环境因素对水稻淀粉特性的影响

陶士博，李鸣晓，徐 铨

（1 辽宁省重要技术创新与研发基地建设工程中心，沈阳 110000；2 沈阳农业大学 水稻研究所，沈阳 110866 ）

水稻（即亚洲栽培稻）作为全球超过一半人口的主食，是世界重要粮食作物，而在亚洲国家这一比例占得更大[1]。 水稻分为两个亚种， 粳稻（O.sativa ssp.japonica）和籼稻（O.sativa ssp.indica）［2-5］。籼粳亚种在生物学特性上存在显著差异， 尤其是两个亚种在水稻品质性状上的差异，尤为显著。籼稻具有以下特点：在加工品质上，糙米率、精米率及整精米率低，外观品质上，粒长长，长宽比大，粒厚小，垩白率和垩白度高，在蒸煮食味品质上，胶稠度和碱消值低，直链淀粉含量和蛋白质含量高，粳稻在加工品质和外观品质好于籼稻品种， 其它品质性状较差［6-8］。 目前利用籼粳亚种的特点，采用不同的育种方法，已然成为大势所趋。

水稻种子结构颖壳、果皮、种皮、糊粉层、胚乳和胚共同组成，除去颖壳的水稻种子，其主要成分为胚乳，其最主要的作用就是用来贮藏养料，按照贮藏含量依次为淀粉、蛋白质、脂肪、半纤维素、矿物质。 淀粉与葡萄糖之间的合成与转化过程中淀粉合成酶起到了重要的作用，Nakamura Yasunori对水稻淀粉合成酶进行了全面的分析， 影响稻米淀粉合成过程中的酶共计28 个。 直链淀粉是D-葡萄糖基以a-（1，4）糖苷键连接的多糖链，分子中有200 个左右葡萄糖基，分子量1～2×105，聚合度990，空间构象卷曲成螺旋形，每一回转为6 个葡萄糖基。 支链淀粉分子中除有a-（1，4）糖苷键的糖链外，还有a-（1，6）糖苷键连接的分支，分子中含300～400 个葡萄糖基，分子量＞2×107，聚合度7 200，各分支也都是卷曲成螺旋形[9]。 淀粉与碘呈颜色反应， 直链淀粉为蓝色， 支链淀粉为红褐色。马作斌等（2014）研究表明，水稻品种之间的遗传差异与纬度和地理距离有很大的关系[10]，但张善磊等（2018）发现地理环境相近的粳稻品种中，其淀粉遗传多样性变化不明显[11]， 强新涛等（2016） 不同籼稻品种其淀粉合成也存在差异[12]。氮素营养在水稻成熟期可间接参与水稻淀粉含量调控，赵式英（1983）研究发现，温度越高，水稻直链淀粉含量会下降的趋势， 而Jiang H W et al（2003）发现在一定范围内，温度越高越有利于水稻淀粉含量的增加，成臣等（2019）研究发现温度与晚粳型水稻品种之间淀粉酶活性的相关性密切，从而影响水稻淀粉含量［13-15］。 淀粉含量的变化受遗传和环境等因素调控，遗传上来说，这是千百年来自然形成的籼粳差异， 并且生态环境因子包含氮肥、温度、光照强度、空气相对湿度等等，在水稻不同生育期测定其淀粉含量存在明显差异，目前针对遗传与生态环境对水稻淀粉的影响还有待进一步研究。

淀粉在农业、食品、生物制药等领域的重要研究意义，方福平与程式华（2018）提出水稻“精确育种”一次，提出选育出适应各类生态、生产条件同时符合人们消费需求的水稻新品种， 该问题亟待解决[16]。 本文以重组自交系群体（RILs）为试验材料， 探究在不同生态条件环境下分析环境因素对水稻淀粉特性的影响， 加深对水稻淀粉的研究机理， 为高品质水稻育种提供理论依据和重要育种材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验的试验材料选取了粳稻品种沈农265（SN265）与籼稻品种沪恢99（R99）杂交后，采用单粒传法（Single Seed Descent，以下简称SSD）构建的F10代重组自交系群体（RILs 群体），合计共155 个株系。 其中，粳稻品种沈农265（SN265）作为“中国超级稻育种”项目实施以来育成的第一个粳型超级稻品种，具有直立穗、穗短及抗逆性强的特点，尤其是在稻瘟病的抗性表现上极为显著（陈温福，2004）。 籼稻品种泸恢99（R99）作为籼稻的重要恢复系，具有弯曲穗、穗长的形态特点。 首次配制该杂交组合于2007 年夏季在沈阳进行，而后采取了单粒传法（SSD），即从杂种的分离世代（F2代）开始，按组合每株收一粒种子，混合种植，最终留下群体中151 个稳定株系（张玲等，2014）。本试验使用的是F10代重组自交系群体 （RILs 群体），加4 个亲本共计155 个株系。

1.2 试验地点

试验地点选择了中国极具代表性的四个稻作区进行种植。 四个代表性稻作区从北到南按照纬度度数由大到小分别是： 辽宁省沈阳市沈阳农业大学水稻研究所 （SY N41°，E123°），江苏省淮安市国家杂交水稻分中心（J S N32°，E120°），四川省农业科学院水稻研究所德阳育种基地（SC N32°，E104°），中国农业科学院深圳农业基因组研究所（SZ N22°，E114°）。

1.3 试验设计

本试验将四个稻作区， 每个稻作区内155 个株系按随机区组试验排列，每个株系种植3 行，每行种植10 株，栽植规格均为行距30.0cm，株距为13.3cm，并设2 次重复。 栽培方法如下：在播种前分别测定了各地的土壤自然肥力， 按基础肥力施用统一标准为每公顷150 kgN，150 kgP，150 kgK 进行补施，并在移栽7 d 后施用返青肥，返青肥施用量为每公顷75 kgN。

1.4 淀粉特性测定方法

使用澳大利亚便携式气象站iMETOS， 精米机，Foss 旋风磨，千分之一分析天平，国华电器有限公司：HH-6 数显恒温水浴锅，HJ-6A 型数显恒温多头磁力搅拌器，实验用烘箱，日立（Hitachi）U3900 紫外分光光度计。 成熟期每个株系去除边株后，取中间的20 株的稻穗，单独进行脱粒。稻谷脱粒后，在室温环境下自然风干保存三个月后，通过精米机将所收获的稻谷碾磨成精米， 将精米放入Foss 旋风磨中打粉， 通过100 目筛子筛选，取精细米粉试样留取备用。 运用Nakamura 全波段紫外分光光度计法，测定具体方法如下：用分析天平称取已经脱蛋白的米粉试样0.1 g 置于容量瓶中，加入1 ml 95%乙醇使样品充分湿润分散，再加入9 ml 氢氧化钠溶液 （1 mol／l）， 沸水浴15 min，冷却至室温，定容并吸取待测液5 ml 转移到另一容量瓶中，加入1 ml 乙酸溶液（1 mol／l）和2 ml KI-I2，定容。 使用日立（Hitachi）U3900 紫外分光光度计进行200～900 nm 波长下进行扫描。 数据分析时，在200～900 nm 波长扫描时，可以得到淀粉的表观直链淀粉（AAC）以及抗性淀粉（RS 的数值）， 接下来需明确以下3 个参数： 其首先从900 nm 开始扫描，出现的第一个波峰从而确定淀粉-碘吸附峰值的波长为λmax，，此时λmax 对应的吸光度为Aλmax， 同时从波长400 nm 到波长λmax 区间的梯形面积为F2 。 依据以上3 个参数，可以计算出淀粉的短支链淀粉（Fa）、长分支支链淀粉（Fb3），具体计算公式如下，以上四个地区每个株系的淀粉特性测定，重复两次。

AAC＝73.307×Aλmax+0.111×λmax-73.016

73.307 ×Aλmax+0.111×λmax-73.016 测 试 样品的λmax-糯稻的λmax

Fa＝-11.59×F2-10.92×Newλmax+34.429

Fb3＝44.691×Aλmax-0.774

RS＝21.312×Aλmax-0.030×λmax+12.251

试验使用澳大利亚便携式气象站iMETOS 来测定四个地区的气象环境因子。 试验中iMETOS可实时记录各地区每个株系抽穗后45 d 气象指标，可记录的气象指标包括太阳辐射、光照强度、光照时间、每日平均气温、白天的气温、夜间气温、昼夜温差、每日平均湿度、白天湿度及夜间湿度共计10 个气象因子指标。 数据分析以沈阳地区为例：将沈阳地区每个株系抽穗后45 d 的数据来进行分析， 使用每天各气象因子的平均值来反应每个株系每天所经历的环境条件。 将沈阳地区的155 个株系第一天各气象数据平均后的值用来反映抽穗后第1 天的环境因子的情况， 并以此方法计算抽穗后其余44 d 的数据，从而分析其环境条件。 其他3 个地区使用同样的方法进行分析。

1.5 数据处理

使用Microsoft Excel 2010 软件处理数据和绘制图表，使用SPSS 23.0 软件统计分析。四个地区的所有的样品都测两次重复， 数据结果使用2016 年的试验数据用于下面的分析。

2 结果与分析

2.1 水稻淀粉特性的地区间差异

从4 个地区水稻淀粉特性指标AAC、Fa、Fb3及RS 的频次分布直方图（图1），我们可以看出：在表观直链淀粉（AAC）含量上：沈阳地区AAC 含量主要在8%～20%范围内，尤其是在12%～16%范围内含量居多达整体的50%以上； 江苏地区AAC 含量基本全部分布在4%～12%范围内，其中以4%～8%略大于8%～12%范围内含量；四川地区AAC 含量主要分布在8%～16%，2／3 以上的AAC 含量在8%～12%； 深圳地区AAC 含量与江苏地区相似， 但其AAC 含量在8%～12%略大于4%～8%范围内；在短支链淀粉（Fa）含量上：沈阳地区Fa 含量主要在21%～27%范围内， 尤其是在23%～25%范围内含量居多，达整体的58%；江苏地区Fa 含量基本全部分布在23%～31%范围内，其中以25%～27%和27%～29%范围内含量居多，占江苏地区Fa 含量的90%；四川地区Fa 含量主要分布在21%～27%，2／3 以上的Fa 含量在23%～25%；深圳地区Fa 含量主要分布在21%～29%，但其2／3 以上的Fa 含量在25%～27%含量范围内。

在长分支支链淀粉（Fb3）含量上：沈阳地区Fb3含量主要在10%～22%范围内，2／3 以上的Fb3含量在13%～16%；江苏地区Fb3含量主要集中在7%～13%范围内，其中以10%～13% Fb3含量略大于7%～10%范围内； 四川地区Fb3含量主要集中在10%～16%范围内， 以10%～13% Fb3含量略大于13%～16%范围内；深圳地区Fb3含量有超过3／4 都集中在10%～13%范围内；在抗性淀粉（RS）含量上：沈阳地区RS 主要集中在1%～4%，其中以2%～3%偏多，占沈阳地区总体的50%；江苏地区RS 含量存在于0～3%范围内， 其中RS 含量有超过3／4 都集中在0～1%范围内；四川地区RS 含量分布在1%～5%范围内， 以RS 含量集中在1%～2%和2%～3%为主； 深圳地区RS 含量分布在0～4%范围内，其中主要分布在0～2%。

2.2 生态环境对水稻淀粉特性的影响

四个不同的稻作区对应不同的环境条件，其中155 个株系每个株系有特定的水稻淀粉特性，四个不同的稻作区有特定的生态环境因子指标，将每一个株系与其对应的生态环境因子指标一一对应，建立起生态环境因子与淀粉特性的相关性，如表1。

由表1 所知，四个地区整体上来看，表观直链淀粉（AAC）与光照时间、日平均温度、白天温度、夜间温度、昼夜温差、空气湿度、白天湿度、夜间湿度均呈极显著的相关， 其中AAC 与光照时间、昼夜温差、 夜间湿度呈极显著正相关， 与日平均温度、白天温度、夜间温度、空气湿度、白天湿度呈极显著负相关。短支链淀粉（Fa）与太阳辐射、光照强度、光照时间、昼夜温差、夜间湿度呈显著或极显著的负相关，与日平均温度、夜间温度、空气相对湿度、白天湿度呈显著或极显著的正相关，与白天温度之间相关性未达到显著水平。 长分支支链淀粉（Fb3）和生态环境因子的相关性与短支链淀粉（Fa） 和生态环境因子之间的相关性刚好相反，其与太阳辐射、光照强度、光照时间、昼夜温差、夜间湿度呈显著或极显著的正相关，与夜间温度、空气相对湿度、白天湿度呈显著或极显著的负相关，与日平均温度、 白天温度之间相关性未达到显著水

平。 抗性淀粉（RS）和生态环境因子的相关性与长分支支链淀粉（Fb3）和生态环境因子的相关性完全一致。 结果表明：昼夜温差越大，越不利于Fa 链的形成，其含量越低，越有利于AAC、Fb3以及RS的形成，其含量越高；相反，空气相对湿度越大，越有利于Fa 链的形成， 其含量越高， 越不利于AAC、Fb3以及RS 的形成，其含量越低。

表1 生态环境因子与淀粉特性的关系

从四个地区分别来看：沈阳地区，AAC、Fb3与多数生态环境因子呈极显著的负相关；Fa、RS 与大多数生态环境因子分别呈正相关、负相关，但其相关性均未达到显著水平。 江苏地区，AAC 与多数生态环境因子呈显著或者极显著的负相关，与空气相对湿度、白天湿度、夜间湿度呈显著的正相关；Fb3与多数生态环境因子呈显著的负相关；Fa、RS 与生态环境因子相关性未达到显著水平。四川地区水稻淀粉特性与生态环境因子均未达显著水平， 但AAC、Fb3、RS 与多数生态环境因子相关性变化趋势一致。 深圳地区的水稻淀粉特性与生态环境因子之间的相关性与江苏地区变化基本一致。 结果表明：除四川地区外，沈阳、江苏、深圳地区水稻淀粉特性与生态环境因子之间密切相关且沈阳地区水稻淀粉特性与生态环境因子之间相关性最为密切， 江苏地区与深圳地区其次； 同时，AAC、Fb3、RS 与多数生态环境因子相关性变化趋势一致，而与Fa 与多数生态环境因子相关性变化趋势相反。

3 讨论

影响稻米蒸煮和食味品质的主要调控因子为表观直链淀粉含量，从而进一步调控水稻产量。目前来说，对于单一的表观直链淀粉（AAC）研究较多， 或者以表观直链淀粉结合支链淀粉的研究为主并且在单一的生态环境下进行试验。我们知道，水稻品种的表现型由基因型和环境因素共同决定， 环境因素在水稻品种的表现型上起着至关重要的作用，进一步调控水稻品质性状，从而影响大众对稻米的口感的选择。 而这里我们将探究的方向集中在四个有关淀粉特性的指标上： 表观直链淀粉（AAC）、短支链淀粉（Fa）、长分支支链淀粉（Fb3）以及抗性淀粉（RS），与此同时放在了四个极具特点的生态环境背景下， 将这四个不可量化极具特点的生态环境背景转化为可量化的每个稻作区内十个生态环境因子作为衡量标准， 全面分析了生态环境因素对水稻淀粉特性形成的影响。 从四个地区的淀粉特性来看， 我们发现在表观直链淀粉（AAC）、长分支支链淀粉（Fb3）以及抗性淀粉（RS）含量上，呈现出沈阳＞四川＞深圳＞江苏的趋势，而在短支链淀粉（Fa）的含量上，呈现出江苏＞深圳＞四川＞沈阳的趋势，说明在构成水稻淀粉总含量上的四个主要淀粉特性， 品种中AAC、Fb3、RS 含量越高，其Fa 含量越低。进一步探究导致同样的155 个株系表现出的不同淀粉特性差异产生的原因， 我们注意到各地区量化的十个生态环境因子。 整体上来说， 我们发现在表观直链淀粉（AAC）、长分支支链淀粉（Fb3）以及抗性淀粉（RS）表现基本一致，均与光照时间、昼夜温差、夜间温度呈正相关，与日平均温度、白天温度、夜间温度、空气相对湿度、夜间湿度呈负相关，这与Asaoka et al（1985）的研究表明空气温度与直链淀粉含量有着负相关的关系结果一致[17]，更为有趣的是，在短支链淀粉（Fa）的含量上与上述环境因子刚好呈相反趋势， 这也进一步解释了由于AAC、Fb3、RS与生态环境因子的相关性与RS 与生态环境因子的相关性刚好相反， 导致在该生态环境下形成的AAC、Fb3、RS 含 量 越 高 的 品 种，Fa 含 量 越 低；AAC、Fb3、RS 含量越低的品种，Fa 含量越高。

在水稻灌浆结实的过程中， 影响水稻品质性状最主要的因子就是气候条件[18]。 沈阳地区AAC、Fb3、RS 含量偏高， 分析其原因可能为沈阳地区在四个稻作区中，其昼夜温差最大，日平均气温最低，空气相对湿度最低，整体环境最为干燥，这些生态环境因子共同作用， 同时夜晚更有利于物质积累，所以其AAC、Fb3、RS 含量偏高，而与此同时我们注意到另一生态环境因子光照时间，按照上述规律，昼夜温差最小，日平均气温最高，空气相对湿度最高， 整体环境较为潮湿的深圳地区其AAC、Fb3、RS 含量应为四个地区中含量最低，但是我们知道，事实并非如此，这是由于深圳地区的光照时间也是最长的， 两个具有相同变化趋势的生态环境因子光照时间、 昼夜温差在大环境背景下是矛盾的，且昼夜温差对淀粉特性的影响＞光照时间对淀粉特性的影响， 所以沈阳地区AAC、Fb3、RS 含量偏高，Fa 含量偏低且相关性最为显著， 而剩余三个地区显著性不明显。 通过上述分析， 我们发现对于不同地区都呈现出AAC、Fb3、RS 含量变化的一致性还有待进一步探究内部原因。 同时作为生态环境因子中调控水稻淀粉形成的重要参考指标昼夜温差及光照时间还有待进一步确定各自对淀粉特性的影响率， 从而分析其他三个地区淀粉特性形成原因， 为水稻淀粉特性指标在其他生态环境背景下的含量提供理论依据。

4 结论

对于不可量化的地区差异， 我们将其转化为动态更为清晰、直观的生态环境因子后，分析了水稻抽穗后45 d 的生态环境因子变化，从而推断出影响水稻淀粉特性形成的主要参考指标， 对水稻淀粉特性在环境因素不同时的分析奠定了坚实的基础和理论依据，从而影响着水稻品质性状。但对于水稻生长发育的其他时期AAC、Fb3、RS 的形成和含量变化以及相同生态环境背景下， 表现出的水稻淀粉特性差异还有待进一步探究。