大麦_淀粉酶的研究进展

徐绍英等对 7 个二棱大麦品种进行遗传研究时发 现 , α - 淀粉酶活性的遗传控制主要以胚显性和胚 乳加性效应为主 , 环境效应对 α - 淀粉酶活性的影 响主要是通过对胚遗传效应和胚乳加性效应的表达 相互作用而实现 。同时对 α - 淀粉酶性状的各项遗 传率估算发现 , α - 淀粉酶活性的普通遗传率中 等 , 为 2611% , 且以胚乳互作遗传率为主 , 胚乳 遗传率占 α - 淀粉酶活性总遗传率的 8316% , 表明 胚乳遗传率解释了选择能对这两个性状起作用的那
3 大麦 α - 淀粉酶活性的环境与基因型变异
品 种 与 环 境 对 α - 淀 粉 酶 活 性 均 有 影 响 。 A rends等对 11个澳大利亚大麦品种在不同地区进 行了两年的实验 , 结果指出 , 品种和地区之间的 α - 淀粉酶活性存在很大的差异 , 品种之间 α - 淀 粉酶活性变幅为 56 U / g～141 U / g, 地区之间的 α - 淀粉酶活性变幅为 80 U / g～156 U / g, 品种与 环境对 α - 淀粉酶活性均有显著的影响 , 但是品种 之间的变异大于环境之间的变异 。 Georg - Kraemer 等 [3 ]对 10个巴西大麦品种的 α - 淀粉酶活性进行 了测定 , 发现品种之间的 α - 淀粉酶活性差异较 大 , 变幅为 47145 U / g～398123 U / g。L in 等 [ 9 ] 研 究发现 , α - 淀粉酶活性品种间存在极显著差异 , 大多数大麦品种的 α - 淀粉酶活性在收获前含水量 为 50%时期较高 , 随着成熟逐渐衰减 , 到达收获 成熟时活性很 低 , 甚至 较难 检测 到 。在 麦芽 中 , α - 淀粉酶活性品种间也存在的显著差异 , 易穗发 芽品种 α - 淀粉酶活性较高 。激素对 α - 淀粉酶活 性变化也有很大影响 。 Fincher等发现 , 在植物激 素赤霉酸的作用下 , 种子萌发后 , 糊粉层中重新合 成 α - 淀粉酶并在胚乳中积累 。
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大麦与谷类科学 BARLEY AND CEREAL SC IENCES NO1312009
大麦 α - 淀粉酶的研究进展
张新忠 1, 2 汪军妹 1 黄祖六 2 朱靖环 1 贾巧君 1 林 峰 1 杨建明 1
(11浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所 , 国家大麦改良中心 , 浙江 杭州 310021; 21江苏省扬州大学农学院 , 江苏省作物遗传生理重点实验室 , 江苏 扬州 225009)
2 大麦籽粒发芽过程中 α - 淀粉酶活性的变化
大麦 α - 淀粉酶活性在发芽籽粒中呈动态变 化 。 Georg - Kraemer[ 3 ] 对 10 个巴西大麦在发芽过 程中淀粉酶活性的变化进行了研究 , 结果发现 , 发 芽前三天的 α - 淀粉酶水平较低 , 但第四天迅速增 高 , 随后有升有降 。Agu等 [ 4 ]在研究制麦芽过程中 α - 淀粉酶的变化特性时发现 , 在制麦芽的早期阶 段 , 酶水平较低 , 此后受到内源激素的调控 , α 淀粉酶水平逐渐上升 , 在发芽的第 4 天就达到最 高 。但 Toffo li等 [ 5 ]研究发现 , α - 淀粉酶在发芽第 3天就达到最高 , 之后有升有降 , 烘干阶段明显下 降 。W ijngaard等 [ 6 ]在四种不同的发芽温度下研究
5 α - 淀粉酶的分析测定
研究 α - 淀粉酶的遗传改良 , 必然要测定 α 淀粉酶的活性 。α - 淀粉酶活性在成熟种子中较 低 , 但是在发芽过程中 α - 淀粉酶大量合成 , 活性 水平不断提高 。目前测定大麦谷物中 α - 淀粉酶主 要是采用 M cC leary和 Codd提出的底物酶解法 。该 方法是美国谷物化学家协会 (AACC ) 推荐的方 法 , 相关的试剂由爱尔兰 M egazyme公司开发生产 。 底物酶解法主要是利用过量的 α - 葡萄糖苷酶对底 物 BPNPG7的水解原理 。寡聚糖在内源 α - 淀粉酶 的水解下 , 混合物中过量的 BPNPG7被 α - 葡萄糖 苷酶分解成葡萄糖和硝基苯酚 。
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了 α - 淀粉酶的活性变化机制 , 结果表明 , 低温 (1615 ℃) 下发芽 , α - 淀粉酶的活性最高 。 Kris2 tian等 [ 7 ]研究发芽 6 d的种子发现 , α - 淀粉酶在 胚乳中大量存在 , 糊粉层中较少存在 , 但在胚中没 有检测到 α - 淀粉酶 。Robert等 [ 8 ]对大麦品种 Har2 rington在发芽过程中各种酶的时空表现特性进行研 究时发现 , 未发芽的大麦籽粒中没有 α - 淀粉酶 , 0 h到 12 h, α - 淀粉酶活性显著变化 , 60 h (浸 麦 48h) 时 α - 淀粉酶活性才达到显著水平 , 72 h 到 84h时 α - 淀粉酶活性第一次显著增加 , α - 淀 粉酶在 120 h时达到最大值 , 然后开始降低 。他们 还发现 , 赤霉酸 ( GA ) 可以显著改变 α - 淀粉酶 活性 , 脱落酸 (ABA ) 则改变了酶的合成顺 序 , α - 淀粉酶在 24 h就已经开始合成 。
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大麦与谷类科学 BARLEY AND CEREAL SC IENCES NO1312009
收稿日期 : 2009 - 05 - 14 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 30700485 ) 和浙江省自然科
学基金项目 ( Y306641) 作者简介 : 张新忠 (1985 - ) , 男 , 在读硕士生 , 主要从事大麦品
质育种研究 。 通讯作者 : 杨建明 (1959 - ) , 男 , 研究员 , 主要从事大麦遗传育
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NO1312009 大麦与谷类科学 BARLEY AND CEREAL SC IENCES
摘要 α - 淀粉酶是大麦籽粒发芽过程中的主要水解酶之一 , 是淀粉降解的起始酶 。大麦 α - 淀粉酶活性是品质育种中的一 个重要筛选指标 。它不但受大麦品种本身遗传因素和环境条件的控制 , 制麦期间的温 、湿度以及其它各种理化处理对其也 有很大影响 。本文还阐述了 α - 淀粉酶的酶学特性及其遗传育种与改良 。 关键词 大麦 ; α - 淀粉酶 ; 遗传 ; 环境
种生物技术研究 。 Email: jmyang@1631com。
性强 。等电点在 417的酶 , 活性从发芽的第四天检 测到 , 第五 、六 、七天增加 ; 等电点在 519 的酶 , 发芽第一天就检测到活性 , 第七天增强 ; 等电点在 611到 617的酶 , 发芽第一天就检测到活性 , 第二 天活性急剧增强 ; 等电点在 417 ～519 之间的九条 酶带发芽过程中几乎不变 。大麦 α - 淀粉酶同工酶 可以分为两组 , 即 α - 淀粉酶 Ⅰ (AM Y1) 和 α 淀粉酶 Ⅱ (AM Y2 ) , 其中 α - 淀粉酶 Ⅱ是大麦绿 麦芽中 α - 淀粉酶的主要形式 。AM Y1和 AM Y2具 有 80%的序列一致性 , 但是它们表现出不同的理 化特性 [ 1 ] 。AM Y2 在低 Ca2 + 浓度的情况下更容易 失去活性 , 但在 pH 为 514 时具有较高的热稳定 性 ; AM Y1 在 酸 性 条 件 下 具 有 显 著 的 热 稳 定 性 。 AM Y2对于麦芽糊精和麦芽寡聚糖具有较高的比活 度但亲和力较低 。AM Y1对淀粉具有更高的亲和性 且比 AM Y2能更有效地水解淀粉粒 。此外 , M undy 等研究认为 , 大麦 α - 淀粉酶 /枯草杆菌蛋白酶抑 制 剂 ( BASI) 只 对 AM Y2 具 有 抑 制 作 用 而 对 AM Y1无任何作用 。
大麦籽粒发芽过程中 , α - 淀粉酶是胚乳淀粉 粒水解中的起始酶 , 它首先将淀粉粒降解为支链 、 麦芽糊精及可溶性多肽等 , 随后 , 在 β - 淀粉酶的 互补作用下 , 淀粉粒最终被降解为麦芽糖和低分子 量的糊精 。大麦淀粉酶与麦芽糖化力密切相关 , 决 定着麦芽糖化力的大小 , 是衡量麦芽品质的重要指 标 。因此 , α - 淀粉酶活性是大麦品质育种的一个 重要筛选指标 。
4 α - 淀粉酶的遗传与育种研究
朱睦元等利用双列 , 基因型间的 GCA 和 SCA 效应均显著 。该性状主要受加性基因控制 , 也存在显性效应 。α - 淀粉酶广义遗传力的估算在 不同的研究者间差异很大 , 变幅在 38% ～97%。
些遗传变异的绝大部分 , 而胚直接遗传率和互作遗 传率占 α - 淀粉酶活性遗传率的比率相对较小 。 Rutger等从 α - 淀粉酶与 β - 淀粉酶活性之间 的无相关性认为二者独立遗传 。徐绍英等也认为这
两个性状相关性极弱 , 表明在育种中为了获得高糖 化力的优质麦芽品种需要对 α - 淀粉酶和 β - 淀粉 酶分别进行改良 。 Panozzo等 [ 10 ]对 α - 淀粉酶进行了 QTL 定位分 析 , 发现 α - 淀粉酶活性由位于第 2染色体 、第 5 染色体长臂以及第 6染色体上的基因控制 。Huang 等 , Khursheed和 Roger的研究均发现在大麦基因 组中至少有 10个编码 α - 淀粉酶的基因 。目前已 知控制 α - 淀粉酶的基因有两个 : Amy1 和 Amy2, 其中 Amy1位于第 6染色体的长臂上 , 编码 α - 淀 粉酶 Ⅰ (AM Y1) ; Amy2位于第 1染色体上 , 编码 α - 淀粉酶 Ⅱ (AM Y2) 。Rogers等克隆了大麦低等 电点和高等电点的 α - 淀粉酶 cDNA。之后 , 研究 者对其进行了测序 。R ahm atullahi等从大麦基因文 库中分离到了两个 α - 淀粉酶的基因克隆 , 但是 低等电点和高等电点的 α - 淀粉酶 cDNA 探针杂 交和 DNA 测序证明他们是属于高等电点的基因 家族 。将这两个基因序列与 α - 淀粉酶 cDNA 克 隆的序列比较 , 发现这些高等电点 α - 淀粉酶基 因含有 3个外显子和 2 个内含子 。 Fox等 [ 11 ]总结 了影响大麦品质性状的分子生物学基础 , 指出不 同的大麦群体中 , 控制 α - 淀粉酶的基因主要集 中于染色体 1H , 2H , 4H , 5H , 6H , 7H 上 。Han 等 [ 12 ]对大 麦染 色体 1 ( 7H ) 上 的麦 芽品 质性 状 QTL 进行了精细分析 , 发现了两个 α - 淀粉酶的 QTL s, 其中一个是在 B hm lB 的末端 , 另一个是在 ABG701 - AB G476 区间 。 Gao 等 [ 13 ] 对 4H 短 臂 的 麦芽品质性 状 Q TL 进行 了精 细定 位 , 发现 一 个 与 α - 淀粉酶活性密切相关的 QTL 位于 MW G077 CDO122区间 。