体积百分比变化不显著。前人研究发现，糯玉米籽粒可溶性淀粉合成酶(SSS)和SBE 活性在授粉后 12 d［30］或 20 d［31］活性最高。可见，胚乳发育前期是糯玉米淀粉粒及粒度分布形成的关键时期，推测SSS和SBE与大淀粉粒形成有关，SSS和SBE活性越高，大淀粉粒所占体积百分比越大，这与麦类作物上的研究结果［28-29］一致。因此，可通过分子生物学手段或合理的栽培措施调整淀粉合成相关酶活性，以调控淀粉粒粒度分布，从而改良糯玉米淀粉的理化特性和应用品质。

［1］ 徐惠娟，陈彦云.马铃薯原原种萌发前后淀粉、还原糖含量及淀粉磷酸化酶活性的分析［J］.江苏农业科学，2014，42(9):95-97.

［2］ 刘新红，党 斌，吴昆仑，等.淀粉和蛋白质组成对裸大麦面条食用品质的影响［J］.江苏农业科学，2014，42(5):205-209.

［3］ 刘得明，曹健生，解道斌，等.7个淀粉型甘薯品种的主要经济特性［J］. 江苏农业科学，2013，41(8):93-94.

［4］ 唐忠厚，李洪民，李 强，等.基于近红外光谱技术预测甘薯块根淀粉与糖类物质含量［J］.江苏农业学报，2013，29(6):1260-1265.

［5］ TETLOW I J.Starch biosynthesis in developing seeds［J］.Seed Science Research，2011，21:5-32.

［6］ GAGAN D S，AMRINDER S B，SUKHCHARN S，et al.Physicochemical，pasting，thermal and morphological characteristics of Indian water chestnut(Trapa natans)starch［J］.Starch，2009，61(1):35-42.

［7］ WEI C，ZHANG J，CHEN Y，et al.Physicochemical properties and development of wheat large and small starch granules during endosperm development［J］.Acta Physiology Plant，2010，32(5):905-916.

［8］ 银永安，齐军仓，李卫华，等.小麦胚乳A、B型淀粉理化特性研究［J］.中国农业科学，2010，43(11):2372-2379.

［9］ AO Z H，JANE J L.Characterization and modeling of the A-and B-granule starches of wheat，triticale，and barley［J］.Carbohydrate Polymers，2007，67(1):46-55.

［10］ GEERA B P，NELSON J E，SOUZA E，et al.Composition and properties of A-and B-type starch granules of wild-type，partial waxy，and waxy soft wheat［J］.Cereal Chemistry，2006，83(5):551-557.

［11］陆大雷，郭换粉，董 策，等.生长季节对糯玉米淀粉粒分布和热力学特性的影响［J］.作物学报，2010，36(11):1998-2003.

［12］印志同，薛 林，陈国清，等.糯玉米育种概况及育种方法探讨［J］.玉米科学，2006，14(2):33-34，39.

［13］陆大雷，郭换粉，董 策，等.普通、甜、糯玉米果穗不同部位籽粒淀粉理化特性和颗粒分布差异［J］.作物学报，2011，37(2):331-338.

［14］陆大雷，郭换粉，陆卫平.播期、品种和拔节期追氮量对糯玉米淀粉粒分布的影响［J］.中国农业科学，2011，44(2):263-270.

［15］ PENG M，GAO M，ABDEL-AAL E S M，et al.Separation and characterization of A-and B-type starch granules in wheat endosperm［J］.Cereal Chemistry，1999，76(3):375-379.

［16］ MALOUF R B，HOSENEY R C.Wheat hardness:I.A method to measure endosperm tensile strength using tablets made from wheat flour［J］.Cereal Chemistry，1992，69(2):164-168.

［17］石德杨，张海艳，董树亭.补充灌溉和施氮对玉米籽粒淀粉粒粒度分布的影响［J］.中国农业科学，2014，47(4):633-643.

［18］ EVERS A D，LINDLEY J.The particle-size distribution in wheat endosperm starch［J］.Journal of the Science of Food and Agriculture，1977，28(1):98-102.

［19］张 丽，张吉旺，刘 鹏，等.不同淀粉含量玉米籽粒淀粉粒度分布特性［J］.中国农业科学，2011，44(8):1596-1602.

［20］ RUBÍ G U，EDITH A，ANA P B R，et al.Physicochemical and enzyme characterization of small and large starch granules isolated from two maize cultivars［J］.Cereal Chemistry，2010，87(1):50-56.

［21］ JI Y，SEETHARAMAN K，WONG K L，et al.Thermal and structure properties of unusual starches from developmental corn lines［J］.Carbohydrate Polymers，2003，51(4):439-450.

［22］ PARK S，WILSON J D，SEABOURN B W.Starch granule size distribution of hard red winter and hard red spring wheat:Its effects on mixing and breadmaking quality［J］.Journal of Cereal Science，2009，49(1):98-105.

［23］STODDARD F L.Survey of starch particle-size distribution in wheat and related species［J］.Cereal Chemistry，1999，76(1):145-149.

［24］ CHOJECKI A J S，GALE M D，BAYLISS M W.The number and sizes of starch granules in the wheat endosperm，and their association with grain weight［J］.Annals of Botany，1986，58(6):819-831.

［25］荆彦平，李栋梁，刘大同，等.两个玉米品种胚乳发育的比较［J］.玉米科学，2014，22(1):79-85.

［26］ WANG Z，GU Y J，HIRASAWA T，et al.Comparison of caryopsis development between two rice varieties with remarkable difference in grain weights［J］.Acta Botanica Sinica，2004，46(6):698-710.

［27］ ZHANG C H，JIANG D，LIU F L，et al.Starch granules size distribution in superior and inferior grains of wheat is related to enzyme activities and their gene expressions during grain filling［J］.Journal of Cereal Science，2010，51(2):226-233.

［28］ PENG M，GAO M，BÅGA M，et al.Starch-branching enzymes preferentially associated with A-type starch granules in wheat endosperm［J］.Plant Physiology，2000，124(1):265-272.

［29］ TYYNELÄ J，STITT M，LÖNNEBORG A，et al.Metabolism of starch synthesis in developing grains of the shx shrunken mutant of barley(Hordeum vulgare)［J］.Plant Physiology，1995，93(1):77-84.

［30］陈 江，王 燕，黄斌全，等.不同类型玉米籽粒淀粉积累、相关酶活及基因表达差异分析［J］.核农学报，2012，26(2):217-230.

［31］ ZHANG H Y，DONG S T，GAO R Q，et al.Comparison of starch synthesis and related enzyme activities in developing grains among different types of maize［J］.Journal of Plant Physiology and Molecular Biology，2007，33(1):25-32.