施氮量對低谷蛋白水稻籽粒品質及蛋白質組分的影響

蘭 艷，黃 曌，胡明明，涂云彪，孫影影，隋曉東，龔 靜，李 天

(四川農業大學 農學院/作物生理生態及栽培四川省重點實驗室，四川 成都 611130)

水稻籽粒中含有7%～10%的蛋白質，一般糙米的蛋白質含量約8%，精米約7%[1-3]。根據蛋白質的不同溶解性，可將其分為四類：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)，它們在稻米蛋白質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存在胚乳中[6]。谷蛋白儲藏在蛋白體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，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障礙，不能食用可溶性蛋白質含量超過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，人體不會因攝入過量熱量而使血糖、血脂升高，能有效預防、輔助治療糖尿病和腎病[9]。

目前，國內關于低谷蛋白水稻的研究并不多，尤其是氮肥對其功能成分的影響鮮有報道。增施氮肥會增加水稻籽粒蛋白質及組分蛋白含量，然而施氮量過低則降低其產量及品質，因此，適宜的施氮量是確保低谷蛋白水稻優質栽培的關鍵。為此，本課題組從國外引進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%，本試驗進一步研究不同施氮量對其籽粒蛋白質及各組分含量變化動態及加工品質的影響，以期為低谷蛋白水稻品種的優質栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

本研究于2016—2017年在四川農業大學溫江試驗基地進行。供試土壤0～20 cm土層養分狀況為：有機質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，屬常規粳稻，原產地日本，在四川地區全生育期為150 d。

試驗采用隨機區組設計，設純氮0、90、135、180、225 kg·hm-25個處理，分別用N0、N1、N2、N3、N4表示，以N0為對照。小區面積為4 m×5 m，3次重復，行穴距30 cm×25 cm，每穴栽2苗。4月17日進行旱育秧，5月27日移栽，秧齡40 d。氮肥為尿素，按質量分數比60%∶20%∶20%分別施入基肥、蘗肥、穗肥，磷肥為過磷酸鈣(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 測定項目及方法

1.2.1 籽粒總蛋白及蛋白組分的測定

分別于花后7、14、21、28、35 d取樣，每小區取10穗，帶回室內剝取籽粒并將其放入紙袋，立即在105 ℃烘箱內干燥30 min，然后恒溫80 ℃烘干，粉碎過篩后作為測定樣品。

總蛋白含量測定：蛋白質含量測定用凱氏定氮法，用瑞典FOSSTECATOR公司生產的Kjeltec 2300全自動凱氏定氮儀進行測定。

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

1.2.2 稻米主要品質指標測定

水稻成熟后按各處理取樣并曬干保存90 d，按照農業部標準NY147—88米質測定方法測定糙米率、精米率、整精米率。長寬比測定參照中華人民共和國國家標準GB/T17891—1999測定。直鏈淀粉含量用德國BRAN LUEBBE公司生產的AA3連續流動分析儀進行測定。稻米淀粉黏滯性RVA譜采用澳大利亞Newport Scientific儀器公司生產的RVA-4型RVA儀進行快速測定，用TCW(thermal cycle for windows)配套軟件進行分析。

1.3 數據處理

所有數據利用SPSS 20.0統計軟件進行數據分析，結果均為3次重復的平均值，利用最小顯著差法(LSD)在P<0.05水平上做多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同施氮量對稻米理化性質的影響

施肥處理對稻米理化性質的影響如表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。從表1中可以看出，不同施肥處理對RVA譜各特征值的影響達到顯著差異水平，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)，說明N2處理下稻米的食味最好，而N0處理的食味較差。繼續增加施氮量，崩解值增加，消減值降低，稻米食味下降。

2.2 不同施氮量對水稻加工品質的影響

由表2可以看出，不同氮肥處理對低谷蛋白水稻加工品質各指標影響不一致。施氮量對精米率和長寬比影響不顯著。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處理無顯著差異。

2.3 不同施氮量對水稻籽粒總蛋白質含量變化的影響

在不同的施氮水平下，水稻籽粒總蛋白含量隨著花期推進逐漸上升(圖1)。增加施氮量可以提高籽粒各時期總蛋白含量。花后7 d，與對照(N0)相比，N2、N3、N4處理顯著增加了籽粒總蛋白含量，相比對照分別增加了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處理無顯著差異；各處理間籽粒總蛋白含量在花后28 d均達到顯著差異，N4處理籽粒總蛋白含量達89.25 mg·g-1，比對照增加了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

同列不同行數據后沒有相同小寫字母表示在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不同施氮量對稻米加工品質的影響

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 不同施氮量對水稻籽粒蛋白質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：隨著生育進程的推進，不同處理下水稻清蛋白的含量總體呈增加趨勢。隨著施氮量的增加，花后各時段籽粒清蛋白含量呈增加趨勢。其中，花后7 d，N4處理下，清蛋白的含量達到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，在水稻籽粒發育過程中不同處理下球蛋白含量不斷增加。花后各時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：在水稻籽粒發育過程中，各處理下醇溶蛋白含量持續增加。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逐漸增加，與氮肥施用量呈正相關關系。花后7 d，N3、N4處理的谷蛋白含量顯著高于對照，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顯著差異，但顯著高于N0、N1處理。

2.5 不同施氮量對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，谷蛋白遠遠低于普通水水稻(谷蛋白約占總蛋白的80%)。說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 不同施氮量對水稻籽粒蛋白質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水稻籽粒蛋白質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 氮肥對低谷蛋白稻米理化性質及加工品質的影響

稻米直鏈淀粉含量的高低與蒸煮理化特性密切相關，與米飯的黏性、柔軟性有關，并且影響米飯的質地和適口性。關于施氮量對稻米直鏈淀粉含量的影響，不同的研究者結果各異。有研究認為，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，直鏈淀粉含量對氮素反應不敏感。也有研究認為，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，但在各處理間無顯著差異，表明施氮量對D105直鏈淀粉含量無明顯影響，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，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，低谷蛋白稻米D105的蒸煮品質隨施氮量的增加有所改善，而過量施氮會使稻米蒸煮品質下降。此外，稻米的RVA譜特性還與蛋白質含量及組分蛋白的比例相關，吳洪愷等[19]研究發現，谷蛋白相對于醇溶蛋白的含量對稻米食味品質有著一定程度的影響，認為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，較高的氮含量可維持根系活力和提高葉片光合速率，促進物質運轉，增加粒重和籽粒充實度，同時植株含氮量增加，向穗部運轉的氮素化合物增加，谷粒硬度也隨之增大，加工品質提高。過高的施氮量使穗部物質分配下降，灌漿受阻而導致不飽滿籽粒增加，最終使加工品質下降[15]。氮肥用量對堊白的影響，眾多學者研究結論不同。多數人認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。本研究結果表明，在一定的施氮范圍內，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，物質的積累和轉運增強，堊白面積減小，因此堊白度降低。綜上，合理的施氮量對低谷蛋白水稻D105的理化性質及加工品質的改善有很大的影響。

3.2 氮肥對水稻籽粒蛋白質及各組分含量變化的影響

稻米蛋白質含量是一個受遺傳和環境影響的復雜品質指標，其中又以氮素的施用對其影響最大[10]。關于施氮量對蛋白質及其組分影響的研究較多[24-28]，一般認為增加氮肥用量能夠提高水稻籽粒中蛋白質及其各組分的含量[28-29]。但是，肥料的施用量、施用時期對蛋白質含量均有不同程度的影響，且氮肥的施用對蛋白質組分百分比含量的影響較小[10,20,30-31]。耿春苗[8]研究發現，低谷蛋白稻米蛋白質含量對氮素供應水平的反應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)之間差異沒達到極顯著水平。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，但不同蛋白組分對氮素的響應不同，施氮主要影響了糙米中的谷蛋白和醇溶蛋白，而對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氮素的響應也不同。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特性。通過比較成熟期水稻籽粒各組分蛋白占總蛋白比例結果，發現不同的施氮處理下，4個組分蛋白占總蛋白含量的比例變化很小，說明施氮量對蛋白組分比例影響不明顯，這與張欣等[28]在水稻上的研究結果一致。本研究發現，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出不同的差異性，說明不同的施氮量對清蛋白和醇溶蛋白的影響較小，對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優質栽培的適宜施氮量，通過建立谷蛋白相對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系Fig.3 Linear relation between the ratio of glutenin protein to total protein content and nitrogen application amount