抽穗期叶面喷施鸟氨酸对香稻产量、品质以及2-乙酰基-1-吡咯啉生物合成的影响

2023-08-07邢丕鹏黄彦峰易思媛兰儒剑潘圣刚莫钊文田华段美洋唐湘如

作物杂志 2023年3期

邢丕鹏黄彦峰易思媛兰儒剑潘圣刚莫钊文田华段美洋唐湘如

（华南农业大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室/农业农村部华南地区作物栽培科学观测实验站/广州市丝苗香米科学与技术重点实验室，510642，广东广州）

水稻是中国60%以上人口的主要粮食，种植面积1.56 亿hm2，约占全球谷物总产量的20%。香稻是一种特殊类型的水稻，具有优良的稻米品质和独特的香味[1]。近年来，随着人们生活水平不断提高，国际和国内市场对香米的需求量也在逐年上升。因此，越来越多的科研工作者开始进行相关研究，以期通过栽培或者育种的手段来提高香稻的产量、品质和香气[2]。研究[3-5]表明，香稻香气的主要来源物质是2-乙酰基-1-吡咯啉（2-AP）。不同的环境条件和栽培措施会影响香稻体内2-AP 的合成积累[2]。设置不同水肥条件和米质改良剂等措施可提高香稻的产量、品质和香气[6-8]。鸟氨酸是一种碱性氨基酸，通过参与植物多胺合成、尿素循环和氮代谢在植物细胞代谢中发挥重要作用[9]。同时，鸟氨酸能够缓解各种重金属离子对植物造成的毒害[10]。而Liu 等[11]研究也表明，鸟氨酸转氨酶通过调节水稻氮素的再利用，对水稻颖花发育和灌浆结实有着至关重要的作用。Yoshihashi 等[12]研究发现，鸟氨酸是2-AP 在香稻体内的重要前体物质。近年来，氨基酸叶面肥作为一种绿色农副产品，在各类作物的生产中正在逐步推广应用。已有研究[13-16]表明，喷施氨基酸叶面肥可以起到提高水稻产量和调控品质的作用。然而，目前有关外源鸟氨酸在香稻生产中的应用以及叶面喷施氨基酸对香稻香气的影响还鲜见报道。因此，本试验进行了为期2 年的田间试验，在抽穗期喷施不同浓度的鸟氨酸溶液，旨在研究外源鸟氨酸对香稻产量、品质以及香气合成的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019 和2020 年晚季在华南农业大学教学试验农场进行。土壤理化性质为有机质22.98g/kg、全氮1.86g/kg、有效磷66.85mg/kg、速效钾140.44mg/kg。

1.2 试验设计

以常规香稻品种美香占2 号为供试水稻品种，所用水稻种子由华南农业大学农学院提供。试验采取随机区组排列，于香稻抽穗期进行浓度为0.0、0.2、0.4、0.8 和1.6g/L 的鸟氨酸溶液叶面喷施，分别记为CK、T0.2、T0.4、T0.8和T1.6。小区面积30m2，3 次重复。所有小区灌溉方式、施肥量和施肥方式一致，按照2:1 的质量施用基肥和分蘖肥。所用肥料为香稻专用肥（含N 15%、P2O54%、K2O 6%、有机肥10%、硫酸锌2%和氯化镧0.1%），施肥量为900kg/hm2。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成因素于水稻成熟期从各小区取6 穴用于考种，测定穗粒数、结实率和千粒重。各小区实收3m2测产。

1.3.2 稻米品质稻米品质的测定参照《NY147-88 米质测定方法》进行。稻谷收获后晒干放置2个月后进行品质测定。稻谷经砻谷机脱壳后测定糙米率，糙米经过精米机处理后获得精米率。通过垩白观察仪计算垩白粒率和垩白度，用近红外谷物分析仪测得蛋白质和直链淀粉质量分数。

1.3.3 2-AP 含量于水稻成熟期从各小区采集成熟稻穗，保存在-80℃冰箱内用于2-AP 含量测定。参照黄忠良等[17]的方法测定2-AP 含量，即采用日本生产的岛津GCMS-2010 型气相质谱联用仪和2,4,6-三甲基嘧啶（TMP）内标法进行。

1.3.4 叶绿素含量于叶面喷施鸟氨酸后第10 天，采用SPAD-502 型叶绿素测定仪测定香稻剑叶的叶绿素相对含量（SPAD 值）。

1.3.5 鸟氨酸转氨酶、二胺氧化酶和甜菜碱醛脱氢酶活性于叶面喷施鸟氨酸后第7 天，从各小区分别采集香稻稻穗保存于-80℃冰箱用于酶活性测定。参照赵贵林等[18]的方法测定鸟氨酸转氨酶活性。参照李梦兴等[19]的方法测定二胺氧化酶活性。参照罗笛等[20]的方法测定甜菜碱醛脱氢酶活性。

1.4 数据处理

采用Statistix 8.1 软件进行数据分析，采用SigmaPlot 14.0 软件绘制图，采用Microsoft Excel 2010 进行数据整理。

2 结果与分析

2.1 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻产量及其构成因素的影响

如表1 所示，抽穗期喷施鸟氨酸可显著提高香稻的产量。2019 年，T0.4处理的产量最高，与CK相比增产10.11%。2020 年T1.6处理下产量最高，与CK 相比增产12.82%。从2 年试验结果来看，T0.4、T0.8和T1.6处理下香稻的产量均显著高于CK和T0.2处理。有效穗数和穗粒数在各处理间无显著差异。与CK 相比，T0.4、T0.8和T1.6处理显著提高了千粒重和结实率，2 年基本结果一致。2019 年以T0.8处理下的结实率和千粒重最高，分别为83.25%和21.11g。2020 年T1.6处理的结实率和千粒重最高，分别为83.14%和21.07g。

表1 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of foliar application of ornithine at heading stage on yield and its components of fragrant rice

2.2 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻稻米品质的影响

由表2 可知，抽穗期喷施鸟氨酸可改善香稻的稻米品质。对稻米加工品质而言，与CK 相比，2019年T0.4、T0.8和T1.6处理糙米率显著降低。从稻米外观品质来看，鸟氨酸处理降低了稻米的垩白粒率和垩白度。与CK 相比，T0.2、T0.4、T0.8和T1.6处理对香稻的垩白粒率均存在显著性影响。2019 年T0.8处理和2020 年T0.4处理下垩白粒率最低，较CK 分别下降了27.43%和26.91%。垩白度除T0.2处理外，其余各处理与CK 相比均呈显著性差异（P＜0.05），且T1.6处理下垩白度最低，2019 和2020 年分别较CK 下降了23.80%和24.76%。从稻米营养品质来看，除T0.2处理外，其余鸟氨酸处理下香稻的粗蛋白含量较CK 均显著增加。与CK 相比，鸟氨酸处理对直链淀粉含量无显著影响。

表2 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻稻米品质的影响Table 2 Effects of foliar application of ornithine at heading stage on grain quality of fragrant rice

2.3 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻叶绿素含量的影响

如图1 所示，抽穗期喷施鸟氨酸可提高香稻剑叶的SPAD 值，除2019 年T0.2处理外，其余处理下的SPAD 值均较CK 有显著提高。在2019 年，与CK 相比，T0.4、T0.8和T1.6处理的SPAD 值分别显著提高了8.57%、12.37%和10.17%。在2020 年，与CK 相比，T0.2、T0.4、T0.8和T1.6处理的SPAD 值分别显著提高了11.11%、10.48%、23.56%和19.07%。

图1 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of foliar application of ornithine at heading stage on chlorophyll content of fragrant rice

2.4 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻2-AP 含量的影响

如图2 所示，抽穗期喷施鸟氨酸提高了香稻的香气含量。除2019 年的T0.2处理外，其余处理均较CK 显著提高了2-AP 含量。2019 年，T1.6处理下香稻的2-AP 含量最高，达到280.40μg/kg，与CK 相比显著提高了30.6%；2020 年，T0.8处理的2-AP 含量最高，较CK 显著提高了27.9%。可见，香稻抽穗期适当喷施鸟氨酸可以显著提高香米的2-AP 含量。

图2 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻2-AP 含量的影响Fig.2 Effects of foliar application of ornithine at heading stage on 2-AP content of fragrant rice

2.5 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻2-AP 合成相关酶活性的影响

由表3 可知，抽穗期喷施鸟氨酸对2-AP 合成相关酶的活性有显著影响。2019 和2020 年，鸟氨酸处理下香稻的鸟氨酸转氨酶较CK 分别提高了7.63%～22.18%和5.51%～18.86%；二胺氧化酶活性较CK 分别提高了4.18%～24.52% 和8.96%～22.09%；而T0.2处理下甜菜碱醛脱氢酶活性与CK无明显差异，且T0.8和T1.6处理下甜菜碱醛脱氢酶活性均显著低于CK。

表3 抽穗期喷施鸟氨酸对香气合成相关酶活性的影响Table 3 Effects of foliar application of ornithine at heading stage on activities of enzymes involved in 2-AP biosynthesisU/(g·min)

3 讨论

3.1 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻产量形成的影响

叶绿素是高等植物进行光合作用的主要色素，位于类囊体膜[21-22]。有试验[23]表明，提高水稻体内叶绿素含量，有助于增加水稻产量。本试验发现，抽穗期叶面喷施鸟氨酸可以显著提高香稻产量。与CK 相比，鸟氨酸处理下香稻的结实率和千粒重均有所提高。原因在于鸟氨酸处理提高了香稻剑叶的叶绿素含量，这与前人[23]的研究相符。叶绿素含量的增加表明抽穗期喷施鸟氨酸促进了叶片叶绿素的合成，提高了香稻灌浆期的光合作用，提升了香稻的千粒重和结实率，最终增加了产量。

3.2 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻稻米品质的影响

近年来，随着生活水平的提高，稻米品质越来越受到人们的关注，也直接影响着稻米产业的效益与发展[24]。稻米蛋白质作为人类蛋白质的重要来源，是衡量稻米营养品质最主要的指标，因此在一定范围内，稻米蛋白质含量越高，其营养品质越高[25-26]。本试验结果表明，抽穗期叶面喷施鸟氨酸可以改善香稻的稻米品质，主要表现为垩白粒率和垩白度的降低以及粗蛋白含量的提高。另一方面，鸟氨酸处理下香稻垩白的降低可能与香稻灌浆期光合作用提高有关，提高灌浆期叶片的光合速率，有利于改善稻米的外观和营养品质[27]。杨晓龙等[28]也发现，水稻灌浆期叶片的光合速率对稻米垩白的形成有显著影响。

3.3 抽穗期喷施鸟氨酸对香稻2-AP 生物合成的影响

2-AP 是香稻香气的重要组成成分。香稻的香气合成涉及多种氨基酸、酶和基因[29]。Chen 等[30]研究发现，由基因BADH2编码的甜菜碱醛脱氢酶会显著抑制香稻体内2-AP 的合成。李梦兴[31]研究发现，香稻中鸟氨酸转氨酶和二胺氧化酶活性均与2-AP 含量有正相关关系。本试验结果表明，抽穗期叶面喷施鸟氨酸显著提高了香稻成熟期稻谷的2-AP 含量。鸟氨酸处理下鸟氨酸转氨酶和二胺氧化酶活性显著提高，甜菜碱醛脱氢酶活性则显著降低。外源鸟氨酸对酶活性的调控可能是其提高2-AP含量的主要原因。