不同糯性高粱胚乳淀粉形成與積累過(guò)程的酶學(xué)調(diào)控機(jī)制及顯微結(jié)構(gòu)變化

柯福來(lái)，朱凱，李志華，石永順，鄒劍秋，王艷秋

不同糯性高粱胚乳淀粉形成與積累過(guò)程的酶學(xué)調(diào)控機(jī)制及顯微結(jié)構(gòu)變化

柯福來(lái)，朱凱，李志華，石永順，鄒劍秋，王艷秋

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所，沈陽(yáng) 110161）

【】高粱是釀造白酒和食醋的主要原料，其淀粉組成和結(jié)構(gòu)是影響高粱釀造品質(zhì)的主要指標(biāo)。通過(guò)研究淀粉積累過(guò)程中相關(guān)酶活性和淀粉粒超微結(jié)構(gòu)的變化動(dòng)態(tài)，解析高粱淀粉合成與積累的酶學(xué)調(diào)控機(jī)制，了解不同糯性高粱胚乳淀粉的超微結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以期為釀造高粱的優(yōu)質(zhì)育種和栽培技術(shù)研究提供理論依據(jù)。以遼粘3號(hào)、遼雜19和遼雜10號(hào)3種不同糯性的高粱品種籽粒為研究對(duì)象，利用酶學(xué)及掃描電鏡技術(shù)檢測(cè)淀粉積累過(guò)程中相關(guān)酶活性的變化，觀測(cè)淀粉積累過(guò)程中淀粉粒的形成過(guò)程及結(jié)構(gòu)特征，利用相關(guān)分析研究淀粉合成過(guò)程中相關(guān)合成酶類的調(diào)控作用。淀粉合成過(guò)程中，不同胚乳類型高粱的尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UDPG）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPG）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、結(jié)合態(tài)淀粉合成酶（GBSS）、淀粉分支酶（SBE）、淀粉去分支酶（DBE）活性均呈單峰曲線變化趨勢(shì)；糯高粱結(jié)合態(tài)淀粉合成酶（GBSS）活性呈單峰曲線變化趨勢(shì)，粳高粱、半粳半糯高粱則表現(xiàn)雙峰曲線變化趨勢(shì)。UDPG、ADPG、SSS活性與直鏈淀粉、支鏈淀粉積累速率顯著正相關(guān)，SBE、DBE活性與支鏈淀粉積累速率呈顯著正相關(guān)，GBSS活性與粳高粱、半粳半糯高粱直鏈淀粉積累速率呈顯著正相關(guān)，與糯高粱直鏈淀粉積累速率表現(xiàn)正相關(guān)的趨勢(shì)，但相關(guān)不顯著。不同胚乳類型高粱淀粉粒的充實(shí)過(guò)程表現(xiàn)相似變化趨勢(shì)，在開花后的14—35 d充實(shí)較快。糯高粱的淀粉粒較小，直徑在10 μm以內(nèi)，內(nèi)部有圓孔型或楔形空洞。粳高粱淀粉粒較大，呈不規(guī)則球形，內(nèi)部空洞極少。半粳半糯型高粱淀粉粒粒徑分布較廣，多數(shù)分布楔形或星形空洞，少部分無(wú)空洞。UDPG、ADPG、SSS是調(diào)控淀粉合成的關(guān)鍵酶，GBSS、SBE、DBE是調(diào)控淀粉組分比例的關(guān)鍵酶，SBE、DBE活性高是糯高粱支鏈淀粉含量高的主要原因，不同淀粉組分比例可能是影響淀粉粒結(jié)構(gòu)的主要因素。

高粱；直鏈淀粉；支鏈淀粉；淀粉合成關(guān)鍵酶；顯微結(jié)構(gòu)

0 引言

【研究意義】高粱是中國(guó)主要的旱區(qū)作物，其籽粒主要用于釀造白酒和陳醋，尤其是名牌白酒和陳醋都是以高粱為原材料釀造而成。淀粉的含量及組分對(duì)于白酒和陳醋的品質(zhì)和產(chǎn)量具有重要作用[1]，因此，不同胚乳類型淀粉結(jié)構(gòu)及調(diào)控研究將為高粱籽粒品質(zhì)和產(chǎn)量提升提供理論基礎(chǔ)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】周宇飛等[2]以不同淀粉含量的高粱為研究對(duì)象，分析高粱淀粉形成過(guò)程中相關(guān)淀粉合成酶的調(diào)控作用，認(rèn)為ADPG、GBSS、SBE和DBE活性的差異及共同作用對(duì)高粱淀粉積累差異具有重要生理調(diào)控作用。李棟梁等[3]采用掃描電鏡、熒光顯微鏡、冰凍切片技術(shù)對(duì)高粱穎果發(fā)育過(guò)程中胚乳和淀粉體的形態(tài)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)高粱淀粉粒形成過(guò)程中存在不同于其他作物的發(fā)生中心結(jié)構(gòu)。王玲玲等[4]采用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡相結(jié)合的技術(shù)觀察高粱胚乳細(xì)胞發(fā)育，重點(diǎn)研究了高粱胚乳細(xì)胞中淀粉體的發(fā)育情況，認(rèn)為淀粉體是由質(zhì)體通過(guò)充實(shí)淀粉形成的。閆松顯等[5]以19份釀酒高粱為對(duì)象，對(duì)其果皮（果皮層和種皮層）厚度及淀粉粒進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)研究，認(rèn)為不同釀造高粱淀粉粒徑差異顯著。Huber等[6]通過(guò)對(duì)化學(xué)誘變劑誘變獲得的消化率高、賴氨酸含量高的高粱淀粉進(jìn)行掃描電鏡觀察，可以清楚地看到在一些淀粉顆粒表面有可觀數(shù)量的孔。史春余等[7]、石德楊等[8]、楊勇等[9]在甘薯、玉米、水稻上的研究表明淀粉結(jié)構(gòu)是影響作物品質(zhì)的重要因素?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】與水稻、小麥、玉米等作物相比，關(guān)于高粱籽粒中淀粉合成機(jī)制的研究較少，對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究更少，尤其是對(duì)高粱不同胚乳類型淀粉結(jié)構(gòu)及調(diào)控的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以糯型、半粳半糯型和粳型3種不同類型的高粱品種為試材，研究不同類型高粱淀粉積累過(guò)程中相關(guān)酶類的變化，同時(shí)利用掃描電鏡技術(shù)觀察淀粉粒的形成、大小以及結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)，揭示調(diào)控高粱籽粒淀粉積累及不同淀粉組分比率的內(nèi)在因素，為高淀粉尤其是高支鏈淀粉高粱品種的選育和栽培提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選擇3種不同糯性的代表性高粱品種各1個(gè)（表1），其中，糯型品種為遼粘3號(hào)（遼粘A-2/遼粘R-2），半粳半糯型品種為遼雜19（7050A/0-01），粳型品種為遼雜10號(hào)（7050A/9198）。

1.2 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)，每品種20行，行長(zhǎng)3 m，行距0.6 m，3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。2016年5月8日播種，開花期選擇花期整齊一致的植株100株掛牌標(biāo)記，用于取樣測(cè)定。從開花后開始，每天取樣一次，開花后7—42 d，每7天取樣一次，每次取3株植株穗中部的籽?；旌希徊糠謽悠?50℃殺青30 min，75℃烘干至恒重；一部分籽粒用液氮迅速冷凍，-80℃保存；一部分籽粒用固定液固定后，利用酒精脫水保存，待全部樣品取完后，統(tǒng)一測(cè)定。其中，參照趙俊曄等[10]方法測(cè)定尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（uridine diphosphateglucose pyrophosphorylase，UDPG）、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（adenosine diphosphate glucosepyrophosphorylase，ADPG）、可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS）和結(jié)合態(tài)淀粉合成酶（granule- bound starch synthase，GBSS）的酶活性。按照Nakamura等[11]、Nakamura等[12]和趙法茂等[13]方法測(cè)定淀粉分支酶（starch branching enzyme，SBE）和淀粉去分支酶（starch-debranching enzymes，DBE）的酶活性。由上海釜誠(chéng)生物技術(shù)有限公司利用掃描電鏡測(cè)定淀粉粒結(jié)構(gòu)，采用SPSS19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果

2.1 不同類型高粱籽粒淀粉積累過(guò)程中相關(guān)酶活性動(dòng)態(tài)變化

開花后，籽粒開始灌漿。在籽粒灌漿過(guò)程中，UDPG、ADPG酶活性授粉后迅速上升，授粉后21 d達(dá)到最大值，其后UDPG酶活性略有下降，ADPG酶活性迅速下降（圖1）。3個(gè)品種相比較，灌漿前期差異不大，灌漿中期差異顯著，表現(xiàn)為遼雜10號(hào)>遼雜19>遼粘3號(hào)，灌漿后期UDPG酶活性差異仍達(dá)顯著水平，ADPG酶活性差異不顯著。

在高粱籽粒灌漿過(guò)程中，SSS酶活性表現(xiàn)和UDPG活性相似的變化趨勢(shì)，均表現(xiàn)為授粉后迅速上升，而后略有下降，但SSS酶活性的峰值出現(xiàn)較早，在開花后15 d活性最高。整個(gè)灌漿過(guò)程中，遼粘3號(hào)SSS酶活性顯著高于遼雜10號(hào)和遼雜19，遼雜10號(hào)與遼雜19間差異不顯著。

SBE主要作用是水解α-1,4糖苷鍵，將切下的短鏈通過(guò)α-1,6糖苷鍵連接到受體上，從而形成分支淀粉鏈。不同類型高粱籽粒中SBE活性均呈單峰曲線變化，均在授粉后21 d達(dá)到峰值。整個(gè)灌漿過(guò)程中都表現(xiàn)為遼粘3號(hào)SBE活性顯著高于遼雜19和遼雜10號(hào)，遼雜19和遼雜10號(hào)之間差異也達(dá)顯著水平（圖2）。

圖1 UDPG、ADPG和SSS酶活性動(dòng)態(tài)變化

表1 參試品種籽粒的淀粉組成

a：國(guó)家高粱品種登記標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定支鏈淀粉占總淀粉的比率超過(guò)90%（含90%）為糯高粱，低于80%（不含80%）為粳高粱

a: The standard of national sorghum variety registration stipulates that the ratio of amylopectin to total starch more than 90% (including 90%) is glutinous sorghum, less than 80% (excluding 80%) is nonwaxy sorghum

圖2 SBE、DBE酶活性動(dòng)態(tài)變化

DBE主要作用是水解a-1,6-糖苷鍵，對(duì)淀粉的最終結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾。由圖2可見，不同類型高粱籽粒中DBE活性的變化也呈單峰曲線，糯高粱品種遼粘3號(hào)峰值最高，在授粉后21 d達(dá)到峰值；粳高粱和半粳半糯型高粱品種的峰值較低，粳型高粱達(dá)峰值的時(shí)間也較晚，遼雜10號(hào)在授粉后28 d籽粒中DBE活性達(dá)到峰值（圖2）。

高粱籽粒灌漿過(guò)程中，GBSS酶活性波動(dòng)較大，遼雜10號(hào)、遼雜19表現(xiàn)出明顯的雙峰曲線變化，峰值出現(xiàn)在授粉后15和35 d，且前期峰值較高；遼粘3號(hào)表現(xiàn)為單峰曲線，授粉后約20 d達(dá)到峰值。整個(gè)灌漿過(guò)程中，遼粘3號(hào)GBSS酶活性顯著低于遼雜10號(hào)和遼雜19；遼雜10號(hào)與遼雜19間差異也達(dá)顯著水平，除灌漿后期外，均表現(xiàn)為遼雜10號(hào)顯著高于遼雜19（圖3）。

圖3 不同類型高粱籽粒GBSS酶活性變化

2.2 淀粉合成相關(guān)酶活性與淀粉積累速率間相關(guān)分析

為了進(jìn)一步明確淀粉合成相關(guān)酶類對(duì)淀粉合成的調(diào)控作用，對(duì)不同合成酶類與淀粉積累速率間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。結(jié)果（表2）表明，UDPG、ADPG和SSS酶活性和不同類型高粱直鏈淀粉、支鏈淀粉的積累速率均呈顯著正相關(guān)。GBSS酶活性與遼雜19、遼雜10號(hào)直鏈淀粉積累速率顯著正相關(guān)，與遼粘3號(hào)直鏈淀粉積累速率相關(guān)性不顯著，與不同品種的支鏈淀粉積累速率相關(guān)性不顯著。SBE、DBE活性與不同品種的支鏈淀粉積累速率顯著正相關(guān)，與直鏈淀粉積累速率相關(guān)性不顯著。

表2 不同類型高粱籽粒中淀粉合成相關(guān)酶活性與淀粉積累速率間相關(guān)分析

UDPG：尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；ADPG：腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶；SSS：可溶性淀粉合成酶；GBSS：結(jié)合態(tài)淀粉合成酶；SBE：淀粉分支酶；DBE：淀粉去分支酶；*表示在0.05水平上相關(guān)顯著

UDPG: Uridine diphosphate glucose pyrophosphorylase; ADPG: Adenosine diphosphate glucose pyrophosphorylase; SSS: Soluble starch synthase; GBSS: Granule-bound starch synthase; SBE: Starch branching enzyme; DBE: Starch-debranching enzymes; * mean significance of correlation coefficients at the 0.05 levels

2.3 淀粉超微結(jié)構(gòu)的顯微觀察

2.3.1 胚乳細(xì)胞中淀粉粒的充實(shí)過(guò)程 粳高粱遼雜10號(hào)開花后7 d，胚乳細(xì)胞中已經(jīng)出現(xiàn)淀粉粒積累，此時(shí)，淀粉粒個(gè)數(shù)較少，大多是圓形或卵圓形，個(gè)別細(xì)胞中已經(jīng)出現(xiàn)淀粉粒合成中心（圖4），在合成中心淀粉粒的體積較小，由合成中心向外，淀粉粒呈放射性分散，外圍淀粉粒的體積逐漸增大。開花后14 d，部分胚乳細(xì)胞中淀粉粒充實(shí)較多，淀粉粒的積累速率加快，但仍有大部分細(xì)胞淀粉粒積累較少。開花后21 d，淀粉合成中心的數(shù)量顯著增加，導(dǎo)致淀粉粒的積累速率明顯增加，至花后28 d，大部分胚乳細(xì)胞中都可觀察到淀粉粒積累，個(gè)別細(xì)胞中甚至可以觀測(cè)到多個(gè)淀粉粒形成中心。開花后35 d，絕大部分細(xì)胞中都充滿淀粉粒，淀粉粒之間可以觀測(cè)到明顯的蛋白體。開花后42 d，幾乎所有細(xì)胞中都充滿淀粉粒，淀粉粒形成中心的數(shù)量也顯著下降。成熟期，由于淀粉粒的互相擠壓，胚乳細(xì)胞中淀粉粒的外形由近圓形變?yōu)椴灰?guī)則的多邊形，淀粉粒之間則充滿蛋白體。

糯高粱遼粘3號(hào)胚乳細(xì)胞中淀粉粒的積累過(guò)程也表現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，開花后7 d積累較少；開花后14—35 d淀粉粒的積累較多。淀粉粒最初的形狀也呈近圓形，后期由于淀粉粒間互相擠壓，也變?yōu)椴灰?guī)則的多邊形。淀粉粒之間也充滿蛋白體。

2.3.2 淀粉粒的形成中心 花后7 d在胚乳細(xì)胞中可觀測(cè)到淀粉粒的分布較分散，只有少量淀粉粒，淀粉粒的直徑以特定點(diǎn)為中心，呈現(xiàn)由大到小的變化趨勢(shì)，在中心點(diǎn)存在點(diǎn)狀呈簇的集合體，這就是淀粉粒形成中心的雛形。隨著胚乳細(xì)胞的充實(shí)進(jìn)程，淀粉粒形成中心逐漸顯現(xiàn)，至開花后35 d，可以觀測(cè)到淀粉粒以特定點(diǎn)為中心，呈現(xiàn)明顯的輪狀分布，內(nèi)圈淀粉粒的直徑較小，外圈淀粉粒的直徑較大?；ê?5 d，形成中心處的淀粉?；ハ喽询B擠壓產(chǎn)生明顯的形變（圖5）。

2.3.3 淀粉粒的形態(tài)特征 不同胚乳類型高粱籽粒中，淀粉粒的形態(tài)特征表現(xiàn)為糯型淀粉粒相對(duì)較小，大部分均在10 μm以下，表面凹坑較多；粳型淀粉粒相對(duì)較大，大部分均在10 μm以上，不規(guī)則球形，表面比較光滑；半粳半糯型淀粉粒粒度分布較廣，多為橢球形，表面凹坑較少（圖6）。

1：花后7 d；2：花后14 d；3：花后21 d；4：花后28 d；5：花后35 d；6：花后42 d；A：淀粉粒；☆：淀粉粒形成中心；B：蛋白體

1：35 d觀測(cè)；2：7 d觀測(cè)；3：42 d觀測(cè)。A：淀粉粒；☆：淀粉粒形成中心；C：質(zhì)體

1：糯高粱；2：半粳半糯高粱；3：粳型高粱 1: Glutinous sorghum; 2: Semi-glutinous sorghum; 3: japonica sorghum

2.3.4 淀粉粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征 不同類型籽粒淀粉粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異較大，糯型高粱籽粒淀粉粒內(nèi)部分布較多圓形孔洞，平均直徑約3.5 μm；粳型高粱淀粉粒內(nèi)部比較光滑，未見明顯孔洞，半粳半糯型高粱淀粉粒內(nèi)部孔洞較少，且均呈不規(guī)則形狀，孔洞最寬處在6—8 μm（圖7）。

1：糯高粱；2：半粳半糯高粱；3：粳型高粱 1: Waxy sorghum; 2: Semi-waxy sorghum; 3: Nonwaxy sorghum

為了驗(yàn)證上述觀測(cè)結(jié)果，又增加了8個(gè)不同類型的品種，并觀測(cè)了它們的淀粉粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。粳型高粱淀粉粒內(nèi)部只有極個(gè)別的出現(xiàn)圓形空洞，空洞的直徑極小，深度也有限，有的僅是小的凹坑（圖8-c—圖8-e）。半粳半糯型高粱淀粉粒內(nèi)部分布較多三角形、楔形或是星形的空洞（圖8-a和圖8-b）。糯型高粱淀粉粒內(nèi)部也可觀測(cè)到空洞的存在（圖8-f—圖8-h），空洞的形狀多為楔形或圓形，在個(gè)別品種的淀粉粒表面也可觀測(cè)到疑似孔洞的斑點(diǎn)（圖8-h）。

a、b：半粳半糯型胚乳淀粉粒斷面結(jié)構(gòu)圖；c、d、e：粳型胚乳淀粉粒斷面結(jié)構(gòu)圖；f、g、h：糯型淀粉粒斷面結(jié)構(gòu)圖

3 討論

3.1 不同類型高粱淀粉合成的調(diào)控

籽粒淀粉的合成受相關(guān)合成酶類的調(diào)控，主要包括UDPG、ADPG、SSS、GBSS、SBE、DBE等。UDPG主要負(fù)責(zé)形成淀粉合成的葡萄糖供體G-1-P（1-磷酸葡萄糖），ADPG利用G-1-P合成淀粉合成的前體，因此這兩種酶被認(rèn)為是淀粉合成的限速酶[14-18]。本研究表明，不同類型高粱籽粒中UDPG、ADPG活性變化均呈單峰曲線，在開花后21 d酶活性最高，淀粉含量較高的遼雜10號(hào)2種酶的活性顯著高于淀粉含量較低的2個(gè)品種，相關(guān)分析表明，不同類型品種的直鏈淀粉、支鏈淀粉的合成速率與其均呈顯著正相關(guān)，表明在高粱淀粉合成過(guò)程中，UDPG、ADPG主要調(diào)控淀粉含量，對(duì)直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例則沒(méi)有顯著作用，這與前人的研究結(jié)果基本一致[14-18]。

許多研究結(jié)果顯示，支鏈淀粉含量主要由SSS、SBE和DBE 3種酶調(diào)控，其中SSS作用于α-1,4糖苷鍵，負(fù)責(zé)淀粉鏈的延長(zhǎng)；SBE作用于α-1,6糖苷鍵，負(fù)責(zé)合成支鏈；DBE負(fù)責(zé)切除不合理的支鏈，修飾支鏈淀粉鏈的結(jié)構(gòu)[19-20]。曹穎妮等[21]。盛婧[22]、王月福等[23]和趙步洪等[24]研究表明，SSS活性和支鏈淀粉合成顯著正相關(guān)，Gao等[25]、Abel等[26]關(guān)于SSS基因突變體的研究也證明，SSS活性的下降使得支鏈淀粉的合成受到抑制，而直鏈淀粉的含量增加。本研究不同類型高粱SSS、SBE、DBE均表現(xiàn)單峰曲線變化趨勢(shì)，SSS峰值出現(xiàn)較早，SBE、DBE峰值出現(xiàn)較晚，其中，粳高粱DBE峰值出現(xiàn)的時(shí)間明顯晚于糯高粱。不同類型高粱SSS、SBE、DBE活性差異顯著，糯高粱3種酶的活性始終高于粳高粱，這可能是糯高粱支鏈淀粉含量較高的主要原因。相關(guān)分析也表明，支鏈淀粉的積累速率與3種酶均表現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系。

遼粘3號(hào)開花后5 d才檢測(cè)到GBSS活性，晚于遼雜10號(hào)，其峰值出現(xiàn)的時(shí)間也晚于遼雜10號(hào)，而且整個(gè)灌漿過(guò)程中酶活性值均顯著低于遼雜10號(hào)，這可能是其直鏈淀粉含量較低的主要因素。

直鏈淀粉合成過(guò)程中，其他酶類的作用也不能忽視。趙俊曄等[10]對(duì)9個(gè)不同直鏈淀粉含量的小麥的研究表明，SSS活性在灌漿后期與直鏈淀粉的積累負(fù)相關(guān)。曹穎妮等[21]研究小麥不同胚乳類型籽粒淀粉積累與酶活性的相關(guān)性，證明SSS、SBE活性與直鏈淀粉的合成速率顯著正相關(guān)。胡陽(yáng)陽(yáng)等[27]也發(fā)現(xiàn)，GBSS、SBE活性和支鏈淀粉、直鏈淀粉積累速率均呈顯著正相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，SSS活性與不同類型品種的直鏈淀粉和支鏈淀粉積累速率均呈顯著正相關(guān)，SBE、DBE與直鏈淀粉的積累速率沒(méi)有顯著的相關(guān)，與前人的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，品種特性差異可能是造成這一結(jié)果的主要原因，這也從一個(gè)側(cè)面說(shuō)明SSS酶活性對(duì)淀粉籽粒的調(diào)控作用可能受品種特性的影響。依兵[28]對(duì)27份高粱籽粒淀粉調(diào)控研究也表明，SSS酶活性與淀粉合成的關(guān)系，受品種遺傳因素影響。本研究中，GBSS活性與粳型高粱、半粳半糯型高粱直鏈淀粉積累速率顯著正相關(guān)，與糯型高粱直鏈淀粉積累速率相關(guān)不顯著。據(jù)此推測(cè)GBSS對(duì)直鏈淀粉的調(diào)控作用受底物含量的影響，也可能是糯高粱籽粒中較高的SBE與DBE活性抑制了GBSS的作用，導(dǎo)致GBSS活性對(duì)直鏈淀粉的調(diào)控作用受抑制。夏楠等[29]發(fā)現(xiàn)較高的SBE活性顯著抑制了直鏈淀粉的形成。

淀粉合成相關(guān)酶活性受栽培技術(shù)措施的影響，研究表明，氮、磷、鉀、灌水均影響淀粉合成酶類的活性[30-33]，因此，在高粱栽培過(guò)程中，可采用適當(dāng)栽培技術(shù)措施通過(guò)酶活性變化調(diào)控淀粉合成。

3.2 淀粉形成過(guò)程的顯微結(jié)構(gòu)變化

3.2.1 淀粉粒形成中心 李棟梁等[3]以KS-304為試驗(yàn)材料，利用電鏡技術(shù)觀測(cè)胚乳中淀粉形成過(guò)程，認(rèn)為花后35 d，淀粉粒已經(jīng)充斥細(xì)胞。本研究表明，花后35 d，細(xì)胞中仍可觀測(cè)到淀粉粒形成中心，仍有淀粉粒的積累。王玲玲等[4]同樣以KS-304為試驗(yàn)材料，利用電鏡技術(shù)觀測(cè)胚乳中淀粉的發(fā)育過(guò)程，認(rèn)為淀粉粒是在淀粉粒合成中心由質(zhì)體形成的，質(zhì)體首先形成環(huán)膜結(jié)構(gòu)，然后形成淀粉粒，淀粉粒的體積由形成中心向外呈輻射狀增加。本研究也觀測(cè)到淀粉粒形成中心的形成，淀粉粒的大小由形成中心向外呈輪式增加，但是沒(méi)有觀測(cè)到質(zhì)體形成的環(huán)膜結(jié)構(gòu)。

3.2.2 淀粉粒形成過(guò)程與淀粉積累間關(guān)系 通過(guò)顯微技術(shù)，可以觀測(cè)到淀粉粒的積累程度，開花后7 d已經(jīng)觀測(cè)到淀粉粒積累，開花后14 d淀粉粒積累量不多，開花后21—35 d可以觀測(cè)到淀粉粒迅速增多，逐漸充滿胚乳細(xì)胞，這與淀粉的積累過(guò)程一致，表明通過(guò)淀粉粒積累過(guò)程的顯微觀測(cè)可以直觀的反映淀粉的積累情況。這與盛婧[34]的研究結(jié)果一致。

3.3 淀粉粒結(jié)構(gòu)的顯微觀察

3.3.1 淀粉粒外部特征的顯微觀察 唐忠厚等[35]、趙米雪等[36]、史春余等[7]發(fā)現(xiàn)，不同來(lái)源淀粉粒的大小、形態(tài)各不相同。劉東莉[37]對(duì)不同鏈支比玉米淀粉顆粒特征的研究發(fā)現(xiàn)，玉米淀粉粒的大小受淀粉鏈支比的影響。余靜等[38]觀測(cè)了不同糯型小麥籽粒淀粉粒形態(tài)，發(fā)現(xiàn)糯型小麥淀粉粒平均粒徑小于非糯型。本研究發(fā)現(xiàn)，不同胚乳類型高粱籽粒淀粉粒的大小差異顯著，糯型高粱籽粒淀粉粒粒徑較小，普遍在10 μm以下；粳型高粱淀粉粒較大，一般在15 μm左右；半粳半糯型高粱淀粉粒粒徑分布較廣。三類型淀粉粒形態(tài)相似，基本都為不規(guī)則的球形。

3.3.2 淀粉粒內(nèi)部特征的顯微觀察 Huber等[6]通過(guò)共焦掃描激光顯微鏡觀測(cè)高粱籽粒淀粉粒結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)淀粉粒表面存在微孔，這些微孔可能深入淀粉粒中心，并在淀粉粒的內(nèi)部形成不同形狀的空洞。本研究也發(fā)現(xiàn)淀粉粒內(nèi)部存在空洞，但是空洞的有無(wú)及形狀與胚乳類型相關(guān)，粳高粱淀粉粒中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有空洞的分布，糯型高粱淀粉粒的空洞呈圓形，只有半粳半糯型高粱的淀粉粒中存在星形的空洞。多品種驗(yàn)證結(jié)果也證明，粳高粱淀粉粒內(nèi)部空洞出現(xiàn)的幾率很小，糯型高粱淀粉粒內(nèi)部除了圓形的空洞外，也有較多楔形的空洞。本研究推測(cè)每個(gè)淀粉粒中直鏈與支鏈淀粉的比例可能不同，淀粉粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能與直鏈/支鏈淀粉比值密切相關(guān)，直鏈淀粉占據(jù)比例高的淀粉粒內(nèi)部形成空洞的幾率較小，支鏈淀粉所占比例較高的淀粉粒內(nèi)部形成空洞的幾率較高，至于空洞的形狀、大小的可能原因還需要進(jìn)一步的研究。詹鵬杰等[39]研究表明，不同淀粉結(jié)構(gòu)高粱的釀酒參數(shù)差異顯著，糯高粱吸水速率快，糊化溫度高，糯高粱淀粉粒內(nèi)部較多的空洞可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

4 結(jié)論

UDPG、ADPG和SSS是調(diào)控高粱籽粒淀粉積累量的關(guān)鍵酶。SBE、DBE是調(diào)控支鏈淀粉積累的關(guān)鍵酶。GBSS是調(diào)控直鏈淀粉積累的關(guān)鍵酶。

糯型高粱淀粉粒較小，粳型高粱淀粉粒較大。糯型高粱淀粉粒內(nèi)部存在空洞，粳型高粱淀粉粒內(nèi)部基本不存在空洞，半粳半糯型高粱淀粉粒內(nèi)部空洞形狀不規(guī)則。淀粉粒的大小及內(nèi)部結(jié)構(gòu)與直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例密切相關(guān)。

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Formation Regulating and Micro-structure of sorghum starch with different types of endosperm

KE FuLai, ZHU Kai, Li ZhiHua, SHI YongShun, ZOU JianQiu, WANG YanQiu

(Sorghum research institute, Liaoning Academy of Agricultural Sciences, Shenyang 110161)

【】 Sorghum is the main material for liquor-making and brewing well-aged vinegar, and its starch composition and structure are the main factors that influence the brewing quality of sorghum. In this paper, the Dynamic Changes of Key Enzymes Involved in Starch Synthesis are analyzed, the ultrastructure of starch is observed, for confirming the regulatory effect of related enzymes on sorghum starch synthesis, and revealing the ultrastructure characteristics of sorghum starch.【】Three sorghum cultivars（Liaonian3, Liaoza19, Liaoza10） with different endosperm types were used as experimental materials. The changes of key enzymes involved in starch synthesis were detected with enzymological technique. Scanning electron microscopy was used to observe the morphology features of starch granules. The regulation of related enzymes in starch synthesis was studied by correlation analysis. 【】 The activity of UDPG, ADPG, SSS, SBE, DBE enzymes of sorghum with different endosperm types showed a single peak curve during starch accumulation. The activity of GBSS enzyme of sorghum with waxy endosperm showed a single peak curve, while other types sorghum showed bimodal curves. Activities of UDPG and ADPG, SSS enzyme were significantly correlated with amylose and amylopectin accumulation rate. Activities of SBE, DBE enzyme were positively correlated with amylopectin accumulation rate. Activities of GBSS enzyme was positively and significantly correlated with amylopectin accumulation rate in non-waxy sorghum and semi-waxy sorghum, it showed a positively correlation trend, but not significant in waxy sorghum. For sorghum with different endosperms, the formation process of starch grains showed a similar tendency. The starch accumulation rate was higher during 14-35 d after flowering. The starch grains of waxy sorghum are the smallest, with a diameter within 10 μm, and carved with round-hole or wedge-shaped cavity inside. The starch grains of nonwaxy sorghum are the largest, irregularly globular, with scarcely cavity inside. The size distribution of sorghum starch granules with semi-waxy endosperm ranges widely, most of them with wedge-shaped or star-shaped cavities inside, only a few with no cave. 【】 UDPG, ADPG, SSS play important adjustive roles in the accumulation of amylopectin and amylose. GBSS, SBE and DBE are the key enzymes to regulate the ratio of amylose/amylopectin. Higher activities of SBE and DBE are the main reason that makes waxy sorghum contains higher amylopectin. The ratio of amylose/amylopectin may be the main factor affecting the starch grain structure of sorghum.

L.; amylose; amylopectin; starch synthesis related enzymes; microstructure

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.14.002

2019-07-31；

2020-01-02

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019YFD1001704/2019YFD1001700）、國(guó)家谷子高粱產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-06-13.5-A22）、中央引導(dǎo)地方項(xiàng)目（2018010035-201）、遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年人才培養(yǎng)計(jì)劃（2014019）

柯福來(lái)，E-mail：397634262@qq.com。通信作者王艷秋，E-mail：wangyanqiu73@126.com

（責(zé)任編輯 李莉）