追氮对夏玉米淀粉含量及其糊化特性的影响

崔丽娜　李庆方　董树亭

(山东农业大学农学院；作物生物学国家重点实验室1, 泰安　271018) (山东德州市农业局2, 德州　253000) (山东省临邑县农林局3, 德州　253000)

施氮能明显提高玉米籽粒粗蛋白含量[1-2]。但在施氮对籽粒淀粉含量的影响上存在不同意见，有研究认为施氮对玉米籽粒淀粉含量影响不明显[3]，也有研究认为在施氮0～360 kg/hm2范围内，随着施肥量增加，春玉米籽粒淀粉含量呈下降趋势[4]。氮素在提高玉米籽粒产量和改善品质方面起着重要的调节作用，淀粉是玉米籽粒的主要成分，其数量多寡直接影响玉米的产量。

籽粒中淀粉合成的前体物质蔗糖主要由穗位叶合成，再由一系列酶催化,经尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)、腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)等形态转化为葡萄糖,最后合成淀粉。蔗糖磷酸合成酶(SPS)是穗位叶蔗糖合成的关键酶[5-6]。玉米籽粒中蔗糖的代谢包括酸性蔗糖转化酶和蔗糖合成酶的作用[8]。催化淀粉合成的酶主要有腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG- PPase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)、束缚态淀粉合成酶(GBSS)、淀粉分支酶(SBE)和淀粉脱分支酶(SDE)等[8-13]。前人在研究玉米淀粉酶相关酶活性时认为追加氮肥可以提高腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)及束缚态淀粉合成酶(GBSS)的活性[14]。

淀粉的糊化特性是影响淀粉加工的一个重要的特性。淀粉的糊化特性受栽培措施的影响显著。播期、密度、套种等措施均可导致玉米籽粒中淀粉糊化特性改变。此研究以郑单958为材料，研究不同氮肥条件下，淀粉含量、淀粉相关酶活性及淀粉的糊化特性，以期为淀粉生产提供依据。

1　材料与方法

1.1　供试材料

供试品种为郑单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。种植密度均为75 000株/公顷。供试土壤类型为壤土。2014年土壤基本理化性状：土壤pH为7.30，全碳13.66 g/kg，全氮1.05 g/kg，碱解氮79.75 mg/kg，速效磷74.45 mg/kg，速效钾97.31 mg/kg；2015年土壤基本理化性状：土壤pH为7.40，全碳13.12 g/kg，全氮1.10 g/kg，碱解氮79.69 mg/kg，速效磷74.31 mg/kg，速效钾97.25 mg/kg。

1.2　实验设计

实验于2014～2015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。供试土壤类型为简育湿润淋溶土，玉米播种前0～20 cm土层有机质含量13.76 g/kg，全氮1.04 g/kg，碱解氮79.65 mg/kg，速效磷74.86 mg/kg，速效钾97.55 mg/k，pH 7.40。

田间实验设计：不施氮、施尿素N 103.5、207、310.5 kg/hm24个施氮水平(分别用N0、N1、N2、N3表示)，3次重复，随机排列。所用氮肥为尿素(含N 45%)，全部追施。各处理均施复合肥(N-P-K:16%-16%-16%)300 kg/hm2，全部基施。供试品种：郑单958。2014年: 玉米的播种期为6月11日，收获期为10月7日，玉米生育期的降水量为190.6 mm、灌水量150 mm(分2次灌溉)；2015年: 玉米的播种期为6月7日，收获期为10月5日，玉米生育期的降水量为187.3 mm、灌水量150 mm(分2次灌溉)。小区长25 m，宽2.7 m，种植密度均为75 000株/hm2。

1.3　测试方法

1.3.1籽粒淀粉含量及组成的测定

采用改良双波长法测定淀粉含量。籽粒样品经索式抽提法去除脂肪后测定直链、支链淀粉的含量，总淀粉含量为二者含量之和[15]。

1.3.2籽粒ADPG-PPase、UDPG-PPase活性的测定

取授粉后50d的玉米籽粒为材料。参照Ou-Lee等[16]、Thomas等[17]和张振清等[18]的方法。100 μL 5 mmol/L ADPG，50 μL 50 mmol/L MgCl2，100 μL Hepes-NaOH缓冲液(pH 7.5)，50 μL酶提取液，30 ℃保温10 min后加入100 μL 20 mmol/L的Ppi起动反应。反应15 min后，沸水浴1 min终止反应，冷却至30 ℃后加入100 μL 6 mmol/L的NADP、50 μL 1.5 unit/mL的PCM及50 μL 5 unit/mL的G6PDH，加入缓冲液0.3 mL，30 ℃下反应10 min,340 nm波长下比色。用G-1-P作标准曲线；籽粒SSS和GBSS活性的测定参照梁建生等[19]的方法并做适当改动。0.35 mL反应介质(含50 mmol/L pH7.5的Hepes-NaOH缓冲液，1.6 mmol/L ADPG,15 mmol/L DTT，支链淀粉1 mg)，30 ℃保温5min，加入50 μL酶液,反应20min后，沸水浴1 min终止反应。冷却后加入0.35 mL ADP→ATP反应介质(含50 mmol/L Hepes-NaOH缓冲液(pH7.5)，40mmol/L PEP，200 mmol/L KCl，100 mmol/L MgCl2和2unit PK)，30 ℃反应30 min后，加入荧光素-荧光素酶试剂，用FG-300发光光度计(上海植物生理生化研究所)测ATP生成量。

1.3.3籽粒淀粉糊化特性的测定

采用3-D型黏度速测仪，T(Thermal Cycle for Window)配套软件进行分析。其主要步骤：称取4.00 g(根据样品的实际水分，按14%水分校正以确定样品用量)样品，置测定杯中，加25 mL蒸馏水，用搅拌器上下搅动10次左右，旋入仪器进行测试。搅拌器在起始10 s内转动速度为960 r/min，之后保持在160 r/min。在搅拌过程中,罐内温度变化如下：50 ℃下保持1 min,在3.7 min内上升到95 ℃，在95 ℃保持2.5 min，然后在3.8 min内下降到50 ℃，在13 min时结束程序。

籽粒RVA(淀粉糊化)特征值包括：峰值黏度(Peak Viscosity, PV)、热浆黏度或低谷黏度(Hot Viscosity，HV)、最终黏度或冷胶黏度(Final Viscosity，FV)，峰值时间(Peak time，P-time)和糊化温度(Paste temperature，P-temp)；并计算崩解值或稀懈值(Break down, BD=PV-HV)、消减值(Set back，SB=FV-HV)、反弹值或回复值(Consistence，CT=PV-FV)。峰值时间单位为min，糊化温度单位为℃，其它特征参数均以RVU为单位。

1.4　数据处理和分析

采用EXCEL 2000及DPS 7.05数据处理系统进行数据统计与分析。

2　结果与分析

2.1　籽粒淀粉含量及籽粒中其他组分含量

由表1可知，总淀粉及直链淀粉含量随追氮量的增加先升高后略有下降；支链淀粉含量、可溶性糖含量随施氮量增加而升高；蛋白质含量随追氮量的增加先降低后升高；总氨基酸含量随追氮量的增加先升高后降低。表明适当追施氮肥可以增加总淀粉含量及直链淀粉含量，过量追施氮肥将降低总淀粉含量及直链淀粉含量。前人对于氮肥对淀粉含量的影响有不同研究结果姜东等在小麦上的研究结果表明适量施氮有利于淀粉的形成和积累[20]。关义新等[3]研究发现，随施氮量的增加高淀粉玉米品种郑单18子粒淀粉含量的变化并不显著。田国政等[21]研究研究指出氮肥对不同玉米品种淀粉积累影响结果不同。本实验研究表明，适量追氮可以增加淀粉含量。

表1　追氮对玉米籽粒淀粉含量的影响

注：表中各列数据后小写字母不同表示其差异在 5%水平上显著，余同。

2.2　籽粒淀粉相关酶活性

籽粒淀粉的生物合成是在ADPG 焦磷酸化酶(ADPG-Ppase)、UDPG 焦磷酸化酶(UDPG-Ppase)、可溶性淀粉合成酶(SSS)和束缚态淀粉合成酶(GBSS)催化下完成的。UDPG-Ppase 主要催化SS 降解蔗糖产生的UDPG 与无机焦磷酸反应生成1-磷酸葡萄糖和UDPG, 是籽粒中淀粉合成的第一步。ADPG 焦磷酸化酶(ADPG-Ppase)催化1-磷酸葡萄糖形成ADPG, 作为合成淀粉的直接底物, 是淀粉生物合成的重要调节位点和枢纽,显著影响淀粉产量[14]。SSS通常以游离态存在于胚乳淀粉体中，催化ADPG与淀粉引物(葡聚糖)反应，将葡萄糖分子转移到淀粉引物上，使淀粉链延长。GBSS与SSS的作用相同，在淀粉粒形成晶体结构后催化淀粉分子的链加长反应[22-23]。由表2可知，腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)及束缚态淀粉合成酶(GBSS)的活性随追氮量的增加先升高后降低。可溶性淀粉合成酶(SSS)的活性随追氮量的降低后升高。这表明适量追氮可以提高腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPG-PPase)、 尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(UDPG-PPase)及束缚态淀粉合成酶(GBSS)的活性的活性。

2.3　淀粉的糊化特性

淀粉的糊化性质是影响淀粉加工特性的重要因素之一。而淀粉的糊化性质受到众多因素的影响，如淀粉的来源，淀粉的种类，以及是否添加食品添加剂(如食盐等)，种植密度、播期、氮肥及灌水等农艺措施也影响了淀粉的糊化性质，石德杨等人在研究过程中发现，灌水和施用氮肥可以有效改善淀粉的糊化特性，且所需糊化温度降低，峰值时间缩短[24]。由表3可知，随追氮量的增加淀粉的峰值黏度、低谷黏度、最终黏度及崩解值先升高后降低,峰值时间以及糊化温度先降低后升高。这表明适量的追氮量有利于增加淀粉黏度的稳定性，需要的糊化温度降低，且达到峰值的时间也缩短。但过量追加氮肥不利于淀粉的黏度稳定性，需要的糊化温度升高，且达到峰值的时间也延长。

表2　追氮对淀粉相关酶活性的影响

表3　追氮对淀粉糊化特性影响

3　结论

本研究结果表明适量的追氮有利于增加淀粉淀粉含量、提高淀粉相关酶活性(除SSS的活性外)、有利于淀粉黏度的稳定性，淀粉需要的糊化温度降低，且达到峰值的时间也缩短，而过量追加氮肥降低淀粉含量，降低淀粉相关酶活性(除SSS的活性外)，不利于淀粉的稳定性，因此在玉米生产过程中切不可一味增加氮肥的施用量。在黄淮海气候条件下，夏玉米最佳的追氮量为207.0 kg/hm2。

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