亏水灌溉对稻米籽粒外观品质建成的影响

2020-08-24杨秀霞

节水灌溉 2020年8期

燕辉，杨秀霞

(1. 河南科技大学农业装备工程学院，河南洛阳 471003; 2. 江西农业大学国土资源与环境学院，南昌 330045)

0 引言

作物品质的内涵极为丰富，它由众多单一品质因素共同组建而成；就水稻而言，它涵盖外观、加工、营养、蒸煮与食味及卫生安全等方面的多项参数[1]。稻米的外观品质又主要由垩白状况、籽粒形状、籽粒大小和籽粒透明度等多项指标来反映[2]。其中，垩白是籽粒灌浆不充分，胚乳蛋白体与淀粉体充实不良，而在稻米胚乳中产生的白色且不透明的部分[3]。一般认为，籽粒中的垩白不但会降低稻米外观品质，还会对稻米的加工品质及蒸煮与食味品质造成一定程度的影响[4]。因此，如何在水稻生产过程中降低垩白目前已成为优化稻米品质的一个关键性问题。

作为喜水作物，水稻从幼苗到结实全生育期需要消耗掉大量的水分[5]。另一方面，水分在水稻生长发育过程中发挥着极其重要的生理调节作用。为探明水分条件对稻米籽粒垩白形成的生理调控机制，以利用灌溉措施提高稻米外观品质，广大学者对不同水分条件下稻米籽粒垩白的变化规律进行了大量研究[6-10]。但鉴于稻米外观品质形成于籽粒淀粉的生物合成和积累过程中，这一生理过程极为复杂，可能涉及内源激素平衡[11,12]、蔗糖----淀粉代谢酶活性调节[13]等多方面的信号传输与生理响应。因此，目前对水分调节稻米籽粒垩白形成的研究多是集中于分析不同水分条件下表现出的籽粒垩白差异，而缺乏对垩白形成机理的深入探索。这严重影响了稻米外观品质的改善和经济价值的提高。鉴于此，本研究深入分析了亏水灌溉在稻米籽粒垩白形成过程中的作用，旨在探明降低籽粒垩白的水分条件，为改善稻米外观品质、增强其经济价值、建立节水调质高效的水稻灌溉模式提供理论指导。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

灌溉试验在江西农业大学科技园的温室中进行。首先将消毒后的稻种置于育苗框进行育苗，待生长至2叶1心期时，选取长势均匀的幼苗移入试验桶(内径30 cm，桶高50 cm)中，每桶5株，桶中装土18 kg，土壤取自江西农业大学科技园稻田0～20 cm土层，并于装桶之前风干且磨细过筛。试验展开前桶内保持浅水层，以维持水稻幼苗正常生长。

1.2 试验设计

水稻生长至灌浆期后，选择长势相当的桶栽水稻进行4种不同的灌水处理，以确保土壤水势维持在一定范围内，其中：灌水处理Ⅰ为保持浅水层，灌水处理Ⅱ为轻度亏水，灌水处理Ⅲ为中度亏水，灌水处理Ⅳ为重度亏水。各灌水处理对应的土壤水势分别维持在0、-10～-20、-20～-40、-40～-60 kPa。使用真空表式负压计测定试验桶土壤水势，当其接近所设计灌水处理水势下限后，灌水使负压计度数接近水势上限。

1.3 观测项目和方法

1.3.1 稻米籽粒内源激素含量与代谢酶活性测定

在各亏水灌溉的不同时间段分别摘取一定量的稻米籽粒，浸入液氮冷冻并研磨成粉末，再放入-80 ℃超低温冰箱中，用于ABA与ACC含量的测定及ADPG 焦磷酸化酶、蔗糖合成酶与淀粉合成酶活性的测定。其中，ABA含量依据何仲佩等[14]的方法测定，ACC含量依据Cheng等[15]的方法测定，ADPG 焦磷酸化酶、蔗糖合成酶与淀粉合成酶活性依据Nakamura[16]的方法测定。

1.3.2 稻米籽粒平均灌浆速率测定

在各亏水灌溉的不同时间段分别摘取一定量的稻米籽粒，于70 ℃条件下烘干至恒重，根据朱庆森等[17]提供的方法对米粒重量进行拟合，并进一步根据刘凯等[18]提供的方法计算平均灌浆速率。

1.3.3 稻米籽粒垩白度测定

每经过一段时间分别摘取各灌水处理的稻米籽粒，按照国家标准《GB/T17891-1999优质稻谷》[19]测定垩白度。

2 结果及分析

2.1 亏水灌溉对稻米籽粒内源激素含量的影响

本研究对亏水灌溉条件下稻米籽粒中内源激素ABA与ACC含量变化进行了分析，结果证实：灌浆前期，稻米籽粒中ABA含量较低；随着灌浆的进行，籽粒中ABA含量不断增加，并在达到最大值后逐步降低。而在灌浆过程中的各时间点，伴随着亏水程度的加剧，稻米籽粒中ABA含量呈现出升高趋势，并在重度亏水条件下达到最大值[图1(a)]。分根试验中稻米籽粒ABA含量亦呈现出相似的变化趋势[20]，这可能与水分亏缺诱导的根区ABA大量合成及根源ABA的木质部传输有关系；与ABA不同，在整个灌浆过程中，稻米籽粒ACC含量呈现降低趋势。而在灌浆过程中的各阶段，伴随着水分亏缺的加剧，稻米籽粒ACC含量呈现出升高趋势，并在重度亏水条件下达到最大值[图1(b)]。这与叶玉秀[21]的研究结论相一致，应该是水分亏缺条件下根区ACC向冠层大量传输造成的。

图1 各灌水处理对稻米籽粒内源激素ABA与ACC含量的影响Fig.1 Effects of irrigation treatment on endogenous hormones ABA and ACC in Rice Grain

2.2 亏水灌溉对稻米籽粒代谢酶活性的影响

稻米籽粒主要是由淀粉组成。因此，水稻的灌浆过程实质就是稻米籽粒中淀粉的生物合成与积累过程[22]。在该生理过程中，水稻叶片碳同化形成的光合产物被以多糖的形式运输至籽粒，进一步在ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶及淀粉分支酶的催化下产生淀粉。其中，ADPG焦磷酸化酶是淀粉合成必需的首个代谢酶，其强弱直接影响淀粉合成速率，在籽粒淀粉生物合成过程中发挥着极其重要的作用[23,24]。本研究对水稻灌浆期稻米籽粒中ADPG焦磷酸酶活性进行分析发现：伴随着水稻灌浆的进行，稻米籽粒中ADPG焦磷酸酶活性呈现逐渐升高的趋势，这将有利于稻米籽粒灌浆。ADPG焦磷酸酶活性在达到最高值后逐渐降低，表明稻米籽粒灌浆能力在灌浆后期减弱。在灌浆过程中的各阶段，充分灌水与轻度亏水模式下的稻米籽粒ADPG焦磷酸酶活性较高；伴随着亏水程度的加剧，ADPG焦磷酸酶活性呈现降低趋势，并在重度亏水条件下达到最低值。这表明水分亏缺抑制ADPG焦磷酸酶活性，从而给籽粒灌浆带来不利影响。

淀粉合成酶是以ADPG为供体，催化α-1，4-糖苷延长的代谢酶[24]。对灌浆期稻米籽粒中淀粉合成酶活性进行了研究发现：在水稻灌浆期，淀粉合成酶活性随着稻米灌浆的进行呈现先升高后降低的趋势。这与董明辉等[25]的研究结论相一致，表明水稻的灌浆能力在灌浆前中期相对较高，到末期减至较弱。不同灌溉条件下，稻米籽粒淀粉合成酶活性也存在差异。同一生育阶段的淀粉合成酶在充分灌水与轻度亏水条件下相对较高，在中、重度亏水条件下相对较低。对亏水胁迫下糜子籽粒淀粉合成酶的研究[26]亦得到相似结论。这表明水分胁迫会降低作物籽粒蔗糖向淀粉转化的代谢能力，进而可能对籽粒灌浆造成不利影响。

淀粉分支酶是形成支链淀粉的关键酶；它能够水解糖苷键生成低聚糖链，进一步将低聚糖链与受体相连，形成支链淀粉[27]。对亏水灌溉模式下灌浆期淀粉分支酶活性进行研究发现：淀粉分支酶活性在灌浆过程中呈现先升高后降低的趋势；其中，灌浆前期，淀粉分支酶活性较低；随着灌浆的进行，淀粉分支酶活性呈现出升高的趋势；到灌浆末期，淀粉分支酶活性又降至最低。这与戴忠民等[28]的研究结论相一致。不同灌水模式亦对稻米籽粒淀粉分支酶活性造成不同影响。充分灌溉与轻度亏水条件下，稻米籽粒淀粉分支酶活性较高；随着亏水程度的加剧，淀粉分支酶活性呈现降低趋势；重度亏水条件下，淀粉分支酶活性降至最低。

2.3 亏水灌溉对灌浆速率与垩白度的影响

本试验进一步研究了亏水灌溉对灌浆中后期稻米籽粒的灌浆速率与垩白度的影响，结果表明，充分灌溉与轻度亏水条件下，稻米籽粒的灌浆速率在灌浆中后期较为稳定，且维持较高水平。这应该与充分灌溉与适度亏水增强蔗糖----淀粉代谢酶活性有关系[29]。灌浆速率的稳定将有利于稻米籽粒灌浆，进而减少稻米垩白度。而在中重度亏水条件下，蔗糖----淀粉代谢酶活性较对照大幅降低，导致稻米籽粒灌浆速率在灌浆后期呈现出较大幅度的变化[图 3(a)]，这将不利于籽粒灌浆，进而导致籽粒的垩白度增大。进一步分析不同灌水模式下稻米籽粒垩白度变化规律证实以上结论：充分灌水与轻度亏水条件下，稻米籽粒垩白度较低；随着亏水程度的进一步加剧，中重度亏水条件下，稻米籽粒垩白度升至最高[图3(b)]。

图3 各灌水处理对灌浆速率与垩白度的影响Fig.3 Effects of irrigation treatment on filling rate and chalkiness in Rice Grain

2.4 稻米籽粒内源激素含量与代谢酶活性的关系

本研究对内源激素(ABA和CK)与蔗糖----淀粉代谢途径关键酶(ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶)之间的关系及内源激素与灌浆速率之间的关系进行了分析，结果证实：稻米籽粒ABA含量不仅与ADPG焦磷酸化酶(R2=0.526；p<0.05)[图 4(a)]、淀粉合成酶(R2=0.197；p<0.05)[图4(b)]和淀粉分支酶(R2=0.262；p<0.05)[图4(c)]成正相关，亦与灌浆速率(R2=0.152；p<0.05)[图4(d)]成正相关。而ACC含量与ADPG焦磷酸化酶(R2=0.043；p<0.05)[图4(a)]和淀粉分支酶(R2=0.135；p<0.05)[图4(c)]成负相关，与淀粉合成酶(R2=0.045；p<0.05)[图4(b)]成正相关，与灌浆速率不相关(p>0.05)[图4(d)]。这表明，灌浆期稻米籽粒中ABA含量的增加在一定程度上能够增强籽粒中调节蔗糖----淀粉代谢途径关键酶的活性，进而促进籽粒灌浆；而稻米籽粒ACC含量与代谢酶活性的关系在本试验中较为复杂，且本试验尚不能证实稻米籽粒ACC与灌浆速率有显著相关性。

图4 内源激素含量与ADPG焦磷酸化酶、淀粉合成酶、淀粉分支酶及灌浆速率的相关性Fig.4 Relationship between endogenous hormones and the activities of ADP-glucose pyrophosphorylase, starch synthase, starch branch enzyme, and filling rate in Rice Grain

为什么稻米籽粒中内源激素ABA含量较高就能够促进籽粒灌浆？目前仍不是很清楚。结合以往的相关研究[30-32]，我们推测，籽粒中ABA含量较高能够促进灌浆可能与ABA能够调节籽粒库强有关系。水稻灌浆期，水分亏缺诱导合成的根源ABA能够通过木质部蒸腾流向上运输至稻米籽粒[33]，籽粒内积累的ABA能够增强蔗糖----淀粉代谢途径关键酶活性[32]，从而提高稻米籽粒灌浆速率，加速稻米籽粒灌浆。另一方面，鉴于ABA是抑制生长、促进衰老的内源激素[34]，我们推测，ABA对蔗糖----淀粉代谢途径关键酶活性的促进作用应该是在一定浓度范围内实现的；如果稻米籽粒中ABA含量过高，则可能会对籽粒灌浆造成不利影响。这应该就是稻米籽粒垩白度随着水分胁迫的加剧呈现出先降低后升高变化(即在轻度亏水条件下降至最低，在中重度亏水条件下又呈现出升高趋势)的原因。

与ABA不同，ACC除了与淀粉合成酶活性成微弱正相关之外，与ADPG焦磷酸化酶活性、淀粉分支酶活性均呈负相关，这表明ACC可能主要起到的是降低稻米籽粒库强度的作用。目前国内外对这方面的研究与报道少之又少，仅有的少量研究认为：作为乙烯生物合成前体的ACC，最终会转换生成乙烯。作为一种内源激素，乙烯会起到加速储藏器官(如稻米籽粒)内α-淀粉酶的基因表达的作用[30]，这会导致储藏器官中淀粉含量的降低。从这个角度推测，ACC起到的可能是抑制籽粒灌浆的作用，但这一现象未能在本试验中证实。