玉米雄穗碳氮代谢研究

徐洪文 宋凤斌 童淑媛 朱先灿

摘要：大田条件下，以农大３６４和郑单９５８为材料，对两种基因型玉米各生育时期雄穗可溶性糖、蔗糖以及可溶性蛋白质积累状况进行了研究。结果表明，随着玉米生育进程的推进，可溶性糖、蔗糖含量呈现先升后降的变化趋势，在散粉期达最高值，说明抽雄期至散粉期是一个碳水化合物积累的过程。可溶性蛋白质呈现不断下降的变化规律，成熟期降至最低值。

关键词：玉米；雄穗；可溶性糖；蔗糖；可溶性蛋白质

中图分类号：Ｓ５１３．０１文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）14－2918-03

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ Ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ ｏｆ Ｔａｓｓｅｌ in Ｍａｉｚｅ

ＸＵ Ｈｏｎｇ－ｗｅｎ１，２，ＳＯＮＧ Ｆｅｎｇ－ｂｉｎ２，ＴＯＮＧ Ｓｈｕ－ｙｕａｎ２，ＺＨＵ Ｘｉａｎ－ｃａｎ２

（１． School of Urban and Environmental Science， Ｈｕａｉｙｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｕａｉａｎ ２２３３００，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；

２．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ａｇｒｏｅｃｏｌｏｇｙ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００１２， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｎｏｎｇｄａ ３６４ ａｎｄ Ｚｈｅｎｇｄａｎ ９５８ ｗｅｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ， ｓｕｃｒｏｓｅ， ａｎｄ ｓｏｌｕｂｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎ ｔａｓｓｅｌ ｏｆ ｍａｉｚｅ（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．） ｕｎｄｅｒ ｆｉｅｌｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ ａｎｄ ｓｕｃｒｏｓｅ ｉｎ ｔａｓｓｅｌ ｏｆ ｔｗｏ ｇｅｎｏｔｙｐｅｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｆｉｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ， ａｎｄ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅｓ ａｔ ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ｐｅｒｉｏｄ， ｗｈｉｃｈ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｉｔ ｗａｓ ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅ ｆｒｏｍ ｔａｓｓｅｌｌｉｎｇ ｔｏ ｄｉｓｐｅｒｓａｌ ｐｅｒｉｏｄ． Ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｓｏｌｕｂｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ｉｎ ｔａｓｓｅｌ ｗｅｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｇｒｏｗｉｎｇ ｏｆ ｍａｉｚｅ， ａｎｄ ａｔｔａｉｎｅｄ ｌｏｗｅｓｔ ａｔ ｍａｔｕｒｅ ｐｅｒｉｏｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍａｉｚｅ（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．）； ｔａｓｓｅｌ； ｓｏｌｕｂｌｅ ｓｕｇａｒ； ｓｕｃｒｏｓｅ； ｓｏｌｕｂｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎ

植物碳氮代谢是农业研究的重要问题［１］，碳水化合物和含氮有机物分别是构成作物产量、品质的物质基础，其变化动态直接影响着植物光合产物的形成、转化以及矿质营养的吸收、蛋白质的合成等［２］。碳氮代谢强度和协调程度对作物生长发育、各类化学成分的形成与转化具有重要影响，直接或间接关系到作物产量和品质的形成与提高［３］。关于玉米（Ｚｅａ ｍａｙｓ Ｌ．）碳氮代谢的研究主要集中在营养器官上［４，５］，而在生殖器官方面尚缺乏系统性研究［６，７］。雄穗是玉米生殖器官之一，发挥着重要的生理功能。从植物生理的“源、流、库”学说来看，雄穗既是光合产物供应的重要“库”之一，又由于穗颈富含叶绿体且处在良好的光合环境下，可视为光合产物的“源”及输送养分的“流”，发达的雄穗可为个体繁衍后代提供稳定的条件及竞争能力。因此了解其代谢生理特点对玉米高产育种以及生殖生长发育调控研究具有现实意义。

１材料与方法

１．１试验材料及试验设计

供试材料为目前在东北主推品种中叶片形态差异较大的两个品种郑单９５８和农大３６４。郑单９５８属于紧凑型中早熟玉米杂交种，农大３６４属于平展型中晚熟品种。

试验于中国科学院东北地理与农业生态研究所德惠农业示范试验基地（东经１２５°３３′，北纬４４°１２′）进行。试验地共分为两个小区，每一品种为一个小区，每小区面积为１ ５００ ｍ２，南北行向种植。磷肥、钾肥和部分氮肥作基肥（每小区施入含Ｎ、Ｐ２Ｏ５、Ｋ２Ｏ分别为１５％、１５％、１５％的玉米专用复合肥９０ ｋｇ），其余氮肥于拔节前作追肥（每小区施入ＮＨ４ＮＯ３ ６０ ｋｇ），管理措施同大田。

１．２测定项目及方法

１．２．１上清液的提取精确称取样品０．０５ ｇ于离心管中，加入５ ｍＬ水，研磨匀浆，１００ ℃水浴加热３０ ｍｉｎ，４ ０００ ｒ／ｍｉｎ离心１０ ｍｉｎ，收集上清液于５０ ｍＬ容量瓶中，沉淀中再加水混匀后离心，３次重复，将上清液定容至５０ ｍＬ。

１．２．２可溶性糖的测定蒽酮试剂：０．１５ ｇ蒽酮溶于７６ ｍＬ浓硫酸加入３０ ｍＬ水中。测定步骤：抽取１ ｍＬ样品液于试管中，于冷水浴中加入５ ｍＬ蒽酮试剂后混匀，于９０ ℃水浴中加热１５ ｍｉｎ，取出后水浴中冷却，于６２０ ｎｍ处测定吸光度。

１．２．3蔗糖的测定蒽酮试剂：０．４0 ｇ蒽酮溶于１００ ｍＬ ８８％的硫酸中溶解后冷却备用。测定步骤：精确吸取样品液１０ ｍＬ，加入２ ｍｏｌ／Ｌ的氢氧化钾溶液２ ｍＬ，沸水浴中煮沸１０ ｍｉｎ。取出迅速冷却至室温，加水稀释至５０ ｍＬ，摇匀。精确吸取稀释液２ ｍＬ于干净试管中，加蒽酮试剂６ ｍＬ。摇匀并立即置于沸水浴中加热５ ｍｉｎ，取出立即在冷水中冷却（不断摇动），在６４０ ｎｍ处测定吸光度。

１．２．4可溶性蛋白质含量的测定称取０．５0 ｇ玉米子粒放入研钵中，加５ ｍＬ ｐＨ ７．８的磷酸缓冲液，冰浴研磨，匀浆倒入离心管中，冷冻离心２０ ｍｉｎ，转速为４ ０００ ｒ／ｍｉｎ，上清液倒入试管中在０～４ ℃下保存待用。称取１００ ｍｇ Ｇ－２５０，溶于５０ ｍＬ ９５％的乙醇中，加入８５％的正磷酸１００ ｍＬ（血红色），最后加去离子水定容至１ ０００ ｍＬ（褐色）。取上清液０．５ ｍＬ，加入５ ｍＬ Ｇ－２５０蛋白质试剂混匀，５ ｍｉｎ后在５９５ ｎｍ处测定吸光度。

２结果与分析

２．１玉米雄穗可溶性糖含量的变化

作物体内碳水化合物的含量大约占干物质总量的９０％～９５％，碳水化合物能够互相转化和再利用的主要是可溶性糖［８］。可溶性糖是碳水化合物代谢和暂时贮藏的主要形式，所以在植物代谢中占有重要位置。花粉的发育和形态建成需要正常的物质代谢和能量供应，光合产物运输到花药后，尤其在花药的药室内壁和中层细胞中有大量的淀粉积累。淀粉在淀粉酶的催化下转化为可溶性糖，供花粉发育所需［９］。由测试结果（图１）可知，两个玉米品种的雄穗中可溶性糖含量变化趋势相仿。在散粉期含量最高，农大３６４和郑单９５８可溶性糖含量分别达到４７．９４和５３．５0 μｇ／ｇ，之后随着雄穗的发育逐渐降低，到成熟期均最低。

２．２玉米雄穗蔗糖含量的变化

蔗糖是光合作用形成的第一个碳水化合物，它是叶片光合产物的暂存形式。蔗糖的合成趋向于随光合产物输出情况的改变而改变［１０］。由图２可知，随着玉米生育进程的推进，雄穗中蔗糖含量与可溶性糖含量呈现的变化规律基本一致，抽雄期至散粉期，蔗糖含量逐渐增高，且在散粉期达到最高值，农大３６４和郑单９５８雄穗蔗糖含量分别达到１２．６５和１２．４２ μｇ／ｇ，随后逐渐降低，并在成熟期降至最低。说明抽雄期至散粉期是一个碳水化合物积累的过程，碳水化合物是雄穗生长发育的能量来源和物质基础。可溶性糖和蔗糖的积累在散粉期达到最大值，为花粉粒的形成打下了足够的物质基础。碳水化合物不足会影响花粉粒的形成和胚囊的发育、受精和结实［１１］。玉米抽雄后即进入物质充实时期，因此要维持较高的玉米花粉质量和形成充分充实的花粉粒，必须保证玉米植株在抽雄到散粉这段时间有较好的营养条件和良好的生长状态。

２．３玉米雄穗可溶性蛋白质含量的变化

可溶性蛋白质是植物所有蛋白质组分中最活跃的部分，包括各种酶原、酶分子和代谢调节物，在花粉发育中起着十分重要的作用，对雄蕊和雌蕊正常的生长发育及整个有性生殖过程均具有十分重要的意义［１２，１３］。雄穗发育过程中可溶性蛋白质的亏损必然会影响花粉的正常发育。从图３可以看出，两个玉米品种不同生育时期雄穗中可溶性蛋白质含量变化趋势基本一致，即随着玉米的发育均呈明显下降的趋势。从抽雄期到成熟期，农大３６４和郑单９５８雄穗中可溶性蛋白质含量分别降低了４１．２１％和４２．６９％，可见两个玉米品种间可溶性蛋白质含量的降幅比较接近，且不同生育时期的数值相差亦不显著。一方面可能是由于花粉形成过程中组织需要大量的能量和物质供应使得可溶性蛋白质含量下降，另一方面氮素用于结构蛋白质的比例较大也是导致可溶性蛋白质含量降低的主要原因。

３讨论

碳氮代谢的强度、在生长发育过程中的动态变化对玉米产量和品质形成将产生重大影响［１４］，合理调控碳氮营养与否，关系到产量的高低和品质的优劣。尤其是在玉米生育后期，氮代谢有利于小花原基分化，促进小花发育，因此保证充足的碳氮营养有利于玉米雌、雄穗的分化发育，为高产奠定物质基础。试验结果表明，郑单９５８和农大３６４雄穗中可溶性糖和蔗糖含量均在玉米散粉期达到最高值，从而保证了玉米花粉形成所需的营养条件。雄穗发育过程中碳氮代谢失调可能导致其分化速度减慢，甚至衰亡。因此，在生产实践中，通过适当的栽培管理措施调控，可促进碳氮物质生产与转运，实现玉米高产。

作物的源、库可因其部位和所起作用的不同而发生动态变化。源、库关系对玉米产量和品质的形成起着限制性作用［１５］，在玉米栽培上，通过调节体内碳氮代谢，促使源、库关系协调发展，在保证一定雄穗数目的基础上，充分发挥个体生产潜力，提高花粉量，从而实现超高产栽培的目标；在育种中进行亲本选配和后代选择时，则应特别注重雄穗碳氮代谢协调能力较强的品种。目前对玉米碳氮代谢的研究多针对某个特定的生理代谢过程，对碳氮代谢协调性研究甚少，而玉米的产量却往往是二者共同协调作用的结果，因此有必要确定一个指标来衡量二者的协调程度。开展雄穗碳氮代谢协调方面的研究不仅可以从营养生理的角度为玉米高产提供理论依据，而且可以很好地解释农业生产中因碳氮代谢不协调所导致的产量不理想现象。测定玉米雄穗糖类和蛋白质的丰缺程度，一方面有望从营养生理的角度为协调碳氮代谢提供准确信息，进而通过农艺措施改善和调控碳氮代谢来提高玉米产量和品质；另一方面，也为玉米的源、库动态和养分吸收转移的定量化研究提供参考。

参考文献：

［１］ 刘化冰，杨铁钊，张小全，等．不同耐氮肥烤烟品种质外体ＮＨ４＋浓度差异和有关生理指标分析［Ｊ］．中国农业科学，２０１０，４３（１４）：３０３６－３０４３．

［２］ 葛体达，黄丹枫，芦波，等．无机氮和有机氮对水培番茄幼苗碳水化合物积累及氮素吸收的影响［Ｊ］．应用与环境生物学报，２００８，１４（５）：６０１－６０４．

［３］ 云菲，刘国顺，史宏志，等．光氮互作对烤烟光合作用及叶绿素荧光特性的影响［Ｊ］．中国农业科学，２０１０，４３（５）：９３２－９４１．

［４］ ＰＯＭＭＥＬ Ｂ， ＧＡＬＬＡＩＳ Ａ， ＣＯＱＵＥ Ｍ， ｅｔ ａｌ． Ｃａｒｂｏｎ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ａｌｌｏｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｇｒａｉｎ ｆｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｚｅ ｈｙｂｒｉｄｓ ｄｉｆｆｅｒｉｎｇ ｉｎ ｌｅａｆ ｓｅｎｅｓｃｅｎｃｅ［Ｊ］． Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｇｒｏｎｏｍｙ，２００６，２４（３）：２０３－２１１．

［５］ ＫＩＭ Ｈ， ＷＯＬＯＳＨＵＫ Ｃ Ｐ． Ｒｏｌｅ ｏｆ ＡＲＥＡ， ａ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｍｅｔａｂｏｌｉｓｍ， ｄｕｒｉｎｇ ｃｏｌｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｋｅｒｎｅｌｓ ａｎｄ ｆｕｍｏｎｉｓｉｎ ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ Ｆｕｓａｒｉｕｍ ｖｅｒｔｉｃｉｌｌｉｏｉｄｅｓ［Ｊ］． Ｆｕｎｇａｌ Ｇｅｎｅｔｉｃｓ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ，２００８，４５（６）：９４７－９５３．

［６］ ＸＵ Ｈ Ｗ， ＳＯＮＧ Ｆ Ｂ， ＺＨＵ Ｘ Ｃ， ｅｔ ａｌ． Ｐｈｏｔｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ， ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ ｎｏｎ－ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃａｒｂｏｈｙｄｒａｔｅｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｈｕｓｋ ｌｅａｖｅｓ ｏｆ ｍａｉｚｅ ｉｎ ｂｌａｃｋ ｓｏｉｌｓ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ａｆｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， ２０１０，５（９）：７８５－７９１．

［７］ 徐洪文，宋凤斌，童淑媛，等．两种基因型玉米苞叶的衰老生理特性［Ｊ］．植物资源与环境学报，２００８，１７（３）：２８－３２．

［８］ 李潮海，刘奎，连艳鲜．玉米碳氮代谢研究进展［Ｊ］．河南农业大学学报，２０００，３４（４）：３１８－３２３．

［９］ 李正理．棉花形态学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９７９．

［１０］ 夏淑芬．玉米叶片淀粉和蔗糖的昼夜变化与光合产物的输出［Ｊ］．植物生理学报，１９８２，８（２）：１４１－１４８．

［１１］ 沈玉英．兔眼越桔花粉的超微结构和营养成分与其育性关系研究［Ｊ］．西北植物学报，２００８，２８（８）：１６０１－１６０９．

［１２］ 唐锡华，黄庆榴，茅剑蕾．粳型光敏核不育水稻７００１Ｓ的光温反应特性与花粉育性转换及其过程中花药蛋白质的变化［Ｊ］．作物学报，１９９４，２０（２）：１５６－１６０．

［１３］ 孙谷畴，林植芳，林桂珠，等．细胞质雄性不育水稻幼穗和花粉发育期的蛋白酶活性变化［Ｊ］．热带亚热带植物学报，１９９７，５（４）：４５－５１．

［１４］ ＭＡＲＸ Ｍ， ＢＵＥＧＧＥＲ Ｆ， ＧＡＴＴＩＮＧＥＲ Ａ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆａｔｅ ｏｆ １３Ｃ ｌａｂｅｌｌｅｄ ｍａｉｚｅ ａｎｄ ｗｈｅａｔ ｒｈｉｚｏｄｅｐｏｓｉｔ－Ｃ ｉｎ ｔｗｏ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｓｏｉｌｓ ｉｎ ａ ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｕｎｄｅｒ １３Ｃ－ＣＯ２－ｅｎｒｉｃｈｅｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ［Ｊ］． Ｓｏｉｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００７，３９（２）：３０４３－３０５５．

［１５］ 赵营，同延安，赵护兵．不同施氮量对夏玉米产量、氮肥利用率及氮平衡的影响［Ｊ］．土壤肥料，２００６（２）：３０－３３．