玉米胚乳突变型
《中国玉米》网编者按： 近来有不少读者来信问到有关玉米胚乳突变方面的问题，经了解得知，山东农业大学刘鹏博士论文（指导教师胡昌浩、董树亭教授）“不同胚乳类型玉米籽粒品质形成机理及调整研究”中对玉米胚乳突变型及相关研究做了很好的综述，在征得作者的同意后，摘录刊于网上，供大学参考。
1、前言 1．本课题的目的、意义 玉米是多用途作物，它既是重要的粮食和饲料作物，又是重要的医药和轻工业原料（刘冶先，1998）。我国玉米常年播种面积在 2500 ha，产量在1.2亿T，分别占粮食播种面积的22％和粮食总产量的25％以上（佟屏亚，1991）。世界玉米总产量的66％用作动物饲料，20％供人们食用，8％用作工业原料，6％用作种子或其它。据统计1998年山东省玉米的消费状况为：人口食粮7％，工业加工用占14.3％，饲料用占73.8％，其他消费占 4.9％。 随着人民生活水平的提高、人们膳食结构的改善及玉米用途的扩大和加工转化能力的提高，玉米生产的发展必须满足市场对饲料、食品及玉米加工业等多方面的需要。玉米生产利用必须由以粮为主的单元结构转变为多用途的复合结构，必须由传统单一的普通玉米品种和以高产为核心的生产模式转向以复合的优质专用玉米品种和以效益为核心的模式，而优质专用玉米正适合这一发展模式的要求（宋同明，1996）。专用型玉米是指普通玉米以外的各种玉米籽粒类型。这些类型具有独特的遗传组成、籽粒构造、营养成分、加工品质及食用风味等特征（林琳，1994、李晓亮，1998）。它们来自普通玉米又优于普通玉米，具有较高的遗传附加值，故亦称为“遗传增值”玉米（宋同明，1996）。它们包括：糯玉米（许崇香，1995）、甜玉米（史振声，1994、林琳，1994、李晓亮， 1998）、爆裂玉米（曾三省，1987、王玉兰，1998）高油玉米（宋同明，1993、1997）饲料玉米（李晓亮，1998）、优质蛋白玉米（石德权，1995）、高淀粉玉米（宋同明，1996）等。 糯玉米，又称蜡质玉米，是由糯质基因wxwx控制的玉米突变类型。籽粒所含的淀粉全部为支链淀粉，淀粉消化率高，营养丰富且具有较高的粘滞性和较好的适口性（李晓亮，1998）。糯玉米的经济价值主要有：（1）糯玉米营养丰富是老少皆宜的餐桌佳品；（2）糯玉米近100％的支链淀粉使其成为食品工业的优质原料；（3）糯玉米籽粒的消化吸收率高，糯玉米茎叶清嫩多汁，是发展畜牧养殖的优质饲料；（4）糯玉米加工淀粉可生产近 100％的纯天然支链淀粉，作为重要的高分子原料（许崇香，1995）。 甜玉米以其籽粒在乳熟期含糖量高而得名，具有甜、脆、嫩、香等特点。人们将其视为水果、蔬菜，因此素有“水果玉米”、“蔬菜玉米”之称（林琳，1994、李晓亮，1998）。甜玉米在乳熟期营养价值高，且易被人体吸收含糖量高达10-20％，比普通玉米高3－4倍，蛋白质含量可达13％。比普通玉米高 4.6倍；脂肪、氨基酸含量分别为8％和 5％，均比普通玉米品种高1倍以上，更可贵的是人体不能自身合成的赖氨酸和色氨酸含量也较高；每百克甜玉米籽粒中含有Vc 125毫克，VE80毫克，还含有VB1，V B2等多种维生素；与普通玉米相比磷、钙等矿物质的含量也较高（宋同明，1996）。其经济价值表现在：（1）甜玉米营养价值高，鲜食是优良的保健食品和高档的配餐食品；（2）甜玉米收获鲜果穗后的鲜茎叶内含75-85％的可消化物质，可直接用于生喂草食动物或经青贮后作优质饲料；（3）甜玉米产品多，综合效益好，其种植效益是普通玉米的3～5倍。（史振声，1994、宋同明，1996、李晓亮，1998） 爆裂玉米是一种专门用于爆制玉米花的类型，与其他玉米类型的区别在于：其籽粒胚乳全部为角质淀粉，淀粉粒排列紧密，各淀粉粒间蛋白质基质和大量蛋白质粒将淀粉粒连成一体，很少有间隙，当籽粒受热时蒸汽回旋余地小，因此爆裂性好（曾三省，1987）在常压下加热或者烘烤就可爆制成玉米花，而且膨胀系数高达25-45倍，在一般家庭中用铁锅、铝锅或者微波炉均可加工成爆制玉米花，加工食用十分方便，消除了我国传统的玉米花渣多、口感差及对人体不宜的铅害。爆裂玉米比普通玉米的营养丰富，它含有蛋白质、无机盐、VB1、VB2和烟酸等（林琳，1994、李晓亮，1998）。由爆裂玉米制成的玉米膨化粉加入其它配料后可制成各种面包、饼干、糕点、代用乳粉等（王玉兰，1998） 以上三种类型的玉米属于不同胚乳突变类型的玉米，它们在胚乳内糖分、淀粉、糖原的合成、积累与转化过程中与普通玉米均存在明显的差异，主要表现在糯玉米淀粉几乎全部为支链淀粉，甜玉米淀粉含量少、植物糖原多，爆裂玉米在淀粉粒间大量填充蛋白质，它们有各自的品质特征和各自的品质形成机理。 目前，优质专用玉米虽然已引起了人们的重视，但基础理论研究还较薄弱，以往的研究主要集中于单一类型的某一品种的生产特性、品质特点和采后的加工、储藏等方面，缺乏不同胚乳突变类型玉米生长发育和品质形成及其影响因素的研究，影响了优质专用玉米育种、生产、加工利用的健康发展。为此，立项综合系统比较研究不同品质类型专用玉米生长发育和品质形成机理及品质影响因素及影响机制，可为不同类型专用玉米的育种、生产、加工利用及通过有针对性的栽培措施和通过基因工程改良玉米品质提供理论依据和技术支持。 1.2 国内外研究进展 1.2.1 玉米籽粒胚乳突变体的研究 玉米籽粒由尖冠、果皮、胚乳及胚四部分构成，其中胚乳是构成玉米籽粒的主要部分，约占整个籽粒重量的82％（胡昌浩，1995）, 因此人们对玉米突变体的研究主要集中在胚乳突变体上。目前，广泛研究的玉米胚乳突变体对于籽粒的影响主要表现为： (1) 影响三倍体胚乳中碳水化合物的质量和含量（Dun GM.，1953、Chourey，1981、 李学渊，1993）； （2）改变籽粒的发育（Boyer,l977）； （3）改变成熟籽粒的表现型（Garwood，1977）； （4）改变胚乳中淀粉团粒结构的形态（Eriksson，1968、Brown，1971）。 玉米胚乳突变体命名的主要根据是成熟期籽粒的品质和形态特征，如：糯玉米、甜玉米、皱缩型、钝型、脆型等。这些突变体单独或者以各种结合形式影响玉米籽粒的发育、籽粒淀粉团粒的发育、淀粉团粒的形态及籽粒中各种多糖的组成和含量等（张铭堂，1994）。 1.2.2玉米胚乳突变类型 1.2.2.1蜡性（wx）或粘性（gl）突变 蜡性或粘性突变不仅存在于玉米中，而且还存在于高粱、水稻、小麦、大麦和薏苡中（Nelson，1962、Hixon，1968、Erisson，1969）。Sprague（1943）发现玉米的wx突变体中缺少直链淀粉。wx突变基因控制着在胚乳和花粉中产生的淀粉全部为支链淀粉，用碘染色时呈现紫红色，而其它组织中产生的淀粉则与非突变体的淀粉一致，用碘染色时呈现兰色。 wx突变体籽粒表形饱满，但是色泽暗淡，胚乳为糯质不透明；籽粒的干重及淀粉的含量与正常型相当。籽粒发育过程中干重及淀粉的积累速率、水溶性多糖的含量与非突变体相当。 蜡质的支链淀粉在β-淀粉酶解限性和平均链长、分子大小方面与正常淀粉之间存在较大的差别。wx突变体籽粒发育过程中，淀粉团粒平均团粒大小的增加及淀粉团粒的最终形态与正常形的淀粉团粒相似，淀粉团粒的大小受品种和环境条件的影响。wx淀粉团粒用碘染色时与正常型淀粉团粒双折射强度降低的特性不同，其双折射强度变化很小。wx突变体胚乳中开始产生的淀粉粒为球形，之后它们不断增大，在细胞中由于细胞内填充压紧所以最终淀粉团粒的形态多变得不太规则。 Nelson（l962）发现在wx突变体胚乳中缺少束缚态淀粉粒合成酶（GBSS），该酶可以将葡萄糖基从UDPG转移至淀粉非还原性末端合成淀粉链，并指出在WX位点上的基因或者是GBSS的结构基因或者是由它指定GBSS向淀粉团粒的接受位点。Tsai （1965）发现玉米胚乳中GBSS的活性随着WX基因拷贝数的增加而线性增加。Kuiper（1992）发现wx突变体中虽然没有直链淀粉的合成但是淀粉的含量却没减少，只是淀粉的组成发生了变化。 1.2.2.2 直链淀粉扩增（ae）突变 在豌豆、玉米、大麦的花粉及胚乳中已发现引起表观直链淀粉含量增加的突变基因－amylose extender（Banks，1974）。该基因降低了支链淀粉的α—l，6糖苷键分支点的数量而相应的增加了籽粒的表观直链淀粉含量（Yan，1994） 玉米直链淀粉一扩增突变体籽粒的基本表形为：（1）籽粒体积较正常籽粒的体积小；（2）在不同的遗传背景下，该基因的表现形不同，马齿形遗传背景中会产生伸长的无定形的淀粉团粒，在甜玉米的遗传背景下籽粒淀粉中不含无定形的淀粉团粒；（Boyer 1976和1977）（3）ae等位基因的差异造成了在相同的遗传背景下突变体籽粒的表现形不同（Stindrd，1993）；（4）不同的生育环境影响籽粒合成直链淀粉的效果，地区的影响大于不同年份的影响，播种较晚的直链淀粉的含量较高（Banks，1974）；不同部位的籽粒直链淀粉含量不同，一般穗基部＞中部＞顶部（Fergason，1996）。 玉米直链淀粉一扩增突变体籽粒中淀粉团粒的特点：该突变体淀粉中一般含有两种不同的几何形状。分别为球形和不规则形。不规则团粒的形状不一，但多数是伸长的和非双折射的，这与正常淀粉的非伸长和双折射有显著的差别。与正常淀粉团粒相比较ae突变体的淀粉粒要小（Kuiper l992）。在 ae突变体中不规则淀粉团粒的变幅为 0～100％（Fergason，1966、Y.Yeh，1981）。在突变体籽粒发育期间不规则淀粉粒的比例随表观直链淀粉含量及细胞生理年龄的增加而增大。 在正常型玉米胚乳中存在三种形式的分支酶（Starch Branching Enzyme），该酶的主要功能是催化（-1，6糖苷键的形成。其中SBE I对于直链淀粉中支链的合成具有较高的催化活性，而SBE II对于支链淀粉分支的形成具有较高的催化活性（Boyer，1976和1977）。研究表明 AE基因编码的蛋白为 SBE II，随AE等位基因剂量的加大，SBE II的活性显著增加，而随ae基因剂量的增加，籽粒中支链淀粉的分支明显减少 （Boyer，1977）。在ae的隐性纯合体中，没有 SBE II活性（Hedman，1966）。 1.2.2.3 甜性（su）突变 普通甜玉米是隐性su基因的纯合体（Black，1966），成熟的普通甜玉米籽粒、果皮提高；淀粉的含量降低，淀粉中直链淀粉与支链淀粉的比例与正常型的相似（Holder，1974）。su突变体的主要效应在于可在玉米籽粒中合成并积累大量的植物糖原 （creech，1965）。植物糖原是由a—D一葡萄糖单元（1→4）或者以1→6）键连接而成的，其结构类似支链淀粉，但是其分支度要比支链淀粉高。在甜玉米中植物糖原是以水溶性多糖的形式存在的。su突变体中，淀粉含量在授粉后10～20 d时是不断增加的，但是在授粉后20 d，淀粉的含量就基本稳定。而植物糖原的含量自授粉后就不断增加。籽粒成熟时总碳水化合物的含量与正常型基本相当，其中淀粉含量的降低造成了籽粒干重的降低。 su基因突变体籽粒淀粉粒的特征：su基因纯合的籽粒内部含有几种不同类型的质体，它们有多种不同的淀粉粒细胞混合而成，其中包括含有淀粉团粒的淀粉体、含植物糖原和几个小淀粉团粒的淀粉体、含植物糖原及小淀粉粒的淀粉体，只含淀粉碎片的淀粉体、仅含植物糖原的淀粉体。含有不同类型的质体的细胞在突变体胚乳中的分布与各类细胞的生理年龄显著相关，一般认为含植物糖原的质体存在于籽粒中较为成熟的细胞中。在su基因纯合的籽粒中由于淀粉团粒能够部分的转化为植物糖原，因此含有不同组分的一系列中间颗粒。 1.2.2.4
钝性（du－1）突变 du1突变体籽粒胚乳色泽暗淡、脆质。籽粒的颜色一般为黄褐色，成熟表形会因遗传背景不同而表现出从饱满到半塌陷，因此其籽粒干重的变化幅度也比较大，但是一般均低于正常型籽粒。与非突变体籽粒相比较，du1突变体在籽粒的发育过程中各类糖的总浓度明显高于正常型，但淀粉的含量却低。有研究表明，du1基因的突变效应在于影响籽粒中淀粉合成的质量与数量。 du1突变体籽粒中淀粉团粒在形状、大小及双折射和碘染色性等方面均与正常型淀粉团粒相似。另有研究发现du1突变体降低了SS II及SS Ia的活性，du基因只降低两种酶的活性可以推断 du位点是一个调节位点。 1.2.2.5皱缩（sh1）突变体 sh1突变体籽粒扁平且薄弱，表面光滑面凹陷，籽粒胚乳为粉质，不透明。籽粒干重一般为正常型干重的60％。” SH1基因编码的蛋白质是胚及胚乳中的蔗糖合成酶。蔗糖合成酶的活性随着sh1在sh1及 SH1和混合体系中所占比例的减少而降低（如果 SH1SH1SH1中蔗糖合成酶的活性定为100，则SH1SH1sh1中为78，SH1sh1sh1中42，Sh1sh1sh1中为9），虽然在sh1sh1sh1中蔗糖合成酶的活性比较低，但是在其籽粒中仍然能够合成足量的淀粉。其原因据研究认为可能是其籽粒中残存的蔗糖合成酶残基及蔗糖酶的活性部分的补偿了蔗糖合成酶I的不足。 蔗糖合成酶是以UDPG为供体的糖转移酶，是UDP与蔗糖形成果糖及UDPG这个可逆反应的催化剂。一般认为蔗糖合成酶是蔗糖分解和形成核苷葡萄糖的系统。蔗糖在细胞中必须分解为果糖及葡萄糖分子才能被直接利用，所以SS活性的降低也相应降低了淀粉在籽粒中的合成速率。Nelson研究发现：sh1突变体籽粒在授粉后22天时，淀粉和还原糖、蔗糖的含量分别是非突变体籽粒的65％，250％，430％；成熟时分别为60％，65％，54％。在突变体中淀粉绝对量的增加及蔗糖和还原糖量的减少说明在籽粒的发育后期可将部分可溶性糖逐渐转化为淀粉。 1.2.2.6超甜（sh2或bt2）突变体 sh2或bt2突变体的胚乳在授粉后18-20d时充满可溶性糖，呈现出乳白色，半透明状，淀粉的积累较少。sh2突变体籽粒在成熟时极度皱缩、凹陷，果皮波浪状的不规则粗糟外观，籽粒干重是正常型的22％。在sh2突变体的籽粒中可溶性糖（包括G-1-P，G-6-P，F-6-P，Dihydroxy Acetone Phosphate，Glyceraldehyde－3－phospate）的含量较高而 F－l，6－P的含量很低，所以可知籽粒中淀粉的合成能力低。突变体胚乳发育过程中蔗糖和还原糖的总含量59％）高于甜性突变体胚乳中蔗糖及还原糖的总含量（16％）果穗采收后，籽粒中的可溶性糖含量保持不变，可以较长时间储藏。 sh2基因对ae1，du1，su1表现出上位性，即当sh2与ae1，du1，su1同时存在时，籽粒中淀粉的合成速率由sh2基因决定。研究证实在超甜突变体中丧失了ADPG焦磷酸化酶活性。Dickinson发现在这两类突变体中ADPG焦磷酸化酶的活性仅为非突变体的5～7倍，研究表明BT2和SH2基因是ADPG焦磷酸化酶的结构基因，SH2基因编码ADPG焦磷酸化酶的大亚基，BT2基因是该酶小亚基的结构基因。
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