结实期不同时段低温对寒地粳稻品质的影响

杨传铭,胡聪聪,孙显龙,孙士鑫,李红宇,范名宇

(黑龙江八一农垦大学农学院/黑龙江省现代农业栽培技术与作物种质改良重点实验室,黑龙江 大庆 163000)

近年来随着农业供给侧结构性改革及政策引导和技术进步,我国水稻的有效供给出现了新的变化,水稻高产目标已基本实现,人们对主食的需求逐渐向“少而精”的方向发展,呈现出由数量型向品质型转变的趋势。东北地区水稻产量高、品质优良,是我国重要的粳稻产区之一,其中黑龙江省是我国最大的优质粳稻主产区,被誉为国家粮食安全的“压舱石”,但黑龙江省属寒地稻作区,低温冷害是该地区水稻生产的主要限制因素。

水稻生长发育的整个时期都可能发生低温冷害,冷害发生的时期不同,对水稻的影响也不同。灌浆结实期是水稻产量和品质形成的关键时期,此时温度是影响稻米品质最重要的因素之一[1]。灌浆期低温影响水稻光合作用以及光合产物的运输,导致籽粒不完全成熟,籽粒饱满度降低和稻米品质下降[2]。籽粒垩白受结实期温度的影响尤为明显[3],低温使胚乳细胞分裂受阻,淀粉体体积减少而产生垩白[4]。花后各时段低温对外观品质的影响因品种和处理时间而异,在抽穗后第二周和第三周分别进行低温处理,籼稻品种的垩白粒和垩白面积分别呈现降低和升高趋势,食味品质好的品种受影响程度更为显著[5]。受结实期低温处理后,中熟软粳稻的垩白粒率和垩白度呈现降低的趋势,但晚熟软粳稻和晚熟硬粳稻先降低后增加[6]。稻米蛋白质含量受环境因素影响较大,有研究指出灌浆结实期低温胁迫后稻米蛋白质含量增加[7-9];也有研究指出低温降低了蛋白质含量[10-11]。黄金英等[12]认为灌浆成熟期温度时段分布对蛋白质及其4种组分含量的影响因品种本身蛋白质含量的不同而存在差异。结实期作为籽粒淀粉积累的关键时期,此时低温降低了峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值,消减值升高[11],但是不同品种的RVA 谱特征值对温度的敏感性也不同[8]。结实期低温提高了稻米的硬度,降低了黏性和胶稠度,最终降低了稻米的适口性[11]。

目前针对结实期低温对稻米品质影响的研究已取得一定进展,但是结实期不同的处理时间以及处理强度对不同水稻品种的影响存在差异。因此本研究以黑龙江省第一和第二积温带主栽粳稻品种为试材,结合黑龙江省低温冷害发生现状,研究结实期低温对寒地粳稻品质的影响,为寒地粳稻优质丰产提供理论依据,为实现“藏粮于地、藏粮于技”的目标提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2019年3—12月在黑龙江八一农垦大学盆栽场和人工玻璃温室进行。本研究以黑龙江省第一和第二积温带主栽的8份粳稻品种作为试材,采用二因素完全随机试验设计,A因素为品种,共8个水平(表1),B因素为低温处理,共4个水平(表2)。极端温度在水稻生殖生长阶段随机发生,通常持续3～7 d[13],结合前人关于寒地粳稻的研究[14-15],本试验将17℃设置为低温处理温度。试验于4月15日进行播种,5月20日将水稻苗移栽到盆钵中。设置3次重复,每次重复种植20盆,每盆4穴,每穴3苗。根据花期,每个品种开花后按照表2依次从室外盆栽场移至人工玻璃温室进行低温处理,温室四面和顶部均为透明,采用智能控温系统每天7∶00和19∶00调节温室温度,使之产生昼夜温差,同时采用温湿度计(TH40G-E)监测温度和湿度。温室处理7 d后将盆栽依次移至室外盆栽场。对照一直放置室外盆栽场,对照与处理的水肥等管理保持一致。利用小气候自动观测系统(RR-9100)记录2019年7—8月日平均温度和光合有效辐射,如图1所示。

图1 2019年7—8月土壤温度及光合有效辐射Fig.1 Soil temperature and photosynthetically active radiation from July to August in 2019

表1 8份粳稻品种特性Table 1 Characteristics of eight varieties of japonica rice

表2 花后不同时段平均温度设置Table 2 Average temperature setting of different periods after anthesis

1.2 测定项目与方法

将收获后的稻谷放置3个月,采用普通小型脱粒机进行脱粒,采用糙米机和精米机将稻谷加工成精米,采用小型粉碎机将精米磨成米粉,过80目筛待用。

1.2.1 外观品质 采用大米外观品质辨别仪(EM-1000,SATAKE,日本)测定外观品质,每个样品设定2次重复。测定指标包括垩白粒率、垩白度和长宽比。

1.2.2 营养品质 蛋白质含量：准确称取2 g精米粉,利用全自动凯氏定氮仪测定含氮量,通过转换系数(5.95)计算稻米蛋白质含量,每个样品设置3次重复并取其平均值。蛋白组分含量：称取0.1 g米粉于1.5 ml离心管中,加1 ml蒸馏水,于摇床上振荡提取4 h,然后在1 0000 r·min-1条件下离心20 min,将上清液倾入带刻度的试管中,重复提取3次,合并提取液,用改良型的Bradford试剂盒测定清蛋白含量。在提取过清蛋白的米粉沉淀中分别加5%氯化钠溶液1 ml、70%乙醇溶液1 ml、0.2%氢氧化钠溶液1 ml依次提取球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白,提取及测定过程同清蛋白。每个样品设置3次重复并取其平均值。

1.2.3 蒸煮食味品质 采用米饭食味计(STA-1A,SATAKE,日本)测定稻米的蒸煮食味品质,用粳稻标准的香气、光泽、完整性、味道、口感以及综合评分来评价米饭的蒸煮食味品质。每个样品重复3次。

1.2.4 淀粉黏滞性 采用快速黏度分析仪(RVA-4,Newport Scientific,澳大利亚)测定淀粉黏滞性,用Thermocli软件进行分析。按AACC美国谷物化学协会操作规程(199561-02)标准方法进行操作。RVA谱特征值包括最高黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值、消减值、回复值、起始糊化温度和峰值时间。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2003对数据进行整理,用DPS v7.05软件对整理过的数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 结实期不同时段低温对稻米外观品质的影响

不同品种间垩白粒率、垩白度以及籽粒长宽比的差异均达到极显著水平,垩白粒率、垩白度和长宽比的变异幅度分别为1.27%～7.09%、0.67%～4.18%和1.51%～2.09%(表3)。A2品种的外观品质最优,A1品种的外观品质较差。低温处理对籽粒长宽比的影响不显著;B2处理对垩白粒率和垩白度影响较小;B3和B4处理后,垩白粒率和垩白度较对照分别显著提高了73.22%、81.71%和105.57%、115.85%。品种和低温二因素互作对垩白粒率和垩白度的影响达到极显著水平。综合分析表明,结实期低温处理时间越晚,对外观品质的影响就越大。

表3 结实期低温对稻米外观品质的影响Table 3 Effects of low temperature on appearance quality of rice during grain filling stage

2.2 结实期不同时段低温对稻米营养品质的影响

不同品种间总蛋白以及蛋白组分含量差异达到极显著水平,蛋白质含量变异幅度为5.72%～7.05%(表4)。不同时段低温处理均显著提高了稻米的总蛋白含量(1.46%～2.76%)和醇溶蛋白含量(6.33%～17.47%)、显著降低了球蛋白含量(4.55%～5.69%)。清蛋白含量对不同时段低温处理的响应程度不同,B2处理显著降低了清蛋白含量,B3和B4处理显著提高了清蛋白含量;谷蛋白含量受结实期低温影响较小。品种和低温二因素互作对蛋白质和蛋白组分含量的影响达到极显著水平。

表4 结实期低温对稻米营养品质的影响Table 4 Effects of low temperature on rice nutritional quality during grain filling stage

2.3 结实期不同时段低温对稻米蒸煮食味品质的影响

如表5所示,不同品种间稻米食味品质的评价指标差异均达到极显著水平,8份材料综合评分整体较高,A1品种为‘龙稻18’,在本研究中食味品质表现最优。二因素分析表明,结实期低温对米饭的香气和完整性影响较小,显著降低了稻米的光泽、味道、口感以及综合评分。品种和低温二因素互作对蒸煮食味品质的影响达到了极显著水平。总体表明,结实期低温降低了稻米的蒸煮食味品质。

表5 结实期低温对稻米蒸煮食味品质的影响Table 5 Effects of low temperature on eating and cooking quality of rice during grain filling stage

2.4 结实期不同时段低温对稻米RVA谱特征值的影响

不同品种间稻米RVA谱特征值的差异均达到极显著水平(表6)。B2和B3处理显著降低了稻米的最高黏度、热浆黏度、崩解值、冷胶黏度以及起始糊化温度;B2处理显著提高了稻米的消减值、回复值以及峰值时间;B4处理对淀粉RVA特征值的影响较小。品种和低温二因素互作对RVA谱特征值的影响达到极显著水平。综合分析表明,花后1～14 d低温处理对稻米淀粉黏滞性影响较大。

表6 结实期低温对稻米RVA谱特征值的影响Table 6 Effects of low temperature on rice RVA characteristic values during grain filling stage

2.5 稻米蒸煮食味品质与营养品质和RVA谱特征值的相互关系

蒸煮食味品质与其他品质间的相关分析(表7)表明,总蛋白含量除了与完整性呈极显著正相关关系外,与光泽、味道、口感和综合评分呈极显著负相关关系,这与前人的研究相同,即在一定范围内,随着蛋白质含量的增加,食味品质呈现降低趋势。蛋白组分中的清蛋白与味道呈显著正相关关系;谷蛋白含量与香气呈显著负相关。最高黏度与光泽和完整性分别呈显著的负相关和正相关关系;热浆黏度和冷胶黏度与香气和味道呈显著和极显著的负相关关系;回复值和起始糊化温度与完整性和口感分别呈极显著的正相关和显著的负相关关系。

表7 蒸煮食味品质与营养品质和RVA谱特征值的相关性分析Table 7 Correlations of eating and cooking quality to nutritional quality and RVA characteristics

3 讨 论

在全球气候变化背景下,极端低温天气发生的频率、强度和时间持续增加[16]。低温冷害严重影响作物的生长发育以及产量、品质的形成,是高纬度和寒地稻作区水稻生产的主要限制因素[17]。水稻产量和品质在生殖生长阶段对极端气温的响应存在差异,在极端低温和高温条件下,产量在抽穗前一周和后一周最为敏感,品质在抽穗后第二周最为敏感[5]。稻米外观品质受遗传和环境因素的共同影响,其中垩白是外观品质重要的评价指标[18],其受结实期温度的影响尤为明显[3]。结实期低温导致淀粉体发育异常,胚乳细胞和组织充实不良,籽粒外观异常[19-20],垩白粒率和垩白度增大[8,21]。花后各时段低温对外观品质的影响因品种的籼粳属性、生育期、食味品质优差而异[5-6,22]。张诚信等[9]利用粳稻研究表明抽穗后8～14 d 及 15～21 d 内单一低温、弱光胁迫提高了垩白度、垩白粒率及垩白大小,随着处理时间段的推移影响变小。本研究表明,8份粳稻品种间外观品质差异达到了极显著水平,由本课题组选育的‘垦粳8’外观品质表现最优。垩白粒率和垩白度受花后1～7 d低温处理影响较小、花后8～21 d 低温处理后显著提高,原因在于开花期和结实期进行低温胁迫严重降低了最大和平均灌浆速率,延长了籽粒的灌浆进程[23],前期叶片中源充足,可以向库转运,能够保证灌浆的进行,但是受低温影响后,光合能力下降,物质生产减少,导致灌浆不良、籽粒充实差,进而影响籽粒外观品质。

目前关于低温对稻米蛋白质含量影响的结论尚未统一,有研究指出灌浆结实期低温胁迫后稻米蛋白质含量增加[7-9],也有研究指出低温降低了蛋白质含量[10-11]。对开花后分段进行低温处理研究表明,中后期低温处理降低了稻米蛋白质含量,而前期蛋白质含量因品种不同而表现不同[22]。本研究表明,不同时段低温处理显著提高了稻米的总蛋白和醇溶蛋白含量,显著降低了球蛋白含量,对谷蛋白含量的影响不显著,前期处理显著降低了清蛋白含量,但中后期处理显著提高了清蛋白含量。不同学者研究结果不一致的原因一方面在于不同品种本身的耐冷性不同,蛋白质对低温的响应程度也不同;另一方面在于低温胁迫的程度以及持续时间的不同,故造成的影响也不同;还有可能是因为不同品种本身的蛋白质含量的差异,使结果也产生一定的差异。此外,稻米蛋白质主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白组成,蛋白质含量对低温的响应以及对稻米食味品质的影响实际是由蛋白组分所决定。多数研究认为醇溶蛋白对稻米食味品质有负面影响,它不易被消化吸收,同时影响淀粉的吸水膨胀及糊化特性[24-25]。谢黎虹等[26]认为谷蛋白营养价值高,容易被人体吸收与消化,属于营养优质蛋白,且对稻米品质影响相对较小。但也有学者研究发现,谷蛋白含量过高对稻米食味品质也有一定的负作用[27],而且在籼稻中表现更为明显[28]。因此,未来我们需要根据品种本身的基因型、蛋白质和蛋白组分含量差异,深入剖析低温对稻米营养品质的影响。

淀粉是稻米重要的组成成分,分为直链淀粉和支链淀粉。结实期是籽粒淀粉积累的关键时期,此时温度是影响淀粉形成积累和胚乳淀粉特性的最重要的因素之一[29]。稻米RVA谱特征值与蒸煮食味品质关系密切,崩解值的大小直接反映米饭的软硬,消减值与米饭冷却后的质地相关,食味较优的品种一般具有较大的崩解值和较小的消减值和回复值[30]。不同品种的RVA谱特征值对结实期温度的敏感性也不同[8],结实期低温对食味品质优的品种影响程度高于食味差的品种[5]。较多研究表明,结实期低温降低了峰值黏度、热浆黏度、冷胶黏度、崩解值、糊化温度,消减值升高[11,22]。本研究结果与前人基本相同,花后1～14 d低温处理显著降低了稻米的最高黏度、热浆黏度、崩解值、冷胶黏度以及起始糊化温度;花后1～7 d处理显著提高了稻米的消减值、回复值以及峰值时间;花后15～21 d处理对淀粉RVA特征值的影响较小。张诚信等[9]研究发现抽穗后21 d内的低温弱光复合胁迫及单一胁迫对稻米 RVA 谱特征值的影响大于其他阶段,穗后21 d是籽粒灌浆及品质形成的关键时期,从RVA谱特征值看,这时期遭遇复合胁迫降低了食味品质。水稻开花后前期低温对稻米加工品质影响最大,而中、后期低温对外观品质、蒸煮食味品质和营养品质影响最大[22]。灌浆期冷水胁迫[31]以及低温处理[32]均降低了稻米食味品质,即花后温度降低,稻米食味品质变差[8-9,11]。本研究发现不同时段低温处理显著降低了稻米的光泽、味道、口感以及综合评分,对香气和完整性的影响不显著。

淀粉占稻米重量的80%左右,其含量和结构对稻米质地发挥重要作用[33-34]。直链淀粉含量与米饭硬度呈正相关,与黏度和食味值呈负相关[35]。研究表明,直链淀粉含量相似的品种之间米饭质地尤其是口感出现的明显差异是由支链淀粉的精细结构差异所引起的[36]。支链淀粉长链多且短链少的水稻品种,其米饭质地较硬,反之米饭质地较软[37]。结实期不同时段低温对寒地粳稻淀粉含量和微观结构的影响如何?这是我们正在研究的内容。

4 结 论

不同品种间各品质指标的差异均达极显著水平,‘垦粳8’外观品质最优,‘龙稻18’蛋白质含量最低,食味品质最佳。结实期低温对稻米外观品质影响最为显著,花后8～21 d低温处理显著降低了稻米的外观品质。低温处理显著提高了稻米的总蛋白含量和醇溶蛋白含量,显著降低了球蛋白含量,清蛋白含量对不同时段低温响应不同。花后1～14 d处理显著降低了稻米的最高黏度、热浆黏度、崩解值、冷胶黏度以及起始糊化温度;花后1～7 d处理显著提高了稻米的消减值、回复值以及峰值时间。结实期低温通过提高蛋白含量和改变RVA谱特征值进而降低了稻米的蒸煮食味品质。