玉米直链淀粉含量遗传研究进展

孟令瑞　孙明茂等

摘要：高直链淀粉在食品、包装、造纸和生物降解材料等产业中占据着越来越重要的地位。本文在介绍高直链淀粉用途的基础上，综述了玉米直链淀粉含量变异、生态环境影响、直链淀粉含量遗传、生物合成、玉米直链淀粉含量的分子生物学研究以及高直链淀粉玉米种质创新，展望了今后高直链淀粉玉米育种的发展方向。

关键词：玉米直链淀粉含量遗传种质创新

淀粉是植物体内贮藏的高分子碳水化合物，富含淀粉的植物主要包括蕨类、壳斗科、禾本科、蓼科和百合科等。其中，禾本科玉米淀粉是人类主要的淀粉来源之一，也是工业淀粉和以淀粉为原料的深加工产业主要原料，美国淀粉加工业中95％的淀粉都是玉米淀粉。普通淀粉颗粒内支链淀粉约占80％，直链淀粉约占20％。直链淀粉是种由D吡喃葡萄糖组成的线性聚合物，各葡萄糖单体主要以α-1，4-糖苷键连接，每个直链淀粉分子通常含有数千个葡萄糖单体。而支链淀粉是种具有树枝形分支结构的多糖，D-吡喃葡萄糖单位通过α-1，4-糖苷键连接成直链，此直链上又可通过α-1，6糖苷键形成侧链，在侧链上又会出现另一个分支侧链。直链淀粉经理化修饰后功能会加强，如将直链淀粉进行溶解，与氢键结合，可形成刚性不透明胶体保持糖果固定形状与造型：直链淀粉还用作食品增厚剂、炸薯条过程中阻止薯条过度吸收油分的包衣剂：玉米直链淀粉是生产光解塑料最佳原料，是解决目前日益严重白色污染的有效途径。直链淀粉含量越高，分子问越容易结合，剪切力越强，成膜性能越好。直链淀粉含量超过50％的淀粉称为高直链淀粉，从普通玉米品种中提取直链淀粉成本很高，因此培育高直链淀粉玉米品种对于淀粉产业具有重要经济价值。

1玉米直链淀粉含量变异

Vineyard等（1958）采用一份共同ae基因来源的玉米自交系和135份玉米自交系分别杂交，发现其杂交种直链淀粉含量变幅在36.5％～64.9％。Fergason等（1966）研究表明玉米果穗的上、中和下籽粒直链淀粉含量分别为67.4％、69.8％和71.9％。Boyer等（1976）报道玉米直链淀粉含量与细胞生理成熟程度呈正比，随着细胞成熟，淀粉粒变大，直链淀粉含量随之增加；胚乳基部细胞淀粉合成晚，淀粉粒小，直链淀粉含量低。顾晓红（1998）对中国国家种质资源库中长期保存的1060份玉米种质进行品质分析，结果显示玉米直链淀粉含量变异幅度为0.36％-33.14％，平均为28.67％，大部分种质直链淀粉含量介于25％-31％之间。

2生态环境对玉米直链淀粉含量影响

Fergason和Zuber（1962）用6份玉米自交系（1份正常马齿型、4份ae基因型、1份du基因型自交系）连续3年在8个州做试验，结果表明地点和年份对玉米直链淀粉含量均有显著影响，但地点比年份影响更大。Fergason和Zuber（1962）用4份高直链淀粉玉米单交种在2年、12个地点的试验中，发现地点、年份和品种问的复杂相互作用。其中地点差异最大，并且生长季节较低的温度产生高直链淀粉含量。Helm等（1968）试验发现延迟播种期总是与玉米高直链淀粉含量和低产量正相关，表明玉米直链淀粉含量和生长期积温呈负相关，延迟播种有利于提高玉米直链淀粉含量，但降低其他农艺性状表现。

3直链淀粉含量遗传

Garwood等（1972）研究发现若干ae位点玉米变异体的直链淀粉含量决定于ae基因与其修饰基因的相互作用。Fuwa等（1999）研究结果证明，ae基因的不同等位基因对玉米直链淀粉含量有不同影响。滕文涛等（2001）研究发现，在ae基因纯合的情况下，不同玉米自交系对直链淀粉含量提高幅度存在巨大差异，表明遗传背景与ae基因之间存在某种互作关系或者不同自交系存在不同数量的直链淀粉含量的修饰基因。将3份ae基因供体亲本和8份普通玉米自交系进行回交转育，测定自交系本身及回交转育的BC₁F₁和BC₁F₂代直链淀粉含量，结果表明BC₁F₁和BC₁F₂代的直链淀粉含量比普通玉米自交系的直链淀粉含量都有定程度增加，而且BC₁F₂代的直链淀粉含量比BC₁F₁代的直链淀粉含量更高。这是因为BC₁F₂代中的ae基因处于纯合状态，而BC₁F₁代中的ae基因处于杂合状态，玉米高直链淀粉含量性状是由隐性ae基因控制。Stinard和Robertson（1988）发现一个ae基因的显性变异体Ae-5180，淀粉中直链淀粉的含量为72％。Ae-5180基因对玉米直链淀粉含量具有花粉直感效应。

利用玉米ae和du隐性纯合突变自交系与普通玉米自交系48-2的杂交F₁、F₂代籽粒为研究材料，通过单粒法测定籽粒的直链淀粉含量和质量，用于分析玉米胚乳突变基因ae和du的遗传效应。结果表明，F₂代中具有ae或者du纯合突变的籽粒表皮皱缩，质量明显下降，直链淀粉含量显著提高。在ae与du的杂交后代中，籽粒的单粒重和直链淀粉含量没有显著变化，表明ae与du双突变并不能导致直链淀粉含量增加。单突变的ae和du群体内各籽粒问的直链淀粉含量和质量差异较大，说明遗传背景中存在影响直链淀粉含量的修饰基因。以16个引进和自选的常规玉米自交系及ae近等基因系为材料，测定了自交系本身及其杂交组合的直链淀粉含量。结果表明简单回交转育成的玉米品种，ae基因能显著提高其直链淀粉含量，但只有ae基因的籽粒直链淀粉含量为50％左右，遗传背景对直链淀粉含量的影响主要表现为非加性效应。

4直链淀粉生物合成

直链淀粉主要是由颗粒结合型淀粉合成酶Ｉ（GBSSl）催化合成，而支链淀粉主要是由可溶性淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶协同催化而成。

5玉米直链淀粉含量变异的分了牛物学研究

颗粒结合型淀粉合成酶Ｉ（GBSSl）除催化直链淀粉合成外，还参与支链淀粉超长分支链的合成。

高珍妮和王汉宁（2007）研究发现，高直链淀粉玉米籽粒发育过程中，颗粒结合型淀粉合成酶（GBSSl）活性高于普通玉米，而可溶性淀粉合成酶（SSS）和淀粉分支酶（SBE）活性低于普通玉米。高直链淀粉玉米品种总淀粉积累量少、直链淀粉含量高是SSS、GBSSl和SBE综合作用的结果。基因序列比对分析表明，高直链淀粉玉米和普通玉米的cDNA序列具有较高同源性，但是所测高直链淀粉玉米ae基因的第9个外显子序列全部缺失，而且高直链淀粉玉米与普通玉米ae基因cDNA序列存在几个不同碱基的差异。高直链淀粉玉米与NCBl数据库中sbel基因的cDNA序列具有很高的同源性，但是所测玉米品种GMES-0067（直链淀粉含量>70％）的sbel基因有15个碱基的改变，其中5个碱基改变导致该位点氨基酸发生突变，而其他高直链淀粉玉米品种sbel基因与网上公布sbel基因序列预测的蛋白序列没有差异。

6高直链淀粉玉米种质创新

在20世纪70年代，美国用于商业生产的高直链淀粉玉米杂交种有两种类型，ClassⅥ（含直链淀粉50％）和ClassⅦ（含直链淀粉70％-80％）。到20世纪80年代，Custom农场种子公司推出直链淀粉含量超过94％的ClassⅦ和ClassⅨ玉米单交种。柴晓杰等（2005）利用RNA干涉技术，抑制玉米淀粉分支酶基因SBEIIb表达，使支链淀粉的合成受到抑制，在总淀粉含量基本没有改变的情况下，将转基因玉米植株直链淀粉含量提高到50％左右。中国农业大学国家玉米改良中心培育出高直链淀粉玉米新组合ND-ae-0201，该组合籽粒直链淀粉含量50％左右，2002年该组合在中国农业大学北京昌平实验站参加特用玉米产量评比试验，穗长22.5cm、穗粗4.9cm、每穗16～18行，千粒重289.6g。

为进一步获得高淀粉高直链淀粉含量玉米材料，以淀粉分支酶SBE活性受到严重抑制的高直链淀粉含量（54％）株系为母本和AGPase（葡萄糖焦磷酸化酶）大、小亚基基因过量表达的高淀粉含量（77％）株系为亲本，通过有性杂交，产生转基因聚合植株，其直链淀粉含量最高为53.5％，对应的总淀粉含量为71％。而未转基因对照的直链淀粉含量为28％，总淀粉含量约66％。

7展望

高直链淀粉因其特殊分子结构和理化性质，具有独特营养功能、消化特性和加工性能，应用前景广泛，是当前玉米育种研究中的热点之一。但是高直链淀粉玉米育种不仅要考虑籽粒直链淀粉含量，而且还要考虑总淀粉含量以及农艺性状，育种难度很高。直链淀粉合成受复杂的基因与环境互作的影响，当前高直链淀粉玉米育种中遇到的主要问题是淀粉总含量的减少和较高的水分含量，最终导致减产。目前高直链淀粉玉米杂交种的产量低于普通玉米和糯玉米杂交种的产量，仅为普通玉米的65％-75％，差异达20％-30％。

要完成高直链淀粉玉米育种的目标，不仅需要合理搭配各种有效育种途径，更关键的是对育种总目标进行分解，通过种质创新，培育出各个符合育种分解目标的新种质。谷明光和黄克虎（2002）分析鉴定国家种质资源库长期保存的玉米种质，结果表明我国玉米种质资源中高淀粉种质非常稀少，特别是高直链淀粉材料（直链淀粉含量>50％）空缺。这就需要我们方面通过引进国外的高直链淀粉含量及高总淀粉含量玉米优异种质，另外方面通过基因突变、转基因等途径如过量表达GBSSl、AGPase、Sucrosesynthase（蔗糖合成酶）和SSS等基因，抑制表达SBElla、SBEllb和SBEl等基因培育符合中国国内生态环境条件的高直链淀粉含量及高总淀粉含量玉米优异种质。在转基因后代筛选中，尽量选择既满足育种分解目标，千粒重、籽粒水分含量等农艺性状又优良的植株、株系。最后通过基因聚合育种等途径，把各个分解育种目标综合起来，最后得到我们期望的满足育种总目标的高直链淀粉玉米新品种。