养分和水分管理对稻米香味影响的研究进展

成大宇 刘 昆 高 捷 张杏雨 顾 希 刘立军

（扬州大学农学院/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，225009，江苏扬州）

水稻是我国最重要的粮食作物之一，随着人们生活水平的提高，稻米品质受到越来越多的关注[1]。稻米香味是稻米蒸煮食味品质的重要组成部分，具有优良香味的稻米在食用价值高的同时，也拥有很高的经济价值[2]。稻米香味物质含量不仅受水稻自身遗传物质的调控，同时也受到栽培环境、养分和水分管理等因素的影响[3-4]。各养分和水分管理措施可以通过促进香味物质前体的合成并上调相关酶的活性，进而提升稻米香味[5]。因此，通过调节养分和水分管理措施改善稻米香味对提高稻米的蒸煮食味品质具有重要意义。20世纪 80年代，Buttery等[6]首次报道构成稻米香味的主要物质为2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），以此为突破口，学者对稻米香味进行了广泛研究，并在2-AP合成路径、相关调控基因和栽培环境与措施的影响等方面取得了一定的研究成果[7-8]。本文综述了稻米香味物质的形成机理，重点阐述了养分和水分管理措施对稻米香味的影响，并提出未来稻米香味研究的重点与方向，为我国稻米的增香栽培技术提供理论与实践依据。

1 稻米香味形成机理及研究方法

1.1 稻米香味类型以及相关化学物质

稻米香味一般可分为紫罗兰型、露兜树香型、山核桃型、茉莉花型、莴苣笋型、烤面包型、爆玉米花香型和巴斯马蒂型等香型。自20世纪80年代开始，学者对稻米香味物质进行了广泛研究，随着检测技术的不断进步，对构成米香化学物质的了解逐渐深入。已有研究[3]发现，米香构成物质种类十分丰富，包括醛类、酮类、酯类、酸类、醇类、烯醇类、烃类、芳烃类和杂环化合物在内的多种有机物均能对稻米香味的生成产生影响。在上述物质中，2-AP被认为是产生稻米香味的主要成分[9]。

1.2 稻米香味物质2-AP形成机理

2-AP的合成路线已被探明，如图1所示，2-AP是以脯氨酸（Pro）为氮源，Pro在脯氨酸脱氢酶（PDH）的催化作用下形成吡咯啉-5-羧酸（P5C），再经吡咯啉-5-羧酸脱羧酶（P5CR）催化下脱羧基形成 1-吡咯啉，最终结合碳代谢提供的乙酰辅酶A在吡咯啉乙酰基转移酶作用下形成香气物质2-AP[10]，谷氨酸（Glu）亦能通过吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）的催化，转化为P5C，参与2-AP的合成。游离Pro、PDH和总游离氨基酸是影响2-AP合成的主要因子[11]。通过增强脯氨酸合成关键酶（PDH、P5CS和鸟氨酸转氨酶）的活性能够上调前体物质的合成速率[1]，从而提高2-AP的含量[12-13]。

图1 2-AP合成路线Fig.1 2-AP synthetic route

早期研究[14]认为，2-AP仅在稻米蒸煮时通过美拉德反应产生，稻米中游离的氨基化合物和还原糖或羰基化合物在常温或加热时会发生聚合和缩合等反应，随之产生构成香味的还原酮、醛和杂环化合物。进一步研究[12]发现，2-AP在水稻植株中合成，并在大多数水稻组织中都可检测到。成熟籽粒中2-AP的积累可能存在2种机制，一种认为2-AP在叶片和茎鞘中合成，随后运输到成熟籽粒中；另一种则认为Pro从叶片向籽粒转运，并在籽粒中合成 2-AP[5]。Hinge等[15]认为，成熟稻米中的 2-AP含量最高，而此时期籽粒中的Pro含量比其他生育阶段要少，籽粒2-AP积累更有可能是通过第1种机制完成。

1.3 稻米香味研究方法

随着检测技术的不断发展，对稻米香味的研究手段也有长足进步。研究稻米香味较为典型的方法有咀嚼法、氢氧化钾法、香味指数法和气相色谱仪检测方法等。

咀嚼法操作简单，并最早被采用，其技术要点为咀嚼采自单株上稻米进行香味评价，这种方法主要用于稻米样品的初步检测。氢氧化钾法[2]是在氢氧化钾溶液中浸泡稻粒和植株，选择多个鉴定者对不同分组的水稻样品进行香味的嗅觉鉴定。该检测方法操作方便快捷，能够有效地避免叶绿素等物质对水稻香味检测的干扰，使得香味检测相对精确。

咀嚼法、氢氧化钾法和香味指数法等主要依靠感官检测稻米香味，难以进行精确定量分析。Buttery等[9]利用气―质联用法成功分析出了产生稻米香味的主要物质，该方法精确度高，是目前普遍采用的检测方法，气相色谱仪拥有十分出色的分离效果，适用于分析香味挥发物质，而质谱仪可以很好地对未知物质进行检测，与先前各方法相比具有不可替代的优点[16]。

2 养分管理对稻米香味的影响

养分管理是水稻生产过程中最重要的管理措施之一。明确养分管理措施对稻米香味的影响对增香栽培措施的深入研究具有重要意义。

2.1 氮肥管理对稻米香味的影响

氮元素是水稻生长的必需元素[17]。施用氮肥是水稻生产过程中最重要的栽培措施之一，氮肥的施用不仅影响稻米的产量，还会对包括稻米香味在内的品质性状产生重要影响[18-19]。目前关于施氮量和施氮时间对稻米香味影响的研究均已取得了一定的进展。

2.1.1 施氮量 施氮量对稻米品质产生较大的影响[20]，亦能影响水稻植株中2-AP含量。研究[21]表明，各香稻产地土壤中全氮含量均高于其他产区。土壤中全氮含量越高，稻米中游离Pro含量越高，故籽粒香气越浓郁[22]。

Mo等[22]观察到，与120kg/hm2施氮量相比，180kg/hm2施氮量可以提高糙米的2-AP含量。在施氮量90～150kg/hm2范围内，增加施氮量可以促进籽粒中2-AP的合成与积累，但是不同品种受施氮量影响的程度有较大差异，最佳施氮量因品种不同而存在明显差别[23]。钟群等[24]认为，增施氮肥虽对不同品种糙米的2-AP增加幅度有较大差异，但总体来说能够提升其2-AP含量。田华等[25]也得出了类似的结论，认为在高施氮量处理下，水稻籽粒中2-AP含量明显提高。其原因主要是高氮处理下，茎鞘和根中的P5C含量、茎鞘中的鸟氨酸转氨酶活性以及根中游离 Pro含量上升，促进了籽粒中 2-AP的积累[23]。但也有研究[26]认为，施氮对稻米的香气有不利影响，氮含量与籽粒香气含量呈负相关关系，即施氮量增加会导致米的香味下降，但未对其机制进行深入分析。

2.1.2 施氮时期 在不同时期增施氮肥均可有效提高稻米香味水平。调控水稻中 Pro合成过程的决定因素是土壤中无机氮（NO3-、NH4+）的含量，而Pro的积累是水稻籽粒合成2-AP的必需过程[10,27-28]。因此各时期增施氮肥能够增加Pro含量，促进2-AP的合成与积累。

分蘖期施用氮肥，水稻籽粒中2-AP含量显著增加[29]。Ren等[30]认为，分蘖期增施氮肥提升稻米香味主要是依靠促进2-AP前体物质Pro的积累，在该处理下，叶片中2-AP含量降低，籽粒中Pro与2-AP含量得到提升，稻米的香味增加。Mo等[22-23]认为，孕穗期增施氮肥能提高供试水稻品种籽粒的2-AP含量，该处理下叶片中的2-AP含量显著提高，籽粒中的P5C含量也有所提高，从而促进米香物质2-AP的产生。灌浆期对稻米香味有较强的影响，此时期增施氮肥可以促进2-AP的合成。田华等[25]报道，与不施粒肥相比，增施粒肥处理使香稻的糙米香气量显著增加。还有研究[24]发现，叶片和籽粒中Pro含量随粒肥的施用而上升，叶片与籽粒中的脯氨酸氧化酶含量虽有所降低，但对2-AP的合成没有产生明显的影响，籽粒中2-AP含量依然增加。

综上所述，在水稻不同生育期增施氮肥均能有效提升稻米香气水平，但具体的机制尚存在一定争议。施氮时期对脯氨酸氧化酶、P5CS和鸟氨酸转氨酶等关键酶活性影响暂无明确结论。

2.1.3 氮肥种类 水稻生产中常见的氮肥主要包括尿素、碳酸氢铵和复合氮肥等[31]。尿素是农业生产中使用量较大的一种中性化学氮肥，也是含氮量最高的氮肥。研究[25]表明，与不施氮肥相比，施用尿素可以有效增加稻米的香气。李艳红等[29]也得出了类似的结论。莫钊文等[32]的研究结果显示，与含氮量15%的复合肥处理相比，碳酸氢铵处理水稻叶片具有较高的 PDH、P5CS、鸟氨酸转氨酶活性和P5C含量，从而提高了其籽粒中2-AP的含量。无机氮肥与有机肥混合施用也能够有效提升稻米香味，其原因在于无机氮肥与有机肥混合施用能提高叶片与籽粒中游离Pro含量与脯氨酸氧化酶活性，促进籽粒2-AP的合成与积累，且籽粒中2-AP含量高于仅施无机肥[33]。除了上述氮肥外，水稻生产中还会施用氮化铵、硫酸铵和磷酸铵等氮肥，但由于这些氮肥应用较少，它们对稻米香味的影响研究也相对较少，未来可根据需要加强这方面的研究。

2.2 其他肥料对稻米香味的影响

2.2.1 磷钾肥 磷肥与钾肥是养分管理中重要的肥料。磷肥对米香的影响尚未进行深入研究。增施钾肥能够使糙米2-AP含量得到明显提升，因为施用钾肥能提高水稻叶片和籽粒中的Pro含量及PDH活性[34-35]。叶片与籽粒中Pro含量的增加为籽粒2-AP的合成提供了充足底物，而PDH活性的提高保证了底物Pro合成2-AP的高效性。

2.2.2 微量元素肥料 早期对稻米香味的研究[21,36]中发现，传统香稻产区的土壤成分与稻米香味产生有密切关系，当地香稻品种一旦离开该地区种植，香味程度便会大幅度降低。对土壤进行分析，发现土壤中的一些微量元素参与了稻米香味物质的产生过程，具有香味的稻米较普通稻米的微量元素含量更高[37]。有学者[38-39]对微量元素增香机制提出了新的观点，认为施用微量元素肥料可能造成了一定程度的盐胁迫，作为对植物渗透胁迫的响应，高盐浓度水平增加了茎和叶中Pro的水平，因而有助于提高2-AP含量并增加稻米香味。因此，增施微量元素可有效促进稻米香味的产生。

增施硒肥可以改善稻米品质，因而被应用于生产中[40]。硒元素能有效提升稻米香味浓度。在抽穗期追施亚硒酸钠促进了籽粒中Pro和P5C的积累，PDH和P5CS的活性得到提升，从而提高了茎鞘、籽粒以及叶片的2-AP含量[41-42]。适量施用锌肥也能增加稻米香味[43]，锌是合成 Glu不可缺少的元素，Glu是Pro的前体物质，其合成过程中需要谷氨酸脱氢酶的催化，锌是该酶的必要组成部分[44]。因此，施用锌肥可促进Glu的合成，从而促进Pro的产生与Pro向2-AP的转化，最终增加稻米的香气。也有报道[45]指出，增施锌肥可以有效提高脯氨酸氧化酶和吡咯啉乙酰基转移酶活性，也能促进2-AP的合成过程。水稻有较强的吸硅能力，施硅提高了叶片和籽粒中Pro含量和PDH活性，随着前体物质含量的升高与相关酶活性的提升，2-AP含量也得到提高[46-47]。此外，铁、镧肥基施或喷施处理均能不同程度提高水稻剑叶的Pro含量，促进水稻灌浆前、中期剑叶Pro的合成，利于Pro向籽粒中转运，从而提升籽粒2-AP的合成与积累[33,43,48]。

综上，包括钾、硒、硅、锌、铁、镧在内的多种元素参与了2-AP的合成过程，施用上述各类肥料可不同程度提高稻米香味。这些元素的施用对稻米香味影响的机制有待探明。

3 水分管理对稻米香味的影响

水稻作为一种喜水性作物，在整个种植周期中需要大量的水分，但各个生育阶段对水的需求差别很大[49]。因此根据各生育期需水特点，有针对性地实行不同水分管理方法，是生产过程中的重要栽培措施[50]。水稻需水包括生理需水和生态需水，在常规灌溉条件下，水稻生态需水远大于生理需水，加之全球气候变化与环境污染加重，导致可用于水田灌溉的淡水严重匮乏[51]。故进行节水灌溉对我国水稻生产和水资源高效利用具有十分重要的意义。土壤适度落干对水稻香味物质的产生有重要影响，2-AP前体物质Pro的积累被认为是植物应对逆境胁迫的主要机制，胁迫下水稻植株的根、叶和籽粒积累游离 Pro，促进 2-AP的合成[52]，该增香机制与Badh2基因的表达有关，Badh2调控了水稻对水分胁迫的耐受性，影响Pro的合成速率，从而控制了2-AP的合成过程[53-54]。目前针对水分管理对米香影响的研究主要集中于节水灌溉方面，现对3种主要节水灌溉技术进行综述。

3.1 控制灌溉

控制灌溉是指在稻苗移栽返青后的各个生育阶段，田面不再建立水层，以根层土壤水分作为控制指标，确定灌水时间和灌水定额，土壤水分控制上限为饱和含水率，下限则根据水稻不同生育阶段，取土壤饱和含水率的60%～80%进行水分控制[55]。此方面已经进行了较多试验，田卡等[56]认为，灌浆成熟期水分管理对水稻糙米香气有一定影响，水稻灌浆阶段控制土壤水势能显著增加灌浆中期剑叶和籽粒的Pro含量，提高灌浆前期和后期籽粒超氧化物歧化酶与脯氨酸氧化酶的活性，使得2-AP前体物质游离Pro含量增加，促进香味物质2-AP的积累。李艳红等[57]也得到了类似的结果。田华等[25]发现，在齐穗期对土壤水势进行控制，水稻籽粒的2-AP含量得到提升，但是不同水稻品种籽粒的香气提高程度不同。因此，有关控制灌溉对稻米香味的响应机制仍需进行深入研究。

3.2 干湿交替灌溉

干湿交替灌溉技术是一种被广泛应用的节水灌溉技术，具有显著的节水效果[58]。该灌溉方式的技术特点是在水稻的生育过程中，在一段时间内保持田间水层，然后自然落干一段时间，再复水，再落干，多次循环。目前在各主要水稻生产国得到广泛应用。Bao等[59]认为，干湿交替灌溉通过上调PDH、P5CS和二胺氧化酶的活性，从而增强2-AP生物合成，而γ-氨基丁酸含量的下降表明Badh2基因受到了抑制。黄忠林等[33]发现，干湿交替灌溉显著提高了齐穗后剑叶和籽粒游离Pro含量和脯氨酸氧化酶活性，从而使糙米和精米的香味上升。王培等[60]研究表明，分蘖期土壤水势维持在（-20±5）～0kPa时，能够提高香稻叶片、茎鞘和籽粒的脯氨酸氧化酶活性，使得籽粒中游离Pro含量和糙米2-AP增加。Li等[61]认为，分蘖期进行干湿交替灌溉，提升了稻米中P5C含量和P5CS的活性，从而促进了籽粒2-AP的合成。孕穗期土壤水势维持在（-20±5）～0kPa时，糙米的香气含量显著增加，游离 Pro含量、成熟期叶片和籽粒的脯氨酸氧化酶活性也有一定的提升[62]。

3.3 湿润灌溉

湿润灌溉也是一种广为应用的节水灌溉方式，其技术要点在于除在水稻返青期保持浅水层外，其余各时期仅满足水稻生长发育水分供应即可，湿润灌溉对水稻的产量及品质均有一定的影响[63-64]。有关湿润灌溉对米香影响的研究较少且结论不同，田卡等[56]认为湿润灌溉方式对稻米香味的影响可能存在一定负面作用，因为剑叶中游离Pro含量、籽粒脯氨酸氧化酶活性以及糙米2-AP含量均出现一定下降。但亦有研究[57]表明，湿润灌溉对糙米2-AP的合成有促进作用。

4 研究展望

目前，大量试验已经探明了稻米香味的合成路径、调控基因以及适宜的栽培条件，关于各类养分和水分管理措施影响稻米香味物质合成的研究已经取得了一定的进展。但是，稻米香味物质的种类与合成过程十分复杂，不同栽培环境以及水稻品种对香气物质的影响也存在差异，因此关于稻米香味的研究仍有很大空间。未来的研究应从以下几个方面进行。

4.1 加强节水灌溉与养分管理互作对稻米香味形成机理的研究

养分和水分管理均对稻米的香味物质合成路径有十分明显的影响。但是，目前对稻米香味的研究多是针对水分管理或者肥料管理等单因素作用的，而对节水灌溉与养分管理互作的研究较少。并且香味物质合成路径中的各关键酶与前体物质对最终物质产生的调控水平也尚不明确，不同研究者得出的结论不一致。此外，已经有大量报道证实各类水稻增香栽培措施能够有效提升稻米香味水平，但是现有研究大多着眼于收获后稻米的香味物质含量，而在合成路径上的研究较为缺乏。因此，需要深入水氮互作对稻米香味物质合成的研究，为水稻增香栽培提供理论与实践依据。

4.2 深入缓控释肥对稻米香味影响的研究

缓控释肥能够有效提高肥料利用率，减少养分流失，近年来被广泛应用于水稻生产中。以往对水稻缓控释肥的研究多集中于其施用量和施用方法对水稻产量、氮肥利用效率和常规稻米品质的影响方面，而对稻米香味影响的研究较少。因此，深入缓控释肥对稻米香味的研究，开发以增香为目的的专用缓控释肥，对完善水稻增香栽培技术具有积极作用。

4.3 进一步探究水稻品种间香味物质合成差异的机制

米香在不同水稻品种间存在广泛差异。大量研究发现，水分和养分管理措施对不同水稻品种米香的影响有较大差异，2-AP合成过程中各环节关键酶活性所受影响的程度不一，故难以保证增香栽培效果的稳定高效。因此，深入探究不同水稻品种的香味物质差异及其机制，并建立与之配套的养分和水分管理技术，对进一步探明稻米香味产生机制和因种增香栽培技术有重要意义。