玉米毛狀根再生植株光合特性及淀粉合成相關(guān)酶活性變化的研究

宋明霞

玉米是我國重要的糧食作物，其產(chǎn)量和品質(zhì)主要通過灌漿期籽粒合成積累的淀粉、蛋白質(zhì)、脂類等物質(zhì)實現(xiàn)的，其中淀粉是籽粒的主要組成部分，約占籽粒干重的70%［1］.玉米植株的光合特性及籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性與玉米產(chǎn)量息息相關(guān).玉米植株制造的光合產(chǎn)物以蔗糖的形式運輸?shù)阶蚜?，再?jīng)過一系列酶促反應(yīng)后轉(zhuǎn)化成淀粉儲存在籽粒中［2］.植株的光合作用強度與積累的光合產(chǎn)物含量成正比.據(jù)報道，凈光合速率及葉綠素相對含量高的植株更有利于其干物質(zhì)的積累［3］.淀粉合成相關(guān)酶活性是決定籽粒合成淀粉能力的關(guān)鍵指標(biāo).腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPPase）、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UDPGPPase）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、束縛態(tài)淀粉合成酶（GBSS）是調(diào)控玉米籽粒灌漿期淀粉合成與積累的關(guān)鍵酶［4］.發(fā)根農(nóng)桿菌可以誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量高度分支的不定根，增強植物的抗逆能力.據(jù)報道，發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的玉米自交系H99具有龐大的根系結(jié)構(gòu)，抗旱能力增強［5］.發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的銀中楊轉(zhuǎn)化植株光合作用、抗氧化酶活性以及扦插存活率均有顯著提高［6］.本研究對玉米灌漿期不同時間點的葉片凈光合速率、葉片SPAD值、籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性進(jìn)行測量，探討毛狀根再生植株光合特性及籽粒淀粉累積差異的產(chǎn)生原因，為選育高產(chǎn)玉米提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

對照組：玉米自交系吉單35.

實驗組：發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的玉米自交系吉單35毛狀根再生植株［7］.

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019—2020年在吉林通化縣玉米種植基地進(jìn)行.行長10 m，行距0.8 m，株距0.18 m，每3行為一個重復(fù)，每個處理重復(fù)3次.授粉后選取穗位葉進(jìn)行葉片凈光合速率（Pn）及SPAD值的測量，授粉后每隔5 d對玉米果穗中部籽粒進(jìn)行淀粉相關(guān)酶活性測定.

1.3 測定項目及方法

葉片凈光合速率（Pn）和葉片SPAD值的測量參照徐洪偉等［8］的方法.籽粒焦磷酸化酶（ADPGPPase、UDPGPPase）、可溶性淀粉合成酶（SSS）和束縛態(tài)淀粉合成酶（GBSS）的測量參照葛錦的方法［4］.

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

本研究運用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性顯著分析以及SigmaPlot 12.5進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 灌漿期玉米葉片凈光合速率的變化

光合速率是反映作物光合能力強弱的指標(biāo)，光合能力強的作物生長更加旺盛.授粉后玉米葉片凈光合速率的變化如圖1所示.

從圖1可以看出，灌漿初期實驗組和對照組凈光合速率并無顯著差異.隨著灌漿時間延長，實驗組凈光合速率逐漸高于對照組，且呈單峰曲線趨勢.授粉25 d時玉米葉片凈光合速率值最高，毛狀根再生植株葉片凈光合速率比對照組高25.69%，差異顯著（P<0.05）.說明毛狀根再生植株具有更高的光合能力，制造更多的光合產(chǎn)物.

圖1 授粉后玉米葉片凈光合速率的變化

2.2 灌漿期玉米葉片SPAD值的變化

葉片SPAD值是衡量葉片葉綠素相對含量的指標(biāo).葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的必要色素，其含量的高低直接影響光合作用的強弱.授粉后玉米葉片SPAD值的變化如圖2所示.

圖2 授粉后玉米葉片SPAD值的變化

從圖2可以看出，隨著灌漿時間延長，玉米葉片SPAD值呈現(xiàn)先升高后降低的單峰曲線趨勢，且實驗組SPAD值均高于對照組.授粉25 d時葉片SPAD值達(dá)到峰值，毛狀根再生植株葉片SPAD值比對照組高18.37%，差異顯著（P<0.05）.說明毛狀根再生植株具有更高的光合效率，光合能力更強.

2.3 灌漿期玉米籽粒淀粉合成相關(guān)酶的變化

灌漿期玉米籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性變化如圖3所示.ADPGPPase是淀粉生物合成的第1步驟酶，催化G-1-P與ATP反應(yīng)生成淀粉合成的最直接前體物ADPG［2］.由圖3（a）可知，隨著灌漿時間地延長，實驗組和對照組玉米籽粒中ADPGPPase活性呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，且在授粉25 d時酶活性達(dá)到最高，實驗組ADPGPPase活性明顯高于對照組.

UDPGPPase是催化淀粉合成的第2步驟酶，催化尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）與焦磷酸（PPi）反應(yīng)生成1-磷酸葡萄糖（G-1-P）［9］.由圖3（b）可知，在授粉10 d前實驗組和對照組的UDPGPPase活性變化不顯著.隨著灌漿時間延長，UDPGPPase活性逐漸升高，在授粉25 d時達(dá)到最高，隨后下降，且實驗組UDPGPPase活性高于對照組.

籽粒淀粉合成酶按其形態(tài)分為可溶性淀粉合成酶（SSS）和束縛態(tài)淀粉合成酶（GBSS）.SSS以游離態(tài)的形式存在于胚乳中，主要催化支鏈淀粉的合成［10］.由圖3（c）可知，在授粉后25 d時實驗組籽粒SSS活性達(dá)到最高，而對照組籽粒SSS活性在30 d時達(dá)到最高，且實驗組SSS活性高于對照組.說明催化支鏈淀粉合成的反應(yīng)中毛狀根再生植株具有更強的支鏈淀粉合成能力.

GBSS是直接催化直鏈淀粉合成的酶，其活性能夠反映直鏈淀粉的合成能力［10］.由圖3（d）可知，隨著灌漿時間地延長，GBSS活性均呈單峰曲線趨勢，在授粉30 d時實驗組和對照組的GBSS活性均達(dá)到了最高，且實驗組GBSS活性高于對照組.說明催化直鏈淀粉合成的反應(yīng)中毛狀根再生植株具有更強的直鏈淀粉合成能力.

圖3 灌漿期玉米籽粒淀粉合成相關(guān)酶活性變化

3 結(jié)論與討論

灌漿期是決定作物產(chǎn)量及品質(zhì)的關(guān)鍵時期.作物高產(chǎn)既要求源端產(chǎn)生的光合產(chǎn)物向庫端高效地運輸和分配，同時籽粒的淀粉合成酶活性和存儲量等因素也非常重要［11］.研究表明，作物通過光合作用制造的光合產(chǎn)物會以蔗糖的形式運輸?shù)阶蚜＃俳?jīng)一系列淀粉合成相關(guān)酶的催化形成淀粉［12-13］.同化物供應(yīng)不足會導(dǎo)致作物籽粒充實度降低［14］.本研究中，毛狀根再生植株在灌漿中期葉片光合速率及SPAD值最高，且高于吉單35，說明毛狀根再生植株光合作用更強，為后續(xù)合成淀粉提供更多的原料.

研究表明，作物籽粒淀粉積累速率與淀粉合成酶的活性成正相關(guān)［15］.增強ADPGPPase的活性可提高作物淀粉合成能力，從而達(dá)到作物高產(chǎn)的目的［16］.本研究中，毛狀根再生植株在灌漿期淀粉合成相關(guān)酶的活性均比對照組高且差異顯著，說明毛狀根再生植株能夠更有效地調(diào)控籽粒淀粉的合成，從而促進(jìn)高產(chǎn).

綜上所述，發(fā)根農(nóng)桿菌介導(dǎo)的玉米自交系吉單35毛狀根再生植株具有更高的光合特性及淀粉合成酶活性.本研究為提供新的玉米種質(zhì)資源提供了一定科學(xué)依據(jù)，具有重要意義.