萌动玉米籽粒中α-淀粉酶的时空变化

王凤凤，刘卫国，陆海燕，霍举颂

（新疆大学资源与环境科学学院，新疆绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐830046）

萌动玉米籽粒中α-淀粉酶的时空变化

王凤凤，刘卫国⋆，陆海燕，霍举颂

（新疆大学资源与环境科学学院，新疆绿洲生态重点实验室，新疆乌鲁木齐830046）

为明确淀粉酶在淀粉水解过程中的变化规律，以华西176玉米籽粒为材料，研究玉米籽粒不同部位的淀粉酶含量和活性在时空上的变化规律。结果发现：α-淀粉酶活性均值在第3天时达到最大值后下降，然后在第5天时又有所回升，随后继续下降。α-淀粉酶活性在胚轴中最强，胚芽和胚根中次之，胚乳和种皮中最弱。在时间和空间的交互作用下，籽粒萌发第3天的胚轴上α-淀粉酶活性均值最大。α-淀粉酶含量在不同部位表现为双峰曲线。

玉米籽粒；萌动；时空变化；α-淀粉酶；活性

王凤凤,刘卫国,陆海燕,霍举颂.萌动玉米籽粒中α-淀粉酶的时空变化 [J/OL].大麦与谷类科学,2017,34(4):16-19,28 [2017-07-26].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20170726.1004.004.html.

在新疆谷类作物中，玉米的种植面积和总产量仅次于小麦，单产产量则居首位。随着玉米种植面积的不断扩大，对玉米的研究也不断深入。但对玉米籽粒在萌发过程中淀粉酶的变化研究较少。淀粉酶是催化淀粉水解的一类酶，在籽粒萌发中通过对淀粉的水解，为籽粒的发育提供必需的营养和能源，从而使玉米籽粒长成营自养生活的幼苗[1]。因此淀粉酶在籽粒萌发过程中起重要作用，是植物在萌动生理生化过程中的核心。

根据作用类别，淀粉酶可分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、糖化酶和脱枝酶这4种，其中α-淀粉酶对淀粉水解起主导作用[2]。通过对α-淀粉酶分布以及活性的研究，可进一步研究该部位的生理机制，及其在植物体未来发育过程中的演化[3-4]。本研究通过比较玉米籽粒萌发过程中不同部位α-淀粉酶活性，进一步了解玉米籽粒萌动过程中，α-淀粉酶活性是如何影响籽粒部位从而控制籽粒萌发的，为进一步深入研究玉米籽粒萌发过程中的生理规律奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设计

试验材料为华西176，是新疆华西种业公司培育的一个中抗虫，中抗病的新型玉米品种。精选饱满度一致、无病虫害的华西176玉米籽粒，漂洗干净后用蒸馏水侵泡12 h，后用7%的次氯酸钠消毒5 min，然后将玉米籽粒胚乳部分朝下，排放在有3层滤纸的培养皿中，并用蒸馏水浸润（覆盖到籽粒一半位置为宜），将培养皿放入无光照培养箱中培养，白天/夜间温度为26℃/15℃,且各维持12 h。然后每天保证籽粒的水分需求。每处理3次重复。

1.2 试验方法

1.2.1 淀粉酶液制备及测定。从玉米籽粒萌发第1天开始到第7天，每天取1个萌发的玉米籽粒将其解剖成胚芽、胚轴、胚根、胚乳、种皮5个部位，分别置于研钵中，加入少量石英砂以及2 mL蒸馏水，研磨匀浆。再将匀浆倒入离心管中，用6 mL蒸馏水润洗后将残渣洗入离心管中。室温条件下提取液放置15～20 min，每隔数min搅动1次，使其充分提取。3 000 r/min转速下离心10 min，提取上清液在100 mL容量瓶中定容，即配置出淀粉酶原液，用于测定α-淀粉酶活力和含量。

1.2.2 淀粉酶水解后麦芽糖的测定方法。用麦芽糖制作标准曲线[6]，得到标准曲线回归方程为y= 0.321x-0.017(R2=0.995)。麦芽糖可以使3,5-二硝基水杨酸还原为3-氨基-5-硝基水杨酸，在540 nm波段中测其吸光度，然后根据标准曲线计算得到麦芽糖含量。

1.2.3 α-淀粉酶活力的测定。参照陈毓荃等方法进行酶活性测定[5-6]，酶活力定义为在37°C、pH值5.6条件下，以1mL酶液1min分解1g可溶性淀粉产生1 mg麦芽糖为1个酶活性单位(U)。每个样品及空白对照均设3次重复。

1.2.4 计算公式。α-淀粉酶的活力（U）=(X×N)／(W×Vs×t)，式中：X为从表上查得的麦芽糖含量（mg）；N为样品稀释倍数；W为样品质量（g）；Vs为测定时取用的酶液体积（mL）；t为反应时间（min）。1.2.5 α-淀粉酶含量的测定。α-淀粉酶含量使用还原糖测定仪（SGD-Ⅳ型）测定。α-淀粉酶含量（mg/g）=(X×N)/W，式中：X为测定的还原糖（麦芽糖）含量（mg）；N为样品稀释倍数；W为样品质量（g）。

1.2.6 数据处理与统计。通过SPSS用单因素方差分析法对获得数据进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒萌发不同天数不同部位麦芽糖含量的变化

根据在萌发不同天数对玉米籽粒不同部位麦芽糖的含量（图1）。在时间上都呈现出不同的变化趋势。其在胚轴、胚根、胚乳中麦芽糖含量在第6天达到最大值，在胚芽中麦芽糖含量在第7天达到最大值。在不同部位上胚根和种皮的变化趋势一致都呈现双峰趋势，胚芽、胚轴、胚乳的变化趋势呈现的规律不一致。在第6天的胚轴部位麦芽糖含量呈现出最大值0.113 mg/g，在第4天的胚乳部位麦芽糖含量呈现出最小值0.051mg/g。

图1 玉米籽粒萌发不同天数不同部位麦芽糖含量

2.2 玉米籽粒萌发不同天数不同部位α-淀粉酶的活性变化

不同萌发天数对玉米籽粒不同部位α-淀粉酶活性的影响见图2，可以看出，在同一时间上玉米籽粒中α-淀粉酶活性在不同部位具有差异性。其中第2天胚芽、种皮、胚乳与胚轴、胚根的α-淀粉酶之间存在显著差异（P＜0.05），第4天胚芽、胚根与种皮、胚乳及胚轴的α-淀粉酶活性之间存在显著差异（P＜0.05），第7天胚芽、胚根、种皮、胚乳与胚轴的α-淀粉酶活性之间存在显著差异（P＜0.05）。胚芽中α-淀粉酶的活力在整个萌发周期中均表现出较高水平，随萌发时间的增加，胚芽中的α-淀粉酶的活力呈双峰趋势，与其他部位淀粉酶活性规律大致相同，但其均值在不同时间上存在显著差异（P＜0.05）。不同部位的α-淀粉酶活性均值变化表现为萌发前期3d胚芽中α-淀粉酶比胚根的活性均值大，而萌发后则比胚根的均值小。种皮和胚乳中的α-淀粉酶活力一直处于较低水平。

图2 玉米籽粒萌发不同天数不同部位的α-淀粉酶活性

2.3 玉米籽粒萌发不同天数不同部位α-淀粉酶的含量变化

不同部位的α-淀粉酶含量在时间轴上，均大致表现为先增加后减少，然后再增加的趋势，大致表现为双峰曲线（图3）。其中在第3天时达到最大，然后逐渐下降。在第5天时又有所回升，随后继续下降。胚芽和胚根的大致走向接近，在第3天达到最大值，含量在第4天至第7天走向趋于一致。原因在于玉米籽粒在萌发周期内，随着胚芽胚根的伸长发育，对淀粉的需求量有所减少。胚轴中α-淀粉酶的含量在整个萌发周期中均表现出较高水平，随萌发时间的增加，胚轴中的α-淀粉酶的含量呈现先增加后减少的趋势，其他部位的淀粉酶含量也有相似规律。种皮和胚乳中的α-淀粉酶含量一直处于较低水平。这可能是由于在种子萌发过程中胚的发育占主要地位，因而淀粉酶主要直接集中在胚芽、胚轴及胚根部位。

3 结论与讨论

图3 玉米籽粒萌发不同天数不同部位α-淀粉酶的含量

玉米籽粒在萌发过程中，糊粉层产生α-淀粉酶转移到胚乳中，再由胚乳将α-淀粉酶二次转移到胚芽、胚轴、胚根等处用于籽粒的发育。本研究结果表明，玉米籽粒不同部位的麦芽糖含量、α-淀粉酶含量与α-淀粉酶活性存在正相关。萌动玉米籽粒的α-淀粉酶活性在时间上存在一定差异，其中第1天、第3天除了和第4天不存在差异外，与其他几天都存在显著差异（P＜0.05），其他几天之间差异不显著。在空间上胚芽和胚根差异不显著，其他各部位间都存在显著差异。在时间和不同部位交互作用下，第3天胚轴的α-淀粉酶活性均值最大。对不同部位α-淀粉酶活性的比较说明，种皮中的α-淀粉酶活性整体比胚乳中的高。可能是由于种皮部分剥离时与糊粉层有点混合，从而在种皮的测定中，可能夹杂着α-淀粉酶活性较高的糊粉层，因此导致种皮的淀粉酶活性比胚乳中的大。位于玉米的种皮和胚乳之间的糊粉层是玉米籽粒中具有高营养价值的生理活性成分，极难物理剥离。根据前人的研究，在玉米籽粒萌发过程中，胚产生赤霉素，作用于玉米籽粒的糊粉层，从而诱导其产生α-淀粉酶，分解淀粉，释放能量[7]。

萌动玉米籽粒的α-淀粉酶含量在空间上存在差异。胚轴中含量最多，胚芽和胚根中含量次之，胚乳和种皮中含量最少。这可能与萌发早期，α-淀粉酶分解淀粉所释放的能量先作用于芽鞘的伸长生长然后为生根提供能量有关。这与张蕙心等的研究结果相似[8]。通过α-淀粉酶活性均值变化图可以发现，不同部位的α-淀粉酶活性，均表现为先增加，后减少，再稍微增加后减少趋势。第3天时达到最大，然后逐渐下降。在第5天时又有所回升，随后继续下降。这可能与糖的抑制效应有关。糖类是籽粒萌发所需的能源物质，是植物生长发育和基因表达的重要调节因子[9]。随着糖含量的不断增加，当达到一定浓度时又反过来抑制α-淀粉酶活性，导致α-淀粉酶活性又有所下降。这与赵玉锦等的研究结果相似[10]。

α-淀粉酶含量在时间轴上，均大致表现为先增加，后减少，再稍微增加后减少。这种变化趋势，反映了α-淀粉酶代谢变化的内在规律。这与有关报道[4,12-13]在萌发第3天时α-淀粉酶含量通常达到最大值，随后回落的单峰曲线结论有所不同。可能是由2个方面原因造成：一方面是测定方法。在钝化β-淀粉酶的过程中，可能使一定量的α-淀粉酶活性受到影响。另一方面是玉米本身的性质，即α-淀粉酶和β-淀粉酶一起作用于玉米淀粉时的协同作用引起的。这与α-淀粉酶活性有关的激素或外界环境也可能存在关联。这种差异的产生在之前ZHU等[11-15]的研究结果中也出现过类似情况，第5天的测量结果与第4天的均有所回升。从α-淀粉酶活性变化的总体趋势中可以看到，萌发5 d后，酶活力明显降低，这与前面的结果是一致的。

华西176在萌发第3天时所有不同部位α-淀粉酶活性达到最大值，说明华西176玉米籽粒与其他类型的玉米籽粒在萌发过程中的大致规律相同，但在不同部位的α-淀粉酶的变化规律是有所不同的。结果表明，第3天是玉米籽粒萌发过程中α-淀粉酶变化的一个重要的转折点。

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Temporal and Spatial Expression Patterns of α-amylase During Maize Seed Germination

WANG Feng-feng,LIU Wei-guo,LU Hai-yan,HUO Ju-song
(College ofResourcesand EnvironmentalSciences,XinjiangKeyLaboratoryofOasisEcology, XinjiangUniversity,Xinjiang830046,China)

This study was aimed to clarify the temporal and spatial expression patterns of amylase in the process of starch hydrolysis in germinating maize seeds.The maize variety Huaxi 176 was used as the experimental material to determine the content and activity of α-amylase in different parts of maize seed at different time points during its germination.The results showed that the mean α-amylase activity in maize seed reached its maximum at the third day of germination and then declined,but rose again at the fifth day and fell subsequently.Alpha amylase activity was strongest in the hypocotyl,followed by the embryo and radicle,and was weakest in the endosperm and testa.In terms of the temporal and spatial expression patterns of alpha amylase,its activity peaked in the hypocotyl at the third day of germination;its content varied with time in different parts of maize seed,showing a double-peak curve.

Maize seed:Germination:Temporal and Spatial variation:α-amylase:Activity

S513

A

1673-6486-20170334

2017-03-07

国家自然科学基金（31260112）。

王凤凤（1991—），女，硕士研究生，主要从事荒漠生态系统研究。E-mail:13619903292@163.com。

⋆通讯作者：刘卫国（1972—），男，副教授，主要从事荒漠植物逆境研究。E-mail:wgliuxj@126.com。