稻米香味物质2-乙酰-1-吡咯啉的形成及其影响因素

魏晓东 张亚东 赵凌 路凯 宋雪梅 王才林

稻米香味物质2-乙酰-1-吡咯啉的形成及其影响因素

魏晓东 张亚东 赵凌 路凯 宋雪梅 王才林*

(江苏省农业科学院粮食作物研究所/江苏省优质水稻工程技术研究中心/国家水稻改良中心南京分中心，南京 210014; *通信联系人, E-mail: clwang@jaas.ac.cn)

稻米香味的形成是一个复杂而多变的生理过程，遗传和环境变化对香味的形成都具有重要影响。香味的有无主要受香味基因控制，气候条件、土壤质地和栽培措施也会直接影响稻米香味物质的合成。为进一步加快香稻培育进程，提升香稻稻米品质，本文综述了近年来国内外有关稻米香味物质形成的遗传和生理机制以及环境因素对稻米香味形成的研究进展，重点总结了外界光照、水分、温度、肥料、矿质元素等对稻米香味物质合成的影响，并指出了今后研究的方向，以期为提高我国香稻栽培技术，提升香稻稻米品质提供参考。

水稻；香味；2-乙酰-1-吡咯啉；香稻

香稻是水稻中一个特殊的类型，其稻米具有香气馥郁和米饭芬芳的特点，被视为水稻中的珍品。香稻主要分布在印度、巴基斯坦、孟加拉国、阿富汗、伊朗、美国和中国。随着生活水平的提高，香稻在世界大米市场上的价格和需求逐年上升[1]。巴基斯坦和印度的Basmati和泰国的Jasmine都是世界著名的典型香稻品种[2]。我国香稻资源也十分丰富，云南、贵州、台湾、太湖流域以及苏北地区是我国香稻分布较为集中的地区[2]。另外，还有些零星分布，例如五常稻花香米，产于黑龙江省五常市。传统香稻品种具有地域性强的特点，稻米香味虽然受遗传基因控制，但与土壤条件和气候条件密切相关，香稻产地的土壤成分与非产地的差异较大，且香稻品种在非产地种植后普遍存在香气不够浓郁的现象。因此，利用栽培措施提高香稻的香味是提升稻米品质的一项重要措施。环境因素如光照、温度、水分、肥料、矿质元素、盐分等都会影响香味物质的合成，最终影响香稻的品质。本文综述了近年来各种环境因素影响稻米香味的新进展，以期为优质香稻的栽培提供借鉴和参考。

1 稻米香味物质形成的生理机制

对大米香味的研究可以追溯到30年前[3]。随着检测技术的发展，特别是气相色谱和质谱技术结合，在水稻中共检测到500多种挥发性芳香物质[4-5]，包括碳氢化合物、酸类、醇类、醛类、酮类、酯类和酚类等[6-9]。各种芳香混合物在不同香稻中组成不同，形成品种特有的香气，例如茉莉花香、山核桃香、爆米花香、紫罗兰香、玉米香等[10-11]。香稻中的香气主要分为五大类：绿草香味，果香花香味，烧烤味，坚果味，苦味。每种味道均由不同的化合物组合形成，醛、酮和乙醇主要散发绿草香味，庚酮、醛和甲酯主要形成果味花香味，苯甲醛和2-戊基呋喃则主要形成坚果香味[4]。

一直以来，科学家希望能够找出形成水稻香味的关键化合物，但水稻的香味并不是由单独一种的化合物或者一类化合物形成的。其中，第一个被发现形成水稻香味的重要化合物是2-乙酰-1-吡咯啉(2-acetyl-1-pyrroline, 2-AP)，它是1983年由Buttery首次发现的[12]。2-AP是香稻中主要香味物质，香稻中爆米花香味主要由2-AP形成[5]。2-AP在水稻植株地上部分均能检测到，且2-AP不是在收获后以及稻米烹饪过程中产生的，而是在水稻生长过程中地上部分合成后输送到籽粒中的[5]。在已知的500多种挥发性化合物中，只有14%的化合物是香味的主要贡献者[13]。这些香味物质都是在植株内自然合成的，合成这些化合物的来源主要包括碳源、氮源、硫元素，并且以碳水化合物、脂肪酸、氨基酸的形式合成香味物质[13]。碳水化合物主要用来合成萜烯类、呋喃酮类和吡喃酮类[13]。醛、醇、酮、酸、酯、内酯则主要由脂肪酸合成[14]。水稻中由氨基酸合成的香味物质主要通过氨基酸的降解来完成，通过莽草酸/苯丙氨酸途径形成脯氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸并进一步合成香味物质[15]。香稻中主要的香味物质2-AP有多种合成途径，脯氨酸、谷氨酸和鸟氨酸都是合成2-AP的前体物质，分别在脯氨酸脱氢酶、吡咯啉-5-羧酸合成酶、鸟氨酸转氨酶催化下形成吡咯啉-5-羧酸，而后脱羧转化为1-吡咯啉，进而合成2-AP。其中，主要途径是前体物质脯氨酸在脯氨酸脱氢酶的作用下形成1-吡咯啉，进而合成2-AP，鸟氨酸也可以在鸟氨酸脱氢酶的催化下形成腐胺，而后由二胺氧化酶催化形成γ-氨基丁醛，由于甜菜碱脱氢酶功能丧失导致γ-氨基丁醛大量积累，使γ-氨基丁醛转化为1-吡咯啉，最终合成大量2-AP[16]。而在非香稻品种中γ-氨基丁醛在有活性的甜菜碱脱氢酶作用下形成γ-氨基丁酸(GABA)，从而不能合成2-AP。香稻中2-AP合成的另外一个重要途径是糖酵解途径，其中丙酮醛的合成与2-AP的含量呈显著正相关[17]，合成途径见图1[13]。

2 稻米香味物质2-AP形成的遗传机理

2.1 甜菜碱醛脱氢酶基因BADH2的多态性

2-AP是香稻中主要香味物质，甜菜碱醛脱氢酶活性丧失是导致2-AP积累的主要因素。是迄今为止唯一一个被克隆的与香味相关的基因，该基因的突变会导致甜菜碱脱氢酶活性丧失，具有甜菜碱脱氢酶活性的水稻则没有香味[7, 18-20]。基因位于水稻第8染色体上，是控制水稻香味的隐性基因[21-24]，该基因全长1509 bp，其中含有15个外显子、14个内含子，编码503个氨基酸[22, 25]。基因除在水稻根中不表达外，在其他所有组织和器官中都有表达。近年来研究表明，水稻第3和4染色体上也定位到控制水稻香味的数量性状基因座[26]。张江丽等通过对香稻品种测序发现，基因序列完整的水稻也具有香味，有些水稻不含有等位基因，却具有较高的2-AP含量，这些现象说明水稻的香味还受其他基因或内含子的调控[26-27]。

研究表明，在水稻中基因有多种突变型，至少存在17个变异位点。比较常见的等位基因为，它在第7外显子上存在8个碱基缺失以及3个单核苷酸的多态性[28]，著名的Basmati和Jasmine都属于此种等位基因型。在某些香稻品种中，在第2外显子上缺失7 bp，某些香稻品种则第4和第5外显子之间缺失803 bp[19, 29-30]，并且在第1、8、10、12、13、14外显子上也均存在变异[7, 19, 26, 29]。深入的研究发现，的第1外显子、第1内含子的剪接点和启动子及其5′UTR区也有插入、缺失或单核苷酸突变[20, 30-32]。目前研究认为现有栽培稻中的等位基因主要起源于原始粳稻群体，并逐渐渗透到籼稻品种中[33]。也有一些等位基因起源于籼稻品种，如。水稻香味的差异在很大程度上由的等位基因变异造成[33]。

图1 2-AP可能的合成途径

Fig. 1. 2-AP biosynthetic mechanism.

2.2 生长及环境因子对香稻2-AP合成途径基因的调控

目前报道调控2-AP合成的主要基因有、吡咯啉-5-羧酸合成酶基因（）、脯氨酸脱氢酶基因（）、生长素氧化酶基因()、鸟氨酸δ-氨基转移酶（）。水稻生长过程中2-AP的含量和合成过程中相关基因的表达随生长时期不同而变化。Hinge等[17]的研究表明，在香稻中2-AP的含量从苗期到孕穗期呈增加趋势，开花期下降，而到灌浆中期又开始上升，成熟种子中2-AP含量最高，而基因的表达量则与2-AP的含量显著负相关。基因的表达量在开花期达到最高，成熟种子中表达量最低，该基因的表达量与脯氨酸的含量呈显著正相关。

外界环境因子的改变能够调控2-AP的含量以及相关基因的表达。Bao等[34]在研究不同土壤水分含量对香稻香味物质合成的影响中发现，水分胁迫能够显著提高、、基因的表达量，显著降低基因的表达，不同品种在水分胁迫下比对照降低2.39～4.8倍。Luo等[35]用不同浓度的盐分处理香稻种子后发现，盐分处理能够诱导苗期香稻中、、的上调表达，但是对基因的表达无显著影响。Luo等[36]于齐穗期叶面喷施不同浓度的鸟氨酸，发现能够显著降低香稻中基因的表达。另外，在齐穗期叶面喷施脯氨酸能够显著诱导基因的上调表达，降低基因的表达量，增加叶片中脯氨酸的含量[37]。Luo等[38]发现外源硒元素的应用也能调控、、、和基因的表达，提高籽粒中2-AP的含量。这些基因的变化能够调控植株中合成2-AP前体物质的含量，从而增加香稻中2-AP的含量。

3 影响稻米香味物质2-AP形成的环境因素

虽然水稻香味的有无和香味类型是由基因控制的，但是众多研究表明香味基因和环境因素之间存在相互作用。香味物质的种类和含量受到光照、水分、温度、土壤肥力、矿质元素、外源增香化合物等的调控。研究者还针对这一特性，研制出针对某一水稻品种的保香栽培技术和专用肥料。归纳和总结各种环境因子和栽培措施对2-AP形成的影响，能够对香稻品质的提升提供理论基础。

3.1 气候因子对2-AP形成的影响

气候因子主要包括温光条件，温度和光照都能影响稻米的品质，尤其是食味品质。不同地区的温光条件也能显著影响稻米香味物质的合成。灌浆结实期的温度是影响稻米品质的重要因子，较低的气温是稻米香味形成的必要条件。华南稻区日均温23℃较利于香稻香味和品质的提升，温度过高会造成稻米外观和加工品质变差，食味值降低，香味得分降低[39]。Okpala等[40]发现灌浆结实期香稻籽粒中2-AP含量在不同温度下表现为高温（26℃～32℃）＜中等温度（21℃～27℃）＜低温（16℃～22℃）。但高温环境中生长的香稻，籽粒中的2-AP在存储过程中不易挥发更容易保持香味。

光照对水稻的产量和品质也有重要影响。研究表明，水稻在结实期遇到弱光逆境会降低结实率、产量和稻米加工品质。在透光率为自然光11.5%的弱光环境下，花后持续遮光15 d可以显著提高香稻中2-AP和蛋白质含量，但是光照不足在一定程度上会降低香稻产量[41]。脯氨酸、谷氨酸和鸟氨酸是形成2-AP 的前体物质，在一定胁迫范围内，脯氨酸的积累能够提高植物对逆境的适应性。在水稻灌浆结实后期，遮光处理也能增加植株叶片中脯氨酸含量，增加籽粒中2-AP的含量[42]。弱光处理对于水稻是一种逆境环境，在一定程度上能够诱导植株中脯氨酸的积累进而导致籽粒中2-AP含量的增加，对于增加稻米香味是有益的，但对于产量的提高是不利的，栽培过程中需要平衡各种因素设置合适的光照条件。

3.2 水分管理对2-AP形成的影响

水分是影响稻米产量和品质的重要因素之一。轻度的缺水或干湿交替灌溉有利于香稻香味物质的积累。Bao等[34]的研究表明，在水稻移栽后干湿交替灌溉的条件下更利于香稻香味物质的积累。在土壤水势低于−15 kPa左右时恢复灌水至水面高于土层2～3 cm，直至收获。这种干湿交替的灌溉方式既能提高香稻的产量也能促进香味物质中间代谢产物1-吡咯啉-5-羧酸、1-吡咯啉的积累，并提高PDH、P5CS和DAO的活性。更低水势（―25 kPa）虽然能够促进香味物质的合成，但会在一定程度上降低水稻的产量。田华等[43]的研究表明，灌浆期在田间土壤水势维持在−5～20 kPa时，能够显著提高香稻的香味物质含量，但当水势在−20 ～ −40 kPa时，香味物质含量反而会低于对照。在孕穗期也有相似的结果，当孕穗期土壤水势维持在0 ～ −25 kPa时，香稻叶片和籽粒中的脯氨酸氧化酶活性显著高于对照，游离脯氨酸含量增加，籽粒中2-AP含量增加；但当水势维持在0 ～ −50 kPa时，籽粒中脯氨酸氧化酶活性降低，香稻中香味物质合成受阻，含量显著减少[44]。仅仅在分蘖期进行轻度水胁迫处理（0 ～ −25 kPa）也能够提高香稻中香味物质的合成，而重度水分胁迫（0 ～ −50 kPa）则不利于香味物质的合成[45]。生产上选择适当的干湿交替灌溉的方式能够协调香稻产量和品质的关系，促进香味物质的合成。

3.3 氮肥对2-AP形成的影响

氮肥作为一种大量元素，对水稻的产量和品质的影响最为显著。增施氮肥能够显著增加植株的氮素含量，增加氨基酸的合成，而氨基酸是合成香味物质的主要成分，因此增施氮肥能够增加水稻香味物质的含量。钟群等[46]的研究表明增施氮肥能够增加香稻品种游离脯氨酸的含量，进而促进香味物质2-AP的合成，且不同品种对氮素的反应程度不同，对氮素反应敏感的品种增施氮肥能够显著增加香味，相对钝感的品种可能需要氮肥更多。Mo等[47]的研究发现，在基肥为90 kg/hm2条件下，孕穗期分别增施30、60 kg/hm2的氮肥能够显著增加植株中脯氨酸的含量和2-AP的含量，其中增施60 kg/hm2香味物质增加最多。水分和氮素的互作也有利于籽粒中香味物质的合成，在孕穗期保持水势在0～―25 kPa，在此期间增施氮肥60 kg/hm2能够显著增加籽粒中2-AP的含量，且P5C的含量、DAO的活力都与籽粒中2-AP的含量显著正相关[48]。氮肥能够显著增加香稻籽粒中香味物质的含量，同时氮素也是影响稻米食味品质的重要因素，过量的氮肥使稻米食味品质显著下降，因此，实际生产中需要合理施用氮肥，平衡氮素对稻米香味和品质的影响。

3.4 矿质元素对2-AP形成的影响

矿质元素对作物的生长也很重要。目前应用于水稻的矿质元素主要有钾、硅、锌、铁、镧、硒、钠等，研究表明这些中微量元素均对稻米的香味有一定的调控作用。钾元素作为三大元素之一，对作物的生长发育具有重要作用，对稻米品质也具有重要影响。罗一鸣等[49]发现钾肥能够改善稻米品质，增加稻米香味物质，但不同品种反应并不一致。常规香稻品种桂香占在112 kg/hm2钾肥条件下，籽粒中游离脯氨酸含量、脯氨酸脱氢酶活性和2-AP含量均最高，香气最浓郁，而农香18在187.5 kg/hm2钾肥条件下香气最浓郁。根据品种特性施用适宜的钾肥能够显著提高香稻的香气。硅肥是水稻生长的必需元素，对水稻的生长发育和稻米品质影响显著。增施硅肥也能改善稻米的香味。Mo等[50]采用在土壤中基施15、30、40和60 mg/kg硅肥（以SiO2计）进行试验，发现适量（30～40 mg/kg）增施硅肥能够显著增加籽粒中2-AP的含量，但过量（60 mg/kg）施硅对香稻香味物质的积累不利。同时，适量增加硅肥也能显著提高稻谷产量和品质。锌在水稻植株的含量低于氮、磷、钾的含量，但对水稻生长发育的影响也很大。黄锦霞等[51-52]采用盆栽实验发现，基施氯化锌能够显著促进脯氨酸的合成，增加香稻中香味物质的含量，但是用量超过120 mg/kg时，稻米中香味不再增加，不同品种香味增强幅度因品种而异，香稻最佳氯化锌基肥施用量为80～120 mg/kg。另外，采用叶面喷施氯化锌的方法也能提高香稻的香味。Luo等[53]发现喷施氯化锌能够促进2-AP的合成，提高PDH、P5CS、DAO等酶的活性，增加1-吡咯啉，P5C的含量。铁元素能在一定程度上提高香稻剑叶中脯氨酸的含量，但对于增加籽粒中2-AP含量的效果不显著[54]。唐湘如等[54]采用土壤基施和叶面喷施的方法研究镧元素对香稻香味物质的影响，发现施用氯化镧能显著提高香稻剑叶脯氨酸的含量和香气含量，而叶面喷施虽然能够增加香味物质的含量，但与对照没有显著差异。硒作为一种稀土元素，常应用于作物中提高作物品质，形成富硒农产品。Luo等[55]采用10、20、30、40、50 μmol/L硒元素于齐穗期喷施香稻叶面，发现硒肥(10～40 μmol/L)能够显著增加籽粒中2-AP、1-吡咯啉和P5C的含量，并提高PDH、OAT的活性。同时，Luo等[38]比较了土壤施硒肥和叶面喷施硒肥对香稻籽粒中2-AP合成的影响，发现叶面喷施的效果要好于土壤施硒肥。李梦兴等[56]的研究表明，在齐穗期喷施亚硒酸钠能够显著提高香稻的香味物质含量，增加叶片和籽粒中2-AP的含量，亚硒酸钠的使用浓度为10～20 mg/kg。适量的盐处理能够提高香稻2-AP的含量。Luo等采用0.01、0.02、0.05、0.10 mmol/L的氯化钠溶液处理香稻种子，发现钠离子能够显著增加苗期香稻植株中2-AP的含量、脯氨酸的含量、GABA、P5C、1-吡咯啉的含量，增加P5CS、PDH的活性，但对BADH的活性无显著影响[35]。

3.5 其他增香物质对2-AP形成的影响

鸟氨酸和脯氨酸是香稻合成2-AP的前体物质，外源增加这些前体物质也能增加2-AP的合成。研究发现在齐穗期叶面喷施0.5、1.0、2.0 g/L浓度的鸟氨酸溶液，能够显著增加籽粒中2-AP的含量，降低的表达量，其中采用1.0 g/L浓度效果最好[36]。在抽穗期喷施0.1～0.5 g/L的脯氨酸，能够显著增加香稻籽粒中脯氨酸的含量、P5C含量、1-吡咯啉含量，降低γ-氨基丁酸的含量，提高脯氨酸脱氢酶的活性和基因表达量，降低BADH活性和基因表达量，增加籽粒中2-AP的含量[37]。GABA是植物中重要的信号分子，能够提高植物的耐逆能力，在孕穗期喷施250 mg/L GABA溶液能够显著增加籽粒中2-AP的含量，并增加了抽穗后15 d的PDH、OAT的活性以及成熟期籽粒中DAO的活力[57]。另外，植物生长调节剂6-BA对香稻籽粒中2-AP的积累也有提升作用，王抄抄等[58]的研究表明，在抽穗期喷施15 mg /L 的 6-BA 溶液能够提高香稻成熟期剑叶和籽粒的脯氨酸含量，成熟期剑叶脯氨酸氧化酶活性从而显著提高籽粒2-AP的含量，而过高浓度的6-BA溶液却会对香稻籽粒中2-AP的积累有抑制作用。

4 小结和展望

香稻作为一种优异种质资源受到全球喜爱，世界各国对于香稻的育种和开发也越来越重视。现代基因编辑工具和分子标记的开发，大大加快了香稻的培育进程，但目前可利用的香稻基因较少，新的基因仍有待开发，且香稻的香味不仅受遗传控制，环境因素对其影响也较大。从前人研究中可看出，外界的光照、温度、水分、肥料、矿质元素等都能够调节香味物质的合成。目前对环境影响香味方面的研究仍不够深入和系统，还有大量工作需要开展：1）香味基因的发掘和对香味形成调控机理的研究不够。我国稻种资源丰富，目前广泛利用的香味基因主要是，对其他香稻资源香味基因的发掘利用和香味调控机理与功能研究尚不够深入。2）关于各种环境因素对香稻香味物质合成的影响已有大量研究，但主要研究的香味成分为2-AP，其他香味成分对环境的响应没有涉及。3）对不同品种类型的归纳总结不够。我国香稻资源相对丰富，目前研究的品种类型多为华南稻区的水稻品种，其他类型的水稻品种是如何响应环境的变化的则涉及较少。4）关于稻米香味和品质共同提升的作用机理研究不多。稻米的食味品质受环境因素调控，诸多环境因子对香味物质的合成有益，目前虽有部分研究涉及香味和品质的共同提升，但对其中的生理生化及其遗传调控机制研究还需加强。

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Research Progress in Biosynthesis and Influencing Factors of 2-acetyl-1-pyrroline in Fragrant Rice

WEI Xiaodong, ZHANG Yadong, ZHAO Ling, LU Kai, SONG Xuemei, WANG Cailin*

(Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Jiangsu High Quality Rice Research and Development Center/Nanjing Branch of China National Center for Rice Improvement, Nanjing 210014, China;*Corresponding author, E-mail: clwang@jaas.ac.cn)

The formation of rice fragrance is a complex and changeable physiological process, and affected by genetic and environmental changes. The fragrance is mainly controlled by the fragrance gene. Climate, soil and cultivation conditions also directly affect the synthesis of fragrance compounds in rice. In order to further accelerate the breeding process and improve the quality of fragrant rice. We reviewed recent research progresses in the genetic and physiological mechanisms of the formation of fragrance compounds in rice and the effects of environmental factors on its formation in this manuscript. The effects of light, water, temperature, fertilizer and mineral elements on rice fragrance synthesis were particularly summarized. Meanwhile, the future research directions were pointed out to provide a reference for improving the cultivation techniques and quality of fragrant rice in China.

rice; fragrance; 2-acetyl-1-pyrroline; fragrant rice

10.16819/j.1001-7216.2022.201214

2020-12-21；

2021-07-20。

江苏省农业科技自主创新基金资助项目(CX[20]2001); 现代农业产业技术体系建设专项资金资助项目。