玉米毛状根再生植株光合特性及淀粉合成相关酶活性变化的研究

宋明霞

玉米是我国重要的粮食作物，其产量和品质主要通过灌浆期籽粒合成积累的淀粉、蛋白质、脂类等物质实现的，其中淀粉是籽粒的主要组成部分，约占籽粒干重的70%［1］.玉米植株的光合特性及籽粒淀粉合成相关酶活性与玉米产量息息相关.玉米植株制造的光合产物以蔗糖的形式运输到籽粒，再经过一系列酶促反应后转化成淀粉储存在籽粒中［2］.植株的光合作用强度与积累的光合产物含量成正比.据报道，净光合速率及叶绿素相对含量高的植株更有利于其干物质的积累［3］.淀粉合成相关酶活性是决定籽粒合成淀粉能力的关键指标.腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（ADPGPPase）、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UDPGPPase）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、束缚态淀粉合成酶（GBSS）是调控玉米籽粒灌浆期淀粉合成与积累的关键酶［4］.发根农杆菌可以诱导植物产生大量高度分支的不定根，增强植物的抗逆能力.据报道，发根农杆菌介导的玉米自交系H99具有庞大的根系结构，抗旱能力增强［5］.发根农杆菌介导的银中杨转化植株光合作用、抗氧化酶活性以及扦插存活率均有显著提高［6］.本研究对玉米灌浆期不同时间点的叶片净光合速率、叶片SPAD值、籽粒淀粉合成相关酶活性进行测量，探讨毛状根再生植株光合特性及籽粒淀粉累积差异的产生原因，为选育高产玉米提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 供试材料

对照组：玉米自交系吉单35.

实验组：发根农杆菌介导的玉米自交系吉单35毛状根再生植株［7］.

1.2 试验设计

试验于2019—2020年在吉林通化县玉米种植基地进行.行长10 m，行距0.8 m，株距0.18 m，每3行为一个重复，每个处理重复3次.授粉后选取穗位叶进行叶片净光合速率（Pn）及SPAD值的测量，授粉后每隔5 d对玉米果穗中部籽粒进行淀粉相关酶活性测定.

1.3 测定项目及方法

叶片净光合速率（Pn）和叶片SPAD值的测量参照徐洪伟等［8］的方法.籽粒焦磷酸化酶（ADPGPPase、UDPGPPase）、可溶性淀粉合成酶（SSS）和束缚态淀粉合成酶（GBSS）的测量参照葛锦的方法［4］.

1.4 数据处理及分析

本研究运用SPSS 26.0对数据进行差异性显著分析以及SigmaPlot 12.5进行绘图.

2 结果与分析

2.1 灌浆期玉米叶片净光合速率的变化

光合速率是反映作物光合能力强弱的指标，光合能力强的作物生长更加旺盛.授粉后玉米叶片净光合速率的变化如图1所示.

从图1可以看出，灌浆初期实验组和对照组净光合速率并无显著差异.随着灌浆时间延长，实验组净光合速率逐渐高于对照组，且呈单峰曲线趋势.授粉25 d时玉米叶片净光合速率值最高，毛状根再生植株叶片净光合速率比对照组高25.69%，差异显著（P<0.05）.说明毛状根再生植株具有更高的光合能力，制造更多的光合产物.

图1 授粉后玉米叶片净光合速率的变化

2.2 灌浆期玉米叶片SPAD值的变化

叶片SPAD值是衡量叶片叶绿素相对含量的指标.叶绿素是植物进行光合作用的必要色素，其含量的高低直接影响光合作用的强弱.授粉后玉米叶片SPAD值的变化如图2所示.

图2 授粉后玉米叶片SPAD值的变化

从图2可以看出，随着灌浆时间延长，玉米叶片SPAD值呈现先升高后降低的单峰曲线趋势，且实验组SPAD值均高于对照组.授粉25 d时叶片SPAD值达到峰值，毛状根再生植株叶片SPAD值比对照组高18.37%，差异显著（P<0.05）.说明毛状根再生植株具有更高的光合效率，光合能力更强.

2.3 灌浆期玉米籽粒淀粉合成相关酶的变化

灌浆期玉米籽粒淀粉合成相关酶活性变化如图3所示.ADPGPPase是淀粉生物合成的第1步骤酶，催化G-1-P与ATP反应生成淀粉合成的最直接前体物ADPG［2］.由图3（a）可知，随着灌浆时间地延长，实验组和对照组玉米籽粒中ADPGPPase活性呈现先上升后下降的趋势，且在授粉25 d时酶活性达到最高，实验组ADPGPPase活性明显高于对照组.

UDPGPPase是催化淀粉合成的第2步骤酶，催化尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）与焦磷酸（PPi）反应生成1-磷酸葡萄糖（G-1-P）［9］.由图3（b）可知，在授粉10 d前实验组和对照组的UDPGPPase活性变化不显著.随着灌浆时间延长，UDPGPPase活性逐渐升高，在授粉25 d时达到最高，随后下降，且实验组UDPGPPase活性高于对照组.

籽粒淀粉合成酶按其形态分为可溶性淀粉合成酶（SSS）和束缚态淀粉合成酶（GBSS）.SSS以游离态的形式存在于胚乳中，主要催化支链淀粉的合成［10］.由图3（c）可知，在授粉后25 d时实验组籽粒SSS活性达到最高，而对照组籽粒SSS活性在30 d时达到最高，且实验组SSS活性高于对照组.说明催化支链淀粉合成的反应中毛状根再生植株具有更强的支链淀粉合成能力.

GBSS是直接催化直链淀粉合成的酶，其活性能够反映直链淀粉的合成能力［10］.由图3（d）可知，随着灌浆时间地延长，GBSS活性均呈单峰曲线趋势，在授粉30 d时实验组和对照组的GBSS活性均达到了最高，且实验组GBSS活性高于对照组.说明催化直链淀粉合成的反应中毛状根再生植株具有更强的直链淀粉合成能力.

图3 灌浆期玉米籽粒淀粉合成相关酶活性变化

3 结论与讨论

灌浆期是决定作物产量及品质的关键时期.作物高产既要求源端产生的光合产物向库端高效地运输和分配，同时籽粒的淀粉合成酶活性和存储量等因素也非常重要［11］.研究表明，作物通过光合作用制造的光合产物会以蔗糖的形式运输到籽粒，再经一系列淀粉合成相关酶的催化形成淀粉［12-13］.同化物供应不足会导致作物籽粒充实度降低［14］.本研究中，毛状根再生植株在灌浆中期叶片光合速率及SPAD值最高，且高于吉单35，说明毛状根再生植株光合作用更强，为后续合成淀粉提供更多的原料.

研究表明，作物籽粒淀粉积累速率与淀粉合成酶的活性成正相关［15］.增强ADPGPPase的活性可提高作物淀粉合成能力，从而达到作物高产的目的［16］.本研究中，毛状根再生植株在灌浆期淀粉合成相关酶的活性均比对照组高且差异显著，说明毛状根再生植株能够更有效地调控籽粒淀粉的合成，从而促进高产.

综上所述，发根农杆菌介导的玉米自交系吉单35毛状根再生植株具有更高的光合特性及淀粉合成酶活性.本研究为提供新的玉米种质资源提供了一定科学依据，具有重要意义.