施氮量對(duì)低谷蛋白水稻籽粒品質(zhì)及蛋白質(zhì)組分的影響

蘭 艷，黃 曌，胡明明，涂云彪，孫影影，隋曉東，龔 靜，李 天

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/作物生理生態(tài)及栽培四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611130)

水稻籽粒中含有7%～10%的蛋白質(zhì)，一般糙米的蛋白質(zhì)含量約8%，精米約7%[1-3]。根據(jù)蛋白質(zhì)的不同溶解性，可將其分為四類(lèi)：水溶性的清蛋白(albumins)、鹽溶性的球蛋白(globulins)、醇溶性的醇溶蛋白(prolamins)和堿溶性的谷蛋白(glutenins)，它們?cè)诘久椎鞍踪|(zhì)中所占的比例分別為5%、10%、5%和80%[4-5]。清蛋白和球蛋白主要儲(chǔ)存在果皮、糊粉層和胚等組織中，而醇溶蛋白和谷蛋白主要儲(chǔ)存在胚乳中[6]。谷蛋白儲(chǔ)藏在蛋白體PB-Ⅱ中易被人體的胃消化吸收，而醇溶蛋白積淀在蛋白體PB-Ⅰ內(nèi)，不能被胃消化吸收，所以人體主要吸收谷蛋白[7]。糖尿病和腎臟病病人由于腎功能出現(xiàn)障礙，不能食用可溶性蛋白質(zhì)含量超過(guò)4%的大米。低谷蛋白水稻是一種可吸收蛋白(指清蛋白、球蛋白、谷蛋白之和)只有3.1%～4.0%的水稻品種，也叫低水溶性稻米[8]。患者食用等量的低谷蛋白大米后，人體不會(huì)因攝入過(guò)量熱量而使血糖、血脂升高，能有效預(yù)防、輔助治療糖尿病和腎病[9]。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于低谷蛋白水稻的研究并不多，尤其是氮肥對(duì)其功能成分的影響鮮有報(bào)道。增施氮肥會(huì)增加水稻籽粒蛋白質(zhì)及組分蛋白含量，然而施氮量過(guò)低則降低其產(chǎn)量及品質(zhì)，因此，適宜的施氮量是確保低谷蛋白水稻優(yōu)質(zhì)栽培的關(guān)鍵。為此，本課題組從國(guó)外引進(jìn)的低谷蛋白水稻品種中篩選出D105，其谷蛋白含量占總蛋白的比例為36%～38%，本試驗(yàn)進(jìn)一步研究不同施氮量對(duì)其籽粒蛋白質(zhì)及各組分含量變化動(dòng)態(tài)及加工品質(zhì)的影響，以期為低谷蛋白水稻品種的優(yōu)質(zhì)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究于2016—2017年在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫江試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試土壤0～20 cm土層養(yǎng)分狀況為：有機(jī)質(zhì)2.95%、全氮0.18%、堿解氮85.24 mg·kg-1、速效磷66.19 mg·kg-1、速效鉀77.08 mg·kg-1、pH為6.9。供試材料為低谷蛋白品種D105，屬常規(guī)粳稻，原產(chǎn)地日本，在四川地區(qū)全生育期為150 d。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)純氮0、90、135、180、225 kg·hm-25個(gè)處理，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示，以N0為對(duì)照。小區(qū)面積為4 m×5 m，3次重復(fù)，行穴距30 cm×25 cm，每穴栽2苗。4月17日進(jìn)行旱育秧，5月27日移栽，秧齡40 d。氮肥為尿素，按質(zhì)量分?jǐn)?shù)比60%∶20%∶20%分別施入基肥、蘗肥、穗肥，磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O590 kg·hm-2)，鉀肥為氯化鉀 (K2O 180 kg·hm-2)，基肥和全部磷鉀肥在移栽前1 d施入，其余管理措施保持一致。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.2.1 籽粒總蛋白及蛋白組分的測(cè)定

分別于花后7、14、21、28、35 d取樣，每小區(qū)取10穗，帶回室內(nèi)剝?nèi)∽蚜２⑵浞湃爰埓⒓丛?05 ℃烘箱內(nèi)干燥30 min，然后恒溫80 ℃烘干，粉碎過(guò)篩后作為測(cè)定樣品。

總蛋白含量測(cè)定：蛋白質(zhì)含量測(cè)定用凱氏定氮法，用瑞典FOSSTECATOR公司生產(chǎn)的Kjeltec 2300全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行測(cè)定。

組分蛋白含量測(cè)定：采用楊靜等[10]的連續(xù)提取法依次用蒸餾水、5%NaCl、70%乙醇、0.1 mol·L-1NaOH 4種溶劑對(duì)不同組分進(jìn)行分離提取。然后采用考馬斯亮藍(lán)法依次對(duì)各組分蛋白含量進(jìn)行測(cè)定[11]。

1.2.2 稻米主要品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

水稻成熟后按各處理取樣并曬干保存90 d，按照農(nóng)業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)NY147—88米質(zhì)測(cè)定方法測(cè)定糙米率、精米率、整精米率。長(zhǎng)寬比測(cè)定參照中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17891—1999測(cè)定。直鏈淀粉含量用德國(guó)BRAN LUEBBE公司生產(chǎn)的AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀進(jìn)行測(cè)定。稻米淀粉黏滯性RVA譜采用澳大利亞Newport Scientific儀器公司生產(chǎn)的RVA-4型RVA儀進(jìn)行快速測(cè)定，用TCW(thermal cycle for windows)配套軟件進(jìn)行分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)利用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)果均為3次重復(fù)的平均值，利用最小顯著差法(LSD)在P<0.05水平上做多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施氮量對(duì)稻米理化性質(zhì)的影響

施肥處理對(duì)稻米理化性質(zhì)的影響如表1所示，直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加略有降低，但在各處理間無(wú)顯著差異。稻米的直鏈淀粉含量一般為0%～34%，各氮肥處理下D105直鏈淀粉含量為11.24%～12.66%，屬于低直鏈淀粉含量稻米(≤20%)。淀粉RVA譜特性是反映稻米食味性的重要指標(biāo)。從表1中可以看出，不同施肥處理對(duì)RVA譜各特征值的影響達(dá)到顯著差異水平，N0處理下的消減值最低(308.33 cp)，崩解值最高(1 026.67 cp)，N2處理下的崩解值最低(634.33 cp)，消減值最高(620.33 cp)，說(shuō)明N2處理下稻米的食味最好，而N0處理的食味較差。繼續(xù)增加施氮量，崩解值增加，消減值降低，稻米食味下降。

2.2 不同施氮量對(duì)水稻加工品質(zhì)的影響

由表2可以看出，不同氮肥處理對(duì)低谷蛋白水稻加工品質(zhì)各指標(biāo)影響不一致。施氮量對(duì)精米率和長(zhǎng)寬比影響不顯著。糙米率則隨著施氮量的增加有所提高，其中N4處理顯著高于N0處理，但與其他處理差異不顯著。整精米率隨施氮量的增加而提高，N3、N4處理下稻米整精米率相比N0、N1處理顯著增加，N2處理與其他所有處理均無(wú)顯著差異。堊白度總體隨施氮量的增加而降低，N0處理堊白度最高，N4處理下稻米堊白度顯著低于其余處理，N1與N2、N3處理無(wú)顯著差異。

2.3 不同施氮量對(duì)水稻籽粒總蛋白質(zhì)含量變化的影響

在不同的施氮水平下，水稻籽粒總蛋白含量隨著花期推進(jìn)逐漸上升(圖1)。增加施氮量可以提高籽粒各時(shí)期總蛋白含量。花后7 d，與對(duì)照(N0)相比，N2、N3、N4處理顯著增加了籽粒總蛋白含量，相比對(duì)照分別增加了10.77%、23.01%、32.88%，N1處理下籽粒總蛋白含量(64.06 mg·g-1)顯著低于N3和N4處理(P<0.05)，但與N2處理無(wú)顯著差異；花后14 d，N4處理下籽粒總蛋白含量(80.33 mg·g-1)顯著高于其他處理，N2、N3處理顯著高于N0、N1，但兩組處理差異均不顯著；花后21 d，N0及N1處理下籽粒總蛋白含量顯著低于其余處理，但二者差異不顯著，此外，N3與N4處理無(wú)顯著差異；各處理間籽粒總蛋白含量在花后28 d均達(dá)到顯著差異，N4處理籽粒總蛋白含量達(dá)89.25 mg·g-1，比對(duì)照增加了31.58%；花后35 d，N3、N4處理下籽粒總蛋白含量顯著高于其他處理，其中，N0與N1處理差異不顯著。

表1不同施氮量對(duì)稻米直鏈淀粉含量及RVA譜特性的影響

Table1Effects of different nitrogen application amount on amylose content and RVA profile characteristics of rice

處理Treatment直鏈淀粉Amylose/%峰值黏度PKV/cp熱漿黏度HPV/cp崩解值BDV/cp最終黏度FV/cp消減值SBV/cpN012.66±0.55 a2357.00±10.54 a1330.33±3.84 a1026.67±7.86 a2665.33±3.84 a308.33±8.41 dN112.52±0.84 a2239.00±37.64 b1299.67±24.59 a939.33±29.99 b2661.33±31.33 a422.33±26.61 cN212.50±0.26 a1726.00±9.29 e1091.67±6.96 c634.33±2.73 d2346.33±14.45 d620.33±10.59 bN312.13±0.21 a2115.00±9.85 c1182.00±6.56 b933.00±6.08 b2452.33±6.69 c337.33±7.51 dN411.24±0.14 a2014.00±7.64 d1219.67±6.17 b794.33±3.84 c2511.33±6.39 b497.33±2.03 a

同列不同行數(shù)據(jù)后沒(méi)有相同小寫(xiě)字母表示在P<0.05水平上差異顯著。下同。

PKV， Peak viscosity; HPV， Hot paste viscosity; BDV， Break down value; FV， Final viscosity; SBV， Set back value. The data in the same column without the same lowercase letters indicated the significance at the 0.05 probability level. The same as below.

表2不同施氮量對(duì)稻米加工品質(zhì)的影響

Table2Effects of different nitrogen application amount on processing quality of rice

處理Treatment糙米率BRR/%精米率MRR/%整精米率HMR/%長(zhǎng)寬比LWR堊白度ChalkinessN080.87±1.27 b71.47±0.35 a33.41±3.78 b1.71±0.01 a25.37±0.34 aN181.80±0.46 ab71.60±0.92 a38.04±3.91 b1.75±0.04 a24.07±0.09 bcN282.93±0.18 ab73.10±1.06 a42.93±3.77 ab1.80±0.02 a24.23±0.12 bN383.13±0.37 ab73.61±0.50 a51.80±2.80 a1.76±0.01 a23.53±0.09 cN484.01±0.20 a74.67±0.29 a52.70±0.17 a1.74±0.02 a21.23±0.12 d

BRR， Brown rice rate; MRR， Milled rice rate; HMR， Head rice rate; LWR， Length-wide ratio.

圖1 不同施氮量對(duì)水稻籽粒總蛋白含量變化的影響Fig.1 Effects of different nitrogen application amount on the change of total protein content in rice grains

2.4 不同施氮量對(duì)水稻籽粒蛋白質(zhì)各組分含量變化的影響

2.4.1 清蛋白含量的變化

由圖2-A可以看出：隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，不同處理下水稻清蛋白的含量總體呈增加趨勢(shì)。隨著施氮量的增加，花后各時(shí)段籽粒清蛋白含量呈增加趨勢(shì)。其中，花后7 d，N4處理下，清蛋白的含量達(dá)到4.67 mg·g-1，顯著高于其他處理；花后14 d和21 d，清蛋白含量在各處理間差異不顯著；花后28 d，N4處理清蛋白含量(9.51 mg·g-1)顯著高于N0(7.12 mg·g-1)、N1(7.36 mg·g-1)處理，但與N2(8.91 mg·g-1)、N3(8.99 mg·g-1)處理差異不顯著。花后35 d，施氮處理N1、N2、N3、N4間清蛋白含量差異不顯著，但均顯著高于對(duì)照。

2.4.2 球蛋白含量的變化

由圖2-B可以看出，在水稻籽粒發(fā)育過(guò)程中不同處理下球蛋白含量不斷增加。花后各時(shí)段球蛋白含量隨著施氮量的增加而增加。花后7 d，N3(2.80 mg·g-1)、N4(3.13 mg·g-1)處理的球蛋白含量顯著高于對(duì)照(1.38 mg·g-1)，但與N1(2.07 mg·g-1)、N2(2.30 mg·g-1)處理差異不顯著；花后14 d，N4處理球蛋白含量顯著高于其他處理；花后21 d，N4(9.87 mg·g-1)處理球蛋白含量顯著高于對(duì)照(8.14 mg·g-1)，其余各處理間差異不顯著；花后28 d，N3和N4處理下，球蛋白含量顯著高于其余各處理；花后35 d，N2處理下球蛋白含量顯著高于其余各處理(N4除外)，N0處理下球蛋白含量最低(11.16 mg·g-1)。

2.4.3 醇溶蛋白含量的變化

如圖2-C所示：在水稻籽粒發(fā)育過(guò)程中，各處理下醇溶蛋白含量持續(xù)增加。花后各階段，醇溶蛋白含量隨著施氮量的增加而增加。花后7 d，醇溶蛋白含量在各施氮處理下無(wú)顯著差異；花后14 d和28 d，N4處理醇溶蛋白含量顯著高于其余各處理，但與N3處理差異不顯著；花后21 d，N0處理醇溶蛋白含量顯著低于N2、N3、N4處理，但與N1差異不顯著；花后35 d，N3、N4處理醇溶蛋白含量顯著高于對(duì)照處理，但與N1、N2差異不顯著。

2.4.4 谷蛋白含量的變化

如圖2-D所示，各處理下，水稻籽粒谷蛋白含量隨著花期的推進(jìn)逐漸增加，與氮肥施用量呈正相關(guān)關(guān)系。花后7 d，N3、N4處理的谷蛋白含量顯著高于對(duì)照，但與N1、N2處理差異不顯著；花后14 d，N4處理最高(19.07 mg·g-1)，顯著高于N1、N2，與N3處理無(wú)顯著差異，N0處理最低(14.55 mg·g-1)；花后21 d，N4處理谷蛋白含量顯著高于N0、N1處理，但與N2、N3處理差異不顯著；花后28 d，N4處理下，谷蛋白含量顯著高于其余各處理；花后35 d，N2、N3、N4處理下谷蛋白含量無(wú)顯著差異，但顯著高于N0、N1處理。

2.5 不同施氮量對(duì)水稻籽粒蛋白各組分占總蛋白比例的影響

由表3可知：在不同施氮量處理下，成熟期籽粒蛋白組分占總蛋白的比例變化不大。清蛋白占11.11%～13.55%，球蛋白占13.37%～16.31%，醇溶蛋白占6.18%～8.14%，谷蛋白占37.84%～42.25%；其中，谷蛋白遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通水水稻(谷蛋白約占總蛋白的80%)。說(shuō)明各組分蛋白的比例及低谷蛋白特性主要受基因控制，受施氮量的影響不明顯。

圖2 不同施氮量對(duì)水稻籽粒蛋白質(zhì)各組分含量變化的影響Fig.2 Effects of different nitrogen application amount on the change of protein content in rice

表3成熟期不同施氮量對(duì)水稻籽粒蛋白質(zhì)各組分占總蛋白比例的影響

Table3Effect of different nitrogen application amount on the ratio of each component protein to total protein during maturity of rice grain %

3 討論

3.1 氮肥對(duì)低谷蛋白稻米理化性質(zhì)及加工品質(zhì)的影響

稻米直鏈淀粉含量的高低與蒸煮理化特性密切相關(guān)，與米飯的黏性、柔軟性有關(guān)，并且影響米飯的質(zhì)地和適口性。關(guān)于施氮量對(duì)稻米直鏈淀粉含量的影響，不同的研究者結(jié)果各異。有研究認(rèn)為，稻米直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而逐漸降低[12]。金軍等[13]研究表明，隨施氮量的提高，直鏈淀粉含量對(duì)氮素反應(yīng)不敏感。也有研究認(rèn)為，直鏈淀粉含量隨施氮量的增加而增加[14]。本研究中，直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加略有降低，但在各處理間無(wú)顯著差異，表明施氮量對(duì)D105直鏈淀粉含量無(wú)明顯影響，該品種屬于低直鏈淀粉品種，其淀粉含量主要受基因控制。一般認(rèn)為，低直鏈淀粉含量的稻米米粒吸水性弱，米飯的膨性小，飯粒黏濕，米飯柔軟，適口性好[15-16]。

有研究認(rèn)為，隨施氮量增加，最高黏度降低，崩解值下降，消減值增加，糊化溫度升高，稻米食味品質(zhì)變劣，稻米膠稠度變短，米飯變硬[17]。也有研究指出，淀粉RVA譜特征值中消減值大于0時(shí)，崩解值越小、消減值越大，適口性越好[18]。本研究中，淀粉RVA譜特征值中消減值隨著施氮量的增加先增加后降低，其余各特征值則隨施氮量的增加先降低后增加，綜合分析表明，N2處理下稻米的食味最好。繼續(xù)增加施氮量，崩解值增加，消減值降低，稻米食味下降，這與之前的研究相反[14]，其原因在于本研究中D105的消減值大于0，而之前的研究中稻米的消減值小于0。綜上，一定范圍內(nèi)，低谷蛋白稻米D105的蒸煮品質(zhì)隨施氮量的增加有所改善，而過(guò)量施氮會(huì)使稻米蒸煮品質(zhì)下降。此外，稻米的RVA譜特性還與蛋白質(zhì)含量及組分蛋白的比例相關(guān)，吳洪愷等[19]研究發(fā)現(xiàn)，谷蛋白相對(duì)于醇溶蛋白的含量對(duì)稻米食味品質(zhì)有著一定程度的影響，認(rèn)為lgclgc型稻米(谷蛋白含量大于醇溶蛋白含量)米飯軟而黏，食味較好。

眾多研究者一致認(rèn)為，增加氮肥用量，可以提高糙米率、精米率和整精米率[8,20-21]，本研究也不例外，在一定施氮量范圍內(nèi)，較高的氮含量可維持根系活力和提高葉片光合速率，促進(jìn)物質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)，增加粒重和籽粒充實(shí)度，同時(shí)植株含氮量增加，向穗部運(yùn)轉(zhuǎn)的氮素化合物增加，谷粒硬度也隨之增大，加工品質(zhì)提高。過(guò)高的施氮量使穗部物質(zhì)分配下降，灌漿受阻而導(dǎo)致不飽滿籽粒增加，最終使加工品質(zhì)下降[15]。氮肥用量對(duì)堊白的影響，眾多學(xué)者研究結(jié)論不同。多數(shù)人認(rèn)為隨施氮量增加稻米堊白率和堊白度都增加[8,21-22]，也有人認(rèn)為增加氮肥用量，堊白率及堊白面積反而減小[23]，這與研究者所采用的材料不同有關(guān)。本研究結(jié)果表明，在一定的施氮范圍內(nèi)，低谷蛋白水稻D105堊白度隨著施氮量的增加而降低，施氮量的增加提高了水稻植株的光合作用，物質(zhì)的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)，堊白面積減小，因此堊白度降低。綜上，合理的施氮量對(duì)低谷蛋白水稻D105的理化性質(zhì)及加工品質(zhì)的改善有很大的影響。

3.2 氮肥對(duì)水稻籽粒蛋白質(zhì)及各組分含量變化的影響

稻米蛋白質(zhì)含量是一個(gè)受遺傳和環(huán)境影響的復(fù)雜品質(zhì)指標(biāo)，其中又以氮素的施用對(duì)其影響最大[10]。關(guān)于施氮量對(duì)蛋白質(zhì)及其組分影響的研究較多[24-28]，一般認(rèn)為增加氮肥用量能夠提高水稻籽粒中蛋白質(zhì)及其各組分的含量[28-29]。但是，肥料的施用量、施用時(shí)期對(duì)蛋白質(zhì)含量均有不同程度的影響，且氮肥的施用對(duì)蛋白質(zhì)組分百分比含量的影響較小[10,20,30-31]。耿春苗[8]研究發(fā)現(xiàn)，低谷蛋白稻米蛋白質(zhì)含量對(duì)氮素供應(yīng)水平的反應(yīng)均隨氮量增加和穗肥比例的增加而提高，增加施氮量和穗肥后移使精米的醇溶蛋白和谷蛋白含量顯著提高，但高肥處理N4(360 kg·hm-2)和N3(270 kg·hm-2)之間差異沒(méi)達(dá)到極顯著水平。Li等[20]研究表明，隨著施氮量增加，4種蛋白組分均顯著增加，但不同蛋白組分對(duì)氮素的響應(yīng)不同，施氮主要影響了糙米中的谷蛋白和醇溶蛋白，而對(duì)清蛋白和球蛋白的影響較小；同一蛋白組分不同水稻品種對(duì)氮素的響應(yīng)也不同。本研究中水稻籽粒總蛋白含量及各組分蛋白含量均隨著施氮量的增加而增加，這與前人研究結(jié)果一致[32-33]。此外，N4(225 kg·hm-2)及N3(180 kg·hm-2)處理下，花后35 d(成熟期)籽粒總蛋白含量和4個(gè)組分蛋白含量差異均不顯著，表明合理的施氮量就能保證低谷蛋白水稻的品質(zhì)特性。通過(guò)比較成熟期水稻籽粒各組分蛋白占總蛋白比例結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同的施氮處理下，4個(gè)組分蛋白占總蛋白含量的比例變化很小，說(shuō)明施氮量對(duì)蛋白組分比例影響不明顯，這與張欣等[28]在水稻上的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn)，就各組分蛋白而言，成熟期(花后35 d)水稻籽粒清蛋白和醇溶蛋白在各施肥處理下差異均不顯著，而球蛋白和谷蛋白則表現(xiàn)出不同的差異性，說(shuō)明不同的施氮量對(duì)清蛋白和醇溶蛋白的影響較小，對(duì)球蛋白和谷蛋白則有不同程度的影響。這與前人[20,34-35]研究結(jié)果稍有差異，可能是品種間的基因型差異引起的。綜上，為確定D105優(yōu)質(zhì)栽培的適宜施氮量，通過(guò)建立谷蛋白相對(duì)于總蛋白的比例與施氮量的線性方程y=6E-05x2-0.02x+39.672 (R2=0.999 1)(圖3)，計(jì)算得出最適宜施氮量為166.67 kg·hm-2。

圖3 谷蛋白占總蛋白比例與施氮量的線性關(guān)系Fig.3 Linear relation between the ratio of glutenin protein to total protein content and nitrogen application amount