施氮量对甜玉米产量、品质和蔗糖代谢酶活性的影响

赵福成，景立权，闫发宝，陆大雷，王桂跃，陆卫平*

(1扬州大学，江苏省作物遗传生理重点实验室，江苏扬州225009;2浙江省东阳玉米研究所，浙江东阳322100)

甜玉米(Zea mays L．sacharata Sturt)起源于中南美洲，受一个或多个隐性基因控制的普通玉米胚乳突变体，乳熟期籽粒具有含糖量高，营养丰富，风味好等特点，而广受青睐［1－2］。目前种植甜玉米经济效益显著，栽培面积不断扩大，已在我国农业产业结构调整中发挥重要的作用。作物产量高低和品质优劣除品种的遗传特性外，还受栽培措施和生态环境的影响［3－4］。氮是作物体内蛋白质、核酸、叶绿素、酶、维生素和一些激素的主要成分，处于代谢活动的中心地位，在作物生长中起驱动作用。施用氮肥是作物增产的重要手段，合理施用能促进碳同化，有利于增加产量改善品质［5－7］。

蔗糖是光合作用的产物，是碳水化合物在作物体内贮藏和积累的主要形式。甜玉米籽粒中碳水化合物的组成和含量是决定其品质的重要因素之一［8］，这些碳水化合物包括可溶性糖、淀粉和蛋白质等，可溶性糖含量的高低直接决定甜玉米的食用品质，蔗糖是可溶性糖的主要组分［9］。蔗糖代谢主要由磷酸蔗糖合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)催化。SPS是以UDPG为供体，以6－磷酸果糖(F－6－P)为受体的糖转移酶，合成磷酸蔗糖，磷酸蔗糖在磷酸蔗糖酯酶的作用下脱磷酸形成蔗糖［10］。SS存在于细胞质中，催化的反应是可逆的，当SS分解活性大于合成活性时，蔗糖被分解，生成UDPG和果糖;当SS合成活性大于分解活性时，则有利于蔗糖的形成［11］。因此，通过对蔗糖代谢过程进行调控可达到提高甜玉米品质的目的，研究蔗糖代谢相关酶的活性，对于提高蔗糖含量进而提高甜玉米品质具有重要意义［12］。

氮素是影响产量和品质的重要元素，甜玉米对氮素营养非常敏感［13］。大量的研究表明，适量氮肥能够提高甜玉米产量［14－16］，但对品质方面研究结果不尽相同。在甜玉米可溶性糖方面，有研究认为增施氮肥能显著降低籽粒中可溶性糖含量［17－18］;王庆祥等［19］认为随着施氮量的增加，可溶性糖含量先升高再降低，合理施氮能够提高可溶性糖和蔗糖含量;陈英取等［20］研究表明，可溶性糖含量与施氮量呈“V”形曲线，施氮量为某一数值时可溶性糖含量最低，施氮量低于这一数值，随着施氮量的增加可溶性糖含量降低，高于这一数值时可溶性糖含量随施氮量的增加而升高;Ducanes［21］和 Freymans［22］却认为在充足的灌溉条件下，甜玉米籽粒可溶性糖含量不受密度和氮肥的影响。但是，关于施氮对鲜食甜玉米籽粒品质形成规律及其蔗糖代谢特性的研究则鲜见报道。为此，本文开展了施用氮肥对甜玉米产量、品质及蔗糖代谢相关酶活性影响的研究，以期为甜玉米品种选育和优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2011年扬州大学农牧场进行，土质为砂壤土，地力中等。试验地0—20 cm土层土壤养分含量为:有机质15.74 g/kg、全氮 1.36 g/kg、速效氮110.6 mg/kg、速效磷 7.08 mg/kg、速效钾 89.55 mg/kg。试验在磷、钾肥用量一致的条件下，设置4个施氮(N)量处理，分别为N0(不施氮肥)、N75(75 kg/hm2)、N225(225 kg/hm2)、N375(375 kg/hm2)，随机区组排列，3次重复，小区面积24 m2。供试品种为扬甜2号和超甜135，7月1日播种，7月7日乳苗移栽，密度为60000 plant/hm2，氮肥分两次施入，基肥为75 kg/hm2，剩余的氮肥拔节期追施。P2O5和K2O均75 kg/hm2作为基肥一次性施入，其它管理措施统一按常规要求实施。

1.2 样品采集

于吐丝前在各小区选择生育进程一致的果穗挂牌标记，雌穗套袋。不同处理中扬甜2号吐丝期在8月20～26日，超甜135吐丝期在8月25～30日，在吐丝期分别进行人工授粉。各处理分别在吐丝后10、14、18、22、26、30 d 于清晨露水未干时取 5 个挂牌果穗，用于各项测定和分析。其中，2个果穗蒸煮后进行物性测定。取其他3个果穗中部籽粒，一部分在105℃烘箱内杀青30 min然后在70℃恒温条件下烘干至恒重，同时测得含水量;另一部分置于－80℃超低温冰箱内保存，用于酶活性测定。

1.3 测定项目与方法

在乳熟期(吐丝后22 d)测定产量:每小区采收中间2行果穗，进行测产。

物性测定:采用物性分析仪TA．XT．Plus(英国Stable micro systems公司)测定。物性分析仪主要是通过模拟人口腔的咀嚼运动，对样品进行两次压缩，可分析物性特征参数如硬度、脆性、黏着性、内聚性、弹性、粘聚性、咀嚼性、回复性［23］。在挂牌果穗中，选取均匀一致果穗2个，去掉苞叶放入电饭煲中蒸煑20 min后，自然冷却到60℃，选择每穗玉米中间部分，剥其中一竖行完整的籽粒，并选取一致的8个粒籽粒进行TPA(Texture Profile Analysis，质地剖面分析)测定。测定条件为:籽粒远胚面朝上，用P/36R探头，测前速率1 mm/s，测试速率5 mm/s，测后速率为5 mm/s，压缩程度设为90%，停留间隔5 s，触发值 5 g。

可溶性糖和淀粉含量测定用蒽酮比色法，蔗糖用间苯二酚法测定［24］。

酶液提取参照 Doehlert等［25］和 Ou-Lee 等［26］的方法并略作改进。具体步骤如下:称取1.00 g左右冰冻籽粒置入研钵中加入液氮研磨，成粉末后加入10 mL预冷的50 mmol/L HEPES-NaOH缓冲液(pH 7.5)，再于10000 ×g冰冻离心10 min，上清液即为酶提取液。

蔗糖酶活性的测定参照Wardlaw［27］的方法，略作改进。蔗糖磷酸合成酶(SPS)活性测定:50 μL酶提取液加 50 μL HEPES-NaOH、20 μL 50 mmol/L MgCl2、20 μL 100 mmol/L UDPG、20μL 6 － 磷酸果糖于30℃水浴锅中反应30 min，迅速加入200 μL 2 mol/L NaOH摇匀，沸水浴10 min。再加入2.0 mL 30%的盐酸于80℃保温10 min，最后加入1 mL 1%的间苯二酚，同样在80℃保温10 min后冷却至室温，加入3.64 mL超纯水摇匀，用722S可见分光光度计于480 nm波长下比色，用蔗糖生成量表示酶活性。

蔗糖合成酶(SS)合成和分解方向的活性测定:将 50 μL 酶提取液加入 50 μL HEPES-NaOH、20 μL 50 mmol/L MgCl2(SS合成)/MgSO4(SS分解)、20 μL 100 mmol/L UDPG、20 μL 果糖于 30℃水浴锅中反应30 min，迅速加入200 μL 2 mol/L NaOH摇匀，并沸水浴10 min。再加入2.0 mL 30%的盐酸于80℃保温10 min，最后加入1 mL 1%的间苯二酚，在80℃保温10 min后冷却至室温，加入3.64 mL超纯水摇匀，用722S可见分光光度计于480 nm波长下比色。

1.4 数据分析

数据采用Excel 2007、SPSS 13.0 for Windows软件处理，用ANOVA进行方差分析，LSD法进行差异显著性检验，采用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 施氮量对甜玉米鲜穗产量的影响

施用氮肥能显著增加甜玉米鲜穗产量。方差分析结果表明，鲜穗产量在两品种间未达显著水平(F=1.21，P ＞0.05)，氮肥处理间(F=48.31，P ＜0.01)达极显著水平。由图1可看出，扬甜2号、超甜135鲜穗产量在处理间，均以N0最低，以N225最高;N225处理的产量在两品种中比 N0分别增产65.15%、99.61%。当氮肥用量超过N 225 kg/hm2后，产量又降低。

2.2 施氮量对甜玉米品质的影响

2.2.1 对甜玉米籽粒物性的影响 物性分析仪可将食品的感观品质以量化的形式表示［23］。由表1可知，甜玉米在两品种间物性指标受施氮量影响较大。除超甜135的黏着性和回复性在处理间差异未达显著水平，扬甜2号除黏着性受施氮量的影响较小外，其余物性指标在处理间达显著或极显著水平。其中，两个品种的硬度随施氮量的增加而变大，以N375处理最高，脆性和粘聚性随施氮量的增加而先上升后下降，不同处理间达显著水平。

图1 施氮量对甜玉米鲜穗产量的影响Fig．1 Effects of different nitrogen rates on the fresh ear yields of sweet corn

表1 施氮量对鲜食甜玉米籽粒特性的影响Table 1 Effects of different nitrogen rates on the fresh sweet corn grain textural characteristics

2.2.2 对水分、可溶性糖、蔗糖、淀粉的影响 不同氮肥用量下，两品种鲜食籽粒含水量随吐丝后时间变化呈明显下降趋势(图2－A、B)，吐丝授粉后10～22 d，降低较缓慢，22 d后降低较快，在采收期(吐丝后22 d)，N0和N75处理的含水量均低于N225和N375，22 d后N0处理的含水量下降迅速;可溶性糖(图2－C、D)和蔗糖(图2－E、F)的含量均随吐丝后时间变化先上升后降低，呈单峰曲线;随着粒重的增加表现明显的“稀释效应”，因此粒重增加导致可溶性糖和蔗糖的含量降低。扬甜2号各处理的可溶性糖峰值出现在吐丝后22 d，超甜135籽粒N0处理可溶性糖含量峰值出现在吐丝后22 d，其它处理的峰值出现在吐丝后18 d，两品种以N225处理可溶性糖含量最高，N0含量最低。籽粒蔗糖含量变化趋势和可溶性糖基本一致，两品种各处理蔗糖的峰值均出现在22 d，且施氮处理峰值均高于不施氮处理。两品种籽粒淀粉含量呈上升趋势(图2－G、H)，在吐丝后22 d前，淀粉积累速率较慢，吐丝后22 d以后淀粉积累速率明显加快;以不施肥N0处理淀粉含量最低，以N375处理淀粉含量最高。

2.3 施氮量对甜玉米蔗糖代谢酶的影响

SPS活性的高低反映了甜玉米光合产物转化为蔗糖的能力。由图3－A、B可以看出，两甜玉米品种籽粒的SPS酶活性变化趋势与蔗糖含量的变化基本一致，在整个籽粒发育过程中，均以N225处理SPS酶活性最高，都表现出不施氮处理低于施氮处理。扬甜2号在吐丝后22 d达到峰值，此时的SPS活性表现为:N225＞N375＞N75＞N0。超甜135吐丝后18 d达到峰值，此时SPS活性表现为N225＞N75＞N375＞N0。从图3－C、D可以看出，籽粒中SS合成活性变化亦为单峰曲线，施氮使SS合成活性变大。扬甜2号在吐丝后22 d达到峰值，此时SS合成活性表现为 N225＞N75＞N375＞N0。超甜135吐丝后18 d达到峰值，此时SS合成活性表现为N225＞N375＞N75＞N0;由图3－E、F可看出，甜玉米籽粒SS分解活性在吐丝后随着生育进程的推进而升高，呈“S”曲线，在吐丝后18 d前SS酶分解活性增加缓慢，18～26 d增加迅速，26 d后又增速较缓。在两品种中，玉米SS分解活性均表现出施氮处理大于不施氮处理。

3 讨论与结论

图2 不同施氮量下甜玉米籽粒水分、可溶性糖含量、蔗糖含量及淀粉含量的动态变化Fig．2 Dynamics of the contents of water，soluble sugar，sucrose and starch in grains of sweet corn under different nitrogen application rates

图3 不同施氮量下对甜玉米籽粒SPS、SS(合成方向)、SS(分解方向)活性的动态变化Fig．3 Dynamics of the activities of SPS，SS(synthetic)and SS(cleavage)in grains of sweet corn under different nitrogen application rates

氮肥水平是决定玉米产量的关键措施之一［28］。受生态环境、栽培措施和品种特性等因素的影响，甜玉米氮肥施用量的适宜范围存在较大差异，但目前生产上，为求高产而偏施重施氮肥的现象很普遍。本研究结果表明，施氮能显著提高两甜玉米品种鲜穗产量，随着施氮量的增加产量先升高后降低，以施氮量为225 kg/hm2时产量最高，比不施氮分别增产65.15%(扬甜2号)、99.61%(超甜135)。合理施用氮肥可增加甜玉米可溶性糖和蔗糖含量，改善品质;氮肥过量时糖分下降，籽粒碳水化合物积累减少，影响了甜玉米品质，这和前人在普通玉米、小麦上的研究结果一致［10，25］。扬甜2号可溶性糖和蔗糖含量最高值出现在吐丝后22 d，超甜135基本出现在吐丝后18 d，这可能是由于品种间基因型差异造成的。

TPA测试以量化的形式客观全面地评价食品物性，避免了人为因素对品质评价结果的主观影响，在食品、蔬果上得到了广泛应用［29－30］。本研究中，除超甜135的黏着性、回复性和扬甜2号的黏着性受施氮量的影响较小外，其余物性参数受施氮量的影响较大。其中，两品种的硬度随施氮量的增加而变大，脆性和粘聚性随施氮量的增加而先升后降，处理间达显著水平。说明氮肥用量增大，两品种甜玉米籽粒的硬度增大;当施氮量小于N 225 kg/hm2时，脆性随施氮量增大而增大，高氮水平下脆性降低。甜玉米具有“鲜、甜、脆、嫩”特点，物性参数中硬度和脆性能够反映出甜玉米的口感。因此，施氮量影响甜玉米的品尝品质，氮肥过量时籽粒硬度变大、脆性变低、品质下降。

在玉米中参与蔗糖代谢的酶主要有SPS、SS，其中 SS 有蔗糖合成和降解两个作用方向［25，31－32］。本研究结果表明，两品种甜玉米籽粒SPS(图2－A、B)和SS合成(图2－C、D)活性在籽粒灌浆过程中呈单峰曲线，变化趋势与蔗糖含量的变化基本一致。在一定范围内随着施氮量的增加SPS和SS合成方向酶的活性增大，光合产物向蔗糖的转化速率加快，氮肥不足或过量时均导致酶活性降低，这与前人在小麦［33］、普通玉米［34－35］、黄瓜［36］上的结论相似。在玉米中叶片和苞叶光合作用产物以蔗糖的形式向籽粒运转，普通玉米的蔗糖在淀粉合成酶的作用下，蔗糖转化成淀粉，淀粉大量积累;超甜玉米由于胚乳隐性基因的突变，突变发生在淀粉合成的上游，淀粉合成受阻，蔗糖为主的可溶性糖大量积累而淀粉含量减少。Harbron 等［37］、Thomas等［38］指出，SPS可能是蔗糖合成途径中的一个重要调控点，它的活性反映蔗糖合成能力的高低，在大豆［39－40］、小麦［41］上也证实了这一观点。Gonzales等［42］和 Doehlert等［43］研究认为，甜玉米积累较多蔗糖的原因可能是蔗糖合成量的增加以及降解量的减少，但刘鹏等［44］认为甜玉米籽粒蔗糖积累较多的原因主要得益于蔗糖合成能力的增加，而非降解量的减少。本研究中，在甜玉米籽粒发育前期，以SPS、SS合成和SS分解活性均呈上升趋势，只是SPS和SS合成活性上升的较快，SS分解活性上升缓慢，蔗糖合成速率大于分解速率，表现蔗糖的积累;而乳熟末期(吐丝22 d后)SS分解活性迅速增大，而SPS和SS合成方向活性下降，蔗糖合成速率下降，部分蔗糖转化成淀粉，淀粉积累速率上升，表现为可溶性糖含量下降，淀粉含量上升，这与刘鹏等的研究结果基本一致。因此，合理施氮可提高SPS和SS合成方向活性，有利于甜玉米提高糖分，改善品质。

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