甜玉米果皮细胞层数、纤维素含量与 果皮柔嫩性的关系

赵捷，王美兴，赵蕖，黄辰洁，杜龙岗

(1.杭州种业集团有限公司，浙江 杭州 310020； 2.浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所，浙江 杭州 310021)

果皮是玉米一个非常重要的组织器官，涉及玉米籽粒的抗性、脱水速度等性状。对甜玉米而言，玉米果皮则与食用品质有密切关系，果皮柔嫩度是影响适口性重要的品质性状之一。果皮的柔嫩度是指果皮咀嚼的难易程度，是衡量甜玉米口感品质的重要指标性状。研究甜玉米果皮与其柔嫩性之间的关系，改良籽粒柔嫩度等相关性状，是甜玉米品质育种工作的关键之一[1]。

利用合理的研究方法，客观地了解甜玉米果皮柔嫩度由哪些因素影响，是提高其果皮食用品质的基础。甜玉米果皮柔嫩度的鉴定方法主要有2种。品尝法是鉴定鲜食玉米柔嫩性最直接、最便捷的方法，至今仍是育种家最常用的方法。另外一种较为便捷并且可以将鲜食玉米柔嫩性进行量化的方法是针刺法。目前，有关果皮柔嫩度的研究主要集中在果皮厚度对柔嫩度的影响方面，包括果皮厚度和柔嫩度的关系，果皮厚度的遗传规律，果皮厚度在各生长期的变化规律等。Tracy等[2-3]研究结果表明，果皮厚度和籽粒柔嫩性存在负相关的关系。周淑梅等[4-6]的研究结果表明，鲜食玉米的果皮厚度随时间变化而变化，果皮厚度由薄变厚，然后由厚变薄。由此可见，果皮厚度在玉米籽粒生长期间是一个动态的变化过程。乐素菊等[7]从果皮结构角度的研究结果表明，果皮厚度是影响果皮柔嫩度的重要因素之一，但非决定因素，果皮厚度和果皮细胞成分共同决定了玉米籽粒的柔嫩度。但史振声等[8]的研究结果显示，果皮柔嫩性与果皮厚度之间的相关性不显著，玉米果皮的柔嫩性与其组织结构有更紧密的关系。籽粒柔嫩性是鲜食玉米重要的食用品质，关于果皮对鲜食玉米籽粒柔嫩性的研究，前人从果皮厚度、果皮厚度变化规律、果皮细胞结构等多个角度对玉米果皮与玉米籽粒柔嫩性之间的关系进行了研究。鉴于成熟前玉米果皮是一个动态的性状，由于不同材料间生长期的不一致，导致生长环境、发育时期很难一致。即使是在甜玉米采摘后，由于失水作用果皮厚度也会逐渐变薄，但柔嫩性显著降低[9]。是否有更合理的方式来研究果皮厚度呢？在籽粒形成最初期，玉米果皮细胞层数已经确定，整个生长期是固定不变的，因此，我们研究了果皮细胞层数与果皮柔嫩度之间的关系。同时，也考查了果皮的纤维素含量。为了避免研究材料生长期不同步的问题而以成熟种子为研究对象，在这种条件下，果皮细胞层数及纤维素含量都可以通过实验手段精确测定。通过考察玉米果皮细胞层数与穿刺指数的相关性及对穿刺指数的影响规律，纤维素含量与果皮穿刺指数的相关性及对果皮穿刺指数的影响规律，比较果皮细胞层数和纤维素含量对果皮穿刺指数的影响，试图从一个新的角度探索果皮与鲜食玉米柔嫩性的关系，为鲜食玉米优良自交系的培育及优良组合的组配提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料

以E327(品尝法评价，其柔嫩度较好，果皮层数为4层。)为母本，B05-1(品尝法评价，其柔嫩度较差，果皮层数为8层)为父本杂交一代自交一代获得F2群体245份材料的成熟种子，考察每份材料的果皮细胞层数，并进行果皮纤维素含量测定。

1.2 方法

果皮细胞层数测定。2013年3月从海南浙江省农科院南繁基地试验田采收实验材料，每份材料选取果穗中间籽粒若干，蒸馏水浸泡24 h，剥取果皮，切片，洋红染色，在奥林巴斯BX51型号显微镜下观察果皮细胞层数，并计数，3次重复。

果皮纤维素含量测定。籽粒浸泡24 h，剥取果皮，将果皮在DHG9070型鼓风干燥箱内70 ℃烘干至恒重，万分之一天平称量果皮0.05～0.06 g，利用重铬酸钾滴定法测量果皮纤维素含量，每份样品重复3次，取平均值作为果皮纤维素含量[10]。

果皮刺穿指数测定。籽粒浸泡24 h，利用TA-XT PLUS质构仪及其P/2 N探针分别测量籽粒胚面和胚背面探针穿透果皮时的瞬时受力值(穿刺指数)，重复3次，取平均值作为果皮穿刺指数。

1.3 数据分析

果皮细胞层数、纤维素含量、果皮穿刺指数等各实测数据全部完整的材料共45份，各性状之间的相关性分析、回归分析及图表形成等在Excel中完成。

2 结果与分析

2.1 分离群体的果皮细胞层数

在显微镜下观察玉米果皮细胞层数，同一份材料的3次重复间果皮层数一致。其中母本E327果皮层数为4层，父本G05-1果皮层数为8层，其后代果皮层数均为偶数，F1果皮层数为4层，245份F2群体材料的果皮层数有3种类型，分别是4层、6层、8层(图1)，其材料数分别是105份、91份和49份。从图1可以看出，同一份玉米材料的果皮细胞层厚度较为均匀，不同材料的果皮细胞壁厚度、果皮细胞排列紧密程度，以及细胞腔的大小等都存在差异。而这些差异可能是造成果皮纤维化程度差异的原因。因此，我们对果皮细胞层数及纤维素含量如何影响鲜食玉米的柔嫩性进行了研究分析。

图1 F2分离群体果皮细胞层数的类型

2.2 果皮细胞层数对果皮穿刺指数的影响

玉米籽粒的4个侧面是从穗轴取食籽粒时的主要受力部位，籽粒侧面果皮的柔嫩性和口感有较为直接的关系，而籽粒的胚面和胚背面是玉米籽粒侧面果皮面积最大的部分。因此，我们利用果皮穿刺指数，考查了上述2个部位果皮被刺破瞬间的受力情况。结果显示，果皮穿刺力胚面小于胚背面(图2)。通过对胚面、胚背面果皮穿刺力相关性分析发现，两者果皮穿刺力呈显著正相关(r=0.181 0*)，表明玉米籽粒不同侧面的果皮柔嫩度有一定的差异，但其柔嫩度变化规律具有一致性，其中胚背面果皮的柔嫩性对籽粒的柔嫩性影响最大。因此,我们以胚背面果皮的穿刺指数代表玉米果皮的穿刺指数，研究果皮细胞层数、果皮纤维素含量对果皮柔嫩度的影响。胚背面果皮的穿刺指数为0.151 9～0.364 3 kg,不同材料之间果皮穿刺指数差异比较明显。

如图3所示，果皮细胞层数对玉米籽粒的穿刺指数有明显的影响，果皮平均穿刺指数的大小顺序为8层>6层>4层，即果皮细胞层数越多，穿刺指数越高，玉米籽粒的柔嫩性越差。

图2 籽粒胚面与胚背面果皮穿刺指数的比较

图3 果皮细胞层数与果皮穿刺指数的关系

2.3 果皮纤维素含量及其与果皮穿刺指数的关系

果皮纤维素含量在材料间的差异较大，最低为31.33%，最高达98.90%，母本E327纤维素含量为72.81%，父本G05纤维素含量为43.56%。纤维素是果皮中的主要成分之一，F2分离群体中较大的纤维素含量变幅意味着纤维素对果皮柔嫩性的影响较大。分离群体中材料果皮的纤维素含量主要分布在40%～80%(图4)，即分布在2个亲本果皮的纤维素含量之间。但也有少量材料果皮纤维素含量低于柔嫩度较低的亲本或高于纤维素含量较高的亲本。纤维素含量在群体内呈连续分布状态，因此，纤维素含量是由多个基因控制的数量性状。

图4 F2群体果皮纤维素含量的分布

果皮纤维素含量与玉米果皮穿刺指数之间的相关性分析表明，在不考虑果皮细胞层数影响的情况下，纤维素含量和穿刺指数之间不存在显著相关关系，两者之间的相关系数为0.072 3(图5)。

图5 不考虑果皮细胞层数影响时纤维素含量 与果皮穿刺指数的关系

虽然果皮纤维素含量与果皮穿刺指数之间的相关关系不显著，但我们在相同果皮细胞层数的前提下考察其与果皮穿刺指数的关系，发现将材料按果皮细胞层数4、6、8层数分类以后，纤维素含量都与果皮穿刺指数呈极显著的正相关关系(图6)，相关系数分别为0.544 9**、0.938 1**和0.742 8**。通过曲线拟合分析发现，纤维素含量与果皮穿刺指数存在简单的线性关系，而且随着果皮细胞层数的增加，直线的斜率增加，表明果皮细胞层数越多，纤维素含量对果皮穿刺指数的影响越大。因此，纤维素含量随着果皮细胞层数的增加对果皮的柔嫩性也有较为明显的影响，降低纤维素含量也是提高玉米柔嫩性的关键措施。

果皮细胞层数A为4层，B为6层，C为8层图6 考虑果皮细胞层数影响时果皮纤维素含量与 果皮穿刺指数的关系

2.4 果皮细胞层数、纤维素含量对果皮柔嫩性的协同影响

直观上来看，在纤维素含量一定的情况下，果皮细胞层数越多，其柔嫩度越差；在果皮层数一定的情况下，纤维素含量越高，其柔嫩性越小。为了考察果皮细胞层数和果皮纤维素含量2个因素对果皮穿刺指数的综合影响，我们对果皮细胞层数和纤维素含量的乘积与果皮穿刺力的关系进行了分析，结果两者存在极显著的正相关关系，相关系数为0.738 2**(图7)，并且果皮穿刺指数随着乘积的增加而变大，从此结果来看，果皮细胞层数与纤维素含量任何一种因素的变化均会影响果皮穿刺指数的。

图7 果皮细胞层数、纤维素含量对 果皮穿刺指数的影响

由表1可以看出，果皮细胞层数为4层的材料，平均纤维素含量最高，但平均穿刺指数最低，果皮细胞层数为8层时平均纤维素含量最低，但平均穿刺指数最大，果皮细胞层数为6层时，平均纤维素含量及平均穿刺指数都居中间位置。在不考虑果皮细胞层数时，纤维素含量和穿刺指数的相关性差，而在考虑果皮细胞层数的前提下，果皮纤维素含量与果皮穿刺指数呈显著正相关，这些结果表明，对果皮柔嫩性的影响果皮细胞层数大于纤维素含量。

表1 不同果皮细胞层数的纤维素含量和 果皮穿刺指数

3 小结与讨论

鲜食玉米果皮柔嫩性是其食用品质的重要指标，因此前人对果皮柔嫩性进行了一系列的研究，通常认为，果皮厚度是影响鲜食玉米果皮柔嫩度的关键因素。Daniel等[11]用硬度计测试了果皮的柔嫩度，结果显示，玉米籽粒的柔嫩度与果皮厚度呈显著负相关关系，然而从乐素菊等[7]的研究结果来看，果皮厚度并不是果皮柔嫩度的决定因素。果皮柔嫩度除了受到果皮厚度的影响以外还受到果皮细胞成分的影响。史振声等[8]的研究结果也证明，果皮柔嫩性受到果皮组织结构的影响，果皮较厚的品种也可能出现较高柔嫩性的情况。

果皮厚度和果皮柔嫩度之间存在显著的负相关性，目前，大部分研究者将其作为一个数量遗传基因控制的性状去研究[12-13]。我们通过对分离群体果皮细胞层数的研究发现，果皮细胞层数有3种类型，果皮细胞层数母本类型最少，杂合类型居次，父本类型最多。虽然果皮细胞层数为离散型的性状，但其在后代中的分离比例不符合1∶2∶1质量性状的遗传规律。果皮细胞层数与果皮穿刺指数之间的相关分析表明，果皮细胞层数与胚背面果皮呈极显著的负相关性。这些结果暗示改良玉米果皮柔嫩性的途径：通过降低父本果皮细胞层数来降低品种的果皮细胞层数，提高育成品种的柔嫩性。

在单独考察果皮纤维素含量和果皮细胞层数与果皮穿刺指数时，我们发现纤维素含量与穿刺指数的相关关系不明显，但相同果皮细胞层数的材料中，纤维素含量与果皮穿刺指数呈极显著正相关关系，表明在控制果皮细胞层数的基础上，降低纤维素含量可以明显地提高籽粒的柔嫩性。另外纤维素含量在F2群体中变化范围较广，为31.33%～98.90%，而亲本果皮纤维素含量分别是母本72.81%，父本43.56%。其变化范围已经超出了2个亲本所形成的区间，这预示着，通过人工定向选择的方法，能够优化纤维素合成途径，达到降低果皮纤维素含量，提高甜玉米柔嫩性的目的。

甜玉米籽粒果皮不同部位其柔嫩性不同，在我们的研究中，果皮穿刺指数胚面小于胚背面，两者呈正相关关系，因此，胚背面果皮对籽粒的柔嫩性影响更大。乐素菊等[14]在研究超甜玉米籽粒果皮厚度及灌浆特性时发现，胚面果皮与胚背面果皮的变化规律存在差异，前期胚面果皮厚度大于胚背面，后期胚背面和胚面果皮厚度趋于接近。综合前人及本研究的结果可以推断，降低纤维素含量可以同时降低玉米籽粒侧面果皮的穿刺指数，提高甜玉米籽粒的柔嫩性。

综上所述，果皮细胞层数和果皮纤维素含量是影响果皮柔嫩性的重要影响因素，其中果皮细胞层数对果皮穿刺指数的影响大于纤维素含量对果皮穿刺指数的影响。果皮细胞层数的遗传规律易于观测，通过降低果皮细胞层数改善甜玉米的食用品质较为现实。纤维素含量则是较为复杂的数量性状，要将可以降低纤维素含量的有利基因进行高效的聚合或去除不利基因，还需进一步对影响纤维素含量的基因进行精细定位，然后借助分子标记辅助选择等手段进行优良自交系的培育。因此，揭示玉米果皮纤维素合成途径，精细定位相关基因并获得相关分子标记，是未来提高玉米果皮柔嫩度的努力方向。