施氮量对低谷蛋白水稻籽粒品质及蛋白质组分的影响

2019-03-05胡明明涂云彪孙影影隋晓东

浙江农业学报 2019年2期

兰艳，黄曌，胡明明，涂云彪，孙影影，隋晓东，龚静，李天

(四川农业大学农学院/作物生理生态及栽培四川省重点实验室，四川成都 611130)

水稻籽粒中含有7%～10%的蛋白质，一般糙米的蛋白质含量约8%，精米约7%[1-3]。根据蛋白质的不同溶解性，可将其分为四类：水溶性的清蛋白(albumins)、盐溶性的球蛋白(globulins)、醇溶性的醇溶蛋白(prolamins)和碱溶性的谷蛋白(glutenins)，它们在稻米蛋白质中所占的比例分别为5%、10%、5%和80%[4-5]。清蛋白和球蛋白主要储存在果皮、糊粉层和胚等组织中，而醇溶蛋白和谷蛋白主要储存在胚乳中[6]。谷蛋白储藏在蛋白体PB-Ⅱ中易被人体的胃消化吸收，而醇溶蛋白积淀在蛋白体PB-Ⅰ内，不能被胃消化吸收，所以人体主要吸收谷蛋白[7]。糖尿病和肾脏病病人由于肾功能出现障碍，不能食用可溶性蛋白质含量超过4%的大米。低谷蛋白水稻是一种可吸收蛋白(指清蛋白、球蛋白、谷蛋白之和)只有3.1%～4.0%的水稻品种，也叫低水溶性稻米[8]。患者食用等量的低谷蛋白大米后，人体不会因摄入过量热量而使血糖、血脂升高，能有效预防、辅助治疗糖尿病和肾病[9]。

目前，国内关于低谷蛋白水稻的研究并不多，尤其是氮肥对其功能成分的影响鲜有报道。增施氮肥会增加水稻籽粒蛋白质及组分蛋白含量，然而施氮量过低则降低其产量及品质，因此，适宜的施氮量是确保低谷蛋白水稻优质栽培的关键。为此，本课题组从国外引进的低谷蛋白水稻品种中筛选出D105，其谷蛋白含量占总蛋白的比例为36%～38%，本试验进一步研究不同施氮量对其籽粒蛋白质及各组分含量变化动态及加工品质的影响，以期为低谷蛋白水稻品种的优质栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究于2016—2017年在四川农业大学温江试验基地进行。供试土壤0～20 cm土层养分状况为：有机质2.95%、全氮0.18%、碱解氮85.24 mg·kg-1、速效磷66.19 mg·kg-1、速效钾77.08 mg·kg-1、pH为6.9。供试材料为低谷蛋白品种D105，属常规粳稻，原产地日本，在四川地区全生育期为150 d。

试验采用随机区组设计，设纯氮0、90、135、180、225 kg·hm-25个处理，分别用N0、N1、N2、N3、N4表示，以N0为对照。小区面积为4 m×5 m，3次重复，行穴距30 cm×25 cm，每穴栽2苗。4月17日进行旱育秧，5月27日移栽，秧龄40 d。氮肥为尿素，按质量分数比60%∶20%∶20%分别施入基肥、蘖肥、穗肥，磷肥为过磷酸钙(P2O590 kg·hm-2)，钾肥为氯化钾 (K2O 180 kg·hm-2)，基肥和全部磷钾肥在移栽前1 d施入，其余管理措施保持一致。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 籽粒总蛋白及蛋白组分的测定

分别于花后7、14、21、28、35 d取样，每小区取10穗，带回室内剥取籽粒并将其放入纸袋，立即在105 ℃烘箱内干燥30 min，然后恒温80 ℃烘干，粉碎过筛后作为测定样品。

总蛋白含量测定：蛋白质含量测定用凯氏定氮法，用瑞典FOSSTECATOR公司生产的Kjeltec 2300全自动凯氏定氮仪进行测定。

组分蛋白含量测定：采用杨静等[10]的连续提取法依次用蒸馏水、5%NaCl、70%乙醇、0.1 mol·L-1NaOH 4种溶剂对不同组分进行分离提取。然后采用考马斯亮蓝法依次对各组分蛋白含量进行测定[11]。

1.2.2 稻米主要品质指标测定

水稻成熟后按各处理取样并晒干保存90 d，按照农业部标准NY147—88米质测定方法测定糙米率、精米率、整精米率。长宽比测定参照中华人民共和国国家标准GB/T17891—1999测定。直链淀粉含量用德国BRAN LUEBBE公司生产的AA3连续流动分析仪进行测定。稻米淀粉黏滞性RVA谱采用澳大利亚Newport Scientific仪器公司生产的RVA-4型RVA仪进行快速测定，用TCW(thermal cycle for windows)配套软件进行分析。

1.3 数据处理

所有数据利用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，结果均为3次重复的平均值，利用最小显著差法(LSD)在P<0.05水平上做多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施氮量对稻米理化性质的影响

施肥处理对稻米理化性质的影响如表1所示，直链淀粉含量随着施氮量的增加略有降低，但在各处理间无显著差异。稻米的直链淀粉含量一般为0%～34%，各氮肥处理下D105直链淀粉含量为11.24%～12.66%，属于低直链淀粉含量稻米(≤20%)。淀粉RVA谱特性是反映稻米食味性的重要指标。从表1中可以看出，不同施肥处理对RVA谱各特征值的影响达到显著差异水平，N0处理下的消减值最低(308.33 cp)，崩解值最高(1 026.67 cp)，N2处理下的崩解值最低(634.33 cp)，消减值最高(620.33 cp)，说明N2处理下稻米的食味最好，而N0处理的食味较差。继续增加施氮量，崩解值增加，消减值降低，稻米食味下降。

2.2 不同施氮量对水稻加工品质的影响

由表2可以看出，不同氮肥处理对低谷蛋白水稻加工品质各指标影响不一致。施氮量对精米率和长宽比影响不显著。糙米率则随着施氮量的增加有所提高，其中N4处理显著高于N0处理，但与其他处理差异不显著。整精米率随施氮量的增加而提高，N3、N4处理下稻米整精米率相比N0、N1处理显著增加，N2处理与其他所有处理均无显著差异。垩白度总体随施氮量的增加而降低，N0处理垩白度最高，N4处理下稻米垩白度显著低于其余处理，N1与N2、N3处理无显著差异。

2.3 不同施氮量对水稻籽粒总蛋白质含量变化的影响

在不同的施氮水平下，水稻籽粒总蛋白含量随着花期推进逐渐上升(图1)。增加施氮量可以提高籽粒各时期总蛋白含量。花后7 d，与对照(N0)相比，N2、N3、N4处理显著增加了籽粒总蛋白含量，相比对照分别增加了10.77%、23.01%、32.88%，N1处理下籽粒总蛋白含量(64.06 mg·g-1)显著低于N3和N4处理(P<0.05)，但与N2处理无显著差异；花后14 d，N4处理下籽粒总蛋白含量(80.33 mg·g-1)显著高于其他处理，N2、N3处理显著高于N0、N1，但两组处理差异均不显著；花后21 d，N0及N1处理下籽粒总蛋白含量显著低于其余处理，但二者差异不显著，此外，N3与N4处理无显著差异；各处理间籽粒总蛋白含量在花后28 d均达到显著差异，N4处理籽粒总蛋白含量达89.25 mg·g-1，比对照增加了31.58%；花后35 d，N3、N4处理下籽粒总蛋白含量显著高于其他处理，其中，N0与N1处理差异不显著。

表1不同施氮量对稻米直链淀粉含量及RVA谱特性的影响

Table1Effects of different nitrogen application amount on amylose content and RVA profile characteristics of rice

处理Treatment直链淀粉Amylose/%峰值黏度PKV/cp热浆黏度HPV/cp崩解值BDV/cp最终黏度FV/cp消减值SBV/cpN012.66±0.55 a2357.00±10.54 a1330.33±3.84 a1026.67±7.86 a2665.33±3.84 a308.33±8.41 dN112.52±0.84 a2239.00±37.64 b1299.67±24.59 a939.33±29.99 b2661.33±31.33 a422.33±26.61 cN212.50±0.26 a1726.00±9.29 e1091.67±6.96 c634.33±2.73 d2346.33±14.45 d620.33±10.59 bN312.13±0.21 a2115.00±9.85 c1182.00±6.56 b933.00±6.08 b2452.33±6.69 c337.33±7.51 dN411.24±0.14 a2014.00±7.64 d1219.67±6.17 b794.33±3.84 c2511.33±6.39 b497.33±2.03 a

同列不同行数据后没有相同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。下同。

PKV， Peak viscosity; HPV， Hot paste viscosity; BDV， Break down value; FV， Final viscosity; SBV， Set back value. The data in the same column without the same lowercase letters indicated the significance at the 0.05 probability level. The same as below.

表2不同施氮量对稻米加工品质的影响

Table2Effects of different nitrogen application amount on processing quality of rice

处理Treatment糙米率BRR/%精米率MRR/%整精米率HMR/%长宽比LWR垩白度ChalkinessN080.87±1.27 b71.47±0.35 a33.41±3.78 b1.71±0.01 a25.37±0.34 aN181.80±0.46 ab71.60±0.92 a38.04±3.91 b1.75±0.04 a24.07±0.09 bcN282.93±0.18 ab73.10±1.06 a42.93±3.77 ab1.80±0.02 a24.23±0.12 bN383.13±0.37 ab73.61±0.50 a51.80±2.80 a1.76±0.01 a23.53±0.09 cN484.01±0.20 a74.67±0.29 a52.70±0.17 a1.74±0.02 a21.23±0.12 d

BRR， Brown rice rate; MRR， Milled rice rate; HMR， Head rice rate; LWR， Length-wide ratio.

图1 不同施氮量对水稻籽粒总蛋白含量变化的影响Fig.1 Effects of different nitrogen application amount on the change of total protein content in rice grains

2.4 不同施氮量对水稻籽粒蛋白质各组分含量变化的影响

2.4.1 清蛋白含量的变化

由图2-A可以看出：随着生育进程的推进，不同处理下水稻清蛋白的含量总体呈增加趋势。随着施氮量的增加，花后各时段籽粒清蛋白含量呈增加趋势。其中，花后7 d，N4处理下，清蛋白的含量达到4.67 mg·g-1，显著高于其他处理；花后14 d和21 d，清蛋白含量在各处理间差异不显著；花后28 d，N4处理清蛋白含量(9.51 mg·g-1)显著高于N0(7.12 mg·g-1)、N1(7.36 mg·g-1)处理，但与N2(8.91 mg·g-1)、N3(8.99 mg·g-1)处理差异不显著。花后35 d，施氮处理N1、N2、N3、N4间清蛋白含量差异不显著，但均显著高于对照。

2.4.2 球蛋白含量的变化

由图2-B可以看出，在水稻籽粒发育过程中不同处理下球蛋白含量不断增加。花后各时段球蛋白含量随着施氮量的增加而增加。花后7 d，N3(2.80 mg·g-1)、N4(3.13 mg·g-1)处理的球蛋白含量显著高于对照(1.38 mg·g-1)，但与N1(2.07 mg·g-1)、N2(2.30 mg·g-1)处理差异不显著；花后14 d，N4处理球蛋白含量显著高于其他处理；花后21 d，N4(9.87 mg·g-1)处理球蛋白含量显著高于对照(8.14 mg·g-1)，其余各处理间差异不显著；花后28 d，N3和N4处理下，球蛋白含量显著高于其余各处理；花后35 d，N2处理下球蛋白含量显著高于其余各处理(N4除外)，N0处理下球蛋白含量最低(11.16 mg·g-1)。

2.4.3 醇溶蛋白含量的变化

如图2-C所示：在水稻籽粒发育过程中，各处理下醇溶蛋白含量持续增加。花后各阶段，醇溶蛋白含量随着施氮量的增加而增加。花后7 d，醇溶蛋白含量在各施氮处理下无显著差异；花后14 d和28 d，N4处理醇溶蛋白含量显著高于其余各处理，但与N3处理差异不显著；花后21 d，N0处理醇溶蛋白含量显著低于N2、N3、N4处理，但与N1差异不显著；花后35 d，N3、N4处理醇溶蛋白含量显著高于对照处理，但与N1、N2差异不显著。

2.4.4 谷蛋白含量的变化

如图2-D所示，各处理下，水稻籽粒谷蛋白含量随着花期的推进逐渐增加，与氮肥施用量呈正相关关系。花后7 d，N3、N4处理的谷蛋白含量显著高于对照，但与N1、N2处理差异不显著；花后14 d，N4处理最高(19.07 mg·g-1)，显著高于N1、N2，与N3处理无显著差异，N0处理最低(14.55 mg·g-1)；花后21 d，N4处理谷蛋白含量显著高于N0、N1处理，但与N2、N3处理差异不显著；花后28 d，N4处理下，谷蛋白含量显著高于其余各处理；花后35 d，N2、N3、N4处理下谷蛋白含量无显著差异，但显著高于N0、N1处理。

2.5 不同施氮量对水稻籽粒蛋白各组分占总蛋白比例的影响

由表3可知：在不同施氮量处理下，成熟期籽粒蛋白组分占总蛋白的比例变化不大。清蛋白占11.11%～13.55%，球蛋白占13.37%～16.31%，醇溶蛋白占6.18%～8.14%，谷蛋白占37.84%～42.25%；其中，谷蛋白远远低于普通水水稻(谷蛋白约占总蛋白的80%)。说明各组分蛋白的比例及低谷蛋白特性主要受基因控制，受施氮量的影响不明显。

图2 不同施氮量对水稻籽粒蛋白质各组分含量变化的影响Fig.2 Effects of different nitrogen application amount on the change of protein content in rice

表3成熟期不同施氮量对水稻籽粒蛋白质各组分占总蛋白比例的影响

Table3Effect of different nitrogen application amount on the ratio of each component protein to total protein during maturity of rice grain %

3 讨论

3.1 氮肥对低谷蛋白稻米理化性质及加工品质的影响

稻米直链淀粉含量的高低与蒸煮理化特性密切相关，与米饭的黏性、柔软性有关，并且影响米饭的质地和适口性。关于施氮量对稻米直链淀粉含量的影响，不同的研究者结果各异。有研究认为，稻米直链淀粉含量随着施氮量的增加而逐渐降低[12]。金军等[13]研究表明，随施氮量的提高，直链淀粉含量对氮素反应不敏感。也有研究认为，直链淀粉含量随施氮量的增加而增加[14]。本研究中，直链淀粉含量随着施氮量的增加略有降低，但在各处理间无显著差异，表明施氮量对D105直链淀粉含量无明显影响，该品种属于低直链淀粉品种，其淀粉含量主要受基因控制。一般认为，低直链淀粉含量的稻米米粒吸水性弱，米饭的膨性小，饭粒黏湿，米饭柔软，适口性好[15-16]。

有研究认为，随施氮量增加，最高黏度降低，崩解值下降，消减值增加，糊化温度升高，稻米食味品质变劣，稻米胶稠度变短，米饭变硬[17]。也有研究指出，淀粉RVA谱特征值中消减值大于0时，崩解值越小、消减值越大，适口性越好[18]。本研究中，淀粉RVA谱特征值中消减值随着施氮量的增加先增加后降低，其余各特征值则随施氮量的增加先降低后增加，综合分析表明，N2处理下稻米的食味最好。继续增加施氮量，崩解值增加，消减值降低，稻米食味下降，这与之前的研究相反[14]，其原因在于本研究中D105的消减值大于0，而之前的研究中稻米的消减值小于0。综上，一定范围内，低谷蛋白稻米D105的蒸煮品质随施氮量的增加有所改善，而过量施氮会使稻米蒸煮品质下降。此外，稻米的RVA谱特性还与蛋白质含量及组分蛋白的比例相关，吴洪恺等[19]研究发现，谷蛋白相对于醇溶蛋白的含量对稻米食味品质有着一定程度的影响，认为lgclgc型稻米(谷蛋白含量大于醇溶蛋白含量)米饭软而黏，食味较好。

众多研究者一致认为，增加氮肥用量，可以提高糙米率、精米率和整精米率[8,20-21]，本研究也不例外，在一定施氮量范围内，较高的氮含量可维持根系活力和提高叶片光合速率，促进物质运转，增加粒重和籽粒充实度，同时植株含氮量增加，向穗部运转的氮素化合物增加，谷粒硬度也随之增大，加工品质提高。过高的施氮量使穗部物质分配下降，灌浆受阻而导致不饱满籽粒增加，最终使加工品质下降[15]。氮肥用量对垩白的影响，众多学者研究结论不同。多数人认为随施氮量增加稻米垩白率和垩白度都增加[8,21-22]，也有人认为增加氮肥用量，垩白率及垩白面积反而减小[23]，这与研究者所采用的材料不同有关。本研究结果表明，在一定的施氮范围内，低谷蛋白水稻D105垩白度随着施氮量的增加而降低，施氮量的增加提高了水稻植株的光合作用，物质的积累和转运增强，垩白面积减小，因此垩白度降低。综上，合理的施氮量对低谷蛋白水稻D105的理化性质及加工品质的改善有很大的影响。

3.2 氮肥对水稻籽粒蛋白质及各组分含量变化的影响

稻米蛋白质含量是一个受遗传和环境影响的复杂品质指标，其中又以氮素的施用对其影响最大[10]。关于施氮量对蛋白质及其组分影响的研究较多[24-28]，一般认为增加氮肥用量能够提高水稻籽粒中蛋白质及其各组分的含量[28-29]。但是，肥料的施用量、施用时期对蛋白质含量均有不同程度的影响，且氮肥的施用对蛋白质组分百分比含量的影响较小[10,20,30-31]。耿春苗[8]研究发现，低谷蛋白稻米蛋白质含量对氮素供应水平的反应均随氮量增加和穗肥比例的增加而提高，增加施氮量和穗肥后移使精米的醇溶蛋白和谷蛋白含量显著提高，但高肥处理N4(360 kg·hm-2)和N3(270 kg·hm-2)之间差异没达到极显著水平。Li等[20]研究表明，随着施氮量增加，4种蛋白组分均显著增加，但不同蛋白组分对氮素的响应不同，施氮主要影响了糙米中的谷蛋白和醇溶蛋白，而对清蛋白和球蛋白的影响较小；同一蛋白组分不同水稻品种对氮素的响应也不同。本研究中水稻籽粒总蛋白含量及各组分蛋白含量均随着施氮量的增加而增加，这与前人研究结果一致[32-33]。此外，N4(225 kg·hm-2)及N3(180 kg·hm-2)处理下，花后35 d(成熟期)籽粒总蛋白含量和4个组分蛋白含量差异均不显著，表明合理的施氮量就能保证低谷蛋白水稻的品质特性。通过比较成熟期水稻籽粒各组分蛋白占总蛋白比例结果，发现不同的施氮处理下，4个组分蛋白占总蛋白含量的比例变化很小，说明施氮量对蛋白组分比例影响不明显，这与张欣等[28]在水稻上的研究结果一致。本研究发现，就各组分蛋白而言，成熟期(花后35 d)水稻籽粒清蛋白和醇溶蛋白在各施肥处理下差异均不显著，而球蛋白和谷蛋白则表现出不同的差异性，说明不同的施氮量对清蛋白和醇溶蛋白的影响较小，对球蛋白和谷蛋白则有不同程度的影响。这与前人[20,34-35]研究结果稍有差异，可能是品种间的基因型差异引起的。综上，为确定D105优质栽培的适宜施氮量，通过建立谷蛋白相对于总蛋白的比例与施氮量的线性方程y=6E-05x2-0.02x+39.672 (R2=0.999 1)(图3)，计算得出最适宜施氮量为166.67 kg·hm-2。