水稻穗不同粒位籽粒蛋白质及其组分含量的比较

陈书强， 薛菁芳， 潘国君， 王秋玉

(1.黑龙江省农业科学院博士后科研工作站，东北林业大学博士后科研流动站，黑龙江 哈尔滨150086;2.黑龙江省农业科学院佳木斯水稻研究所，黑龙江 佳木斯154026;3.东北林业大学，黑龙江 哈尔滨150040)

通过提高蛋白质含量以提升稻米的营养品质，是目前稻米品质改良工作的一个重要方向［1］，但许多研究结果表明，蛋白质含量与食味有负相关的倾向［2-3］。根据蛋白质在不同溶剂中的溶解度不同，可将种子蛋白质分为4 个组分:清蛋白质、球蛋白质、醇溶蛋白质、谷蛋白质。清蛋白质和球蛋白质主要存在于胚和糊粉层中，含量较少;谷蛋白质和醇溶蛋白质主要存在于胚乳中，分别占总蛋白质的80%和5% ～10%［4］。因此，谷蛋白质和醇溶蛋白质的含量及组成实际上决定了稻米的蛋白质品质。有研究结果表明，提高清蛋白质、球蛋白质和谷蛋白质或降低醇溶蛋白质在稻米胚乳中的比例可以提高稻米的营养价值和食味［5］。在评价水稻品种的蛋白质品质时，有必要对构成蛋白质的各组分进行深入的研究。以往关于粳稻穗上不同粒位籽粒蛋白质及其组分含量的差异和分布特点研究较少，本研究选用典型的直立穗型和弯曲穗型两类水稻品种为材料，比较粳稻不同粒位籽粒的蛋白质及其组分含量的差异，阐明蛋白质及其组分在不同粒位及穗上的分布特点，揭示穗型特征与蛋白质及其组分含量的关系，为粳稻优质育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

不同穗型的6 个粳稻品种，生育期为155 ～158 d。直立穗型品种3 个，分别为千重浪1 号(QCL1)、辽粳5 号(LG5)、辽粳5 号/丰锦杂交后代选出的直立穗型品系(ZF13);弯曲穗型品种3 个，分别为沈农315(SN315)、丰锦(FJ)、辽粳5 号/丰锦杂交后代选出的弯曲穗型品系(WF13)。

1.2 试验设计

试验于2006 年在沈阳农业大学水稻研究所试验田进行。采用随机区组设计，3 次重复，小区行长4 m，每区8 行，小区面积约9.6 m2。试验地土质为棕壤土，地势平坦，肥力中等，井水灌溉。于4 月10日播种，播种量0.2 kg/m2，营养土保温旱育苗，5 月20 日移栽，行株距为30.0 cm×13.3 cm，每穴插1苗。各品种于8 月6 日左右开始抽穗，8 月10 日左右齐穗。1 hm2施尿素底肥150 kg，返青肥60 kg(5月24 日)，分蘖肥75 kg(6 月1 日)，穗肥60 kg(7月26 日)。磷、钾肥以磷酸二铵150.0 kg/hm2、硫酸钾112.5 kg/hm2作底肥一次性施入。其他栽培管理同常规生产田。

1.3 取样

于抽穗期各小区选取同日抽穗、穗型大小一致的穗子约800 个，挂上纸牌作标记，其中一部分进行穗观察并记载各粒位开花日期。成熟期将各小区标记的穗摘取，按穗上枝梗部位及粒位分类取样。供试6 个粳稻品种穗部枝梗的部位划分标准(表1)参照Liu 等［6］的方法，同一枝梗上粒位划分标准是将一次枝梗上的6 个籽粒分为第1 至第6 个粒位，将二次枝梗上的3 个籽粒分为第1 至3 个粒位。穗上同一部位、同一粒位的籽粒合并作为一个样本，除去空瘪后待测稻米品质。

表1 供试6 个粳稻品种的穗部枝梗的部位划分Table 1 Partition of the parimary branch of six rice cultivars

1.4 种子储藏蛋白质的测定

种子储藏蛋白质的测定参照中国科学院上海植物生理研究所主编的现代植物生理学实验指南［7］和Luthe［8］的方法进行。(1)样品处理:选用整精米粒，切去胚后剩胚乳部分，称取7.0 g 左右，用FW-80 型高速万能粉碎机粉1.5 min，过0.25 mm(60 目)的筛，弃去筛上物，称过筛样品约0.5 g 于离心管中。(2)储藏蛋白质组分的依次分离:①清蛋白质:用10 mmol/L Tris-HCl，pH7.5 缓冲液室温提取2 h，离心，取上清液。②球蛋白质:用1 mol/L NaCl，10 mmol/L Tris-HCl，pH7.5 缓冲液室温提取2 h，离心，取上清液。③醇溶蛋白质:70.0%(体积比)酒精，10 mmol/L Tris-HCl，pH7.5 缓冲液提取2 h，离心，取上清液。④谷蛋白质:用0.5% SDS，1.0%巯基乙醇，10 mmol/L Tris-HCl，pH7.5 缓冲液提取2 h，离心，取上清液。(3)储藏蛋白质含量的测定:清蛋白质、球蛋白质和醇溶蛋白质含量的测定采用Bradford 法［9］，以牛血清蛋白质为对照;谷蛋白质含量的测定采用双缩脲法［8］，并用凯氏法加以标定［10］。

1.5 数据分析

数据分析采用Excel 和SPSS11.5 软件进行统计分析。

2 结果

2.1 穗上不同粒位籽粒总蛋白质含量

2 种类型水稻穗上不同粒位籽粒总蛋白质含量差异不大，方差分析显示，上部、中部、下部一次枝梗上6 个粒位与二次枝梗上3 个粒位籽粒的总蛋白质含量在2 种水稻类型间差异都没有达到显著水平。6 个水稻品种穗内不同粒位籽粒总蛋白质含量的差异幅度和变异系数大小因品种而异，与类型间关系不大。

稻穗开花顺序通常由上位枝梗至下位枝梗，下位枝梗着生的二次枝梗最晚。同一枝梗内均以顶端第1 个颖花先开，接着由基部颖花顺序向上开放，顶端第2 个颖花最后开花。本试验结果显示，籽粒总蛋白含量高低与其颖花在穗上的开花顺序有较密切联系。整穗内无论是上部、中部还是下部的一次枝梗上籽粒的总蛋白质含量都低于二次枝梗，上部低于中部，中部低于下部。从6 个水稻品种上部、中部、下部一次枝梗和二次枝梗不同粒位籽粒的平均总蛋白含量分别与上部一次枝梗上第1 粒位籽粒总蛋白含量(设顶花为100%)的百分比，可以看出，一次枝梗上先开花的顶花(第1 粒位)籽粒总蛋白质含量最高，其次是基部(第6、5 粒位)籽粒，中间开花的顶端第3、4 粒位籽粒的总蛋白质含量最低，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的总蛋白质含量略高(尤其在下部一次枝梗上明显);上部二次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒总蛋白质含量较高，第3 粒位(中间开花的基花)籽粒总蛋白质含量最低，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的总蛋白质含量最高;中、下部二次枝梗上第1 粒位籽粒总蛋白质含量最低，第3 粒位(基部颖花)籽粒居中，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的总蛋白质含量最高(表2)。以6 个水稻品种上部、中部、下部一次枝梗和二次枝梗不同粒位籽粒的平均总蛋白含量分别与上部一次枝梗上第1 粒位籽粒总蛋白含量(设顶花为100%)的百分比，作出了总蛋白质含量在穗上不同粒位上的分布(图1)，从整体空间上看，整穗粒位间从上到下，总蛋白质含量有逐渐增加的趋势。

表2 2 种穗型粳稻穗上不同粒位籽粒总蛋白质含量的差异Table 2 Difference of total protein contents in the grains of two panicle types of japonica rice at different grain positions

图1 穗内不同粒位蛋白质含量的分布图Fig.1 Distribution of protein contents in the grains at different positions on a panicle

2.2 穗上不同粒位籽粒清蛋白质含量

2 种类型水稻穗上不同粒位间籽粒清蛋白质含量差异不大，方差分析显示，上部、中部、下部一次枝梗上6 个粒位与二次枝梗上3 个粒位籽粒的清蛋白质含量在2 种水稻类型间差异都没有达到显著水平。6 个水稻品种穗内不同粒位间籽粒清蛋白含量的差异幅度及变异系数大小因品种而异，与类型间关系不大。

籽粒的清蛋白质含量高低与其颖花在穗上的开花顺序有一定联系。整穗内一次枝梗的清蛋白质含量低于二次枝梗，上部高于中部，中部高于下部。从6 个水稻品种上部、中部、下部一次枝梗和二次枝梗不同粒位籽粒的平均清蛋白质含量分别与上部一次枝梗上第1 粒位籽粒清蛋白质含量(设顶花为100%)的百分比看出，一次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒清蛋白质含量较高，其次是第6、5 粒位(基部颖花)籽粒，中间开花的第3、4 粒位籽粒的清蛋白质含量较低，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的清蛋白质含量也较高;中部和下部二次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒清蛋白质含量最低，第3 粒位(基部颖花)籽粒居中，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的清蛋白质含量最高;而上部二次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒最高，中间开花的籽粒最低，最后开花的籽粒位列第二(表3)。从空间上看，整穗粒位间从上到下，清蛋白质含量有逐渐降低的趋势。

表3 2 种穗型粳稻穗上不同粒位籽粒清蛋白质含量的差异Table 3 Difference of albumin contents in the grains of two panicle types of japonica rice at different grain positions

2.3 穗上不同粒位籽粒球蛋白质含量

2 种类型水稻穗上不同粒位间籽粒球蛋白质含量，除中部一次枝梗第5 粒位外，其余粒位间差异没有达到显著水平。6 个水稻品种穗内不同粒位间籽粒球蛋白质含量的差异幅度和变异系数大小因品种而异，与类型间关系不大。

籽粒的球蛋白质含量高低与其颖花在穗上的开花顺序有一定关系。一次枝梗的球蛋白质含量略高于二次枝梗，下部的球蛋白质含量高于上部和中部，而上部与中部相差不多。从6 个水稻品种上部、中部、下部一次枝梗和二次枝梗不同粒位籽粒的平均球蛋白质含量分别与上部一次枝梗上第1 粒位籽粒球蛋白质含量(设顶花为100%)的百分比看出，一次枝梗上6 个粒位间规律不太明显，最后开花的顶端第2、3 粒位籽粒的球蛋白质含量稍低;二次枝梗上先开花的第1 粒位籽粒球蛋白质含量稍高，基部第3 粒位籽粒和最后开花的顶端第2 粒位籽粒的球蛋白质含量都较低(表4)。从空间上看，整穗粒位间从上到下，球蛋白质 含量则有逐渐升高的趋势。

表4 2 种穗型粳稻穗上不同粒位籽粒球蛋白质含量的差异Table 4 Difference of globulin contents in the grains of two panicle types of japonica rice at different grain positions

2.4 穗上不同粒位籽粒醇溶蛋白质含量

2 种类型水稻穗上不同粒位间籽粒醇溶蛋白含量的差异不大，方差分析显示，上部、中部、下部一次枝梗上6 个粒位与二次枝梗上3 个粒位籽粒的醇溶蛋白质含量在2 种水稻类型间差异都没有达到显著水平。6 个水稻品种穗内不同粒位间籽粒醇溶蛋白质含量的差异幅度及变异系数大小因品种而异，与类型间关系不大。

籽粒的醇溶蛋白质含量高低与其颖花在穗上的开花顺序有一定联系。整穗内上部、中部、下部一次枝梗籽粒的醇溶蛋白质含量都低于二次枝梗，上部醇溶蛋白质含量低于中部，中部低于下部。从6 个水稻品种上部、中部、下部一次枝梗和二次枝梗不同粒位籽粒的平均醇溶蛋白质含量分别与上部一次枝梗上第1 粒位籽粒醇溶蛋白质含量(设顶花为100%)的百分比看出，无论是在一次枝梗6 个粒位间还是二次枝梗3 个粒位间籽粒醇溶蛋白质含量的排列顺序没有太大规律性，与开花先后顺序关系不太明显(表5)。从空间上看，整穗粒位间从上到下，醇溶蛋白质含量则有逐渐升高的趋势。

表5 2 种穗型粳稻穗上不同粒位籽粒醇溶蛋白质含量的差异Table 5 Difference of prolamin contents in the grains of two panicle types of japonica rice at different grain positions

2.5 穗上不同粒位籽粒谷蛋白质含量

2 种类型水稻穗上不同粒位籽粒谷蛋白质含量的差异不大，方差分析显示，上部、中部、下部一次枝梗上6 个粒位与二次枝梗上3 个粒位籽粒的谷蛋白质含量在2 种水稻类型间差异都没有达到显著水平。6 个水稻品种穗内不同粒位间籽粒谷蛋白质含量的差异幅度及变异系数大小因品种而异，与类型间关系不大。

籽粒的谷蛋白质含量高低与其颖花在穗上的开花顺序有较密切联系。整穗内无论是上部、中部、下部一次枝梗籽粒的谷蛋白质含量都低于二次枝梗，上部谷蛋白质含量均低于中部，中部低于下部。从6 个水稻品种上部、中部、下部一次枝梗和二次枝梗不同粒位籽粒的平均谷蛋白质含量分别与上部一次枝梗上第1 粒位籽粒谷蛋白质含量(设顶花为100%)的百分比看出，一次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒谷蛋白质含量最高，其次是第6、5粒位(基部颖花)籽粒，中间开花的顶端第3、4 粒位籽粒的谷蛋白质含量最低，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的谷蛋白质含量略高(尤其在下部一次枝梗上明显);上部二次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒谷蛋白质含量较高，第3 粒位(中间开花的基花)籽粒谷蛋白质含量最低，最后开花的顶端第2粒位籽粒的谷蛋白质含量最高;中、下部二次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒谷蛋白质含量最低，第3 粒位(基部颖花)籽粒居中，最后开花的顶端第2 粒位籽粒的谷蛋白质含量最高(表6)。从空间上看，整穗粒位间从上到下，谷蛋白质含量有逐渐升高的趋势。

表6 2 种穗型粳稻穗上不同粒位籽粒谷蛋白质含量的差异Table 6 Difference of glutelin contents in the grains of two panicle types of japonica rice at different grain positions

3 讨论

通过提高谷粒蛋白质含量或降低植酸等抗营养因子的含量以提升稻米营养品质，已成为稻米品质改良的一个重要内容［11-12］。但许多研究结果表明，蛋白质含量与稻米食味有负相关趋势［2-3］，如何协调两者之间的矛盾成为育种工作者面临的主要问题之一。穗型研究一直是理想株型育种中的主要内容之一，研究发现，直立穗基因(EP)能引起稻穗变短、直立、着粒密集，使水稻产量显著增加［13-15］，它的发现与利用对北方粳稻育种具有重大的意义。但有学者研究认为，直立穗型品种的食味稍差于弯曲穗型品种［16］，这是否与两类水稻品种间的蛋白质含量高低有关呢?本研究结果表明，2 种类型水稻的总蛋白质及其组分含量高低因品种而异，与类型关系不大;试验还得出2 种类型水稻穗上不同粒位籽粒总蛋白质及其组分含量间没有差异，不同粒位间的变异大小因品种而异，也与穗型特征关系不大。水稻穗内籽粒间在结实性和品质上的差异与品种的遗传特性有关，一般大穗型品种的穗内粒间差异大于小穗型品种［17-18］。多数直立穗型品种穗子偏大，下部二次枝梗籽粒比例偏多，不同籽粒间差异大，这可能是造成影响食味偏差的主要原因之一。

同一稻穗内不同粒位的小花在分化时间顺序上差异明显，这是导致稻穗内不同粒位上颖花在开花时间、小花育性、籽粒灌浆特性、成熟期及籽粒质量和品质等方面差异显著的主要原因［19-22］。据报道，穗内粒间籽粒发育上的差异主要与它们对同化物的竞争能力不同有关［23-24］，同一穗上强势粒(开花较早且发育较快的籽粒)对弱势粒的灌浆有抑制作用［19］，并进而影响稻米粒质量和品质性状差异的形成。关于不同类型不同品种不同粒位间籽粒的总蛋白质及其组分含量(清蛋白质、球蛋白质、醇溶蛋白质和谷蛋白质)比较的研究较少。本研究结果表明，籽粒的总蛋白质及其组分含量高低与颖花在穗上的开花顺序有较密切联系，但不同粒位上籽粒的蛋白质含量高低因可溶性蛋白质的种类而异。一次枝梗籽粒的总蛋白质、清蛋白质、醇溶蛋白质和谷蛋白质含量低于二次枝梗，而球蛋白质含量表现规律相反;穗上部籽粒的总蛋白质、球蛋白质、醇溶蛋白质和谷蛋白质含量低于穗中部籽粒，穗中部籽粒低于穗下部籽粒，清蛋白质含量表现相反规律。一次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒的总蛋白质、清蛋白质、谷蛋白质含量最高，其次是第6、5 粒位(基部颖花)籽粒，中间开花的顶端第3、4 粒位籽粒最低，最后开花的顶端第2 粒位籽粒略高;上部二次枝梗上3 个粒位的规律与一次枝粳粒位相同，以中间开花的基花(第3 粒位)含量最低;中、下部二次枝梗上第1 粒位(先开花的顶花)籽粒总蛋白质、清蛋白质、谷蛋白质含量最低，基部颖花(第3 粒位)居中，最后开花的顶端第2 粒位籽粒最高。球蛋白质含量和醇溶蛋白质含量在粒位间的排列顺序没有太大规律性。从整体空间上看，整穗粒位间从上到下，总蛋白质、球蛋白质、醇溶蛋白质和谷蛋白质含量有逐渐升高的趋势，清蛋白质含量有逐渐降低的趋势。

本研究中不同粒位间籽粒的总蛋白质含量总体趋势与花势相反，表现出一次枝梗低于二次枝梗，上部总蛋白质含量低于中部，中部低于下部的规律。已有研究报道，直立穗型品种着粒密度较大，粒间成熟度差异较大，尤其是穗基部弱势粒的灌浆过程受到强、中势粒的抑制，致使籽粒成熟不足，最终造成弱势粒的结实率、粒质量和外观品质均明显不及强、中势粒［25-26］。关于强、弱势粒与营养品质的关系还应进一步探讨。另外，杨泽敏等［27］研究了氮肥施用期及施用量对稻米品质的影响，发现施氮越多，施用时期越晚，籽粒中蛋白质含量越高。关于籽粒灌浆早晚与氮素吸收能力高低是否有关的研究也较少，今后值得进一步研究和探索。

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