玉米籽粒灌浆速率研究进展

刘宗华，张战辉

（河南农业大学农学院，郑州 450002）

玉米籽粒产量与籽粒灌浆特性关系密切，灌浆速率的高低以及灌浆持续期的长短决定最终籽粒产量[1-2]。有关籽粒灌浆的生理机制早已引起人们的高度重视，并进行了大量深入的研究，取得了重要的研究进展[2-3]。籽粒灌浆是一个复杂的生理代谢过程，也有复杂的遗传效应。由于籽粒灌浆特性是受多基因控制的数量性状，不同程度上还受环境条件的影响，表现出复杂的动态变化特征。因此，迄今有关玉米籽粒灌浆速率的遗传研究报道甚少。深入开展玉米籽粒灌浆速率研究，探究其遗传机理和分子调控机制，有助于玉米优良品种的选育和改良，对提高粮食产量，保证国家粮食安全具有重要意义。本文着重从玉米籽粒灌浆的生理与关键酶活性以及遗传与环境等方面综述其研究进展。

1 玉米籽粒灌浆速率的生理与关键酶活性研究进展

1.1 灌浆速率的生理研究进展

光合作用制造的碳水化合物和根吸收的营养物质以及其他器官暂时贮存的物质，不断输送到籽粒并转化为贮藏物质的过程称为灌浆。而每日每粒增加的干重，称为灌浆速率。玉米籽粒灌浆从授粉开始，到乳线消失、黑色层形成所经历的时期为灌浆持续期。据张海燕报道，在玉米胚乳发育前期以细胞增殖为主，后期以淀粉积累为主。在整个灌浆期间胚乳细胞的增殖呈现“慢-快-慢”的变化趋势，但不同类型玉米的胚乳细胞增值的速率存在差异。研究表明，授粉15 d后，胚乳细胞数依次为普通玉米＞糯玉米＞甜玉米＞爆裂玉米[4]。范仲学等利用同位素示踪方法对夏玉米灌浆期的同化物转运研究表明，叶片14C同化产物输出和籽粒14C同化产物积累均呈先快后慢，且有一定阶段性[5]。用14C饲喂4 h后，叶片14C同化产物的存留率约为50%，饲喂36 h后，仅存留20%左右，饲喂36～60 h，存留率变化很小。另外，14C同化产物向籽粒运转速率也有明显阶段变化，饲喂后0～4 h平均为16.30 cpm·grain-1·h-1；4～12 h 下降到 4.13 cpm·grain-1·h-1；12～60 h 只有 0.99 cpm·grain-1·h-1。前后相邻两阶段以4倍速度递减。

从玉米整个灌浆期来看，灌浆速率呈现单峰曲线，在授粉后10 d内主要是玉米果（种）皮干重增长的时期，籽粒干重增长缓慢，干物质积累的最大速率出现在授粉后12～28 d，此时是干物质积累和产量形成的关键时期，之后积累速率下降[6]。一般来说，灌浆持续期的长短，对籽粒库的充实程度和粒重影响很大，灌浆速率快、持续时期长的品种，籽粒就饱满，千粒重就高。而据Borrás等报道，籽粒的重量主要与有效灌浆期籽粒生长率的变异性密切相关（r2=0.84；P＜0.001），而不是灌浆持续期[7]。当然，玉米灌浆速率还受相关酶活性[8-9]以及温度[10]、叶片氮素含量和衰老[11]等多种因素的影响与制约，在不同基因型间存在显著的差异。

此外，一些研究还表明，籽粒含水率与灌浆天数呈直线相关。籽粒含水率与灌浆速率两者具有相近的单峰变化曲线，并将其分为3个阶段：一是水分上升阶段，出现在授粉后10～15 d，含水率90%～80%，含水量急剧上升，但干物质积累较少，仅占最终干物质重的6.66%；二是水分平稳阶段，出现在授粉后15～40 d，含水率80%～40%，干物质直线增长达最终量的70%～80%；三是水分下降阶段，持续15 d左右，含水率40%～25%，干物质继续增加，但速度减慢[12]。显然，在籽粒干物质迅速积累前籽粒水分含量是增长的，在干物质快速积累期，籽粒最大含水量与最终粒重有很强的相关性（r2=0.94；P＜0.001）[13]。后期随着籽粒灌浆充实，含水量下降，到生理成熟期时，干物质和含水量的比值趋于平衡，当籽粒含水量下降到某一临界值时，灌浆停止。

1.2 灌浆速率的关键酶活性研究进展

由于淀粉约占籽粒干重的70%，所以，玉米籽粒的灌浆主要是淀粉的合成与积累[14]。因此，研究淀粉合成相关酶的活性，有助于从酶学调控水平探究灌浆速率的生理代谢机制。

大量研究表明，淀粉是在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPG-PPase）、淀粉合成酶（SS）、淀粉分支酶（SBE）和淀粉去分支酶（DBE）等一系列酶共同作用下合成的[15]。在复杂的淀粉合成过程中，控制直链淀粉合成的基因一定程度上也影响支链淀粉合成，而支链淀粉也可转化为直链淀粉[15]。岐化酶（DPE）和磷酸化酶（PHO）通常被认为与淀粉降解有关，但也有关于淀粉合成的研究表明，岐化酶和磷酸化酶可能在淀粉合成过程中起到一定作用[16-17]。在淀粉合成中，哪种酶是关键酶，不同学者看法不一。王强等分析了春玉米吐丝后不同天数ADPGPPase和SBE的活性与淀粉含量的相关性，发现春玉米吐丝后0～7 d，ADPG-PPase与淀粉含量呈不显著的负相关关系；吐丝后14 d，呈显著正相关关系；在吐丝后21～49 d，呈极显著正相关关系。ADPG-PPase活性与总淀粉、支链淀粉和直链淀粉含量最大相关系数分别为0.892、0.894和0.835。认为ADPG-PPase与淀粉形成积累密切相关，是春玉米淀粉形成的关键酶。同时发现SBE与淀粉组分相关性表现为支链淀粉＞总淀粉＞直链淀粉。认为SBE是支链淀粉形成的关键酶，对直链淀粉的形成也有一定的促进作用[18]。张海燕等研究结果表明，灌浆中后期SS活性与淀粉积累速率和籽粒灌浆速率均呈（极）显著正相关；ADPG-PPase、DBE活性与淀粉积累速率和籽粒灌浆速率的相关性未达到显著水平；束缚态淀粉合成酶（GBSS）活性与直链淀粉积累速率呈极显著正相关，与籽粒灌浆速率相关性不显著；SBE活性与支链淀粉积累速率和籽粒灌浆速率呈极显著正相关。因此认为ADPG-PPase和DBE不是影响玉米籽粒中淀粉积累的关键酶；SS是淀粉积累的限速因子；GBSS对直链淀粉积累起重要的调节作用；SBE对支链淀粉的积累起关键作用[19]。显然，王强和张海艳等对SBE作为支链淀粉合成的关键酶的看法是一致的。Zhang等以2个高淀粉玉米自交系和2个低淀粉玉米自交系为材料，研究了籽粒中直链淀粉、支链淀粉以及淀粉积累动态和关键酶活性。结果显示，灌浆期4个自交系籽粒中直链淀粉、支链淀粉和淀粉含量呈S型变化曲线，三者积累率的变化遵循单峰曲线，授粉后25～30 d达到峰值。4个自交系籽粒中ADPG-PPase、可溶性淀粉合成酶（SSS）和GBSS的活性变化也呈单峰曲线，峰值出现在授粉后20～30 d。SBE的活性变化在高淀粉自交系籽粒中表现单峰曲线，峰值出现在授粉后20 d，而低淀粉自交系表现双峰曲线，峰值分别出现在授粉后15～20 d和30～35 d。ADPG-PPase、SSS和GBSS的活性之间存在显著相关。综合分析表明高淀粉自交系和低淀粉自交系中SBE的表达是不同的，同时也证实了ADPG-PPase、SSS和GBSS的活性与直链淀粉、支链淀粉的合成与积累率之间存在显著正相关[3]。因此，初步证实ADPG-PPase、SSS和GBSS这3种酶是籽粒灌浆速率的关键酶。

2 灌浆速率遗传与环境和栽培技术的研究进展

2.1 灌浆速率与遗传背景

不同遗传背景材料的籽粒灌浆特性存在明显差异。Borrás等2006和2007年分别对32和35个玉米不同自交系的粒重（KW）、籽粒生长率（KGR）、灌浆持续期（GFD）等进行分析，结果显示，单粒重变化范围为 104～317 mg（2006）和 96～327 mg（2007），而KW的差异源于KGR（0.14～0.44 mg·Cd-1·kernel-1）和GFD（610～1 137 Cd）的不同组合。表明，不同自交系间KW的显著差异反映出KGR和GFD的广泛变异性[1]。有研究指出灌浆速率对粒重的作用大于有效灌浆期[20]，同一品种粒重的差异主要是由灌浆速率决定的，而不同品种粒重的差异则是由灌浆持续期的长短造成的[21]。闫淑琴等的研究结果也表明，不同自交系灌浆速率的配合力存在较大差异，同一自交系及同一自交系的不同杂交种各时期灌浆速率也有较大差异[22]。据马冲等报道，不同熟期的品种，灌浆特性不同，如中早熟品种东岳21和东岳169粒重高而稳定主要是其灌浆高峰期持续时间长，灌浆强度大；而晚熟品种掖单13干物质形成主要集中在灌浆中前期，后期积累较少，所以粒重较低，早熟种掖单4号灌浆高峰期持续时间短是粒重低的主要原因[23]。吴春胜对超高产玉米灌浆速率与干物质积累特性研究的结果表明，超高产玉米（先玉335和郑单958）的灌浆速率高值持续期显著高于普通品种（长城799和通吉100），4个品种高值持续期依次分别为56、48、39和39 d[24]。显然，灌浆强度大、灌浆高峰期持续时间长的材料，有利于增加粒重，提高其产量。

2.2 灌浆速率与基因表达

早在1983年，Alexander等研究了控制胚乳糊粉层颜色基因（R-nj）的表达与灌浆特性，结果表明，选择R-nj表达高即糊粉层颜色深的会增加干物质积累速率（RDMA），而降低有效灌浆持续期（EFPD）；相反，选择颜色浅的会减少RDMA而增加 EFPD[25]。Miller等与 Cheng等分别筛选到Miniature 1（mn1）突变体，该突变体籽粒重量不及野生型的30%[26-27]，控制该突变性状基因的表达会导致结合态和游离态细胞壁转化酶活性降低[28]。Maitz等从A69Y×glossy2-En F2群体中筛选出籽粒大小一致但粒重降低的突变体rgf1（Reduce grain filling1），该突变籽粒重量仅相当于野生型的30%，与其他大多数胚乳缺陷突变相比，rgf1基因在胚乳中具有剂量表达的特点，是通过调控底层胚乳和花梗的发育降低籽粒灌浆速率的。rgf1突变基因只使籽粒的胚乳变得很小，而不影响胚的发育[29]。此外，Fumio等利用筛选出的簇生果穗突变体分离得到fea2（Fasciated ear2）基因，并做了功能验证，发现玉米fea2基因编码一种有多个亮氨酸重复的类受体蛋白，它具有调节茎秆分生组织增殖的功能。该基因的表达会引起幼穗小花分生组织的过度增殖，从而决定幼穗分生组织的大小和数量[30]。Shin等利用单核苷酸扩增多态性（SNAPs）分析方法研究了糯玉米、马齿玉米和甜玉米籽粒淀粉合成基因（sh2,bt2,su1,ae1,wx1和sh1）的遗传差异，序列表达分析结果将糯玉米、马齿玉米和甜玉米分别聚为不同亚类[14]。

Yan等在玉米全基因组中检测到30个与淀粉合成相关的基因[31]。这些基因存在组织和发育时期的特异性表达，调控着淀粉合成中关键酶的合成，进而影响淀粉的合成。

2.3 灌浆速率的QTL分析

众所周知，灌浆速率是受多基因控制的数量性状，远比单基因控制的性状表现复杂的多。因此，长期以来，对灌浆速率的数量性状位点（QTL）分析一直是一个挑战。20世纪80年代末，分子数量遗传学开始应用于生物数量性状的遗传分析，自20世纪90年代以来，对玉米许多重要农艺性状都进行了QTL分析，定位了大量控制目标性状的QTL，为进一步对玉米数量性状的深入研究提供了依据。迄今，国内外发表关于玉米性状QTL分析的学术论文多达400余篇，定位的QTL近3 000个，覆盖了玉米的所有染色体。涉及的性状主要有产量及其相关性状。但是从基因水平上关于玉米籽粒灌浆速率的研究鲜见报道。

籽粒灌浆也是一个复杂的动态变化过程，限于研究条件和技术手段，对其遗传多样性研究和灌浆过程中籽粒动态发育的测定存在一度的难度。为揭示数量性状基因表达的时空特异性，吴为人等提出了动态性状发育的QTL定位策略和方法[32]。朱军等已开发出性状动态发育QTL分析的应用软件[33]，为解决此问题提供了方便。尽管目前这一方法在主要农作物的一些性状研究中得到了应用，但关于玉米籽粒灌浆方面的动态QTL分析并不多。Thévenot等利用100个家系组成的重组近交系（RIL）群体，在授粉后15、25和35 d分别取样，测定籽粒灌浆过程中主要酶活性，定位了相关性状大量的QTLs，发现仅有1个QTL在3个取样时期持续表达；一些染色体区域有QTLs富集，有4个QTLs与编码蔗糖合成酶基因Sh1（bin 9.01）临近[34]。Liu等利用一套包含203个家系的RIL群体，通过两年试验和分期取样测定百粒重，定位了23个非条件QTLs和9个条件QTLs，分布在除第9染色体以外的其他染色体上，其中有6个条件QTLs与非条件QTLs是共同检测到的[35]。

传统的基因组作图和图位克隆尽管已经成功地应用于分离简单的孟德尔性状基因，但对于QTL的定位与克隆却并不成功，原因在于多位点的累加效应和环境因子的介入会影响表型的变化，进而引起位点多样性与表型变化相关性的降低。随着高通量生物芯片、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的发展，产生了诸如GWA（Genome wide association）、eQTL（Expression QTL）和 PQL（Protain quantity loci，PQL）等新的QTL研究方法。新方法的优势在于，通过高通量的生物芯片可对全基因组的SNPs差异进行分析，进而获得可靠的QTL分析结果[36-37]。eQTL分析方法是把每个基因的表达看做一个数量性状并将其定位到基因组位点或标记上[38]。PQL是利用双向电泳技术，大规模分析鉴定蛋白质存在的差异，通过计算机对蛋白质双向电泳的分析以量化由遗传变异引起的蛋白质点的密度，可以把控制这些变异的位点定位到基因组上[39]。eQTL和PQL将表达数据与表型相结合，会缩小候选基因的范围。此外，随着反向遗传学的发展，产生了靶向局部基因组损伤（Targeting-induced local lesions in genomes，TILLING）技术，促进了功能基因组的研究[40]。

2.4 灌浆速率与环境和栽培技术

灌浆速率不仅受基因的控制，同时还受生产环境条件和栽培技术如生态、播期、施肥水平、耕作方式等的影响。Kapetanaki等研究报道了希腊中部和北部3个地点气候变化对玉米产量的影响，分析表明，各地点气候变化导致产量降低主要是生长期缩短所致，利用早播和选用新的玉米品种可以缓解环境的影响，中部地区灌浆速率高的品种通常可以扩展到北部种植，而中部地区需要灌浆期较长的品种[41]。李绍长等的研究表明，在不同的生态区，分期播种对籽粒灌浆的影响不同。在新疆石河子地区，随着播种期的推迟，玉米灌浆进程变慢，持续时间延长，灌浆速率下降，粒重减轻；而在山东泰安，播期对粒重的影响不大。两地间玉米籽粒灌浆对播期反应不同主要是由纬度的不同而造成的日照时数和秋季气温变化不同所致[42]。同一品种，由于施肥水平不同会影响玉米不同发育时期养分的积累，进而影响籽粒产量[43-45]。张雯等研究了不同垄作保护性耕作方式对玉米产量及其形成过程的影响。结果表明，垄作保护性耕作方式具有明显的增产效果，留茬免耕、留茬覆盖和灭茬免耕分别比传统耕作增产12.0%、13.6%和7.8%。认为不同耕作方式玉米灌浆速率不同，其中保护性耕作方式玉米灌浆速率的优势表现在授粉15 d以后[46]。张文斌等研究了种植密度对全膜双垄沟播玉米籽粒灌浆进程及产量的影响，认为种植密度对全膜双垄沟播玉米单粒质量的影响主要是灌浆速率所致，而灌浆持续期对其影响较小[47]。袁刘正等对郑单958倒伏后不同层面籽粒的灌浆特性进行了比较分析，结果表明，上层植株比下层植株灌浆速率快、灌浆持续时间长、籽粒含水量较低、脱水较快，在同样倒伏情况下上层层面减产幅度较小[48]。显然，无论大环境或微环境的变化，均会影响灌浆速率，最终影响籽粒产量。

3 今后的研究热点及方向

灌浆速度是玉米育种的一种重要选择性状。东北春玉米区由于生育期内有效积温的限制，迫切需要灌浆速率高、生育期适中的品种，以提高其产量和品质；在黄淮海夏玉米区，玉米生长季节短，后期阴雨寡照天气多，灌浆速度同样影响玉米的产量和品质。而灌浆速度又是一个复杂的数量性状，目前关于玉米灌浆速度的遗传研究尚属空白。随着生物技术的发展，有关灌浆速率的主基因或主效QTL的定位会越来越多，特别是高通量技术和生物信息技术的应用，在全基因组测序基础上，从整体水平上系统深入研究有关灌浆速率的主基因结构、功能、相关基因网络、功能与互作关系将成为今后的研究热点。根据育种目标要求，利用分子标记辅助选择和进行分子设计育种，有效提高玉米的灌浆速率，从而进一步提高玉米的产量和品质将是今后玉米研究的重要方向。这对有效缩短育种年限，加快高灌浆速率新品种的选育必将发挥重要作用。

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