超黑糯玉米籽粒发育过程中色素积累的动态变化

李桂萍，周丽娟，蔡士兵，巴青松

（1.淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北 235000；2.安徽濉溪农业科学研究所，安徽 濉溪 235100）

超黑糯玉米籽粒发育过程中色素积累的动态变化

李桂萍1，周丽娟1，蔡士兵2，巴青松1

（1.淮北师范大学生命科学学院，安徽 淮北 235000；2.安徽濉溪农业科学研究所，安徽 濉溪 235100）

摘 要：为探明超黑糯玉米籽粒发育过程中黑色素的积累规律，以超黑糯玉米自交系I46和白糯玉米自交系BN13杂交F2群体中性状为黑糯（黑糯27）和白糯（白糯66）为材料，通过显微观察、类胡萝卜素含量以及花色甙含量的测定，研究超黑糯玉米籽粒发育过程中黑色素的积累及类胡萝卜素和花色苷的变化规律。结果表明：超黑糯玉米籽粒黑色素主要分布于果种皮中，而糊粉层没有黑色素分布，随着籽粒的发育，黑色素从籽粒远胚端开始沉积直至分布到整个籽粒；在黑糯 27玉米籽粒发育过程中，类胡萝卜素的含量随着发育时间的推进呈总体下降的趋势，花色苷含量则随着籽粒发育的推进先上升，直到30 d时达到最大值，随后出现下降趋势；在白糯66籽粒发育过程中，籽粒没有黑色素的沉积，类胡萝卜素含量呈先上升后下降趋势，在整个籽粒发育过程中没有检测到花色苷的含量。

关 键 词：超黑糯玉米；黑色素；类胡萝卜素；花色苷

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糯玉米在中国有着悠久的种植历史，籽粒颜色有黑、白、红、紫、黄之分［1-2］。黑糯玉米含有丰富的天然黑色素，其黑色素具有很好的抗氧化，清除自由基，抗突变，抗肿瘤等功能。近年来，随着人们生活水平和对健康要求的不断提高，黑糯玉米倍受消费者青睐［3-4］。

“超黑糯玉米”是由安徽省濉溪县农科所特种玉米课题组蔡士兵等首次提出，并于 1999年成功地将秘鲁和美国普通黑玉米的特殊黑色遗传性状导入到其自育的、具有优良农艺性状和优良品质的普通黑糯玉米自交系中，经过多年的杂交育种，培育了濉黑糯1号、2号、3号系列等多个超黑糯玉米

目前，关于籽粒色素积累规律的研究主要围绕小麦和普通黑糯玉米展开。崔丽娜等［11］以4种颜色的玉米为材料研究了不同基因型玉米籽粒色素的积累规律；崇学凤等［12］研究了紫色小麦籽粒发育过程中色素含量的动态变化；宋伟等［13］研究了导入外源DNA后产生的有色小麦籽粒发育过程中籽粒色素动态变化，而关于超黑糯玉米籽粒发育过程中籽粒色素存在的部位以及积累变化的规律报道较少。目前，有关超黑糯玉米的研究主要集中在色素的提取方法、理化性质研究［14-16］、色素的医疗保健价值等方面［17-19］。

本研究以超黑糯玉米自交系I46和白糯玉米自交系BN13杂交F2群体中性状为黑糯和白糯的个体为材料，通过显微观察、有机溶剂提取和分光光度法研究了超黑糯玉米籽粒发育过程中黑色素的积累部位及类胡萝卜素和花色苷的变化规律，旨在揭示超黑糯玉米色素的形成机制，为超黑糯玉米的开发利用以及品种选育等提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以超黑糯玉米自交系 I46与白糯玉米自交系BN13杂交，得到F1代；F1代种子种植于大田，套袋自交，获得F2代；在F2群体中，选取性状为黑糯和白糯的个体分别套袋自交。本研究中使用的F2代黑糯和白糯个体分别为黑糯27和白糯66。

1.2 方法

黑糯27和白糯66分别套袋自交。授粉后第10天开始取样，取果穗中上部大小均匀的籽粒，按纵向排列的方向，从果穗上1列籽粒中取15粒，每隔4 d取样1次，连续取6次。取好的籽粒，一部分放在固定液中保存；另一部分放在－80 ℃冰箱中保存，备用。

1.3 测试项目与方法

1） 玉米籽粒颜色的形成。选取色泽均匀的不同发育时期的籽粒2粒，观察籽粒颜色的变化并拍照。

2） 玉米籽粒色素存在部位观察。 取固定液中保存的色泽均匀的玉米籽粒，纵切成0.1～0.2 mm的薄片，在奥林巴斯BX51显微镜下观察并拍照。

3） 色素组成及含量测定。选取色泽均匀的籽粒，参照孙群等［14］的方法提取色素并进行一些改良，具体如下：称0.5 g籽粒于研钵中，冰浴研磨，用无水乙醇和丙酮混合溶液（体积比1∶1）进行色素提取，料液比1∶5，45 ℃下暗处浸提，浸提液经PTFE 0.22 µm的滤膜过滤，用乙醇-丙酮溶液定容至50 mL。以浸提液作为空白对照，用美国瓦里安Cary50紫外分光光度计在663、645、470 nm处测定吸光值，重复3次。类胡萝卜素含量（Car）按下列公式计算：Car = 8.73D470＋2.11D663－9.06D645。残渣用盐酸-甲醇溶液（体积比为1∶99）于暗处浸提花色苷，浸提3次，定容至50 mL，用紫外分光光度计在400 ～700 nm范围内扫描其最大吸收峰，并记录吸光值。

1.4 数据分析

所有数据用Microsoft Excel 2007整理。

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒发育过程中颜色的形成

通过对授粉后不同发育时期玉米籽粒的观察，发现黑糯 27籽粒黑色素是随籽粒发育而逐渐沉积的。具体表现为在授粉后14 d，籽粒的远胚端开始沉积少量的黑色素，到授粉后34 d，黑色素已经充满了籽粒所有部位（图1-a）。与普通黑糯玉米不同的是，超黑糯玉米籽粒的胚端从发育初期就已经有黑色素沉积了，而普通黑糯玉米的籽粒胚端没有色素分布［11］，白糯 66的籽粒在整个发育阶段都没有黑色素沉积（图1-b）。

图1 玉米籽粒发育过程中颜色的动态变化Fig. 1 Dynamic changes of color during development progress of maize seeds

2.2 超黑糯玉米黑色素沉积部位的确定

对2种材料的籽粒切片进行显微观察，发现黑糯 27黑色素存在于籽粒果种皮中，而紧贴着种皮内侧排列整齐的糊粉层无色透明（图2-a），这与已有研究报道中普通黑糯玉米黑色素分布在糊粉层有所不同。而白糯 66从种皮到糊粉层部位都没有黑色素沉积（图2-b）。

图2 黑糯玉米籽粒色素分布(×20，授粉后28 d)Fig. 2 Distribution of pigment in the seeds of black waxy corn （×20，the 28th day after pollinatiopn ）

2.3 类胡萝卜素的积累规律

不同发育时期玉米籽粒类胡萝卜素的含量列于表1。从表1可以看出，白糯66号与黑糯27号籽粒发育过程中的类胡萝卜素含量变化趋势有所不同。在籽粒发育的同一时期，白糯 66号玉米籽粒中类胡萝卜素的含量明显低于黑糯 27籽粒中类胡萝卜素的含量。在白糯 66号籽粒发育的前期，类胡萝卜素含量呈上升的趋势，22 d时达到峰值（0.049 6 mg/L），之后类胡萝卜素含量逐渐下降至0.017 3 mg/L。在黑糯27籽粒发育过程中，类胡萝卜素含量呈下降的趋势，在籽粒发育初期类胡萝卜素含量最高，为0.115 8 mg/L，籽粒发育末期，类胡萝卜素含量最低，为0.037 2 mg/L。

表1 不同发育时期玉米籽粒类胡萝卜素的含量Table 1 Content of seed carotenoid in maize at different stages

2.4 花色苷的积累规律

不同发育时期玉米籽粒花色苷的光密度和吸收峰波长分别列于表2、表3。从表2可以看出，在白糯 66号籽粒发育过程中没有检测到花色苷的存在，黑糯 27籽粒发育过程中花色苷的变化趋势与类胡萝卜素的不同，在籽粒发育的前期和中后期，随着籽粒的发育花色苷呈明显上升的趋势，并于第30天花色苷吸光值达到峰值（0.519），在籽粒发育末期30～34 d内花色苷含量明显下降。从表3可以看出，黑糯 27玉米籽粒花色苷吸收峰随时间而变化，说明花色苷的组成在发生变化。

表2 不同发育时期玉米籽粒花色苷的光密度Table 2 Absorption value of anthocyanin in maize at different stages

表3 黑糯27籽粒不同时期花色苷的吸收峰波长Table 3 Absorption peak’s wavelength of anthocyanins of Heinuo 27 at different stages

3 结论与讨论

崔丽娜等［11］在研究不同基因型玉米籽粒类胡萝卜素与花色苷色素积累规律时发现，黑糯玉米的黑色素存在于糊粉层，花色苷含量在黑糯玉米授粉后40 d达到最大值。本研究结果表明，黑糯27在授粉后30 d黑色素即达到最大值。冉颖霞等［18］、蔡士兵等［20］的研究发现，超黑糯玉米比普通黑糯玉米转色早，粒色深，黑色素含量也明显高于普通黑糯玉米， 其籽粒形成时即呈深紫黑色，尤其是籽粒果种皮和穗轴中水溶性天然黑色素含量高， 稳定性好，具有更高的营养价值和药用价值。本研究结果表明，超黑糯玉米黑色素主要存在于果种皮中，糊粉层没有黑色素沉积。在玉米籽粒发育过程中，白糯 66的类胡萝卜素含量呈先上升后下降的趋势，在整个籽粒发育时期，都没有检测到花色苷的存在。黑糯 27随着籽粒发育天数的增加，其类胡萝卜素含量呈下降趋势；在发育过程中花色苷的含量先上升，到30 d达到最大值，后出现下降趋势。黑糯 27在籽粒发育末期花色苷含量下降的原因可能是后期与花色苷合成有关的酶活性降低，或者是花色苷的含量与类胡萝卜素的合成与降解有关，还可能与籽粒中糖与淀粉的合成有关，具体原因有待进一步研究。

参考文献：

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［6］ 蔡士兵．超级黑糯玉米育种技术初探［J］．农业科技通讯，2006（10）：20．

［7］ 蔡士兵．濉黑糯2号超级黑糯玉米新品种选育与标准化栽培技术研究［J］．玉米科学，2007，15（1）：75-77．

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［12］ 崇学凤，张建奎，王三根，等．紫粒小麦籽粒发育过程中色素含量的动态变化［J］．麦类作物学报，2008，28（2）：307-311．

［13］ 宋伟，孙兰珍，类承斌，等．有色小麦籽粒发育过程中籽粒色素含量动态变化［J］．麦类作物学报，2004，24（2）：103-105．

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［17］ 盛玮，薛建平，谢笔钧．黑糯玉米芯色素的抗氧化活性研究［J］．中国粮油学报，2008，23（6）：85-88．

［18］ 冉颖霞，宫坤，周杨，等．超级黑糯玉米芯色素的抗肿瘤和体外抗氧化作用［J］．安徽师范大学学报，2012，35（4）：351-354．

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［20］ 蔡士兵．超级黑糯玉米育种方法［J］．中国种业，2008（9）：61．

责任编辑：尹小红

英文编辑：梁 和

中图分类号：S513.01

文献标志码：A

文章编号：1007-1032（2016）01-0006-05

收稿日期：2015-07-02 修回日期：2015-12-09

基金项目：安徽省教育厅自然科学研究重点项目（KJ2012A254）；淮北市人才基金项目（20130301）

作者简介：李桂萍（1977—），女，新疆米泉人，博士，主要从事作物遗传育种研究，liguipingxxq@163.com新品种［5-7］。该类品种营养丰富，天然黑色素和微量元素硒含量也明显高于普通黑糯玉米，籽粒果皮及穗轴中黑色素含量高达 7%以上。黑色素的主要化学组分为花色苷。研究［8-10］表明，花色苷类物质具有抗变异、抗肿瘤、抗过敏、降血脂、保护胃黏膜等多种生物活性功能，故超黑糯玉米具有较高的营养和保健价值。

Regularity of pigment accumulation in the grain development progress of super black waxy corn

Li Guiping1， Zhou Lijuan1， Cai Shibing2， Ba Qingsong1
（1.School of Life Science， Huaibei Normal University， Huaibei， Anhui 235000， China； 2.Suixi Agricultural Research Institute of Anhui， Suixi， Anhui 235100， China）

Abstract：In this study， Heinuo 27 and Bainuo 66 from F2generation of super black waxy corn inbred lines I46 crossed white waxy corn inbred lines BN13 were selected to study the distribution and accumulation regularity of maize pigment in grains by microscopic observation， solvent extraction method and spectrophotometry. The results showed that the pigment of super black waxy corn existed in seed coat， which appeared from the top of kernels and then spread to the whole grain. With the development of grains of Heinuo 27， the content of carotenoid decreased gradually， however， the content of anthocyanin increased until it reached the maximum value on the 30th day after pollination and then decreased. With the development of grains of Bainuo 66， there was no melanin in the grains and the contents of carotenoid increased first and then dropped， however， the anthocyanin was not detected in the whole grain development process.

Keywords：super black waxy corn； pigment； carotenoid； anthocyanin