灌浆成熟期氮素营养对水稻增产及淀粉品质的影响

金正勋，同拉嘎，李丹，李明月，潘冬，张玉磊，王海微，韩云飞，张忠臣

（东北农业大学农学院，哈尔滨150030）

灌浆成熟期氮素营养对水稻增产及淀粉品质的影响

金正勋，同拉嘎，李丹，李明月，潘冬，张玉磊，王海微，韩云飞，张忠臣

（东北农业大学农学院，哈尔滨150030）

选用4个直链淀粉含量差异显著的粳稻品种，研究齐穗期施氮肥对水稻产量性状、籽粒蛋白质含量和淀粉RVA谱特性影响，以及米粉蛋白质水解处理对淀粉RVA谱特性影响。结果表明，齐穗期施氮肥可显著或极显著提高稻谷千粒重、成熟度和结实率及稻米蛋白质含量，降低直链淀粉含量，增减幅度因品种不同而异；齐穗期施氮肥可极显著降低高直链淀粉含量品种最高黏度、最低黏度、最终黏度及下降黏度值，而低直链淀粉含量品种为与之相反极显著增加，黏滞峰消减值既有极显著增加品种，也有极显著降低和无变化品种；蛋白质含量有极显著差异的米粉被碱水处理后蛋白质含量均降低到2.48%～2.64%，施粒肥与否水解处理后供试材料间米粉蛋白质含量均无显著差异；施粒肥与否去除稻米蛋白质可极显著增加米粉最高黏度和下降黏度值，并极显著降低粘滞峰消减值、最低黏度、最终黏度，其中下降黏度值增加幅度和粘滞峰消减值降低幅度较大，且低直链淀粉含量品种变化幅度比高直链淀粉含量品种大。

水稻；灌浆成熟期；氮素营养；增产；淀粉品质；影响机理

金正勋,同拉嘎,李丹,等.灌浆成熟期氮素营养对水稻增产及淀粉品质的影响[J].东北农业大学学报,2017,48(4):1-6.

Jin Zhengxun,Tong laga,LiDan,etal.Effecto f grain-filling nitrogen on yie ld increasing and starch qua lity in rice[J].Journal of NortheastAgriculturalUniversity,2017,48(4):1-6.(in Chinese w ith English abstract)

氮素为植物生长发育必需营养元素，合理施氮是提高水稻产量和品质重要调控技术之一。当前，改良蒸煮食味品质成为水稻育种重要目标。周培南等发现除基因遗传因素外环境及栽培措施可改变稻米品质[1-2]。施氮量为90 kg·hm-2时，增加生育前期氮肥施用量有利于提高单株穗数、每穗粒数和单株粒重，但施氮量为135 kg·hm-2时，减少生育前期氮肥施用量，而提高生育后期氮肥施用量更利于提高单株穗数、每穗粒数和单株粒重[3]。蒸煮食味品质为稻米最重要品质性状，而蛋白质为其主要影响因素[4-7]。一般随着稻米蛋白质含量增加而淀粉黏特性较差，稻米蒸煮食味品质降低。Lyon等研究发现蛋白质含量与稻米品质黏度呈负相关[8]。Hamaker等认为非糯性稻米储藏陈化品质变差过程中，蛋白质起主要作用[9]。氮肥直接增加蛋白质含量，但对稻米品质影响相关性尚无定论。在水稻全生育期施同量氮肥时，与生育前期追施氮肥相比，抽穗期追施氮肥稻米垩白率和直链淀粉含量降低，胶稠度变短，蛋白质含量提高，但对稻米淀粉RVA谱特性影响较小[10]。施氮时期也影响水稻产量和品质。氮素后移增加灌浆结实期水稻叶片及籽粒中各种形态氮素含量，满足水稻在灌浆结实期氮素需求，可为水稻提高产量奠定物质基础[11]。

目前灌浆成熟期氮素营养对水稻增产及淀粉品质影响机理方面研究较少。本文选用4个直链淀粉含量不同粳稻品种，研究齐穗期氮肥对水稻产量性状、籽粒蛋白质含量和淀粉RVA谱特性影响，以及米粉蛋白质水解处理对淀粉RVA谱特性影响，旨在阐明灌浆成熟期氮素营养对水稻增产及淀粉品质影响机理。

1 材料与方法

1.1 盆栽试验及取样方法

选用胚乳直链淀粉和支链淀粉含量不同的4个粳稻品种东农423、东农1106、藤系180、东农1112，于2015年在东北农业大学作盆栽试验，盆规格为长100 cm×宽40 cm×高60 cm。4月1～15日按供试品种生育期分期播种，使抽穗期尽量一致，大棚盘育苗，旱育秧管理，5月13～20日选取长势一致秧苗等距离插秧，每个品种插6盆，每盆8穴，每穴2棵，待缓苗后定植每穴1棵苗，正常水肥管理。基肥、分蘖肥和穗肥每品种总施氮肥量为7 kg·hm-2，在此基础上，每个品种中3盆作粒肥处理于齐穗期施总肥量20%的纯氮；另外3盆作对照，齐穗期不施氮肥。

收获时按盆混收，自然干燥3个月后磨糙米，经1.7 nm分级筛后用全自动精米机按糙米重的90%磨精米，漩涡式粉碎机磨粉，供试验测定。

1.2 测定方法

1.2.1 理化特性测定

精米蛋白质和直链淀粉含量测定：凯氏定氮仪测定籽粒全氮含量，换算系数为5.95；按照中华人民共和国农业部标准（NY/T83-1988）测定稻米直链淀粉含量[12]。

Rapid visco analyzer（Newport Science）仪器测定RVA特性[4]。

1.2.2 考种与结实率方法

千粒重：各品种随机挑选1 000粒称重计千粒重。

结实率：准备清水，根据李彦利等[13]方法配制1.08盐水（380 g食盐溶于3 L清水），1.13盐水（600 g食盐溶于3 L清水）。每个品种随机挑3次1 000粒种子，分别放入3 L清水、1.08盐水和1.13盐水中，按顺序先后将漂浮瘪粒和下沉籽粒分别捞出放置容器中，清水冲洗以免容器残留盐粒。烘箱30℃自然烘干后分别称清水、1.08盐水和1.13盐水漂浮籽粒和下沉籽粒重量，每个品种分别计算清水、1.08盐水和1.13盐水中下沉籽粒占总重量（下沉籽粒和漂浮籽粒总重量）百分比即为清水、1.08盐水和1.13盐水中结实率，比重越大代表稻谷成熟度越好。

1.2.3 籽粒蛋白质消除

改进杨玉玲等[14-15]碱浸法去除蛋白质。称取待测定米粉6 g，加入0.05mol·L-1NaOH溶液60mL（10mL·g-1米粉）室温下浸泡24 h，离心弃清液，再加0.1mol·L-1NaOH溶液至原体积并浸泡12 h，再加乙醇室温静置4 h吸水吸脂，离心后自然干燥沉淀得到脱蛋白米粉样品用于蛋白质水解处理。同时设对照，称取米粉6 g，加入蒸馏水60 m L（10mL·g-1米粉），其他处理一致。上述测定均2次重复，SPSS软件作统计分析。

2 结果与分析

2.1 粒肥对水稻千粒重与结实率影响

粒肥对水稻产量构成因素千粒重、结实率影响结果见表1。

由表1可知，与对照相比齐穗期施氮肥显著或极显著增加千粒重和结实率，增加幅度因品种而异，供试品种中东农1112千粒重增加幅度最大，增幅达2.69 g，其次为藤系180，增幅达1.42 g。供试4个品种无论是水选还是不同比重盐水选,齐穗期施氮肥结实率除水选东农1112外均显著或极显著高于对照，说明齐穗期施氮肥可显著提高稻谷成熟度和千粒重及结实率，提高产量。

2.2 粒肥对稻米理化特性及淀粉RVA谱特性影响

直链淀粉和蛋白质为影响稻米蒸煮食味品质最主要化学成分，而淀粉谱特性为反映稻米黏特性重要物理特性。施粒肥对稻米理化特性及淀粉RVA谱特性影响见表2。

表1 粒肥对水稻千粒重和结实率影响Table1 Effectofgrain-filling nitrogen fertilizer on 1 000-kernelweightand seed-setting rateof rice varieties

表2 粒肥对稻米理化特性及淀粉RVA谱特性影响Table 2 E ffectof granular fertilizer to rice physicaland chem ical propertiesand RVA p roperties

由表2可知，与对照相比齐穗期施氮肥增加稻米蛋白质含量并降低直链淀粉含量，变化幅度因品种而异，其中东农423、东农1106、藤系180蛋白质含量极显著增加，东农1112显著增加；东农423、东农1112直链淀粉含量极显著降低，东农1106和藤系180略有下降；在供试4个品种中东农423变化幅度最大，蛋白质含量增加1.48个百分点，直链淀粉含量降低1.23个百分点。而对于淀粉谱特性而言，高直链淀粉含量品种东农423和东农1106最高黏度、最低黏度、最终黏度及下降黏度值极显著降低，而低直链淀粉含量品种藤系180和东农1112则极显著增加；黏滞峰消减值为东农423和藤系180极显著降低，东农1112极显著增加，东农1106无变化。说明齐穗期施氮肥可增加稻米蛋白质含量并降低直链淀粉含量，影响稻米黏特性，影响程度因品种类型不同而异。

2.3 蛋白质水解对稻米淀粉RVA谱特性影响

为明确蛋白质含量与直链淀粉含量对稻米淀粉RVA谱特性影响，试验采用稻米米粉碱浸法水解米粉中部分蛋白质，比较淀粉淀粉RVA谱特性结果见表3。

表3 蛋白质水解对稻米淀粉RVA谱特性影响比较Tab le 3 Com parison of RVA propertiesof de-protein rice

与未水解对照相比，水解处理后供试4个品种无论施粒肥与否米粉中蛋白质含量均降至2.48%～2.64%，降低幅度达68%～73%，最终蛋白质含量差异较小，供试品种米粉蛋白质含量均在同一水平，说明米粉碱水处理后蛋白质水解效果显著。与未水解对照相比水解处理米粉直链淀粉含量表现极显著增加，与蛋白质水解丢失后米粉重量发生变化有关。

虽然供试4个品种蛋白质去除之前淀粉RVA谱特性值不一致，但水解处理后与未水解对照相比供试4个品种无论施粒肥与否，米粉最高黏度、下降黏度值均极显著增加，而粘滞峰消减值、最低黏度、最终黏度极显著降低，其中下降黏度值增加幅度和粘滞峰消减值降低幅度较大，增加或降低平均值分别91.90和81.95，且低直链淀粉含量品种变化幅度比高直链淀粉含量品种大。说明去除稻米蛋白质可明显提高稻米淀粉RVA谱特性，蛋白质限制淀粉RVA谱特性作用较大，同时淀粉组成对淀粉RVA谱特性影响较大，降低稻米直链淀粉含量对提高淀粉RVA谱特性具有重要作用。

3 讨论

关于氮素对水稻产量和品质影响研究较多[16-19]。霍中洋等认为，在水稻生育后期特别是抽穗至成熟期较高氮素积累量是提高水稻产量关键[16]。水稻籽粒灌浆物质来源于抽穗前茎鞘非结构性碳水化合物和抽穗后光合产物[17]。潘俊峰等研究表明，茎鞘非结构性碳水化合物作为临时储藏物质可在籽粒灌浆成熟期光合能力降低时为产量形成持续提供同化物，且茎鞘非结构性碳水化合物可激发库活性、促进籽粒灌浆[18]。翁仁宪等则指出，水稻抽穗期茎鞘中非结构性碳水化合物累积较抽穗至成熟期增加干重对结实率和产量作用更重要[19]。本试验水稻生育后期齐穗期施氮肥处理为水稻灌浆时期供给充足物质基础，显著提高稻谷成熟度和千粒重及结实率，有利于产量提高。增加生育后期氮肥施用量显著提高茎秆全氮含量[3]，叶片氮含量和光合作用能力之间呈高度正相关[20-21]，一定范围内增加氮素施用量可增加RuBP羧化酶活性[22]。齐穗期施氮肥可提高叶片RuBP羧化酶含量和活性[11]，提高叶片光合效率、延长光合作用时间，为合成籽粒灌浆所需碳水化合物提供重要物质基础。因此，齐穗期施适量氮肥可增加灌浆成熟期叶片氮素浓度，提高光合效率，增加光合产物合成和积累，齐穗期施氮肥是“库容”大的穗重型水稻品种获得高产或超高产的重要调控技术。

金正勋等研究高温对水稻品质影响发现，直链淀粉含量降低但稻米蛋白质含量提高，味度值下降黏度值降低，稻米蒸煮食味变差，可知高温主要通过蛋白质含量增加而非直链淀粉降低影响稻米品质。本试验中齐穗期氮肥可直接增加水稻籽粒中蛋白质含量，降低直链淀粉含量，提高水稻产量。水稻籽粒灌浆过程中碳代谢和氮代谢途径协同竞争[23]。氮素营养影响蛋白质合成相关氮代谢和淀粉合成相关碳代谢，改变淀粉含量组分及稻米黏特性[24-26]。李运祥等表明，增施氮肥可降低直链淀粉含量，而对支链淀粉积累无影响[27]。朱立楠研究表明，增加灌浆过程中氮素营养改变GBSS1和ISAs基因转录表达量，在抽穗后10 d时ISA1和ISA2表达量明显上调，而ISA3表达量则明显下降。ISA1与支链淀粉含量显著正相关，即早期支链淀粉含量增加，GBSS1表达量变化不显著；抽穗20d时ISAs表达量影响较小，而GBSS1表达量明显上调，GBSS1与直链淀粉含量正相关，增加中后期直链淀粉含量[25]。GBSS和ISA为籽粒淀粉合成关键酶，而基因转录表达量直接影响酶活性、淀粉合成量和分子结构。杜晓东研究指出，适当增加穗肥可在灌浆后期提高籽粒中ADPG、SSS和SBE活性，增加总淀粉和支链淀粉含量[26]。本试验表明，齐穗期施氮肥直链淀粉含量降低。沈鹏等研究表明，灌浆过程中籽粒ADPG焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶活性不因氮肥施用量高低而变化，淀粉分支酶活性在灌浆前期受氮肥影响很小，但灌浆后期随氮肥增加而酶活性下降，灌浆部分时期籽粒ADPG焦磷酸化酶和可溶性淀粉合成酶活性呈品种和氮肥间互作[28]。本试验中虽齐穗期增施氮肥显著提高稻米蛋白质含量，部分品种淀粉RVA谱特性变差，但通过蛋白质水解处理去除籽粒蛋白质，使不同处理材料籽粒蛋白质含量均达到同一低含量水平后大幅度提高稻米淀粉RVA谱特性，且同一蛋白质含量水平的材料间稻米淀粉RVA谱特性差异显著。淀粉RVA谱特性中峰值黏度、下降黏度值与稻米食味品质呈正相关[29]。综上所述，齐穗期施氮肥提高籽粒蛋白质含量降低稻米蒸煮食味品质，改变灌浆不同时期淀粉合成关键酶基因表达量和酶活性，影响淀粉品质形成。因此，根据品种特性齐穗期适量施氮肥有利于提高稻米产量和品质。

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Effect of grain-filling nitrogen on yie ld increasing and starch quality in

rice/JIN Zhengxun,Tonglaga,LIDan,LIMingyue,PAN Dong,ZHANG Yulei,WANG Haiwei,HAN Yunfei,ZHANG Zhongchen
(Schoo l of Agricu lture,Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China)

Four japonica varieties w ith differentamylose contentwere used to investigate the effectof nitrogen nutrition on rice yield and protein contentas wellas starch RVA properties and the effect of protein hydrolysis on starch RVA properties during grain-filling stage.The results showed that at filling stage, nitrogen app lication could increase the thousand seeds weight,m aturity,setting percentage and protein content to significant or extremely significant leve l,and a lso cou ld reduce the am ylose content in different varieties;In addition,nitrogen app lication cou ld decrease the highest viscosity,the lowest viscosity,fina l viscosity and breakdown value in high amylose content varieties.However,the properties were opposite in low amylose contentvarieties.Setback viscosity was differentin differentvarieties.The protein contentof rice flour w ith significantly different protein content was reduced to 2.48%-2.64%after alkaline treatment. Whether grain fertilizer was app lied or not,rice protein content were sim ilar in selected m aterials afteralkaline treatm ent,and degradation of grain protein could significantly increase the highest viscosity and breakdown value,extremely significantly reduced the lowest viscosity,final viscosity and setback value, especially the range o f breakdown va lue and setback va lue were larger which is more significant in the varieties w ith low amylose content than thatin high am ylose contentvarieties.

rice;grain-filling and ripening stage;nitrogen nutrition;yield increasing;starch property; mechanisms

S511

A

1005-9369（2017）04-0001-06

时间2017-04-24 08:39[URL]http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20170424.0839.022.html

2017-02-23

科技部“十三五”科技支撑计划项目（2015BAD23B05-11），东北农业大学学科团队建设资助项目，黑龙江省粮食产能提升协同创新中心资助项目

金正勋（1960-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为水稻遗传育种及生物技术。E-mail：zxjin326@hotmail.com