崔麗娜　李慶方　董樹亭

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院；作物生物學(xué)國家重點實驗室1, 泰安　271018) (山東德州市農(nóng)業(yè)局2, 德州　253000) (山東省臨邑縣農(nóng)林局3, 德州　253000)

施氮能明顯提高玉米籽粒粗蛋白含量[1-2]。但在施氮對籽粒淀粉含量的影響上存在不同意見，有研究認為施氮對玉米籽粒淀粉含量影響不明顯[3]，也有研究認為在施氮0～360 kg/hm2范圍內(nèi)，隨著施肥量增加，春玉米籽粒淀粉含量呈下降趨勢[4]。氮素在提高玉米籽粒產(chǎn)量和改善品質(zhì)方面起著重要的調(diào)節(jié)作用，淀粉是玉米籽粒的主要成分，其數(shù)量多寡直接影響玉米的產(chǎn)量。

籽粒中淀粉合成的前體物質(zhì)蔗糖主要由穗位葉合成，再由一系列酶催化,經(jīng)尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)、腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)等形態(tài)轉(zhuǎn)化為葡萄糖,最后合成淀粉。蔗糖磷酸合成酶(SPS)是穗位葉蔗糖合成的關(guān)鍵酶[5-6]。玉米籽粒中蔗糖的代謝包括酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶的作用[8]。催化淀粉合成的酶主要有腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG- PPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)、淀粉分支酶(SBE)和淀粉脫分支酶(SDE)等[8-13]。前人在研究玉米淀粉酶相關(guān)酶活性時認為追加氮肥可以提高腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)及束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)的活性[14]。

淀粉的糊化特性是影響淀粉加工的一個重要的特性。淀粉的糊化特性受栽培措施的影響顯著。播期、密度、套種等措施均可導(dǎo)致玉米籽粒中淀粉糊化特性改變。此研究以鄭單958為材料，研究不同氮肥條件下，淀粉含量、淀粉相關(guān)酶活性及淀粉的糊化特性，以期為淀粉生產(chǎn)提供依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　供試材料

供試品種為鄭單958。河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所用“鄭58”作母本，“昌7-2”作父本配組育成的雜交玉米品種。種植密度均為75 000株/公頃。供試土壤類型為壤土。2014年土壤基本理化性狀：土壤pH為7.30，全碳13.66 g/kg，全氮1.05 g/kg，堿解氮79.75 mg/kg，速效磷74.45 mg/kg，速效鉀97.31 mg/kg；2015年土壤基本理化性狀：土壤pH為7.40，全碳13.12 g/kg，全氮1.10 g/kg，堿解氮79.69 mg/kg，速效磷74.31 mg/kg，速效鉀97.25 mg/kg。

1.2　實驗設(shè)計

實驗于2014～2015年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)基地玉米科技園進行，為玉米連作區(qū)。該地位于東經(jīng)117°9′，北緯36°9′，屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)。供試土壤類型為簡育濕潤淋溶土，玉米播種前0～20 cm土層有機質(zhì)含量13.76 g/kg，全氮1.04 g/kg，堿解氮79.65 mg/kg，速效磷74.86 mg/kg，速效鉀97.55 mg/k，pH 7.40。

田間實驗設(shè)計：不施氮、施尿素N 103.5、207、310.5 kg/hm24個施氮水平(分別用N0、N1、N2、N3表示)，3次重復(fù)，隨機排列。所用氮肥為尿素(含N 45%)，全部追施。各處理均施復(fù)合肥(N-P-K:16%-16%-16%)300 kg/hm2，全部基施。供試品種：鄭單958。2014年: 玉米的播種期為6月11日，收獲期為10月7日，玉米生育期的降水量為190.6 mm、灌水量150 mm(分2次灌溉)；2015年: 玉米的播種期為6月7日，收獲期為10月5日，玉米生育期的降水量為187.3 mm、灌水量150 mm(分2次灌溉)。小區(qū)長25 m，寬2.7 m，種植密度均為75 000株/hm2。

1.3　測試方法

1.3.1籽粒淀粉含量及組成的測定

采用改良雙波長法測定淀粉含量。籽粒樣品經(jīng)索式抽提法去除脂肪后測定直鏈、支鏈淀粉的含量，總淀粉含量為二者含量之和[15]。

1.3.2籽粒ADPG-PPase、UDPG-PPase活性的測定

取授粉后50d的玉米籽粒為材料。參照Ou-Lee等[16]、Thomas等[17]和張振清等[18]的方法。100 μL 5 mmol/L ADPG，50 μL 50 mmol/L MgCl2，100 μL Hepes-NaOH緩沖液(pH 7.5)，50 μL酶提取液，30 ℃保溫10 min后加入100 μL 20 mmol/L的Ppi起動反應(yīng)。反應(yīng)15 min后，沸水浴1 min終止反應(yīng)，冷卻至30 ℃后加入100 μL 6 mmol/L的NADP、50 μL 1.5 unit/mL的PCM及50 μL 5 unit/mL的G6PDH，加入緩沖液0.3 mL，30 ℃下反應(yīng)10 min,340 nm波長下比色。用G-1-P作標(biāo)準(zhǔn)曲線；籽粒SSS和GBSS活性的測定參照梁建生等[19]的方法并做適當(dāng)改動。0.35 mL反應(yīng)介質(zhì)(含50 mmol/L pH7.5的Hepes-NaOH緩沖液，1.6 mmol/L ADPG,15 mmol/L DTT，支鏈淀粉1 mg)，30 ℃保溫5min，加入50 μL酶液,反應(yīng)20min后，沸水浴1 min終止反應(yīng)。冷卻后加入0.35 mL ADP→ATP反應(yīng)介質(zhì)(含50 mmol/L Hepes-NaOH緩沖液(pH7.5)，40mmol/L PEP，200 mmol/L KCl，100 mmol/L MgCl2和2unit PK)，30 ℃反應(yīng)30 min后，加入熒光素-熒光素酶試劑，用FG-300發(fā)光光度計(上海植物生理生化研究所)測ATP生成量。

1.3.3籽粒淀粉糊化特性的測定

采用3-D型黏度速測儀，T(Thermal Cycle for Window)配套軟件進行分析。其主要步驟：稱取4.00 g(根據(jù)樣品的實際水分，按14%水分校正以確定樣品用量)樣品，置測定杯中，加25 mL蒸餾水，用攪拌器上下攪動10次左右，旋入儀器進行測試。攪拌器在起始10 s內(nèi)轉(zhuǎn)動速度為960 r/min，之后保持在160 r/min。在攪拌過程中,罐內(nèi)溫度變化如下：50 ℃下保持1 min,在3.7 min內(nèi)上升到95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，然后在3.8 min內(nèi)下降到50 ℃，在13 min時結(jié)束程序。

籽粒RVA(淀粉糊化)特征值包括：峰值黏度(Peak Viscosity, PV)、熱漿黏度或低谷黏度(Hot Viscosity，HV)、最終黏度或冷膠黏度(Final Viscosity，F(xiàn)V)，峰值時間(Peak time，P-time)和糊化溫度(Paste temperature，P-temp)；并計算崩解值或稀懈值(Break down, BD=PV-HV)、消減值(Set back，SB=FV-HV)、反彈值或回復(fù)值(Consistence，CT=PV-FV)。峰值時間單位為min，糊化溫度單位為℃，其它特征參數(shù)均以RVU為單位。

1.4　數(shù)據(jù)處理和分析

采用EXCEL 2000及DPS 7.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　籽粒淀粉含量及籽粒中其他組分含量

由表1可知，總淀粉及直鏈淀粉含量隨追氮量的增加先升高后略有下降；支鏈淀粉含量、可溶性糖含量隨施氮量增加而升高；蛋白質(zhì)含量隨追氮量的增加先降低后升高；總氨基酸含量隨追氮量的增加先升高后降低。表明適當(dāng)追施氮肥可以增加總淀粉含量及直鏈淀粉含量，過量追施氮肥將降低總淀粉含量及直鏈淀粉含量。前人對于氮肥對淀粉含量的影響有不同研究結(jié)果姜東等在小麥上的研究結(jié)果表明適量施氮有利于淀粉的形成和積累[20]。關(guān)義新等[3]研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加高淀粉玉米品種鄭單18子粒淀粉含量的變化并不顯著。田國政等[21]研究研究指出氮肥對不同玉米品種淀粉積累影響結(jié)果不同。本實驗研究表明，適量追氮可以增加淀粉含量。

表1　追氮對玉米籽粒淀粉含量的影響

注：表中各列數(shù)據(jù)后小寫字母不同表示其差異在 5%水平上顯著，余同。

2.2　籽粒淀粉相關(guān)酶活性

籽粒淀粉的生物合成是在ADPG 焦磷酸化酶(ADPG-Ppase)、UDPG 焦磷酸化酶(UDPG-Ppase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)催化下完成的。UDPG-Ppase 主要催化SS 降解蔗糖產(chǎn)生的UDPG 與無機焦磷酸反應(yīng)生成1-磷酸葡萄糖和UDPG, 是籽粒中淀粉合成的第一步。ADPG 焦磷酸化酶(ADPG-Ppase)催化1-磷酸葡萄糖形成ADPG, 作為合成淀粉的直接底物, 是淀粉生物合成的重要調(diào)節(jié)位點和樞紐,顯著影響淀粉產(chǎn)量[14]。SSS通常以游離態(tài)存在于胚乳淀粉體中，催化ADPG與淀粉引物(葡聚糖)反應(yīng)，將葡萄糖分子轉(zhuǎn)移到淀粉引物上，使淀粉鏈延長。GBSS與SSS的作用相同，在淀粉粒形成晶體結(jié)構(gòu)后催化淀粉分子的鏈加長反應(yīng)[22-23]。由表2可知，腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)及束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)的活性隨追氮量的增加先升高后降低?？扇苄缘矸酆铣擅?SSS)的活性隨追氮量的降低后升高。這表明適量追氮可以提高腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)及束縛態(tài)淀粉合成酶(GBSS)的活性的活性。

2.3　淀粉的糊化特性

淀粉的糊化性質(zhì)是影響淀粉加工特性的重要因素之一。而淀粉的糊化性質(zhì)受到眾多因素的影響，如淀粉的來源，淀粉的種類，以及是否添加食品添加劑(如食鹽等)，種植密度、播期、氮肥及灌水等農(nóng)藝措施也影響了淀粉的糊化性質(zhì)，石德楊等人在研究過程中發(fā)現(xiàn)，灌水和施用氮肥可以有效改善淀粉的糊化特性，且所需糊化溫度降低，峰值時間縮短[24]。由表3可知，隨追氮量的增加淀粉的峰值黏度、低谷黏度、最終黏度及崩解值先升高后降低,峰值時間以及糊化溫度先降低后升高。這表明適量的追氮量有利于增加淀粉黏度的穩(wěn)定性，需要的糊化溫度降低，且達到峰值的時間也縮短。但過量追加氮肥不利于淀粉的黏度穩(wěn)定性，需要的糊化溫度升高，且達到峰值的時間也延長。

表2　追氮對淀粉相關(guān)酶活性的影響

表3　追氮對淀粉糊化特性影響

3　結(jié)論

本研究結(jié)果表明適量的追氮有利于增加淀粉淀粉含量、提高淀粉相關(guān)酶活性(除SSS的活性外)、有利于淀粉黏度的穩(wěn)定性，淀粉需要的糊化溫度降低，且達到峰值的時間也縮短，而過量追加氮肥降低淀粉含量，降低淀粉相關(guān)酶活性(除SSS的活性外)，不利于淀粉的穩(wěn)定性，因此在玉米生產(chǎn)過程中切不可一味增加氮肥的施用量。在黃淮海氣候條件下，夏玉米最佳的追氮量為207.0 kg/hm2。

[1]索全義，趙利梅，遲玉亭，等．氮肥對春玉米子粒建成及品質(zhì)形成的影響[J]．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2000，19(1)：30-33

SUO Q Y, ZHAO L M , CHI Y T, et al. The effect of nitrogen fertilizer on seed and quality formation of spring maize[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2000，19(1): 30-33

[2]阮培均，馬俊，梅艷，等．不同密度與施氮量對玉米品質(zhì)的影響[J]．中國農(nóng)學(xué)通報，2004，20(6)：147-149

RUAN P J, MA J, MEI Y, et al. Effect of different density and N-application rte on maize quality[J]. Chinese Agrucultural Science Bulletin，2004，20(6): 147-149

[3]關(guān)義新，馬興林，凌碧瑩．種植密度與施氮水平對高淀粉玉米鄭單l8淀粉含量的影響[J]．玉米科學(xué), 2004, 12(?？?: 101-103

GUAN Y X, MA X L, LING B Y. Effects of plant population and nitrogen rate on the grain starch contents of highstarch corn hybrid (Zea Maize L.) Zhengdan 18 [J].Joumal of Maize Science, 2004, 12 (Special): 101-103

[4] TOKATLIDIS I S. A review of maize hybrids’ dependence on high plant populations and its implications for crop yield stability [J]. Field Crops Research, 2004, 12: 103-11

[5] MITTLER R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance [J]. Trends in Plant Science, 2002,7：405-410

[6] MITTLER R, VANDERAUWERAS, GOLLERY M. Reactive oxygen gene net work of plants[J]. Trends in Plant Science, 2004，9: 490-498

[7] HALL J L. Cellularmechanisms for heavy metal detoxification and tolerance [J]. Journal of Experimental Botany, 2002, 53(366):1-11

[8] OLK D C, CASMAN K G, CARLSON R M. Kinetics of potassium fixation in verniculitic soils under different moisture regimes[J]. Soil Science Society of America Journal, 1995, 59:423-429

[9] NEL P C, BARNARD R O, STEYNBERY R E, et al. Trends in maize grain yields in along-term fertilizer trial[J]. Field Crops Research, 1996,47(1):53-64

[10] EDWARDS G E, BAKER N R. Can CO2assimilation in maize leaves be predicted accurately from chlorophyll fluorescence analysis[J]. Photosynthesis Research, 1993，37: 89-102

[11] CAKMAKⅠ, MARSCHNER H. Magensium deficiency and high light intensity enhance activities of super oxide dismutase, ascorbate peroxidase and glutathione reductase in bean leaves[J]. Plant Physiology, 1992, 8:1222-1227

[12]程方民, 蔣德安, 吳平, 等. 早秈稻籽粒灌漿過程中淀粉酶的變化及溫度效應(yīng)特征. 作物學(xué)報，2001，27(2)：201-206

CHENG F M, JING D A, WU P, et al. The dynamic change of starch synthesis enzymes during the grain fillingstage and effects of temperature upon it[J]. Acta Agronomica Sinica, 2001，27(2): 201-206

[13]楊建昌，彭少兵，顧世梁，等.水稻灌漿期籽粒中與淀粉合成有關(guān)的酶活性變化. 作物學(xué)報，2001，27(2)：157-164

YANG J C, PENG S B, GU S L, et al.Changes in ctivities of three enzymes associated with starch synthesisin rice grains during grain filling[J]. Acta Agronomica Sinica, 2001，27(2): 157-164

[14]張智猛, 戴良香, 胡昌浩, 等. 氮素對玉米淀粉累積及相關(guān)酶活性的影響[J].作物學(xué)報, 2005, 31 (7): 956-962

ZHANG Z M, DAI L X, HU C H, et al. Effect of nitrogen on starch accumulation and related enzyme activities maize[J]. Acta Agronomica Sinica, 2005, 31(7): 956-962

[15]何照范. 糧油籽粒品質(zhì)及其分析技術(shù)[M]. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1985: 290-294

HE Z F. Grain quality and its analysis technology[M]. Beijing: China Agricultural Press, 1985: 290-294

[16] OU-LEE T M, SETTLER T L. Effect of increased temperature in apical region of maize ears on starch cynthesis enzymes and accumulation of sugar and starch [J]. Plant Physiology, 1985, 79: 852-855

[17] THOMAS W R, PHILLIP S K. Characterization of diumal changes in activities of enzymes involved in sucrose biosynthesis [J]. Plant Physiology, 1983,73: 428-433

[18]張振清, 夏淑芳.無機磷對葉片蔗糖和淀粉積累的影響[J].植物生理學(xué)報,1982,8(4): 385-391

ZHANG Z Q, XIA S F. Effects of inorganic phosphorus on the accumulation of sucrose and starch in leaves[J]. Acta Phytophysiologica Sinica,1982,8(4): 385-391

[19]梁建生, 曹顯祖,徐生,等.水稻籽粒庫與其淀粉積累間關(guān)系的研究[J].作物學(xué)報,1994, 20(6): 686-691

LIANG J S, CAO X Z, XU sheng, et al. The research of relationship between library and its accumulation of starch in rice grain[J]. Acta Agronomica Sinica, 1994, 20(6):686-691

[20]姜東,于振文,李永庚,等.施氮水平對高產(chǎn)小麥蔗糖含量和光合產(chǎn)物分配及子粒淀粉積累的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué),2002,35(2): 157-162

JIANG D, YU Z W, LI Y G. Effects of differents nitrogen application leves on changes of sucrose content in leaf, culm, grain and pphotosynthate distribution and grain starch accumulation of winter wheat[J]. Scientia Agricultura Sinica,2002,35(2): 157-162

[21]田國政, 艾訓(xùn)儒, 董遠梅,等.不同實彈水平對玉米品質(zhì)的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2010, 49(8): 1836-1838

TIAN G Z, AI X R, DONG Y M, et al. Effect of different fertilizing on levels maize quality[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2010, 49(8): 1836-1838

[22]劉鵬, 胡長浩, 董樹亭,等. 甜質(zhì)型與普通型玉米籽粒發(fā)育 過程中糖代謝相關(guān)酶活性的比較[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, 38(1)：52-58

LIU P, HU C H, DONG S T, et al. Comparison of enzymes activity associated with sucrose metabolism in the developing grains between sweet corn and normal corn[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2005, 38(1)：52-58

[23]張海燕, 董樹亭, 高榮岐,等. 玉米籽粒淀粉積累及相關(guān)酶活性分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2008, 41(7):2174-2181

ZHANG H Y, DONG S T, GAO R T, et al. Starch accumulation and enzymes activities associated with starch synthesis in maize kernels[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2008, 41(7): 2174-2181

[24] 石德楊, 張海艷, 董樹亭. 補充灌溉和施氮對玉米籽粒淀粉粒粒度分布的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014 , 47(4): 633-643

SHI D Y, ZHANG H Y, DONG S T, et al.Effects of supplemental irrigation and nitrogen application on starch granule size distribution of maize grain[J]. Scientia Agricultura Sinica,2014, 47(4): 633-643.