高蛋白玉米的品质形成机理及关键技术研究

【摘要】： 玉米籽粒品质性状是多基因控制的数量性状,该性状的表达受环境因素的影响。这方面的研究尽管多有报道,但环境因素和栽培措施对玉米籽粒蛋白质含量影响及机制的研究还较为薄弱;以往的研究多以常规玉米为材料,进行高蛋白玉米的相关研究很少;蛋白质组分决定着蛋白质的优劣,但缺少对自然因素和栽培措施影响玉米蛋白质组分的系统研究。本文以高蛋白玉米豫单2002和普通玉米郑单136为试材,2004-2005年在大田和池栽情况下,研究了高蛋白玉米形成的生理生化机制,探讨了河南省适合高蛋白玉米生长的适宜生态区域及关键栽培技术,主要结果如下: 1高蛋白玉米氮代谢特征 高蛋白玉米氮素利用率较高,豫单2002的氮素利用率比郑单136高7.79%;NRase活性在灌浆期内变化趋势相近,授粉后0-30d,二者的NRase活性相差不大,授粉后30 d至收获,豫单2002的NRase活性明显高于郑单136:二者籽粒中的GS活性在籽粒灌浆期的变化动态均呈“S”型,且豫单2002籽粒中Gs活性一直高于郑单136;高酶活性促进了蛋白质的形成。高蛋白玉米具有氮素利用率高和氮素同化酶活性高的特征。 2高蛋白玉米蛋白质组分及酶活性变化 在玉米籽粒灌浆期间,高蛋白玉米籽粒的粗蛋白含量及蛋白组分含量变化动态与普通玉米相近,均呈下降趋势,且粗蛋白含量在灌浆期一直高于后者;高蛋白玉米的清蛋白含量在灌浆期始终高于普通玉米,球蛋白含量在授粉后5-15 d前者低于后者,15 d以后前者高于后者,二者的清蛋白和球蛋白差异不显著;高蛋白玉米的醇溶蛋白低于普通玉米,二者谷蛋白含量在授粉后25 d前差异不大,其后高蛋白玉米逐渐大于普通玉米;高蛋白玉米的NRase、GS活性与普通玉米的变化趋势一致,前者NRase和GS活性较高,NRase与蛋白质形成呈正相关,GS活性变化趋势与蛋白质累积速率一致,两种基因型玉米的GS峰值出现均早于蛋白质灌浆速率峰值。高蛋白玉米籽粒氨基酸的含量高于普通玉米,而穗位叶中的氨基酸含量相反,可能是普通玉米穗位叶中的氨基酸不能快速运往籽粒,影响了籽粒中蛋白质的形成。 3高蛋白玉米籽粒灌浆过程中内源激素含量的变化 高蛋白玉米和普通玉米籽粒中IAA含量动态变化均为抛物线型,灌浆前期快速升降,而后平稳下降;籽粒中IAA质量为双峰曲线,总趋势为上升。灌浆前期和后期高蛋白玉米豫单2002的IAA含量和质量均高于普通玉米郑单136,灌浆中期相反。高蛋白玉米中ZR含量总的变化为单峰曲线,授粉后15 d达到峰值;普通玉米中ZR含量总的变化为“M”型曲线,灌浆后期的峰值较小。籽粒中ZR质量的变化二者都为双曲线,第一次到达峰值的时间相同,为授粉后20 d,第二次到达峰值的时间不同。豫单2002籽粒中GA3的含量变化呈下降趋势,但变化比较平稳;郑单136籽粒中GA3的含量在授粉后5-10 d快速升高,10-15 d快速下降,然后保持基本平稳:在整个灌浆期中豫单2002的GA3含量均低于郑单136。二者籽粒中GA_3质量均为上升趋势,授粉后32 d以前豫单2002低于郑单136,32 d以后高于郑单136,45 d时二者没有差异。豫单2002和郑单136中ABA含量总的变化为下降趋势,灌浆期普通玉米籽粒中ABA含量高于高蛋白玉米:籽粒中ABA质量都为上升趋势,授粉后37 d以前郑单136高于豫单2002。籽粒发育初期IAA和ZR含量高有利于蛋白质的合成;灌浆期ABA和GA_3含量高则不利于蛋白质的合成;籽粒中硝酸还原酶活性和GA_3相关性较强。籽粒蛋白质含量的变化受多种内源激素的调节,激素间互相作用可能是蛋白质含量积累的生理基础。 4高蛋白玉米氮代谢日变化特征 在授粉后第30天,高蛋白玉米豫单2002和普通玉米郑单136籽粒蛋白质含量的变化动态相近,20点时蛋白质含量最高,2点时蛋白质含量最低。籽粒和穗位叶中NRase的变化与籽粒蛋白质含量变化动态一致,而且第30天的24 h里高蛋白玉米籽粒和穗位叶的NRase活性均大于普通玉米。籽粒中GS活性均为高蛋白玉米高于普通玉米,穗位叶中GS活性8-11点时高蛋白玉米含量较高,其余时间均较低;普通玉米籽粒中蛋白酶活性高于高蛋白玉米,高蛋白玉米籽粒中合成的蛋白质分解少,有利于蛋白质的贮藏,穗位叶中蛋白酶活性相反,有利于氮素运往籽粒。 5高蛋白玉米的生态适应性 高蛋白玉米在河南省内不同区域的蛋白质含量和产量不同。积温、日照时数、湿度都影响蛋白质的形成,其中积温与蛋白质含量的相关性最大。四种组分均受环境的影响,但它们的变化规律不同。年份变化对蛋白质含量的影响小于生态区差异。高蛋白玉米适宜的种植区域为豫西灌区。 6种植密度影响高蛋白玉米的产量和品质 在一定密度范围内,随着密度的增加,高蛋白玉米豫单2002产量呈现先升高后降低的趋势,蛋白质含量呈现“升高一降低一升高”的趋势,高蛋白玉米豫单2002应选择45 000株/公顷的种植密度。不同蛋白组分受密度影响不同,醇溶蛋白最易受密度影响。 7不同质地土壤对高蛋白玉米的产质效应 高蛋白玉米种植在中壤土上产量和蛋白质含量最高,沙壤土上最低。高蛋白玉米籽粒中包括赖氨酸在内的17种氨基酸含量顺序为中壤＞沙壤＞粘壤。中壤种植的玉米籽粒中四种蛋白质组分均高于沙壤和粘壤,在三种土质上,清蛋白和球蛋白变化较少,谷蛋白和醇溶蛋白变化较大。 8化肥用量及配比对高蛋白玉米产量和品质有较大影响 施肥提高了高蛋白玉米的产量和蛋白质含量,肥料配合施用比单一施用效果明显,一定范围内随着施肥量的增加,产量和蛋白质含量增加。高蛋白玉米最佳肥料用量为225:112.5:112.5 kg·hm~(-2)。 增施氮肥提高籽粒中醇溶蛋白和谷蛋白含量,氮肥对提高醇溶蛋白的作用最大,而对清蛋白和球蛋白的影响较小。玉米籽粒中的清蛋白在不同肥料的配比下变化不明显,施肥配比对球蛋白含量在授粉后20 d以前的影响较大;氮磷钾配合对谷蛋白提高最多。 施肥提高了穗位叶中NRase活性,有利于穗位叶蛋白质的合成,为籽粒中蛋白质的合成提供了保障。玉米籽粒中NRase也具有较高活性,变化总趋势呈“S”型,施肥提高了籽粒中NR的活性,但总趋势不变;灌浆后期高蛋白玉米籽粒中仍保持较高的NRase活性,促进了籽粒中蛋白质的快速合成。肥料配比均提高了籽粒中GS在整个灌浆期中的活性。