不同种植密度对夏玉米胚乳细胞淀粉粒分布及形态的影响

崔丽娜 刘吉强 王立静 王明友 董树亭

(德州学院1，德州 253000)(山东农业大学作物学重点实验室2，泰安 271018)

玉米是我国主要粮食作物之一，是制造淀粉的重要原料之一[1]。淀粉占玉米籽粒干质量的70%左右，主要以淀粉粒的形式存在于籽粒胚乳中[2-4]。淀粉是玉米籽粒的主要成分，其数量直接影响玉米的产量[5-8]。淀粉粒的形态、分布及积累是决定玉米产量与品质的重要因素之一[9,10]。种植密度是影响玉米籽粒淀粉含量的重要因素之一[11-12]。前人对玉米籽粒淀粉粒的研究多集中在胚乳淀粉粒的分布、发育及肥料对玉米籽粒淀粉粒的影响等方面[13-16]，而对于种植密度对籽粒淀粉粒的影响研究较少[11]。本实验以郑单958为实验材料，利用激光衍射粒度分析仪、透射电子显微镜等仪器，通过直观的方式来研究不同种植密度对夏玉米胚乳细胞淀粉粒分布及形态的影响。

1 材料与方法

1.1 供试原材料及设备

供试玉米品种为郑单958。河南省农业科学院粮食作物研究所用“郑58”作母本，“昌7-2”作父本配组育成的杂交玉米品种。

供试土壤类型为简育湿润淋溶土。

实验仪器设备为：3K30高速冷冻离心机，UV-2450紫外分光光度计，JEM-1200EX透射电子显微镜，JSM-660LV扫描电镜，JEM-1200EX型透射电镜，LSl3320激光衍射粒度分析仪，LKB-7800型超薄切片机。

1.2 实验设计

实验于2017、2018年在山东农业大学教学基地玉米科技园进行，为玉米连作区。该地位于东经117°9′，北纬36°9′，属暖温带大陆性半湿润季风气候区。田间实验设计：每年的6月17号播种，分为三个种植密度：低密度45 000株/公顷(D1)、中密度75 000株/公顷(D2)、高密度105 000株/公顷(D3)。采用完全随机区组设计。重复3次，小区面积为6 m×10 m=60 m2。实验地土壤质地为壤土，0～20 cm土壤基本理化性状：土壤pH 7.60，全碳12.39 g/kg，全氮1.02 g/kg，碱解氮79.32 mg/kg，速效磷74.21 mg/kg，速效钾92.36 mg/kg。基肥施复合肥(N-P-K：16%-16%-16%)300 kg/hm2，大喇叭口期追施尿素675 kg / hm2，田间管理同高产田。实验期间玉米生长发育正常。

1.3 方法

1.3.1 籽粒淀粉粒提取及测定

参照Peng等[17]、Ji等[18, 19]及Malouf等[20]的方法提取淀粉粒。取成熟期人工授粉的玉米籽粒15粒(穗中部)在40 mL浓度为0.5 mol/L的NaCI溶液中浸泡16 h后，剥去种皮，去掉胚，在研钵中研成匀浆，再用200 μm筛布过滤，固体部分继续研磨过滤，重复3次。将淀粉匀浆在4 000 r/min离心5 min，去上清液，加25 mL浓度为2 mol/L的NaCl，旋涡混合，在4 000 r/min再离心，去上清液，然后分别加2%SDS、2%NaOH溶液及蒸馏水，匀浆后再离心，重复4次，再用丙酮清洗1次，然后风干，贮存于-20 ℃备用。

参照Massaux等[21]方法测定淀粉粒分布，用激光衍射粒度分析仪分析淀粉粒。准确称取50 mg淀粉放入离心管，加10 mL蒸馏水悬浮，旋涡混匀后置4 ℃下1 h，每10 min振荡1次，然后转移至激光衍射粒度分析仪的分散盒中，测量其分布状况。

1.3.2 淀粉粒透射电镜观测

取人工授粉的玉米(授粉后20 d)穗中部籽粒15粒，切取籽粒顶部，横切面用4%戊二醛前固定，磷酸缓冲液冲洗。再用1%锇酸固定，乙醇梯度脱水。Epon-812(环氧树脂)浸透与包埋。瑞典LKB-7800 型超薄切片机切片，切片厚0.6 μm。部分材料重新建断层后喷金属粉，利用JSM-660LV扫描电镜观察照相。部分材料在定位后用醋酸双氧铀-柠檬酸铅双重染色，在JEM-1200EX 型透射电镜下观察照相，研究淀粉粒超微结构。

1.4 数据处理和分析

采用EXCEL2000及DPS9.50数据处理系统进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 玉米籽粒淀粉粒分布特征

由图1可知，不同种植密度玉米籽粒淀粉粒的体积分布及表面积分布均为三峰曲线，数目分布为双峰曲线。根据体积分布、表面积分布及数目分布的峰值将粒径分界点设置为2、15 μm。

图1 不同种植密度玉米籽粒淀粉粒体积、表面积及数目分布图

由表1可知，粒径大于15 μm淀粉粒所占体积最大，其次为2～15 μm，最小为小于2 μm；粒径小于2 μm淀粉粒所占表面积及数目最大，其次为2～15 μm，最小为大于15 μm。

表1 玉米籽粒淀粉粒体积、表面积及数目占比/%

由表2可知，淀粉粒的粒径下限一致，均为0.38 μm，上限D1>D2>D3；体积、表面积及数目均值：D2>D3>D1。

表2 玉米籽粒淀粉粒分布特征/μm

2.2 玉米籽粒淀粉粒扫描图

将籽粒胚乳深层细胞扫描观察并照相，对比不同种植密度籽粒淀粉粒的差异(图2)。处理D1淀粉粒大多为球体，大小均匀，排列整齐紧密，其他物质含量较少；处理D2淀粉粒大多为球体，大小不均匀，排列整齐紧密，其他物质含量多；处理D3淀粉粒大多为多面体或球体，凹陷淀粉粒较多，大小不均匀，排列较紧密，其他物质含量丰富。

图2 不同种植密度处理玉米籽粒淀粉粒扫描图(O∶×600；I∶×1 500)

2.3 玉米籽粒淀粉粒透射图

由图3可知不同种植密度对玉米籽粒胚乳淀粉粒发育的影响。

注：1-胚乳由外而内的第一层细胞即糊粉层细胞；2-第二层细胞；3-第三层细胞。图3 玉米淀粉粒透射图(×2 500)

低密度处理的胚乳第一层细胞中的质体多数已发育完好，液泡中大多数含有一个蛋白质体或者一至三个淀粉粒，淀粉粒几乎充满整个质体，形状较规则，多呈圆形或椭圆形，第一层细胞中除脂体的数量更为丰富外，其细胞淀粉粒的发育状况均优于中、高密度。高密度下，蛋白质体大且多，其发育迟于中低密度。中密度下，脂体含量较多，蛋白质体含量较少，液泡少。三个密度第一层细胞均为方形或者是长方形，形状规则。

第二层细胞淀粉粒发育早于第一层细胞。这主要体现在以下方面：第一，第二层细胞已不见蛋白质体；第二，脂体的数量变多，体积变小，淀粉粒质体已发育完全至淀粉粒，体积比第一层淀粉粒大。

第三层细胞淀粉粒发育早于第二层细胞。这主要体现在淀粉粒比第二层的淀粉粒更大，淀粉粒出现更多的褶皱；脂体变得更小，更分散。淀粉粒均集中在细胞核附近。第三层细胞多为细长形。

更深层的细胞的发育早于第三层细胞。这主要体现在淀粉粒出现了不同的褶皱花纹。褶皱花纹的数量中密度最多，低密度与高密度相似。中低密度淀粉粒剖面多为圆形或者椭圆形，形状规则，而高密度下，胚乳深层淀粉粒剖面多为椭圆形或者多边形，少数为圆形，形状不规则。脂体的排列均在淀粉粒周围及沿细胞壁排列。

3 结论

不同种植密度玉米籽粒淀粉粒的体积分布及表面积分布均为三峰曲线，数目分布为双峰曲线。粒径大于15 μm淀粉粒所占体积最大，其次为2～15 μm，最小为小于2 μm；粒径小于2 μm淀粉粒所占表面积及数目最大，其次为2～15 μm，最小为于15 μm。不同种植密度淀粉粒的粒径下限一致，上限不同；不同种植密度籽粒淀粉粒体积、表面积及数目均值存在差异。中、低密度籽粒淀粉粒大多为球体，低密度籽粒淀粉粒大多为多面体，凹陷淀粉粒较多，其他物质含量丰富。不同种植密度籽粒淀粉粒的发育、外形、排列以及其他质体的形态都存在较大差异，这也是不同种植密度籽粒淀粉含量差异的重要原因之一，而通过不同层次细胞淀粉粒发育来看胚乳淀粉粒发育是由内至外。