不同水稻基因型優良食味品質的氮素調控與評價

殷春淵，王書玉，劉賀梅，孫建權，胡秀明，王和樂，田芳慧，馬朝陽，張金霞， 劉經緯，張瑞平，王 蕊，張 栩，李習軍，王玲燕

(新鄉市農業科學院，河南 新鄉 453002)

【研究意義】隨著農業供給側結構性改革，我國水稻的有效供給出現了由“數量型”向“質量型”“食味型”轉變的趨勢，人們對稻米的食味品質提出了更高的要求。口感好、營養價值高的稻米更受消費者青睞。改善和提高稻米食味品質已成為優化我國農業結構調整的重要舉措，對促進水稻產業高質量發展具有重要意義[1]。【前人研究進展】水稻品質是一個復雜的綜合性狀，不論是加工、外觀品質，還是蒸煮、食味、營養品質，都受基因型和環境作用的影響[2-4]。氮是影響水稻產量和品質重要因子。研究表明，適當減少氮肥施用量可以提高產量和改善稻米綜合品質[5-6]，同時，還能使常規優質粳稻品種保持優異品質性狀的穩定性，優化雜交稻品質[7-8]。氮肥用量在調節水稻品質方面發揮了重要作用，類似的相關研究較多，而關于氮肥吸收利用情況與稻米品質關系的研究則相對較少。水稻氮素吸收利用存在基因型差異，氮高效品種一般表現為在抽穗至成熟階段植株氮素累積量、植株氮素干物質生產效率、氮素籽粒生產效率及氮素收獲指數等均顯著高于氮低效品種[9-10]。不同水稻基因型對氮肥的響應不同，一些對氮肥反應敏感的水稻基因型，在低氮水平下表現為較高的產量和氮肥利用效率；一些對氮肥反應遲鈍的水稻基因型，只有在高氮水平下才表現為較高的產量和氮肥利用效率；一些品種無論在何種施氮水平下均表現為高氮肥利用效率，則被稱為氮高效品種，還有一些品種則存在高肥低產低效現象[11-12]。分析以上研究，則可以看出，關于水稻品種對氮肥響應的研究大多指產量與肥效的關系，而關于水稻品質與氮效率關系的研究則鮮見報道。【本研究切入點】近年來，隨著人們生活水平的提高及水稻品種井噴式增長，人們對優質大米品種需求量也日益提高，減肥增效課題項目在各地的全面實施，一定程度上優化了稻米品質，篩選優質氮高效食味米品種對指導水稻產業提質增效健康發展具有重要意義。當前，高產氮高效水稻品種選育研究較為成熟，在滿足水稻產量提高的前提下，氮高效品種是否同樣具有較高的稻米食味品質或優良食味粳稻品種選育的氮效率評價關鍵指標是什么尚不明確。【擬解決的關鍵問題】本研究以生產上大面積應用的水稻新品種和本課題組近年來選育的優良水稻新品系為試驗材料，通過設置不同的氮素梯度進行篩選，分析不同基因型水稻品種(品系)氮素吸收利用特性、品質特性，及品質相關指標與氮素吸收利用的關系，以此篩選出食味品質好、氮效率高的品種(品系)，明確優良食味米氮效率評價指標，以期為優良食味粳稻新品種高產氮高效栽培提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以已審定的8個優質粳稻新品種和24個外觀品質相對優良新品系為試驗材料，品種(品系)名稱詳見表1。

表1 供試粳稻品種

1.2 試驗設計

試驗于2020年在河南省新鄉市農業科學院試驗研發基地進行，土質為中壤土，地力中等、平衡。土壤pH 8.14，土壤含有機質6.52%、水解氮56.73 mg/kg、速效磷53.2 mg/kg、速效鉀169.74 mg/kg。

試驗設4個氮肥水平，即0、180、225、270 kg/hm2(分別用N0、N1、N2、N3表示)，采用裂區試驗設計,以施氮水平為主區,品種為副區，重復2次，小區間用包膜的泥田埂隔離防串水串肥。試驗于5月6日育秧，6月12日插秧，栽插密度22.2萬穴/hm2(行株距為30 cm×15 cm)，每穴2～3本栽插。肥料運籌為m(氮素基肥)∶m(分蘗肥)∶m(穗肥)=2.5∶2.5∶5.0，基肥于整地時施入，分蘗肥于移栽后7 d施入，穗肥于倒4、倒2葉露尖時等量施入，磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)各120 kg/hm2作基肥一次性施入。水分管理及病蟲害防治等相關栽培措施均按照高產栽培要求進行。

1.3 測定內容和方法

1.3.1 植株全氮的測定 于成熟期各處理取有代表性植株2穴，于105 ℃烘箱殺青30 min，80 ℃烘干72 h后稱重，并折算成每公頃干重。之后2穴整株混合粉碎用 H2SO4和H2O2消化，用凱氏定氮法測定植株全氮。

氮素吸收總量(kg/hm2)=收獲期地上部干物質重(kg)×含氮率(%)

氮肥利用率(%)=(施氮區植株總吸氮量-空白區植株總吸氮量)/總施氮量×100

氮素籽粒生產效率(kg/kg) =水稻籽粒產量/植株氮素積累總量

氮素收獲指數=籽粒氮素吸收量/植株吸氮量

1.3.2 稻米加工品質的測定 水稻收獲后放置一段時間，待稻米品質穩定后，用JDMZ100礱谷機測定稻米的精米率和整精米率。

1.3.3 稻米外觀品質的測定 用杭州萬深檢測科技有限公司生產的SC-E稻米外觀品質檢測儀測定稻米的外觀品質。主要包括稻米堊白粒率和堊白度的測定。

1.3.4 稻米食味品質的測定 用北京東孚久恒儀器技術有限公司生產的JSWL 200米粒食味計測定稻米的食味品質。主要測定指標為稻米直鏈淀粉含量、蛋白質含量和食味值，一個樣品取3次測定的平均值。

1.4 數據分析

數據處理與分析采用唐啟義的DPS數據處理系統(第3版)進行統計分析，Microsoft Excel 2007電腦軟件進行數據計算和圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 水稻不同基因型食味品質性狀在不同氮肥處理下的差異

從表2可以看出，隨著施氮量的增加各水稻基因型平均食味值呈下降趨勢，蛋白質含量、水分含量基本呈增加趨勢，直鏈淀粉含量除不施氮處理較低外其他施氮處理間差異較小。不施氮處理下的食味值最高平均為83.9，蛋白質和直鏈淀粉含量較低平均為7.8%和16.5%。從各基因型在不同氮肥處理下的變幅和變異系數可知，各基因型在不同氮肥處理下的變異不同，其中蛋白質和直鏈淀粉含量基因型間的變異系數較大，不同氮肥水平平均分別為7.28%和4.6%；食味值和水分含量基因型間變異系數相對較小，不同氮肥處理平均分別為2.59%和2.66%。進一步把食味值與施氮量進行線性分析表明，兩者呈極顯著的二次拋物線關系(相關系數r=0.998**)，由此可知，最高食味值下的施氮水平為2.74 kg/667 m2，增加氮肥施用量，稻米食味值下降。

表2 不同氮肥水平下稻米食味品質的差異

2.2 不同水稻基因型加工及外觀品質在不同氮肥處理下的差異

從表3可以看出，稻米的精米率和整精米率表現為隨著施氮量的增加而增加，不同氮肥處理下基因型間變幅不同，精米率最大值為76.7%，最小值為62.1%，整精米率最大值達73.9%，最小值為41.8%，從變異系數可以看出，整精米率不同處理下的變異系數明顯高于精米率，且在不施氮肥處理下變異系數最大，施氮處理相對較小。稻米的外觀品質堊白粒率和堊白度基本表現為隨著施氮量的增加而降低，從平均值來看，堊白粒率小于15%，堊白度小于5%，說明供試水稻基因型普遍表現為外觀品質較好；從同一氮肥水平下不同基因型間變異系數來看，處理間的變異系數均較大，基本表現為隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，其中最大變異系數表現為N2處理，說明以氮素為調控手段在一定氮肥水平下可以篩選出相對優質的水稻基因型。

表3 稻米加工和外觀品質在不同氮素處理下的差異

2.3 不同水稻基因型在不同氮肥處理下氮素吸收利用的差異

從表4可以看出，基因型間平均氮肥利用率表現為隨著施氮量的增加而增加，N3處理達最大，平均為44.34%，從不同基因型間的變幅可以看出，最高氮肥利用率表現在N2水平下的水稻基因型達58.72%，屬于氮高效水稻基因型。氮素籽粒生產效率表現為隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，最大氮素籽粒生產效率達69.64 kg/kg，最小達22.21 kg/kg，基因型間存在較大變異；氮素收獲指數亦表現為隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，在N1水平下，平均氮素收獲指數最大為0.52，從不同基因型間的變幅可知，最高氮素收獲指數達0.63，最低為0.17，基因型間差異較大。從氮素吸收利用各指標的變異系數可以看出，氮肥利用率基因型間變異最大，氮素收獲指數次之，氮素籽粒生產效率基因型間變異相對較小。

表4 不同水稻基因型氮素吸收利用情況

2.4 優良食味氮高效水稻基因型篩選

以氮肥利用率、氮素籽粒生產效率和食味值為指標，采用卡方距離和離差平方和法對32個水稻基因型在不同施氮水平下進行聚類分析。從聚類分析結果(圖1)可以看出，32個水稻基因型在每種氮肥水平下總體可分為3大類型即高氮素籽粒生產效率高食味值、高氮肥利用率低食味值和低氮素籽粒生產效率低食味值類型。在以上3種類型中根據不同生產實際需求、市場應用前景又篩選出有實用價值的高氮素籽粒生產效率高食味值、高氮肥利用率低食味值(相對低)2種類型，最終篩選出了高氮素籽粒生產效率高食味值類型水稻基因型有8個，高氮肥利用率低食味類型水稻基因型有5個。由此可見，在土壤基礎地力貧瘠，產量水平相對較低，以追求高產為目標的水稻生產中，應選用高氮肥利用率水稻品種；在高基礎地力水平，平均產量相對較高的水稻田，以追求食味品質為目標的生產中，應選用高氮素籽粒生產效率高食味值類型水稻品種。低氮素籽粒生產效率低食味值類型的水稻基因型應給予淘汰處理。

圖1 基于氮肥利用率和食味性狀的32個水稻基因型在N1～N3處理下的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 32 rice genotypes according to N use efficiency and taste quality characters under treatments from N1 to N3 level

2.5 優良食味氮高效水稻基因型氮素吸收利用和食味品質特性

以高氮素籽粒生產效率高食味值類型水稻基因型為例，選擇有代表性的近幾年培育的優良水稻新品種和品系進行研究，重點分析了不同水稻基因型在不同氮素水平下氮素吸收利用和稻米品質特性。從表5可以看出，隨著施氮量的增加，氮肥利用率除個別品種外基本表現為增加趨勢，最高氮肥利用效率在施氮量為270 kg/hm2處理下達48.91%。新香粳1號、和鄭香粳1925分別在施氮量為180、225 kg/hm2處理下氮肥利用率達最高，分別為47.19%、45.09%。氮素籽粒生產效率除個別基因型外基本表現為隨施氮量的增加而降低，不施氮處理氮素籽粒生產效率較高，最高達60.44 kg/kg，高氮肥處理最低，最低為28.26 kg/kg。氮素收獲指數亦表現為低氮肥處理下相對較高，高氮肥處理下相對較低，最高氮素收獲指數是新稻89在N1處理下的表現水平為0.58，最低氮素收獲指數是水稻新品系G368在N3高氮肥水平下的表現水平為0.39，差異達0.19。食味值均表現為不施氮處理下最高，低氮肥處理次之，高氮肥處理下基本表現較低水平。對于不同水稻基因型，在不施氮處理下食味值較高達85以上的水稻品種有新香粳1號、鄭香粳1925、新稻89。方差分析表明，氮素利用效率各指標和食味值在不同氮肥處理和基因型間均存在極顯著差異，對于食味值較高的水稻基因型基本表現為較高的氮素籽粒生產效率和氮素收獲指數。

表5 優良食味水稻基因型氮效率和食味值

2.6 氮素利用效率與食味品質性狀間的關系

為明確氮素吸收和稻米品質尤其是食味品質的關系，把氮素利用效率與稻米品質各指標進行相關分析。從表6可以看出，氮素籽粒生產效率與食味值呈極顯著正相關，與蛋白質含量呈極顯著負相關；氮肥利用效率與食味值呈極顯著負相關，與堊白粒率、堊白度呈負相關，與精米率、整精米率呈正相關。各品質性狀間相關分析表明，食味值與精米率和整精米率呈正相關，與堊白粒率和堊白度呈負相關，與蛋白質和直鏈淀粉含量均達極顯著負相關；直鏈淀粉含量與堊白粒率和堊白度呈極顯著負相關，其他各品質性狀之間關系不顯著。說明，氮肥利用效率和氮素籽粒生產效率在改善稻米食味品質方面，效應不一致，提高氮素籽粒生產效率，稻米食味值增加，蛋白質含量降低，有利于提高稻米的食味品質；提高氮肥利用效率，稻米精米率和整精米率增加，堊白粒率和堊白度降低，食味值降低，有利于提高稻米的加工和外觀品質，但不利于稻米食味品質的改良。綜上可知，氮素籽粒生產效率可作為優質氮高效食味米篩選重要的評價指標，氮肥利用效率的提高并不能提高稻米食味品質，但有利于稻米加工和外觀品質的改善。

表6 氮素利用效率與稻米品質各指標相關系數

3 討 論

3.1 水稻高產氮高效和優質氮高效評價指標

水稻氮素利用效率是一個復雜的綜合性狀，受多種因素制約[13-15]，其所涉及的評價指標也較多，最常用的氮效率評價指標主要有氮素吸收利用效率、氮素生理利用效率和氮素農學利用效率等；還有一些指標包括瞬間氮素利用率、氮素籽粒生產效率、氮素干物質生產效率、氮素生物量生理利用率等。以上這些氮效率指標都在不同層面上反映了氮肥吸收利用的不同方面[12，16]。張亞麗等[12]通過產量差異評價水稻氮高效特性，分析了氮素生理利用效率和氮濃度的關系，提出了氮高效評價指標；米國華等[17]認為，關于植株氮效率研究都是以產量為最終目標，離開作物產量而研究氮的利用效率沒有任何現實生產意義；Cho等[18]研究表明，水稻產量與氮肥利用效率存在顯著正相關關系；Singh等[19]研究表明氮高效基因型應該是在任何施氮條件下均保持較高產量，這與米國華等研究相一致。綜合以上研究表明，以產量指標作為評價水稻品種氮效率類型從而篩選出高產氮高效品種是可行的，那么，以品質指標篩選出的氮高效品種是否具有同樣的氮效率吸收類型或氮高效品種是否具有較好的品質特性尚未報道。本研究主要以稻米品質，尤其是稻米食味品質為研究對象，分析了水稻不同基因型品種氮素吸收利用特性及與品質特性的關系，旨在為氮高效栽培及食味米篩選提供理論依據。結果表明，食味值高的水稻基因型大都表現為高的氮素粒生產效率，二者呈極顯著正相關，與氮肥利用效率呈極顯著負相關；蛋白質與氮素籽粒生產效率呈極顯著負相關。提高氮肥利用效率，精米率和整精米率增加，堊白粒率和堊白度降低。這說明，優質氮高效食味米的氮高效評價指標是氮素籽粒生產效率而非氮肥利用率。氮素籽粒生產效率可作為優質氮高效食味米育種重要的評價指標，提高氮素籽粒生產效率可以提高稻米的食味品質，提高氮肥利用效率并不一定提高稻米食味品質，但有利于稻米加工和外觀品質的改良，這與趙晗舒[20]研究結果基本一致。

3.2 施氮量對水稻食味品質的影響

影響稻米品質的因素很多，其中關于氮素對稻米品質的影響研究也較多[21-26]，但結果不盡一致。有研究表明隨著施氮量增加，稻米整精米率、堊白度、蛋白質含量增加，食味品質降低，而直鏈淀粉含量影響較小[5]；劇成欣等[27]研究表明，增加氮肥施用量，水稻的直鏈淀粉和蛋白質含量增加，膠稠度變長，堊白粒率、堊白度降低。這說明，關于氮肥施用量對稻米加工、外觀和營養品質的影響，不同研究者結果不一。然而，關于不同施氮量對稻米食味品質的影響研究則相對較少。趙可等[28]關于施氮量對稻米食味品質的影響認為，隨著施氮量的增加，米飯硬度、粘性、回復性都呈現先上升后下降趨勢，綜合食味值均呈逐漸下降趨勢，說明隨著施氮量增加，稻米食味品質較差。本研究結果表明，隨著施氮量的增加，不同水稻基因型基本表現為稻米精米率、整精米率增加，外觀品質堊白粒率、堊白度降低，蛋白質和直鏈淀粉含量增加，食味值降低，口感變差，不施氮處理均表現較高的食味值。這與前人[5，27-28]研究結果各有異同。這說明，水稻品質的氮素調控是個復雜的生理反應系統工程，針對河南沿黃優質食味米栽培，應注意氮肥的施用水平，不同品種氮肥適宜施用量不同。本研究通過食味值和施氮量構建了氮肥施用的二次曲線方程，在確保一定產量的前提下，明確了最高食味值下的施氮水平為2.74 kg/667 m2，增加氮肥施用量，稻米食味值下降。因此，在今后的優良食味米選育及栽培過程中，應注重在產量不下降的情況下，適當調控氮肥施用量可以實現水稻的穩產、提質增效的同步改良。

4 結 論

不同水稻基因型氮素吸收利用和稻米加工、外觀和食味品質存在較大差異。隨著施氮量增加，稻米食味品質降低，加工和外觀品質提高。相對于低食味值水稻基因型，高食味值水稻基因型一般具有較高的氮素籽粒生產效率，較高的氮素收獲指數。高氮肥利用效率水稻基因型一般表現為高產、高加工品質和外觀品質，相對較低的食味值。高產氮高效和優質氮高效其氮效率評價指標不同，氮素籽粒生產效率可作為水稻優良食味氮高效育種選育的評價指標，氮肥利用效率可作為以追求高產、高整精米率低堊白的“雙高一低”的高產優質氮高效育種選育的評價指標。