超甜玉米果皮柔嫩度與成分含量動態變化及相互關系

顧銀山 張士龍 賈海濤 李小琴 賀正華焦春海 田小海 黃益勤 危文亮

（1長江大學農學院，434025，湖北荊州；2華南農業大學/亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，510642，廣東廣州；3湖北省農業科學院糧食作物研究所/糧食作物種質創新與品種改良湖北省重點實驗室，430064，湖北武漢）

果皮柔嫩度作為衡量鮮食玉米品質的重要指標[1-4]，是一個受多種因素影響的復合品質性狀，是限制國產品種品質提高的瓶頸，在現代超甜玉米品質育種中被越來越多的育種家重視。弄清甜玉米果皮柔嫩度變化的主要影響因素對解析其形成機理及提高育種效率具有重要意義。

果皮柔嫩度是指果皮抵抗由于咀嚼而破碎的能力。前人研究[5-6]表明，甜玉米的柔嫩度主要取決于果皮厚度，而果皮厚度由果皮細胞層數及大小決定；果皮細胞層數與果皮的厚度呈極顯著相關（r=0.93**）[7]，果皮柔嫩度與果皮厚度呈顯著負相關[8-10]。由此，籽粒外層的薄果皮曾是改善甜玉米嫩度的一個主要選擇目標。然而有研究[11]表明，果皮厚度與食用品質沒有顯著相關性，果皮厚度可能不是影響鮮食玉米食用品質的主要因素。食用品質良好的超甜玉米不但要果皮薄、細胞層數少，還要具有果皮細胞壁纖維化和木質化程度低等特征[12]。超甜玉米籽粒粗纖維含量較高[13]，粗纖維與食用口感的相關系數為-0.965，達顯著水平，粗纖維含量越高，口感越粗糙[14]。此外，果皮細胞壁化學成分的變化也可能影響甜玉米果皮柔嫩度。

甜玉米果皮是一層半透明狀的薄膜，主要由細胞壁構成，其化學成分是纖維素、半纖維素、木質素、果膠多糖、灰分、油分、少量淀粉及結構蛋白[15-16]。纖維素是自然界最為豐富的生物高分子之一[17]，其結晶度阻礙酶消化[18-20]。半纖維素是一類異質多糖，在禾本科作物成熟的組織中主要以木聚糖的形式存在，能夠阻礙植物木質纖維素結晶的形成，從而提高生物質消化率[18]。木質素是一種非常穩定和復雜的疏水性酚類多聚物，主要由香豆醇、松柏醇和芥子醇構成[21-22]，植株的易脆性與細胞壁的木質素含量有關[23-25]。

上述報道大多研究的是果皮厚度與柔嫩度的關系，但結論尚未統一。有關果皮主要化學成分變化影響其柔嫩度的報道很少且不系統。本研究采用硬度計法[26-27]，系統探討超甜玉米果皮柔嫩度與其主要化學成分間的關系，探索影響果皮柔嫩度的主要化學成分因子，為進一步解析其成因及遺傳規律提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用的10份超甜玉米自交系PE10、S13237、T105、S33222、S33205、HZ508、S13084、S23207、S33247和S23288的籽粒果皮柔嫩度存在梯度差異，且生育期一致，基因型為sh2sh2，均由湖北省農業科學院糧食作物研究所玉米課題組提供。

1.2 試驗方法

在湖北省農業科學院糧食作物研究所核心試驗基地（114°19′E，30°21′N）選取地力均勻一致的地塊種植上述10份材料。采用隨機區組設計，重復3次。小區為4行區，每行種100株，行距0.67m，株距0.33m。管理方式同一般大田。2014年3月25日播種，6月上旬開花授粉。果穗吐絲前套上小紙袋，當同一份材料盡可能多的果穗吐絲齊后在同一天授粉，記載自交授粉時間。2014年11月12日再次以上述方案在海南省陵水縣提蒙鄉南繁試驗基地（110°1′E，18°28′N）種植上述試驗材料及授粉。

從10份自交系中隨機選出果皮柔嫩度性狀表現為好（PE10）、中（T105）、差（S33205）的3份材料分別套袋，在自交授粉后12、14、16、18、20、22、24d取樣，其余的7份材料在湖北武漢春季（環境1）授粉后18d（最適采收期）取樣，在海南陵水冬季（環境2）授粉后22d（最適采收期）取樣。取樣時從小區中部隨機選取植株與穗位高度較一致、大小均勻的果穗50個。隨機選取3個果穗迅速用果實硬度計測定柔嫩度值。然后全部保存于-70℃冰箱備用。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 果皮柔嫩度 參照張士龍等[27]的方法測定果皮柔嫩度。取樣后，剝開鮮穗苞葉，隨機選取中部的12個玉米籽粒，用日產果實硬度計（FHM-1）探頭垂直對準玉米籽粒冠部，緩慢加大力度往下壓，直到探頭穿透果皮，記錄果實硬度計表盤上顯示值，然后去掉12個顯示值中的最大值和最小值，計算余下10個顯示值的平均值，再除以圓形探頭的橫截面積即得所測自交系的籽粒果皮柔嫩度值，該值越大，表示果皮柔嫩度越差。

1.3.2 細胞壁成分 取出備用果穗樣品，用刀片迅速剝取中部籽粒冠部果皮，放在105℃高溫環境中殺青20min，然后于50℃條件下烘干至恒重。將烘干的果皮磨碎，過40目篩，保存在干燥器中備用。每個樣品生物學重復3次。參考Peng等[28]和Xu等[18]的方法進行樣品分餾，參考Sluiter等[29]的方法測定纖維素、半纖維素、木質素以及灰分含量。果膠的測定：稱取干重樣品約0.1000g，經過分餾去除可溶性糖、脂溶性物質及淀粉等成分獲得樣品沉淀，于沉淀中加入0.5%（W/V）草酸銨5.0mL，在沸水中加熱1h，期間每隔10min搖勻，以免溶液表面的堆集。冷卻后，3000轉/min離心5min，收集上清液。沉淀再依次用0.5%草酸銨5mL洗1次，蒸餾水5mL洗2次，收集所有上清液，定容。采用比色法測定戊糖、己糖和糖醛酸含量。果膠含量為戊糖、己糖和糖醛酸含量之和。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003軟件對數據進行初步處理和作圖，用SAS 9.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 超甜玉米果皮柔嫩度的動態變化

2.1.1 不同超甜玉米最適采收期的籽粒果皮柔嫩度比較 將10份材料在不同環境下最適采收期的籽粒果皮柔嫩度值進行二因素方差分析，結果見表1。由F值可知，參試材料最適采收期的籽粒果皮柔嫩度存在極顯著差異，而同一材料在最適采收期的籽粒果皮柔嫩度不受環境的顯著影響，并且材料與環境間沒有互作。

表1 果皮柔嫩度方差分析Table 1 Analysis of variance on pericarp tenderness

將數據進行多重比較，結果見表2，S33205和PE10分別是10份材料中柔嫩度最差和最好的自交系。除 HZ508 與 S13084、S13084 與 S23207、S23207與T105果皮柔嫩度差異不顯著外，其余各材料間果皮柔嫩度差異達顯著或極顯著水平。

表2 10份超甜玉米自交系最適采收期果皮柔嫩度均值多重比較Table 2 Multiple comparison between average pericarp tenderness of ten super sweet corn inbred lines on the optimum picking time

2.1.2 籽粒發育過程中果皮柔嫩度動態變化 柔嫩度最好（PE10）、中等（T105）和最差（S33205）的3份自交系在2種環境條件下的柔嫩度動態變化如圖1。在測定時間區段內（授粉后第12～24天），3份自交系在籽粒發育過程中果皮柔嫩度的變化表現出相似的特點，隨著授粉后天數的增加，果皮柔嫩度呈現由小到大的曲線性規律變化。在各測定時間點，3份自交系的果皮柔嫩度均值均為S33205＞T105＞PE10，而柔嫩度變化幅度為PE10＞S33205＞T105，且不受環境變化的影響。

圖1 2種環境條件下PE10、T105和S33205果皮柔嫩度動態變化Fig.1 Dynamic variation of pericarp tenderness of PE10,T105 and S33205 under two environments

將同一材料在2種不同環境下果皮柔嫩度動態變化進行比較，3份材料也具有類似的特點（圖2），授粉后第12天的柔嫩度差異不明顯，隨著籽粒的發育，果皮柔嫩度差異呈先增大后縮小最后又趨于一致的規律，且2014年春季（湖北武漢）的果皮柔嫩度均值始終大于冬季（海南陵水）。就單個材料而言，不同環境條件下最適采收期的果皮柔嫩度均非常接近，也即2014年湖北武漢春季授粉后18d的果皮柔嫩度就達到了海南陵水冬季授粉后22d的果皮柔嫩度。最適采收期提前4d。

圖2 2種環境條件下PE10(a)、T105(b)和S33205(c)果皮柔嫩度動態變化比較Fig.2 Comparison among variations of pericarp tenderness of PE10(a),T105(b)and S33205(c)under two environments

2.2 超甜玉米果皮細胞壁主要化學成分含量的動態變化

2.2.1 超甜玉米果皮發育過程中主要成分含量的動態變化 由圖3可知，授粉后12～24d，2種生長環境下，3份自交系果皮細胞壁主要成分中纖維素、半纖維素和木質素含量均明顯高于果膠和灰分。除PE10授粉后12和14d果皮纖維素含量大于半纖維素含量外，3份自交系果皮的主要成分含量均值的大小順序始終為半纖維素＞纖維素＞木質素，這一規律不受環境條件影響。隨著籽粒的生長發育，3份自交系果皮半纖維素含量均呈由小到大逐漸增加的特點。木質素含量則呈現峰度和偏度較小的單峰曲線變化，而纖維素含量始終在24%上下波動，果膠與灰分含量變化不大且沒有明顯的規律。

果皮主要成分含量變化自交系間也有著各自的特點。授粉后12～24d，PE10果皮半纖維素含量的變化幅度在2014年春、冬季分別為27.19%、27.93%，明顯高于T105（15.81%、12.63%）和S33205（13.11%、13.06%），說明在籽粒發育過程中，就果皮半纖維素累積速度而言，PE10大于T105和S33205。PE10 2014年春季授粉后12、24d的半纖維素含量分別為20.16%、47.35%，冬季分別為17.35%、45.28%，明顯低于T105（37.97%、53.78%和36.54%、49.17%）和S33205（39.22%、52.33%和38.62%、51.68%），且無論是春季還是冬季，授粉后12d的半纖維素含量均值大小順序均為S33205＞T105＞PE10，與果皮柔嫩度均值大小順序一致，說明在籽粒發育的前期，半纖維素含量就已經開始對果皮柔嫩度產生影響。

隨著籽粒的生長發育，3份自交系果皮木質素含量均逐漸增加，達到峰值后略微下降，穩定在較高含量水平。在2014年春、冬兩季達到最大值的時間各材料間有差異：PE10果皮木質素含量在2種環境條件下均在授粉后20d達到最大值，而T105在春、冬季分別于授粉后20和22d達到最大值，間隔2d，S33205則分別在18和22d達到最大值，間隔4d。在2014年春季，3個自交系授粉后12～24d木質素含量變幅順序為PE10＞T105＞S33205，而冬季則變為T105＞PE10＞S33205。在2種環境條件下，木質素含量在授粉后12d至達到最大值前的均值順序均為S33205＞T105＞PE10（圖3～圖5），與果皮柔嫩度均值大小順序一致，說明果皮柔嫩度和木質素含量變化有著一致的表現。

圖3 PE10果皮主要成分含量動態變化Fig.3 Dynamic variation pericarp component contents of PE10

圖4 T105果皮主要成分含量動態變化Fig.4 Dynamic variation pericarp component contents of T105

圖5 S33205果皮主要成分含量動態變化Fig.5 Dynamic variation pericarp component contents of S33205

2.2.2 同一材料在不同環境條件下果皮主要成分含量的動態變化比較 將果皮主要成分含量變化在2種環境條件下進行比較發現，PE10和T105在授粉后12、14及24d春、冬2季間果皮半纖維素含量比較接近，差異不顯著（表3），而在16、18、20、22d則差異達顯著或極顯著水平，且在授粉后12～24d內各測定時間點的果皮半纖維素平均含量春季均高于冬季。半纖維素含量變化特征與果皮柔嫩度高度一致，S33205雖然在7個測定時間點春、冬2季間差異不顯著，但是各測定時間點的果皮半纖維素平均含量春季均高于冬季，亦與果皮柔嫩度變化特征基本保持一致。木質素含量均值變化亦呈現與半纖維素相似的特點：在各測試時間點，果皮木質素含量均值絕大多數春季高于冬季。除PE10外，T105與S33205的春季木質素含量峰值均大于相同測試時間點的冬季木質素含量。上述結果表明，果皮半纖維素和木質素的積累速度在武漢2014年春季環境條件下明顯高于2014年海南陵水。3份材料的果皮纖維素、果膠和灰分含量均值在各測定時間點差異無明顯規律。

表3 果皮成分含量在不同環境條件下的變化比較Table 3 Comparison of the content changes of pericarp components under different environmental conditions %

2.3 超甜玉米果皮柔嫩度與果皮主要成分間的相關關系

2.3.1 果皮柔嫩度與主要成分間的相關性分析籽粒發育過程中果皮柔嫩度與果皮主要成分含量相關性分析結果如表4。表4中顯示，PE10果皮柔嫩度與果皮半纖維素含量在2014年春季和冬季的相關系數分別為0.96和0.94，T105分別為0.91和0.87，S33205分別為0.98和0.97，均達到極顯著水平。果皮木質素含量與果皮柔嫩度亦存在極顯著正相關。PE10果皮柔嫩度與果皮木質素含量相關系數在2014年春季和冬季分別為0.71和0.74，T105分別為0.72和0.75，S33205分別為0.72和0.77。而3份材料的果皮纖維素、果膠及灰分含量與果皮柔嫩度在2種環境條件下的相關系數均處于-0.21～0.24區間，且差異未達顯著水平。上述結果表明，在籽粒發育過程中果皮主要成分半纖維素和木質素含量顯著影響果皮柔嫩度，即果皮半纖維素和木質素含量越高，果皮柔嫩度越差。而果皮纖維素、果膠及灰分含量變化對柔嫩度影響較小。

表4 同一材料在2個環境中籽粒發育過程中果皮成分含量與柔嫩度的相關系數Table4 Correlationcoefficients between pericarpcomponent andpericarp tendernessover time within each inbred in two environments

2.3.2 最適采收期果皮柔嫩度與主要成分含量間的相關性分析 將10份材料在不同環境下最適采收期的籽粒果皮柔嫩度與對應的果皮主要成分含量進行相關性分析，結果如表5。表5中顯示，半纖維素含量與果皮柔嫩度的相關系數在2014年春、冬季分別為0.92和0.90，且達到極顯著水平，果皮木質素含量與柔嫩度的相關系數在2014年春、冬季分別為0.70和0.72，且達到極顯著水平。而纖維素、果膠及灰分含量與柔嫩度相關系數在2種環境條件下的變化范圍為0.04～0.20，且均未達到顯著水平。上述結果表明，在最適采收期，果皮的柔嫩度與果皮的半纖維素、木質素含量極顯著相關，果皮半纖維素和木質素含量的高低極大地影響果皮的柔嫩度。

表5 最適采收期不同材料果皮柔嫩度與成分含量相關系數Table 5 Correlation coefficients between pericarp tenderness and pericarp component at the optimum picking time of different materials

3 討論

3.1 果皮柔嫩度與材料本身及環境的關系

在鮮食超甜玉米生產實踐中，果皮柔嫩度因關系到產品的口感好壞而受到高度重視，而人們對最適采收期果皮的柔嫩性尤為關注，因此本研究只對授粉后第12～24天即“灌漿初期—乳熟期—乳熟后期”果皮柔嫩度和主要成分的變化及其相互關系進行了探討。

在超甜玉米籽粒生長發育過程中，作為籽粒最外部組件的果皮在結構和成分上遵循著一定的規律而發生著質和量的變化。本研究中，柔嫩度性狀存在顯著差異的3份自交系在2種環境條件下的柔嫩度均值變化幅度大小均為PE10＞S33205＞T105，說明影響果皮柔嫩度的因素在量和質上的平均累積速率為PE10快、S33205其次、T105最慢。而在各測定時間點上果皮柔嫩度順序卻均為S33205＞T105＞PE10，這可能說明果皮柔嫩度在籽粒發育起始階段（授粉后0～11d）就奠定了基礎，不因柔嫩度影響因素的量和質在后期的累積速率變化而變化，這由材料特性所決定，不受環境變化影響。本研究結果表明，果皮半纖維素、木質素含量與果皮柔嫩度呈極顯著正相關，是影響果皮柔嫩度的主要化學成分。而半纖維素與木質素含量變化與柔嫩度變化較為一致，則從果皮化學成分的角度進一步證實柔嫩度影響因素在量和質上的累積特征是材料的固有特性。

然而，作物的表型是基因與環境互作的結果，性狀表現不可避免地要受到環境的影響。本研究結果顯示，就同一材料而言，在籽粒灌漿的中期，湖北武漢春季的果皮柔嫩度要顯著高于海南陵水冬季，而在籽粒灌漿前期和乳熟后期，兩地的果皮柔嫩度均值分別均趨同，且最適采收期的果皮柔嫩度沒有發生顯著變化，說明環境條件的改變顯著地影響果皮柔嫩度的變化。究其原因，可能是武漢春季的光溫條件要好于海南冬季的光溫條件，好的光溫條件加速了影響果皮柔嫩度的因素在量和質上的積累，使得柔嫩度的變化速率湖北武漢春季顯著高于海南陵水冬季。但是環境光溫條件的改變只會影響果皮柔嫩度的變化速率，不會從根本上改變材料的果皮柔嫩度變化范圍。果皮柔嫩度本質上仍決定于材料本身。本研究中PE10和T105果皮主要成分半纖維素與木質素含量變化規律與柔嫩度保持高度一致，一方面說明半纖維素和木質素含量是影響果皮柔嫩度的化學因素，另一方面為果皮柔嫩度的變化規律找到了化學證據。柔嫩度最差的S33205半纖維素含量變化規律與PE10和T105略有不同，可能暗示著還有其他因素影響果皮柔嫩度。

3.2 果皮柔嫩度與主要成分含量間的關系

有研究[12]結果表明，果皮柔嫩度與細胞壁纖維化和木質化程度有關。本研究結果證實了這一結論。實質上，甜玉米果皮柔嫩度性狀從根本上說是甜玉米果皮物理特性和化學特性與各種環境綜合作用的結果。果皮厚度和細胞層數對果皮柔嫩度的影響效應最終也可以歸結到果皮的化學成分上來。細胞大小一定時，果皮越厚，果皮細胞層數則越多，或者果皮厚度一定情況下，細胞越小，果皮層數則越多，2種情況的最終結果均是果皮總的細胞個數增多，細胞壁比重增加，半纖維素和木質素等主要成分的含量隨之增加，造成果皮柔嫩度變差，口感變差，反之則果皮柔嫩度改善，口感變好。這也解釋了有時果皮厚度大而果皮柔嫩度卻不差，或果皮厚度小而果皮柔嫩度并不好的現象。

3.3 最適采收期與果皮柔嫩度的關系

鮮食玉米適時采收是確保優質高產的重要環節,也是超甜玉米鮮穗加工利用的保證[30]。采收過早籽粒含水量過多，干物質太少，產量低，食用價值低，不宜保存。采收過遲籽粒中糖分轉化為淀粉，果皮柔嫩度變差，糯而不甜，香味降低。劉萍[31]認為，食味隨著籽粒的生育進程而變化，最佳“食味”期就是最適宜的采收期。而體現“食味”優劣最重要的指標之一就是果皮的化渣程度，其與果皮柔嫩度直接相關。果皮越嫩，則化渣程度越高，適口性就越好，“食味”則愈佳。本研究結果表明，無論在何種生長環境條件下，隨著籽粒的生長發育，果皮柔嫩度值會逐漸增大，柔嫩性逐漸變差，因此，以果皮柔嫩度作為判定超甜玉米最適采收期的唯一標準是不合適的。最適采收期的確定應該在其他指標達到最佳狀態條件下，果皮柔嫩度值越小越好。

4 結論

對10份生育期一致、果皮柔嫩度存在梯度差異的超甜玉米自交系的果皮柔嫩度及主要成分含量的動態變化及其相互關系進行了研究。結果表明在授粉后12～24d內，果皮柔嫩度（打孔讀數）均呈由小到大的曲線狀變化，環境條件影響果皮柔嫩度變化速率。果皮半纖維素含量逐漸增大，木質素含量呈現單峰曲線變化，而纖維素含量始終在24%上下波動，果膠與灰分含量變化不大且沒有明顯的規律。果皮半纖維素和木質系含量均與果皮柔嫩度呈極顯著正相關，是影響果皮柔嫩度的化學成分因子。