玉米雄穗碳氮代謝研究

徐洪文 宋鳳斌 童淑媛 朱先燦

摘要：大田條件下，以農大３６４和鄭單９５８為材料，對兩種基因型玉米各生育時期雄穗可溶性糖、蔗糖以及可溶性蛋白質積累狀況進行了研究。結果表明，隨著玉米生育進程的推進，可溶性糖、蔗糖含量呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢，在散粉期達最高值，說明抽雄期至散粉期是一個碳水化合物積累的過程。可溶性蛋白質呈現(xiàn)不斷下降的變化規(guī)律，成熟期降至最低值。

關鍵詞：玉米；雄穗；可溶性糖；蔗糖；可溶性蛋白質

中圖分類號：Ｓ５１３．０１文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０12）14－2918-03

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｏｆ Ｔａｓｓｅｌ in Ｍａｉｚｅ

ＸＵ Ｈｏｎｇ－ｗｅｎ１，２，ＳＯＮＧ Ｆｅｎｇ－ｂｉｎ２，ＴＯＮＧ Ｓｈｕ－ｙｕａｎ２，ＺＨＵ Ｘｉａｎ－ｃａｎ２

（１． School of Urban and Environmental Science， Ｈｕａｉｙｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｕａｉａｎ ２２３３００，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ａｇｒｏｅｃｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｎｏｎｇｄａ ３６４ ａｎｄ Ｚｈｅｎｇｄａｎ ９５８ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ， ｓｕｃｒｏｓｅ， ａｎｄ ｓｏｌｕｂｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎ ｔａｓｓｅｌ ｏｆ ｍａｉｚｅ（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．） ｕｎｄｅｒ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ ａｎｄ ｓｕｃｒｏｓｅ ｉｎ ｔａｓｓｅｌ ｏｆ ｔｗｏ ｇｅｎｏｔｙｐｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅｓ ａｔ ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ｐｅｒｉｏｄ， ｗｈｉｃｈ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｉｔ ｗａｓ ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ｆｒｏｍ ｔａｓｓｅｌｌｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ｐｅｒｉｏｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎ ｔａｓｓｅｌ ｗｅｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｏｗｉｎｇ ｏｆ ｍａｉｚｅ， ａｎｄ ａｔｔａｉｎｅｄ ｌｏｗｅｓｔ ａｔ ｍａｔｕｒｅ ｐｅｒｉｏｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍａｉｚｅ（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．）； ｔａｓｓｅｌ； ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ； ｓｕｃｒｏｓｅ； ｓｏｌｕｂｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎ

植物碳氮代謝是農業(yè)研究的重要問題［１］，碳水化合物和含氮有機物分別是構成作物產量、品質的物質基礎，其變化動態(tài)直接影響著植物光合產物的形成、轉化以及礦質營養(yǎng)的吸收、蛋白質的合成等［２］。碳氮代謝強度和協(xié)調程度對作物生長發(fā)育、各類化學成分的形成與轉化具有重要影響，直接或間接關系到作物產量和品質的形成與提高［３］。關于玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．）碳氮代謝的研究主要集中在營養(yǎng)器官上［４，５］，而在生殖器官方面尚缺乏系統(tǒng)性研究［６，７］。雄穗是玉米生殖器官之一，發(fā)揮著重要的生理功能。從植物生理的“源、流、庫”學說來看，雄穗既是光合產物供應的重要“庫”之一，又由于穗頸富含葉綠體且處在良好的光合環(huán)境下，可視為光合產物的“源”及輸送養(yǎng)分的“流”，發(fā)達的雄穗可為個體繁衍后代提供穩(wěn)定的條件及競爭能力。因此了解其代謝生理特點對玉米高產育種以及生殖生長發(fā)育調控研究具有現(xiàn)實意義。

１材料與方法

１．１試驗材料及試驗設計

供試材料為目前在東北主推品種中葉片形態(tài)差異較大的兩個品種鄭單９５８和農大３６４。鄭單９５８屬于緊湊型中早熟玉米雜交種，農大３６４屬于平展型中晚熟品種。

試驗于中國科學院東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所德惠農業(yè)示范試驗基地（東經１２５°３３′，北緯４４°１２′）進行。試驗地共分為兩個小區(qū)，每一品種為一個小區(qū)，每小區(qū)面積為１ ５００ ｍ２，南北行向種植。磷肥、鉀肥和部分氮肥作基肥（每小區(qū)施入含Ｎ、Ｐ２Ｏ５、Ｋ２Ｏ分別為１５％、１５％、１５％的玉米專用復合肥９０ ｋｇ），其余氮肥于拔節(jié)前作追肥（每小區(qū)施入ＮＨ４ＮＯ３ ６０ ｋｇ），管理措施同大田。

１．２測定項目及方法

１．２．１上清液的提取精確稱取樣品０．０５ ｇ于離心管中，加入５ ｍＬ水，研磨勻漿，１００ ℃水浴加熱３０ ｍｉｎ，４ ０００ ｒ／ｍｉｎ離心１０ ｍｉｎ，收集上清液于５０ ｍＬ容量瓶中，沉淀中再加水混勻后離心，３次重復，將上清液定容至５０ ｍＬ。

１．２．２可溶性糖的測定蒽酮試劑：０．１５ ｇ蒽酮溶于７６ ｍＬ濃硫酸加入３０ ｍＬ水中。測定步驟：抽取１ ｍＬ樣品液于試管中，于冷水浴中加入５ ｍＬ蒽酮試劑后混勻，于９０ ℃水浴中加熱１５ ｍｉｎ，取出后水浴中冷卻，于６２０ ｎｍ處測定吸光度。

１．２．3蔗糖的測定蒽酮試劑：０．４0 ｇ蒽酮溶于１００ ｍＬ ８８％的硫酸中溶解后冷卻備用。測定步驟：精確吸取樣品液１０ ｍＬ，加入２ ｍｏｌ／Ｌ的氫氧化鉀溶液２ ｍＬ，沸水浴中煮沸１０ ｍｉｎ。取出迅速冷卻至室溫，加水稀釋至５０ ｍＬ，搖勻。精確吸取稀釋液２ ｍＬ于干凈試管中，加蒽酮試劑６ ｍＬ。搖勻并立即置于沸水浴中加熱５ ｍｉｎ，取出立即在冷水中冷卻（不斷搖動），在６４０ ｎｍ處測定吸光度。

１．２．4可溶性蛋白質含量的測定稱取０．５0 ｇ玉米子粒放入研缽中，加５ ｍＬ ｐＨ ７．８的磷酸緩沖液，冰浴研磨，勻漿倒入離心管中，冷凍離心２０ ｍｉｎ，轉速為４ ０００ ｒ／ｍｉｎ，上清液倒入試管中在０～４ ℃下保存待用。稱取１００ ｍｇ Ｇ－２５０，溶于５０ ｍＬ ９５％的乙醇中，加入８５％的正磷酸１００ ｍＬ（血紅色），最后加去離子水定容至１ ０００ ｍＬ（褐色）。取上清液０．５ ｍＬ，加入５ ｍＬ Ｇ－２５０蛋白質試劑混勻，５ ｍｉｎ后在５９５ ｎｍ處測定吸光度。

２結果與分析

２．１玉米雄穗可溶性糖含量的變化

作物體內碳水化合物的含量大約占干物質總量的９０％～９５％，碳水化合物能夠互相轉化和再利用的主要是可溶性糖［８］。可溶性糖是碳水化合物代謝和暫時貯藏的主要形式，所以在植物代謝中占有重要位置。花粉的發(fā)育和形態(tài)建成需要正常的物質代謝和能量供應，光合產物運輸?shù)交ㄋ幒螅绕湓诨ㄋ幍乃幨覂缺诤椭袑蛹毎杏写罅康牡矸鄯e累。淀粉在淀粉酶的催化下轉化為可溶性糖，供花粉發(fā)育所需［９］。由測試結果（圖１）可知，兩個玉米品種的雄穗中可溶性糖含量變化趨勢相仿。在散粉期含量最高，農大３６４和鄭單９５８可溶性糖含量分別達到４７．９４和５３．５0 μｇ／ｇ，之后隨著雄穗的發(fā)育逐漸降低，到成熟期均最低。

２．２玉米雄穗蔗糖含量的變化

蔗糖是光合作用形成的第一個碳水化合物，它是葉片光合產物的暫存形式。蔗糖的合成趨向于隨光合產物輸出情況的改變而改變［１０］。由圖２可知，隨著玉米生育進程的推進，雄穗中蔗糖含量與可溶性糖含量呈現(xiàn)的變化規(guī)律基本一致，抽雄期至散粉期，蔗糖含量逐漸增高，且在散粉期達到最高值，農大３６４和鄭單９５８雄穗蔗糖含量分別達到１２．６５和１２．４２ μｇ／ｇ，隨后逐漸降低，并在成熟期降至最低。說明抽雄期至散粉期是一個碳水化合物積累的過程，碳水化合物是雄穗生長發(fā)育的能量來源和物質基礎。可溶性糖和蔗糖的積累在散粉期達到最大值，為花粉粒的形成打下了足夠的物質基礎。碳水化合物不足會影響花粉粒的形成和胚囊的發(fā)育、受精和結實［１１］。玉米抽雄后即進入物質充實時期，因此要維持較高的玉米花粉質量和形成充分充實的花粉粒，必須保證玉米植株在抽雄到散粉這段時間有較好的營養(yǎng)條件和良好的生長狀態(tài)。

２．３玉米雄穗可溶性蛋白質含量的變化

可溶性蛋白質是植物所有蛋白質組分中最活躍的部分，包括各種酶原、酶分子和代謝調節(jié)物，在花粉發(fā)育中起著十分重要的作用，對雄蕊和雌蕊正常的生長發(fā)育及整個有性生殖過程均具有十分重要的意義［１２，１３］。雄穗發(fā)育過程中可溶性蛋白質的虧損必然會影響花粉的正常發(fā)育。從圖３可以看出，兩個玉米品種不同生育時期雄穗中可溶性蛋白質含量變化趨勢基本一致，即隨著玉米的發(fā)育均呈明顯下降的趨勢。從抽雄期到成熟期，農大３６４和鄭單９５８雄穗中可溶性蛋白質含量分別降低了４１．２１％和４２．６９％，可見兩個玉米品種間可溶性蛋白質含量的降幅比較接近，且不同生育時期的數(shù)值相差亦不顯著。一方面可能是由于花粉形成過程中組織需要大量的能量和物質供應使得可溶性蛋白質含量下降，另一方面氮素用于結構蛋白質的比例較大也是導致可溶性蛋白質含量降低的主要原因。

３討論

碳氮代謝的強度、在生長發(fā)育過程中的動態(tài)變化對玉米產量和品質形成將產生重大影響［１４］，合理調控碳氮營養(yǎng)與否，關系到產量的高低和品質的優(yōu)劣。尤其是在玉米生育后期，氮代謝有利于小花原基分化，促進小花發(fā)育，因此保證充足的碳氮營養(yǎng)有利于玉米雌、雄穗的分化發(fā)育，為高產奠定物質基礎。試驗結果表明，鄭單９５８和農大３６４雄穗中可溶性糖和蔗糖含量均在玉米散粉期達到最高值，從而保證了玉米花粉形成所需的營養(yǎng)條件。雄穗發(fā)育過程中碳氮代謝失調可能導致其分化速度減慢，甚至衰亡。因此，在生產實踐中，通過適當?shù)脑耘喙芾泶胧┱{控，可促進碳氮物質生產與轉運，實現(xiàn)玉米高產。

作物的源、庫可因其部位和所起作用的不同而發(fā)生動態(tài)變化。源、庫關系對玉米產量和品質的形成起著限制性作用［１５］，在玉米栽培上，通過調節(jié)體內碳氮代謝，促使源、庫關系協(xié)調發(fā)展，在保證一定雄穗數(shù)目的基礎上，充分發(fā)揮個體生產潛力，提高花粉量，從而實現(xiàn)超高產栽培的目標；在育種中進行親本選配和后代選擇時，則應特別注重雄穗碳氮代謝協(xié)調能力較強的品種。目前對玉米碳氮代謝的研究多針對某個特定的生理代謝過程，對碳氮代謝協(xié)調性研究甚少，而玉米的產量卻往往是二者共同協(xié)調作用的結果，因此有必要確定一個指標來衡量二者的協(xié)調程度。開展雄穗碳氮代謝協(xié)調方面的研究不僅可以從營養(yǎng)生理的角度為玉米高產提供理論依據(jù)，而且可以很好地解釋農業(yè)生產中因碳氮代謝不協(xié)調所導致的產量不理想現(xiàn)象。測定玉米雄穗糖類和蛋白質的豐缺程度，一方面有望從營養(yǎng)生理的角度為協(xié)調碳氮代謝提供準確信息，進而通過農藝措施改善和調控碳氮代謝來提高玉米產量和品質；另一方面，也為玉米的源、庫動態(tài)和養(yǎng)分吸收轉移的定量化研究提供參考。

參考文獻：

［１］ 劉化冰，楊鐵釗，張小全，等．不同耐氮肥烤煙品種質外體ＮＨ４＋濃度差異和有關生理指標分析［Ｊ］．中國農業(yè)科學，２０１０，４３（１４）：３０３６－３０４３．

［２］ 葛體達，黃丹楓，蘆波，等．無機氮和有機氮對水培番茄幼苗碳水化合物積累及氮素吸收的影響［Ｊ］．應用與環(huán)境生物學報，２００８，１４（５）：６０１－６０４．

［３］ 云菲，劉國順，史宏志，等．光氮互作對烤煙光合作用及葉綠素熒光特性的影響［Ｊ］．中國農業(yè)科學，２０１０，４３（５）：９３２－９４１．

［４］ ＰＯＭＭＥＬ Ｂ， ＧＡＬＬＡＩＳ Ａ， ＣＯＱＵＥ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒａｉｎ ｆｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｚｅ ｈｙｂｒｉｄｓ ｄｉｆｆｅｒｉｎｇ ｉｎ ｌｅａｆ ｓｅｎｅｓｃｅｎｃｅ［Ｊ］． Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ，２００６，２４（３）：２０３－２１１．

［５］ ＫＩＭ Ｈ， ＷＯＬＯＳＨＵＫ Ｃ Ｐ． Ｒｏｌｅ ｏｆ ＡＲＥＡ， ａ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ， ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｋｅｒｎｅｌｓ ａｎｄ ｆｕｍｏｎｉｓｉｎ ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ Ｆｕｓａｒｉｕｍ ｖｅｒｔｉｃｉｌｌｉｏｉｄｅｓ［Ｊ］． Ｆｕｎｇａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ，２００８，４５（６）：９４７－９５３．

［６］ ＸＵ Ｈ Ｗ， ＳＯＮＧ Ｆ Ｂ， ＺＨＵ Ｘ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ ｎｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｈｕｓｋ ｌｅａｖｅｓ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌｓ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ａｆｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２０１０，５（９）：７８５－７９１．

［７］ 徐洪文，宋鳳斌，童淑媛，等．兩種基因型玉米苞葉的衰老生理特性［Ｊ］．植物資源與環(huán)境學報，２００８，１７（３）：２８－３２．

［８］ 李潮海，劉奎，連艷鮮．玉米碳氮代謝研究進展［Ｊ］．河南農業(yè)大學學報，２０００，３４（４）：３１８－３２３．

［９］ 李正理．棉花形態(tài)學［Ｍ］．北京：科學出版社，１９７９．

［１０］ 夏淑芬．玉米葉片淀粉和蔗糖的晝夜變化與光合產物的輸出［Ｊ］．植物生理學報，１９８２，８（２）：１４１－１４８．

［１１］ 沈玉英．兔眼越桔花粉的超微結構和營養(yǎng)成分與其育性關系研究［Ｊ］．西北植物學報，２００８，２８（８）：１６０１－１６０９．

［１２］ 唐錫華，黃慶榴，茅劍蕾．粳型光敏核不育水稻７００１Ｓ的光溫反應特性與花粉育性轉換及其過程中花藥蛋白質的變化［Ｊ］．作物學報，１９９４，２０（２）：１５６－１６０．

［１３］ 孫谷疇，林植芳，林桂珠，等．細胞質雄性不育水稻幼穗和花粉發(fā)育期的蛋白酶活性變化［Ｊ］．熱帶亞熱帶植物學報，１９９７，５（４）：４５－５１．

［１４］ ＭＡＲＸ Ｍ， ＢＵＥＧＧＥＲ Ｆ， ＧＡＴＴＩＮＧＥＲ Ａ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｔｅ ｏｆ １３Ｃ ｌａｂｅｌｌｅｄ ｍａｉｚｅ ａｎｄ ｗｈｅａｔ ｒｈｉｚｏｄｅｐｏｓｉｔ－Ｃ ｉｎ ｔｗｏ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌｓ ｉｎ ａ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ １３Ｃ－ＣＯ２－ｅｎｒｉｃｈｅｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］． Ｓｏｉｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００７，３９（２）：３０４３－３０５５．

［１５］ 趙營，同延安，趙護兵．不同施氮量對夏玉米產量、氮肥利用率及氮平衡的影響［Ｊ］．土壤肥料，２００６（２）：３０－３３．