玉米毛狀根再生植株光合特性及淀粉合成相關酶活性變化的研究

宋明霞

玉米是我國重要的糧食作物，其產量和品質主要通過灌漿期籽粒合成積累的淀粉、蛋白質、脂類等物質實現的，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酶活性與玉米產量息息相關.玉米植株制造的光合產物以蔗糖的形式運輸到籽粒，再經過一系列酶促反應后轉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物含量成正比.據報道，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的積累［3］.淀粉合成相關酶活性是決定籽粒合成淀粉能力的關鍵指標.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）、束縛態淀粉合成酶（GBSS）是調控玉米籽粒灌漿期淀粉合成與積累的關鍵酶［4］.發根農桿菌可以誘導植物產生大量高度分支的不定根，增強植物的抗逆能力.據報道，發根農桿菌介導的玉米自交系H99具有龐大的根系結構，抗旱能力增強［5］.發根農桿菌介導的銀中楊轉化植株光合作用、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、籽粒淀粉合成相關酶活性進行測量，探討毛狀根再生植株光合特性及籽粒淀粉累積差異的產生原因，為選育高產玉米提供理論依據.

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：發根農桿菌介導的玉米自交系吉單35毛狀根再生植株［7］.

1.2 試驗設計

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

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）和束縛態淀粉合成酶（GBSS）的測量參照葛錦的方法［4］.

1.4 數據處理及分析

本研究運用SPSS 26.0對數據進行差異性顯著分析以及SigmaPlot 12.5進行繪圖.

2 結果與分析

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，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.葉綠素是植物進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酶的變化

灌漿期玉米籽粒淀粉合成相關酶活性變化如圖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活性呈現先上升后下降的趨勢，且在授粉25 d時酶活性達到最高，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分為可溶性淀粉合成酶（SSS）和束縛態淀粉合成酶（GBSS）.SSS以游離態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活性達到最高，而對照組籽粒SSS活性在30 d時達到最高，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酶活性變化

3 結論與討論

灌漿期是決定作物產量及品質的關鍵時期.作物高產既要求源端產生的光合產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物會以蔗糖的形式運輸到籽粒，再經一系列淀粉合成相關酶的催化形成淀粉［12-13］.同化物供應不足會導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［15］.增強ADPGPPase的活性可提高作物淀粉合成能力，從而達到作物高產的目的［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控籽粒淀粉的合成，從而促進高產.

綜上所述，發根農桿菌介導的玉米自交系吉單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資源提供了一定科學依據，具有重要意義.