米粉稻籽粒直链淀粉积累特性

张恒栋，黄敏，邹应斌，陈佳娜，单双吕

1湖南农业大学农学院，长沙 410128；2贵州黔西南喀斯特区域发展研究院，贵州黔西南 562400

0 引言

【研究意义】米粉是仅次于稻米作为主食食用的大米产品[1-2]，其原料以早籼稻为主，在我国有广泛的市场[3-4]。目前米粉稻种类较多，品质差异大，加工成的米粉质量存在较大差异，难以满足市场对产品质量的需求[5]。品种来源和稻米品质，尤其是米粉稻稻米的直链淀粉含量是影响其加工米粉品质的关键因素[5-7]。研究米粉稻籽粒灌浆过程中直链淀粉积累特性对提升米粉稻直链淀粉含量有重要意义。【前人研究进展】种植米粉稻是解决早籼稻因食味差导致经济价值低的一条有效途径[8-9]。前人通过品种的筛选和选育，普遍认为高直链淀粉含量的水稻品种适合做米粉稻，直链淀粉含量较高的稻米加工的米粉结构坚固，可以减少米粉的蒸煮损失，黏性较强[10]。不同的研究者对适合加工米粉的稻米直链淀粉含量的结果略有差异，认可度较高的结果为稻米直链淀粉含量在20%—26.14%时，加工的米粉品质较优[2,4,11-12]。刘友明等[13]认为直链淀粉含量为 10%—17.5%的稻米适合做米粉的加工。直链淀粉含量是由直链淀粉积累量和籽粒干物质量共同决定的，受品种及环境因素的影响显著[14]。宽窄行栽培[12]及合理的氮磷比例[15]有利于米粉稻直链淀粉含量的优化，施用乙烯利可以促进米粉稻直链淀粉含量的增加[16]。不同类型水稻品种直链淀粉含量差异在灌浆初期已经比较明显，随着灌浆时间的推移，直链淀粉含量升高[17]。高直链淀粉含量的水稻品种直链淀粉的积累量和积累速率大于低直链淀粉含量的品种[18]，同时直链淀粉积累量大的品种其最大积累速率出现的时间晚、活跃积累天数长[19]。水稻直链淀粉积累快速期因研究地域或品种的不同得到的结果并不一致[17-21]，温度是直链淀粉形成过程中重要因素之一[22-25]，程方民等[23]认为齐穗后20 d内受温度影响直链淀粉含量变化较大，适温条件下灌浆期籽粒直链淀粉积累速率慢，持续时间长，高温有助于直链淀粉含量的提升[25]。【本研究切入点】通过品种的筛选可知高直链淀粉含量的水稻品种适合做米粉的加工，不同的栽培调控措施可以调节米粉稻直链淀粉含量的变化，然而米粉稻籽粒灌浆过程中直链淀粉的积累特性及其与籽粒灌浆参数的关系鲜有报道，米粉稻直链淀粉积累动态参数及其对直链淀粉含量的影响尚不明确。【拟解决的关键问题】本研究通过选用高直链淀粉的米粉稻品种和低直链淀粉的对照品种进行籽粒灌浆、直链淀粉积累动态研究，分析不同水稻品种籽粒灌浆和直链淀粉积累参数，明确影响米粉稻直链淀粉含量形成的籽粒灌浆和直链淀粉积累特性。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016—2017年早、晚季在湖南省浏阳市永安镇进行，土壤基本情况为有机质43.44 g·kg-1、速效氮 200.70 mg·kg-1、速效磷 6.24 mg·kg-1、速效钾148.13 mg·kg-1，pH 6.08。

1.2 试验材料

根据当地生产实际，选择米粉稻品种（NR）陆两优 996（LLY996，籼型两系杂交稻）、中嘉早 17（ZJZ17，籼型常规稻）和对照品种（CK）陵两优268（LLY268，籼型两系杂交稻）、湘早籼45（XZX45，籼型常规稻）为材料。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，重复3次，小区面积40 m2。试验用58 cm×25 cm的秧盘，装填淤泥育秧，播种方式参照SHAN等[26]采用双本印刷播种，每年早季于3月27日播种，4月19日移栽，晚季于7月7日播种，7月23日移栽。试验用井关PZ80-25插秧机插秧，早季施 135 kg N·hm-2，晚季施 150 kg N·hm-2，N∶P2O5∶K2O为1∶0.5∶1。氮肥按照基肥∶蘖肥∶穗肥按照5∶2∶3的方式施用，磷肥全部做基肥施用，钾肥按照基肥∶穗肥为5∶5的比例施用，田间管理同当地生产习惯保持一致。

1.4 测定内容与方法

1.4.1 直链淀粉含量的测定 直链淀粉含量测定参照标准NY147-88[27]，采用KI-I靛蓝比色法。

1.4.2 籽粒灌浆和直链淀粉积累动态 于齐穗期对所有小区内的水稻选取开花的稻穗100穗进行挂牌标记。自齐穗后3 d起每个小区在挂牌标记的稻穗中随机选取5穗进行取样，于70℃烘干后手工脱壳，并计数获得的粒数后称重，计算平均粒重。采用超微粉碎机粉碎后测定每个时期的直链淀粉含量，用粒重×各时期直链淀粉含量计算直链淀粉的积累量。

籽粒灌浆和直链淀粉积累的各参数参照 HUANG等[28]和刘红杰等[29]的方法进行计算，计算增长动态的2个拐点t1和t2，及灌浆持续时间点t3，开花期—t1为渐增期（T1），t1—t2为快速期（T2），t2—t3为缓增期（T3），花后—t3为灌浆持续时间（D）。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 整理数据和绘制图表，采用Statistix 8.0软件进行数据分析，用LSD0.05法进行多重比较，DPS 18.0进行相关性分析和数学模型的建立。

2 结果

2.1 不同种植季节抽穗期气温和辐射数据

早、晚季花后日平均气温分别为 27.3℃、21.3℃（2016年）和27.4℃、22.5℃（2017年）；早季种植，2016年水稻开花后前5 d的日平均气温为30.1℃，比2017年同时间段高5.4℃及2年晚季同阶段高5.1℃—6.3℃；晚季种植，2016年水稻花后前15 d日平均气温为22.6℃，比2017年同时间段低3.2℃。2016年早、晚季日平均入射辐射量为 15.4 MJ·m-2和 12.4 MJ·m-2，分别比2017年同季节日平均辐射量高11.5%和45.9%（图1）。

2.2 不同水稻直链淀粉含量差异

杂交稻 LLY996（NR）在早、晚季种植直链淀粉含量分别达到 23.31%、20.78%（2016年）和23.75%、22.51%（2017年），分别比同一种植季节的LLY268（CK）高78.9%、41.5%（2016年）和64.0%、42.3%（2017年），同季节ZJZ17（NR）的直链淀粉含量比XZX45（CK）高 47.1%—66.0%，差异显著。2016—2017年NR直链淀粉含量平均比CK分别高72.3%、63.1%（早季）和45.1%、44.8%（晚季）（图 2）。

2.3 不同水稻品种籽粒直链淀粉积累动态

不同的水稻品种在不同的种植季节，直链淀粉的积累动态均极显著拟合Logistic方程（R2=0.955—0.995），拟合参数如表 1所示。拟合方程计算不同水稻品种直链淀粉积累参数（表2），由不同阶段直链淀粉的积累量可知，相同种植季节直链淀粉积累的Ta1、Ta2、Ta3期及最大积累速率启动时直链淀粉的积累量，LLY996比 LLY268分别高56.9%—103.4%、57.0%—104.4%、55.0%—96.3%和56.9%—105.1%；ZJZ17比XZX45分别高49.2%—78.7%、50.0%—80.1%、47.5%—76.2%和50.4%—80.4%；同季内 NR分别比 CK平均高 60.0%—91.1%、61.2%—92.3%、59.3%—89.3%和61.2%—92.8%。

表1 不同水稻品种直链淀粉积累动态拟合Logistic方程Y=K/(1+EXP(A-BX)参数Table 1 The parameters of the dynamic of amylose accumulation with different rice varieties fitted the Logistic equation Y=K/(1+EXP(A-BX)

由表2可知，相同的种植季节，直链淀粉积累的渐增期（Ta1），NR比CK平均长0.6—2.8 d，其中LLY996比 LLY268长 0.4—3.0 d，ZJZ17比 XZX45长0.7—2.5 d；直链淀粉积累快速期（Ta2）、缓增期（Ta3）和积累持续期（Da）在NR和CK之间无明显差异规律。直链淀粉最大积累速率启动时间，NR比CK平均晚1.4—2.9 d，其中除2017年晚季4个水稻品种最大积累速率出现在同一天，相同种植季节LLY996最大积累速率比LLY268晚0.5—4.6 d，ZJZ17比XZX45晚0.8—2.2 d。

相同的种植季节直链淀粉积累平均速率、Ta1期积累速率和最大积累速率均表现为 NR高于 CK（表2），平均分别高 36.7%—91.2%、40.2%—58.3%和29.2%—108.7%，其中 LLY996比 LLY268分别高16.6%—95.8%、37.5%—70%和56.9%—105.1%，ZJZ17比 XZX45分别高 34.4%—97.4%、36.4%—66.7%和50.4%—80.4%；相同种植季节直链淀粉积累起始速率、Ta2和Ta3期直链淀粉积累速率表现为NR比CK平均高 10.8%—161.6%、29.0%—116.8%和 24.4%—103.6%。相同类型的品种间差异在不同季节的变化略有不同。

2.4 不同水稻品种籽粒灌浆动态

不同水稻品种籽粒灌浆过程拟合 Logistic方程的拟合参数如表 3所示，相关系数R2为 0.964—0.996，相关性极显著。由不同水稻品种直链淀粉积累参数（表4）可知，相同的种植季节，籽粒灌浆Tf1持续期，NR比CK平均长0.1—1.8 d；籽粒最大灌浆速率启动时间，NR比CK平均晚1.2—2.0 d，其中 LLY996和ZJZ17的Tf1持续期分别比2个对照品种平均长1.1 d和1.0 d，最大灌浆速率启动时间比2个对照品种平均延迟2.1 d和0.9 d。

表3 不同水稻品种籽粒灌浆动态拟合Logistic方程Y=K1/(1+EXP(A1-B1X)参数Table 3 The parameters of the dynamic of grain filling with different rice varieties fitted the Logistic equation Y=K1/(1+EXP(A1-B1X)

表4 不同水稻品种籽粒灌浆参数Table 4 The parameters of grain filling with different rice varieties

相同的种植季节，籽粒持续灌浆期，NR比 CK平均长1.2—3.6 d；Tf3持续期积累的干物质量，NR比CK平均多1.7%—37.5%，其中晚季籽粒灌浆持续期表现为LLY996比LLY268和XZX45长3.7—4.3 d，ZJZ17比LLY268和XZX45长1.8—2.9 d，Tf3持续期积累的干物质量，LLY996和ZJZ17分别比2个对照品种多 11.9%—82.3%和 7.5%—8.0%，2年早季种植，品种间变化规律不一致。

早季种植，籽粒起始灌浆速率和Tf1期灌浆速率，LLY996比 LLY268分别低 4.0%—52.9%和1.7%—72.2%，ZJZ17比 XZX45分别低 30.7%—33.2%和 16.1%—23.0%，NR比 CK平均分别低18.3%—45.7%和6.1%—8.6%，晚季间无明显变化规律。晚季种植，籽粒灌浆的平均速率，NR比CK平均低2.0%—8.8%；Tf2期和Tf3期的持续时间，NR比 CK平均长1.3—2.4 d和0.6—1.2 d；Tf1期、Tf2期和最大灌浆速率启动时积累的干物质量，NR比CK平均分别高10.8%—12.9%、7.7%—10.3%和10.2%—12.3%；而早季种植，NR和CK之间无明显变化规律。

2.5 直链淀粉积累的不同阶段的贡献率及其与籽粒灌浆过程的同步性

直链淀粉积累过程伴随籽粒灌浆过程产生（图3），不同种植季节NR和CK表现为籽粒灌浆过程中干物质积累的渐增期、快速期、缓增期启动时间比直链淀粉积累对应的阶段早0.1—4.9 d，多数集中在1.0—3.0 d。同一阶段籽粒灌浆启动时间早于直链淀粉积累启动时间，其发生启动的顺序依次表现为籽粒灌浆和直链淀粉积累的渐增期、籽粒灌浆快速期、直链淀粉积累快速期、籽粒灌浆缓增期、直链淀粉积累的缓增期；而灌浆和直链淀粉积累的持续期结束的时间除了极少数存在不规律性，大部分表现为灌浆持续期结束较早。虽然同一积累阶段直链淀粉的积累量在品种间有较大的差异（表 3），但是同一直链淀粉积累阶段的积累量对其籽粒直链淀粉总量的贡献率基本上稳定（表5），不同的水稻品种在Ta1期、Ta2期、Ta3期直链淀粉积累量对籽粒总直链淀粉积累量的贡献率分别为 20.91%—21.32%、57.58%—57.88%、11.26%—14.73%。

表5 不同水稻直链淀粉积累持续期直链淀粉积累量对其籽粒直链淀粉积累总量的贡献率Table 5 The contribution rate of amylose accumulation during the amylose continuous accumulation duration to its total amylose accumulation in grain with different rice (%)

3 讨论

高直链淀粉的水稻直链淀粉的积累量和积累速率显著高于中、低直链淀粉含量的水稻[17]。随着灌浆时间的推移，籽粒中直链淀粉含量明显升高，品种间直链淀粉含量的差异在灌浆初期就已经比较明显，而不是中后期表现出来的[17-21]。郭连安等[19]研究表明直链淀粉积累量的高低主要取决于直链淀粉最大积累速率，闫素辉等[30]认为小麦籽粒直链淀粉积累起始速率、平均速率和最高速率高的品种直链淀粉积累量大。本文结果表明，相同的种植季节，NR在直链淀粉积累渐增期、快速期、缓增期及最大积累速率时，直链淀粉积累量比CK高60.0%—91.1%、61.2%—92.3%、59.3%—89.3%和61.2%—92.8%，直链淀粉积累渐增期积累速率，NR比CK高36.4%—70.0%（表2），如何根据直链淀粉积累参数变化特点，进行优化米粉稻直链淀粉含量的栽培调控措施的探索还需要进一步研究。

水稻直链淀粉的含量是随着籽粒灌浆过程形成的，形成过程均可以用Logistic方程进行拟合[19,21]，籽粒中直链淀粉和支链淀粉的合成和积累是水稻籽粒灌浆过程中的主要活动[21]。本研究结果表明，相同的种植季节，籽粒持续灌浆期，NR比CK平均长1.2—3.6 d，籽粒灌浆渐增期，NR比CK平均长0.1—1.8 d；籽粒最大灌浆速率启动时间，NR比CK平均晚1.2—2.0 d。直链淀粉的积累渐增期结束时间晚于籽粒灌浆渐增期结束时间，快速期、缓增期开始的时间和最大积累速率启动时间分别晚于籽粒灌浆干物质积累的快速期、缓增期开始的时间和最大灌浆速率启动时间，多数直链淀粉的积累持续时间长于籽粒灌浆持续时间（图3）。这可能是因为总淀粉的积累过程在很大程度上可以反映籽粒干物质的积累动态[31]，虽然不同水稻品种直链淀粉积累量不一致，但是基本上保持相同的变化趋势。支链淀粉形成的聚合物可以为直链淀粉的合成提供场所[32]，随着籽粒的发育，籽粒中直链淀粉的积累速率和积累量低于支链淀粉[22,33]。

关于直链淀粉积累的快速期前人有不同的结论，何秀英等[20]认为是花后 3—12 d，郭连安等[19]认为是花后5—20 d，范永义等[33]认为花后15 d内是直链淀粉积累最快的时期。本研究结果表明，根据品种和种植季节的不同，水稻直链淀粉积累的渐增期、快速期启动和持续的时间均有差异，同一季节渐增期持续的时间，NR比CK长0.4—2.5 d，同一品种不同的种植季节持续时间相差1.1—5.6 d，从而导致快速积累期开始和持续的时间也不一致。不同的品种在不同的种植季节渐增期、快速积累期发生和持续的时间不同，直链淀粉积累量差异很大，但是这2个时期内直链淀粉的积累量对籽粒总直链淀粉量的贡献率保持稳定，渐增期、快速积累期的贡献率为 20.91%—21.32%、57.58%—57.88%，变化幅度很小。不同积累阶段发生和持续的时间随着品种和季节的变化有较大差异，因此，用花后某个时间段来定义直链淀粉的快速积累期存在一定的片面性。

灌浆前期是籽粒直链淀粉积累受外界环境因素影响最大的时期，直链淀粉积累的调控主要在灌浆阶段的前期和中期[34]，籽粒灌浆是籽粒干物质积累的过程，其中包含淀粉的积累，直链淀粉作为淀粉组分之一，它的积累受到籽粒灌浆过程中诸多因素的影响[17-24]。前人研究表明，灌浆期遮光不利于直链淀粉的积累，弱光会降低水稻的灌浆速率和起始势，低温会延长水稻的灌浆期同时降低灌浆速率[35-36]。本研究结果表明，2016年早季，不同水稻品种直链淀粉积累速率和灌浆速率高于其他3季，灌浆和直链淀粉积累持续时间均短于其他3季，主要与灌浆起始阶段较高的温度和光照强度有关。自然环境是一个复杂的环境，光照强度和温度的变化对籽粒灌浆和直链淀粉积累的影响程度需要借助人工气候培养室进行进一步研究。

4 结论

灌浆前期高温和强光照可以提高水稻籽粒灌浆和直链淀粉积累速率并缩短籽粒灌浆和直链淀粉积累持续期。与对照品种相比，米粉稻品种有较长的灌浆持续期，尤其是达到最大灌浆速率的时间和灌浆渐增期表现出一致的规律；稻米直链淀粉积累的渐增期、快速期、缓增期直链淀粉的积累量对直链淀粉积累总量贡献率相对稳定，与对照相比，米粉稻品种直链淀粉积累量和积累速率较高，尤其是渐增期积累速率和最大积累速率，因此米粉稻品种灌浆持续时间较长，直链淀粉积累速率较高。直链淀粉积累渐增期积累速率高、持续时间长是米粉稻形成高直链淀粉含量的基础。