不同链支比玉米淀粉颗粒结构原位表征与分析

1、不同链 / 支比玉米淀粉颗粒结构原位表征与分析 淀粉修饰型基因可以不同程度地改变淀粉颗粒中直链淀粉和支链淀粉的含 量,生成不同链 /支比淀粉。淀粉的直链/支链含量比、颗粒表面形貌、颗粒直径、 结晶度等微观结构与其品质和加工性能密切相关 , 如淀粉糊的透明度、酶解力、 凝胶强度、凝沉特性、流变学特性等。因此,研究不同链/支比玉米淀粉颗粒的结构、 形态及化学组成等对其在食品 和淀粉工业中的应用以及在玉米品种的育种筛选中具有重要意义。 本文以五种不 同链/支比玉米品种(WT ae、GEMS-006、wx ae和ae du)为研究对象,分别利用 光学显微镜、 偏光显微镜、 扫描电镜和原子力显微镜对其不

2、同位置处的淀粉颗粒 形态、 KI/12 溶液染色结果、偏光十字、生长环、 blocklet 结构等进行原位观察 和表征；采用近红外和拉曼光谱技术对不同链 / 支比玉米品种进行了分析与鉴别； 最后用红外和拉曼化学成像技术对不同链 / 支比玉米品种不同位置处的淀粉进行 了吸水能力、老化能力、结晶度、线性链与分支链比等定性分析 , 并用红外化学 成像技术结合图像的主成分分析对不同玉米品种进行了鉴别分析。主要研究内容和结论如下：(1)WT玉米胚乳淀粉KI/I2溶液染色后均呈深蓝 色,颗粒为球状；ae玉米冠部胚乳部分淀粉颗粒呈煎鸡蛋状，中间为深蓝色，周围 为粉红色 , 颗粒为球状或不规则球状 ,ae 基

3、因的引入使得淀粉颗粒形态不均匀性 增加，且主要发生在淀粉积累的初期；GEMS-006玉米淀粉颗粒染色后均呈深蓝 色 , 颗粒呈细长棒状、球状、无规则球状、熔融状、多颗粒融合状等 , 说明 HAM 基因可以使淀粉颗粒增长,增加淀粉颗粒形态的不均匀性； wx ae玉米淀粉颗粒 KI/I2 溶液染色后均为粉红色 , 颗粒呈无规则球状 , 中部和基部胚乳细胞中心和 靠近细胞壁的淀粉颗粒直径差异较大,wx和ae基因的引入同样导致淀粉颗粒不 均匀性增加； ae du 玉米冠部和中部内部胚乳淀粉染色后有的呈深蓝色 , 有的呈 粉红色,分布无规律,颗粒大小均匀,说明du基因的引入可以使得原来ae玉米淀 粉的不

4、均匀性增加，单个颗粒不均匀性增加，向两极化发展。(2)WT玉米淀粉颗粒 在偏振光下有明亮清晰的偏光十字 , 颗粒内部结晶状态分布均匀 , 整个颗粒呈球 晶结构；ae玉米淀粉颗粒的偏光结果复杂，典型煎鸡蛋状ae淀粉颗粒中心有偏 光十字, 周围为暗黑色 ,中心与周围结晶状态不一样 , 还有的淀粉颗粒的偏光十字 是由两个或多个偏光十字连接而成 , 这些变化都是由 ae 基因引起的； GEMS-0067 细长棒状淀粉颗粒的偏光十字由两个或者多个偏光十字连接而成 , 球状颗粒仍有 单一且明亮的偏光十字,说明HAh和ae两个基因的引入并没有改变颗粒内部结晶 状态的均匀性;wx ae玉米淀粉颗粒的偏光十字出

5、现畸形,说明其内部结晶态与WT 淀粉不同。(3) WT玉米颗粒在扫描电镜下观察，表面比较粗糙，颗粒内部能观察到明显 的脐点；ae典型煎鸡蛋状淀粉中间与外围有明显的界限,表面有blocklet结构 存在；GEMS-006玉米颗粒有的呈细长棒状,颗粒中心有脐点,颗粒断面有 blocklet结构;wx ae淀粉颗粒为无规则球状，表面十分粗糙，颗粒中心有空洞， 颗粒断面有 blocklet 结构； ae du 玉米颗粒中有的能观察到片层结构和断面的 blocklet 结构。 Blocklet 结构广泛存在于不同链 /支玉米的淀粉颗粒中。(4) 在原子力显微镜下,WT玉米典型球状淀粉颗粒能观察到明显的生

6、长环和blocklet结构及其表面淀粉酶分解后的凹陷小坑点；ae玉米典型淀粉颗粒呈煎鸡蛋状 , 中间高 , 周围低, 没有观察到生长环结构 , 却有明显的 blocklet 结构及其 表面酶分解后的凹陷小坑点；GEMS-0067玉米典型淀粉颗粒呈细长棒状,有的能 观察到生长环结构；Wxae淀粉颗粒多数呈无定形球状,中间有明显生长环；ae du 玉米淀粉呈球状或煎鸡蛋状 , 球状颗粒有明显的生长环结构 ;blocklet 结构和酶 分解凹陷小坑点也均能在 ae、GEMS-006、wx ae和ae du玉米品种淀粉颗粒内 观察到。 (5) 原子力显微镜力曲线结果说明各玉米淀粉颗粒脐点附近 bloc

7、klet 结构排列松散 , 而其它区域未观察到明显规律。(6) 近红外和拉曼光谱结合主成分分析可以用于不同链/ 支比玉米品种的鉴别。采用近红外光谱技术对五个玉米品种一起鉴别时 ,WT和单基因突变品种ae 玉米颗粒的聚类效果较好,而双基因突变GEMS-0067 wx ae和ae du品种由于具 有共同的 ae 突变基因 , 聚类效果较差。当分别对每两个玉米品种进行主成分分析时 ，WT和ae,WT和 wx ae, ae和wx ae相互之间有明显的聚类趋势，其它品种相互之间不能有效区分。采用拉曼光谱技术, 即使五个玉米品种一起鉴别 , 不同粉质和蜡质部分的切块有明显的聚类趋 势, 不同品种之间也有明

8、显的聚类趋势。拉曼光谱的定性分析结果比近红外光谱好 ,可为玉米品种的选育提供快速有 效鉴别方法。 (7) 红外和拉曼化学成像技术相结合可以用来分析不同链支比玉 米品种不同位置处淀粉颗粒结晶度的差异 , 以及单个淀粉颗粒内部结晶度的差异。WT玉米淀粉结晶度分布均匀，单个颗粒内部、不同细胞淀粉之间、不同位置均一致。ae玉米淀粉平均结晶度较 WT高，但是典型ae玉米淀粉颗粒两相之间线 性部分和分支部分比例相当，且结晶度分布均匀，说明ae突变基因只影响 blocklet的组装或是改变其定向排列，从而使得典型ae玉米淀粉呈现两相性。与WT玉米淀粉相比，GEMS-0067玉米淀粉平均结晶度增强,说明HAM

9、和 ae基 因的共同作用增加了淀粉颗粒形态的不均匀性 ,增强了淀粉结晶度 ,但并没有改 变淀粉结晶度的均匀性,棒状淀粉颗粒内部结晶度仍然均匀分布。wx ae淀粉颗 粒平均结晶度WT高,且颗粒内部结晶度分布均匀,说明wx和ae两个基因的相互 作用, 增强了淀粉颗粒的结晶度 , 没有改变其线性部分和分支部分的比例。ae du淀粉结晶程度为五种淀粉中最低的一种,说明du基因的引入降低了淀 粉颗粒结晶度。(8) 红外化学成像技术可以用来分析不同链 /支比玉米品种不同位 置处淀粉吸水能力、老化能力、蛋白质含量等的差异： 1)wx ae玉米淀粉吸水能 力最强。WT玉米淀粉颗粒结晶状态均一,较难吸收水分。ae玉米颗粒中部和基部淀粉 较WT玉米吸收水分多。GEMS-006和ae du玉米颗粒冠部和基部的淀粉吸水能力与 ae也有不同。 2)WT ae和GEMS-006玉米淀粉老化能力相当。wx ae 品种玉米淀粉不易老化。 ae du 玉米颗粒冠部淀粉较其它两位置处淀 粉易老化。3)WT玉米蛋白质整体来说含量最低,淀粉含量最多,淀粉颗粒在WT玉米颗粒 中得到了充分的积累。ae玉米品种各位置淀粉含量较 WT减少,蛋白质增多。wx ae品种与其它