超甜玉米果皮柔嫩度与成分含量动态变化及相互关系

顾银山 张士龙 贾海涛 李小琴 贺正华焦春海 田小海 黄益勤 危文亮

（1长江大学农学院，434025，湖北荆州；2华南农业大学/亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，510642，广东广州；3湖北省农业科学院粮食作物研究所/粮食作物种质创新与品种改良湖北省重点实验室，430064，湖北武汉）

果皮柔嫩度作为衡量鲜食玉米品质的重要指标[1-4]，是一个受多种因素影响的复合品质性状，是限制国产品种品质提高的瓶颈，在现代超甜玉米品质育种中被越来越多的育种家重视。弄清甜玉米果皮柔嫩度变化的主要影响因素对解析其形成机理及提高育种效率具有重要意义。

果皮柔嫩度是指果皮抵抗由于咀嚼而破碎的能力。前人研究[5-6]表明，甜玉米的柔嫩度主要取决于果皮厚度，而果皮厚度由果皮细胞层数及大小决定；果皮细胞层数与果皮的厚度呈极显著相关（r=0.93**）[7]，果皮柔嫩度与果皮厚度呈显著负相关[8-10]。由此，籽粒外层的薄果皮曾是改善甜玉米嫩度的一个主要选择目标。然而有研究[11]表明，果皮厚度与食用品质没有显著相关性，果皮厚度可能不是影响鲜食玉米食用品质的主要因素。食用品质良好的超甜玉米不但要果皮薄、细胞层数少，还要具有果皮细胞壁纤维化和木质化程度低等特征[12]。超甜玉米籽粒粗纤维含量较高[13]，粗纤维与食用口感的相关系数为-0.965，达显著水平，粗纤维含量越高，口感越粗糙[14]。此外，果皮细胞壁化学成分的变化也可能影响甜玉米果皮柔嫩度。

甜玉米果皮是一层半透明状的薄膜，主要由细胞壁构成，其化学成分是纤维素、半纤维素、木质素、果胶多糖、灰分、油分、少量淀粉及结构蛋白[15-16]。纤维素是自然界最为丰富的生物高分子之一[17]，其结晶度阻碍酶消化[18-20]。半纤维素是一类异质多糖，在禾本科作物成熟的组织中主要以木聚糖的形式存在，能够阻碍植物木质纤维素结晶的形成，从而提高生物质消化率[18]。木质素是一种非常稳定和复杂的疏水性酚类多聚物，主要由香豆醇、松柏醇和芥子醇构成[21-22]，植株的易脆性与细胞壁的木质素含量有关[23-25]。

上述报道大多研究的是果皮厚度与柔嫩度的关系，但结论尚未统一。有关果皮主要化学成分变化影响其柔嫩度的报道很少且不系统。本研究采用硬度计法[26-27]，系统探讨超甜玉米果皮柔嫩度与其主要化学成分间的关系，探索影响果皮柔嫩度的主要化学成分因子，为进一步解析其成因及遗传规律提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用的10份超甜玉米自交系PE10、S13237、T105、S33222、S33205、HZ508、S13084、S23207、S33247和S23288的籽粒果皮柔嫩度存在梯度差异，且生育期一致，基因型为sh2sh2，均由湖北省农业科学院粮食作物研究所玉米课题组提供。

1.2 试验方法

在湖北省农业科学院粮食作物研究所核心试验基地（114°19′E，30°21′N）选取地力均匀一致的地块种植上述10份材料。采用随机区组设计，重复3次。小区为4行区，每行种100株，行距0.67m，株距0.33m。管理方式同一般大田。2014年3月25日播种，6月上旬开花授粉。果穗吐丝前套上小纸袋，当同一份材料尽可能多的果穗吐丝齐后在同一天授粉，记载自交授粉时间。2014年11月12日再次以上述方案在海南省陵水县提蒙乡南繁试验基地（110°1′E，18°28′N）种植上述试验材料及授粉。

从10份自交系中随机选出果皮柔嫩度性状表现为好（PE10）、中（T105）、差（S33205）的3份材料分别套袋，在自交授粉后12、14、16、18、20、22、24d取样，其余的7份材料在湖北武汉春季（环境1）授粉后18d（最适采收期）取样，在海南陵水冬季（环境2）授粉后22d（最适采收期）取样。取样时从小区中部随机选取植株与穗位高度较一致、大小均匀的果穗50个。随机选取3个果穗迅速用果实硬度计测定柔嫩度值。然后全部保存于-70℃冰箱备用。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 果皮柔嫩度 参照张士龙等[27]的方法测定果皮柔嫩度。取样后，剥开鲜穗苞叶，随机选取中部的12个玉米籽粒，用日产果实硬度计（FHM-1）探头垂直对准玉米籽粒冠部，缓慢加大力度往下压，直到探头穿透果皮，记录果实硬度计表盘上显示值，然后去掉12个显示值中的最大值和最小值，计算余下10个显示值的平均值，再除以圆形探头的横截面积即得所测自交系的籽粒果皮柔嫩度值，该值越大，表示果皮柔嫩度越差。

1.3.2 细胞壁成分 取出备用果穗样品，用刀片迅速剥取中部籽粒冠部果皮，放在105℃高温环境中杀青20min，然后于50℃条件下烘干至恒重。将烘干的果皮磨碎，过40目筛，保存在干燥器中备用。每个样品生物学重复3次。参考Peng等[28]和Xu等[18]的方法进行样品分馏，参考Sluiter等[29]的方法测定纤维素、半纤维素、木质素以及灰分含量。果胶的测定：称取干重样品约0.1000g，经过分馏去除可溶性糖、脂溶性物质及淀粉等成分获得样品沉淀，于沉淀中加入0.5%（W/V）草酸铵5.0mL，在沸水中加热1h，期间每隔10min摇匀，以免溶液表面的堆集。冷却后，3000转/min离心5min，收集上清液。沉淀再依次用0.5%草酸铵5mL洗1次，蒸馏水5mL洗2次，收集所有上清液，定容。采用比色法测定戊糖、己糖和糖醛酸含量。果胶含量为戊糖、己糖和糖醛酸含量之和。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行初步处理和作图，用SAS 9.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 超甜玉米果皮柔嫩度的动态变化

2.1.1 不同超甜玉米最适采收期的籽粒果皮柔嫩度比较 将10份材料在不同环境下最适采收期的籽粒果皮柔嫩度值进行二因素方差分析，结果见表1。由F值可知，参试材料最适采收期的籽粒果皮柔嫩度存在极显著差异，而同一材料在最适采收期的籽粒果皮柔嫩度不受环境的显著影响，并且材料与环境间没有互作。

表1 果皮柔嫩度方差分析Table 1 Analysis of variance on pericarp tenderness

将数据进行多重比较，结果见表2，S33205和PE10分别是10份材料中柔嫩度最差和最好的自交系。除 HZ508 与 S13084、S13084 与 S23207、S23207与T105果皮柔嫩度差异不显著外，其余各材料间果皮柔嫩度差异达显著或极显著水平。

表2 10份超甜玉米自交系最适采收期果皮柔嫩度均值多重比较Table 2 Multiple comparison between average pericarp tenderness of ten super sweet corn inbred lines on the optimum picking time

2.1.2 籽粒发育过程中果皮柔嫩度动态变化 柔嫩度最好（PE10）、中等（T105）和最差（S33205）的3份自交系在2种环境条件下的柔嫩度动态变化如图1。在测定时间区段内（授粉后第12～24天），3份自交系在籽粒发育过程中果皮柔嫩度的变化表现出相似的特点，随着授粉后天数的增加，果皮柔嫩度呈现由小到大的曲线性规律变化。在各测定时间点，3份自交系的果皮柔嫩度均值均为S33205＞T105＞PE10，而柔嫩度变化幅度为PE10＞S33205＞T105，且不受环境变化的影响。

图1 2种环境条件下PE10、T105和S33205果皮柔嫩度动态变化Fig.1 Dynamic variation of pericarp tenderness of PE10,T105 and S33205 under two environments

将同一材料在2种不同环境下果皮柔嫩度动态变化进行比较，3份材料也具有类似的特点（图2），授粉后第12天的柔嫩度差异不明显，随着籽粒的发育，果皮柔嫩度差异呈先增大后缩小最后又趋于一致的规律，且2014年春季（湖北武汉）的果皮柔嫩度均值始终大于冬季（海南陵水）。就单个材料而言，不同环境条件下最适采收期的果皮柔嫩度均非常接近，也即2014年湖北武汉春季授粉后18d的果皮柔嫩度就达到了海南陵水冬季授粉后22d的果皮柔嫩度。最适采收期提前4d。

图2 2种环境条件下PE10(a)、T105(b)和S33205(c)果皮柔嫩度动态变化比较Fig.2 Comparison among variations of pericarp tenderness of PE10(a),T105(b)and S33205(c)under two environments

2.2 超甜玉米果皮细胞壁主要化学成分含量的动态变化

2.2.1 超甜玉米果皮发育过程中主要成分含量的动态变化 由图3可知，授粉后12～24d，2种生长环境下，3份自交系果皮细胞壁主要成分中纤维素、半纤维素和木质素含量均明显高于果胶和灰分。除PE10授粉后12和14d果皮纤维素含量大于半纤维素含量外，3份自交系果皮的主要成分含量均值的大小顺序始终为半纤维素＞纤维素＞木质素，这一规律不受环境条件影响。随着籽粒的生长发育，3份自交系果皮半纤维素含量均呈由小到大逐渐增加的特点。木质素含量则呈现峰度和偏度较小的单峰曲线变化，而纤维素含量始终在24%上下波动，果胶与灰分含量变化不大且没有明显的规律。

果皮主要成分含量变化自交系间也有着各自的特点。授粉后12～24d，PE10果皮半纤维素含量的变化幅度在2014年春、冬季分别为27.19%、27.93%，明显高于T105（15.81%、12.63%）和S33205（13.11%、13.06%），说明在籽粒发育过程中，就果皮半纤维素累积速度而言，PE10大于T105和S33205。PE10 2014年春季授粉后12、24d的半纤维素含量分别为20.16%、47.35%，冬季分别为17.35%、45.28%，明显低于T105（37.97%、53.78%和36.54%、49.17%）和S33205（39.22%、52.33%和38.62%、51.68%），且无论是春季还是冬季，授粉后12d的半纤维素含量均值大小顺序均为S33205＞T105＞PE10，与果皮柔嫩度均值大小顺序一致，说明在籽粒发育的前期，半纤维素含量就已经开始对果皮柔嫩度产生影响。

随着籽粒的生长发育，3份自交系果皮木质素含量均逐渐增加，达到峰值后略微下降，稳定在较高含量水平。在2014年春、冬两季达到最大值的时间各材料间有差异：PE10果皮木质素含量在2种环境条件下均在授粉后20d达到最大值，而T105在春、冬季分别于授粉后20和22d达到最大值，间隔2d，S33205则分别在18和22d达到最大值，间隔4d。在2014年春季，3个自交系授粉后12～24d木质素含量变幅顺序为PE10＞T105＞S33205，而冬季则变为T105＞PE10＞S33205。在2种环境条件下，木质素含量在授粉后12d至达到最大值前的均值顺序均为S33205＞T105＞PE10（图3～图5），与果皮柔嫩度均值大小顺序一致，说明果皮柔嫩度和木质素含量变化有着一致的表现。

图3 PE10果皮主要成分含量动态变化Fig.3 Dynamic variation pericarp component contents of PE10

图4 T105果皮主要成分含量动态变化Fig.4 Dynamic variation pericarp component contents of T105

图5 S33205果皮主要成分含量动态变化Fig.5 Dynamic variation pericarp component contents of S33205

2.2.2 同一材料在不同环境条件下果皮主要成分含量的动态变化比较 将果皮主要成分含量变化在2种环境条件下进行比较发现，PE10和T105在授粉后12、14及24d春、冬2季间果皮半纤维素含量比较接近，差异不显著（表3），而在16、18、20、22d则差异达显著或极显著水平，且在授粉后12～24d内各测定时间点的果皮半纤维素平均含量春季均高于冬季。半纤维素含量变化特征与果皮柔嫩度高度一致，S33205虽然在7个测定时间点春、冬2季间差异不显著，但是各测定时间点的果皮半纤维素平均含量春季均高于冬季，亦与果皮柔嫩度变化特征基本保持一致。木质素含量均值变化亦呈现与半纤维素相似的特点：在各测试时间点，果皮木质素含量均值绝大多数春季高于冬季。除PE10外，T105与S33205的春季木质素含量峰值均大于相同测试时间点的冬季木质素含量。上述结果表明，果皮半纤维素和木质素的积累速度在武汉2014年春季环境条件下明显高于2014年海南陵水。3份材料的果皮纤维素、果胶和灰分含量均值在各测定时间点差异无明显规律。

表3 果皮成分含量在不同环境条件下的变化比较Table 3 Comparison of the content changes of pericarp components under different environmental conditions %

2.3 超甜玉米果皮柔嫩度与果皮主要成分间的相关关系

2.3.1 果皮柔嫩度与主要成分间的相关性分析籽粒发育过程中果皮柔嫩度与果皮主要成分含量相关性分析结果如表4。表4中显示，PE10果皮柔嫩度与果皮半纤维素含量在2014年春季和冬季的相关系数分别为0.96和0.94，T105分别为0.91和0.87，S33205分别为0.98和0.97，均达到极显著水平。果皮木质素含量与果皮柔嫩度亦存在极显著正相关。PE10果皮柔嫩度与果皮木质素含量相关系数在2014年春季和冬季分别为0.71和0.74，T105分别为0.72和0.75，S33205分别为0.72和0.77。而3份材料的果皮纤维素、果胶及灰分含量与果皮柔嫩度在2种环境条件下的相关系数均处于-0.21～0.24区间，且差异未达显著水平。上述结果表明，在籽粒发育过程中果皮主要成分半纤维素和木质素含量显著影响果皮柔嫩度，即果皮半纤维素和木质素含量越高，果皮柔嫩度越差。而果皮纤维素、果胶及灰分含量变化对柔嫩度影响较小。

表4 同一材料在2个环境中籽粒发育过程中果皮成分含量与柔嫩度的相关系数Table4 Correlationcoefficients between pericarpcomponent andpericarp tendernessover time within each inbred in two environments

2.3.2 最适采收期果皮柔嫩度与主要成分含量间的相关性分析 将10份材料在不同环境下最适采收期的籽粒果皮柔嫩度与对应的果皮主要成分含量进行相关性分析，结果如表5。表5中显示，半纤维素含量与果皮柔嫩度的相关系数在2014年春、冬季分别为0.92和0.90，且达到极显著水平，果皮木质素含量与柔嫩度的相关系数在2014年春、冬季分别为0.70和0.72，且达到极显著水平。而纤维素、果胶及灰分含量与柔嫩度相关系数在2种环境条件下的变化范围为0.04～0.20，且均未达到显著水平。上述结果表明，在最适采收期，果皮的柔嫩度与果皮的半纤维素、木质素含量极显著相关，果皮半纤维素和木质素含量的高低极大地影响果皮的柔嫩度。

表5 最适采收期不同材料果皮柔嫩度与成分含量相关系数Table 5 Correlation coefficients between pericarp tenderness and pericarp component at the optimum picking time of different materials

3 讨论

3.1 果皮柔嫩度与材料本身及环境的关系

在鲜食超甜玉米生产实践中，果皮柔嫩度因关系到产品的口感好坏而受到高度重视，而人们对最适采收期果皮的柔嫩性尤为关注，因此本研究只对授粉后第12～24天即“灌浆初期—乳熟期—乳熟后期”果皮柔嫩度和主要成分的变化及其相互关系进行了探讨。

在超甜玉米籽粒生长发育过程中，作为籽粒最外部组件的果皮在结构和成分上遵循着一定的规律而发生着质和量的变化。本研究中，柔嫩度性状存在显著差异的3份自交系在2种环境条件下的柔嫩度均值变化幅度大小均为PE10＞S33205＞T105，说明影响果皮柔嫩度的因素在量和质上的平均累积速率为PE10快、S33205其次、T105最慢。而在各测定时间点上果皮柔嫩度顺序却均为S33205＞T105＞PE10，这可能说明果皮柔嫩度在籽粒发育起始阶段（授粉后0～11d）就奠定了基础，不因柔嫩度影响因素的量和质在后期的累积速率变化而变化，这由材料特性所决定，不受环境变化影响。本研究结果表明，果皮半纤维素、木质素含量与果皮柔嫩度呈极显著正相关，是影响果皮柔嫩度的主要化学成分。而半纤维素与木质素含量变化与柔嫩度变化较为一致，则从果皮化学成分的角度进一步证实柔嫩度影响因素在量和质上的累积特征是材料的固有特性。

然而，作物的表型是基因与环境互作的结果，性状表现不可避免地要受到环境的影响。本研究结果显示，就同一材料而言，在籽粒灌浆的中期，湖北武汉春季的果皮柔嫩度要显著高于海南陵水冬季，而在籽粒灌浆前期和乳熟后期，两地的果皮柔嫩度均值分别均趋同，且最适采收期的果皮柔嫩度没有发生显著变化，说明环境条件的改变显著地影响果皮柔嫩度的变化。究其原因，可能是武汉春季的光温条件要好于海南冬季的光温条件，好的光温条件加速了影响果皮柔嫩度的因素在量和质上的积累，使得柔嫩度的变化速率湖北武汉春季显著高于海南陵水冬季。但是环境光温条件的改变只会影响果皮柔嫩度的变化速率，不会从根本上改变材料的果皮柔嫩度变化范围。果皮柔嫩度本质上仍决定于材料本身。本研究中PE10和T105果皮主要成分半纤维素与木质素含量变化规律与柔嫩度保持高度一致，一方面说明半纤维素和木质素含量是影响果皮柔嫩度的化学因素，另一方面为果皮柔嫩度的变化规律找到了化学证据。柔嫩度最差的S33205半纤维素含量变化规律与PE10和T105略有不同，可能暗示着还有其他因素影响果皮柔嫩度。

3.2 果皮柔嫩度与主要成分含量间的关系

有研究[12]结果表明，果皮柔嫩度与细胞壁纤维化和木质化程度有关。本研究结果证实了这一结论。实质上，甜玉米果皮柔嫩度性状从根本上说是甜玉米果皮物理特性和化学特性与各种环境综合作用的结果。果皮厚度和细胞层数对果皮柔嫩度的影响效应最终也可以归结到果皮的化学成分上来。细胞大小一定时，果皮越厚，果皮细胞层数则越多，或者果皮厚度一定情况下，细胞越小，果皮层数则越多，2种情况的最终结果均是果皮总的细胞个数增多，细胞壁比重增加，半纤维素和木质素等主要成分的含量随之增加，造成果皮柔嫩度变差，口感变差，反之则果皮柔嫩度改善，口感变好。这也解释了有时果皮厚度大而果皮柔嫩度却不差，或果皮厚度小而果皮柔嫩度并不好的现象。

3.3 最适采收期与果皮柔嫩度的关系

鲜食玉米适时采收是确保优质高产的重要环节,也是超甜玉米鲜穗加工利用的保证[30]。采收过早籽粒含水量过多，干物质太少，产量低，食用价值低，不宜保存。采收过迟籽粒中糖分转化为淀粉，果皮柔嫩度变差，糯而不甜，香味降低。刘萍[31]认为，食味随着籽粒的生育进程而变化，最佳“食味”期就是最适宜的采收期。而体现“食味”优劣最重要的指标之一就是果皮的化渣程度，其与果皮柔嫩度直接相关。果皮越嫩，则化渣程度越高，适口性就越好，“食味”则愈佳。本研究结果表明，无论在何种生长环境条件下，随着籽粒的生长发育，果皮柔嫩度值会逐渐增大，柔嫩性逐渐变差，因此，以果皮柔嫩度作为判定超甜玉米最适采收期的唯一标准是不合适的。最适采收期的确定应该在其他指标达到最佳状态条件下，果皮柔嫩度值越小越好。

4 结论

对10份生育期一致、果皮柔嫩度存在梯度差异的超甜玉米自交系的果皮柔嫩度及主要成分含量的动态变化及其相互关系进行了研究。结果表明在授粉后12～24d内，果皮柔嫩度（打孔读数）均呈由小到大的曲线状变化，环境条件影响果皮柔嫩度变化速率。果皮半纤维素含量逐渐增大，木质素含量呈现单峰曲线变化，而纤维素含量始终在24%上下波动，果胶与灰分含量变化不大且没有明显的规律。果皮半纤维素和木质系含量均与果皮柔嫩度呈极显著正相关，是影响果皮柔嫩度的化学成分因子。