環境因素對水稻淀粉特性的影響

陶士博，李鳴曉，徐 銓

（1 遼寧省重要技術創新與研發基地建設工程中心，沈陽 110000；2 沈陽農業大學 水稻研究所，沈陽 110866 ）

水稻（即亞洲栽培稻）作為全球超過一半人口的主食，是世界重要糧食作物，而在亞洲國家這一比例占得更大[1]。 水稻分為兩個亞種， 粳稻（O.sativa ssp.japonica）和秈稻（O.sativa ssp.indica）［2-5］。秈粳亞種在生物學特性上存在顯著差異， 尤其是兩個亞種在水稻品質性狀上的差異，尤為顯著。秈稻具有以下特點：在加工品質上，糙米率、精米率及整精米率低，外觀品質上，粒長長，長寬比大，粒厚小，堊白率和堊白度高，在蒸煮食味品質上，膠稠度和堿消值低，直鏈淀粉含量和蛋白質含量高，粳稻在加工品質和外觀品質好于秈稻品種， 其它品質性狀較差［6-8］。 目前利用秈粳亞種的特點，采用不同的育種方法，已然成為大勢所趨。

水稻種子結構穎殼、果皮、種皮、糊粉層、胚乳和胚共同組成，除去穎殼的水稻種子，其主要成分為胚乳，其最主要的作用就是用來貯藏養料，按照貯藏含量依次為淀粉、蛋白質、脂肪、半纖維素、礦物質。 淀粉與葡萄糖之間的合成與轉化過程中淀粉合成酶起到了重要的作用，Nakamura Yasunori對水稻淀粉合成酶進行了全面的分析， 影響稻米淀粉合成過程中的酶共計28 個。 直鏈淀粉是D-葡萄糖基以a-（1，4）糖苷鍵連接的多糖鏈，分子中有200 個左右葡萄糖基，分子量1～2×105，聚合度990，空間構象卷曲成螺旋形，每一回轉為6 個葡萄糖基。 支鏈淀粉分子中除有a-（1，4）糖苷鍵的糖鏈外，還有a-（1，6）糖苷鍵連接的分支，分子中含300～400 個葡萄糖基，分子量＞2×107，聚合度7 200，各分支也都是卷曲成螺旋形[9]。 淀粉與碘呈顏色反應， 直鏈淀粉為藍色， 支鏈淀粉為紅褐色。馬作斌等（2014）研究表明，水稻品種之間的遺傳差異與緯度和地理距離有很大的關系[10]，但張善磊等（2018）發現地理環境相近的粳稻品種中，其淀粉遺傳多樣性變化不明顯[11]， 強新濤等（2016） 不同秈稻品種其淀粉合成也存在差異[12]。氮素營養在水稻成熟期可間接參與水稻淀粉含量調控，趙式英（1983）研究發現，溫度越高，水稻直鏈淀粉含量會下降的趨勢， 而Jiang H W et al（2003）發現在一定范圍內，溫度越高越有利于水稻淀粉含量的增加，成臣等（2019）研究發現溫度與晚粳型水稻品種之間淀粉酶活性的相關性密切，從而影響水稻淀粉含量［13-15］。 淀粉含量的變化受遺傳和環境等因素調控，遺傳上來說，這是千百年來自然形成的秈粳差異， 并且生態環境因子包含氮肥、溫度、光照強度、空氣相對濕度等等，在水稻不同生育期測定其淀粉含量存在明顯差異，目前針對遺傳與生態環境對水稻淀粉的影響還有待進一步研究。

淀粉在農業、食品、生物制藥等領域的重要研究意義，方福平與程式華（2018）提出水稻“精確育種”一次，提出選育出適應各類生態、生產條件同時符合人們消費需求的水稻新品種， 該問題亟待解決[16]。 本文以重組自交系群體（RILs）為試驗材料， 探究在不同生態條件環境下分析環境因素對水稻淀粉特性的影響， 加深對水稻淀粉的研究機理， 為高品質水稻育種提供理論依據和重要育種材料。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗的試驗材料選取了粳稻品種沈農265（SN265）與秈稻品種滬恢99（R99）雜交后，采用單粒傳法（Single Seed Descent，以下簡稱SSD）構建的F10代重組自交系群體（RILs 群體），合計共155 個株系。 其中，粳稻品種沈農265（SN265）作為“中國超級稻育種”項目實施以來育成的第一個粳型超級稻品種，具有直立穗、穗短及抗逆性強的特點，尤其是在稻瘟病的抗性表現上極為顯著（陳溫福，2004）。 秈稻品種瀘恢99（R99）作為秈稻的重要恢復系，具有彎曲穗、穗長的形態特點。 首次配制該雜交組合于2007 年夏季在沈陽進行，而后采取了單粒傳法（SSD），即從雜種的分離世代（F2代）開始，按組合每株收一粒種子，混合種植，最終留下群體中151 個穩定株系（張玲等，2014）。本試驗使用的是F10代重組自交系群體 （RILs 群體），加4 個親本共計155 個株系。

1.2 試驗地點

試驗地點選擇了中國極具代表性的四個稻作區進行種植。 四個代表性稻作區從北到南按照緯度度數由大到小分別是： 遼寧省沈陽市沈陽農業大學水稻研究所 （SY N41°，E123°），江蘇省淮安市國家雜交水稻分中心（J S N32°，E120°），四川省農業科學院水稻研究所德陽育種基地（SC N32°，E104°），中國農業科學院深圳農業基因組研究所（SZ N22°，E114°）。

1.3 試驗設計

本試驗將四個稻作區， 每個稻作區內155 個株系按隨機區組試驗排列，每個株系種植3 行，每行種植10 株，栽植規格均為行距30.0cm，株距為13.3cm，并設2 次重復。 栽培方法如下：在播種前分別測定了各地的土壤自然肥力， 按基礎肥力施用統一標準為每公頃150 kgN，150 kgP，150 kgK 進行補施，并在移栽7 d 后施用返青肥，返青肥施用量為每公頃75 kgN。

1.4 淀粉特性測定方法

使用澳大利亞便攜式氣象站iMETOS， 精米機，Foss 旋風磨，千分之一分析天平，國華電器有限公司：HH-6 數顯恒溫水浴鍋，HJ-6A 型數顯恒溫多頭磁力攪拌器，實驗用烘箱，日立（Hitachi）U3900 紫外分光光度計。 成熟期每個株系去除邊株后，取中間的20 株的稻穗，單獨進行脫粒。稻谷脫粒后，在室溫環境下自然風干保存三個月后，通過精米機將所收獲的稻谷碾磨成精米， 將精米放入Foss 旋風磨中打粉， 通過100 目篩子篩選，取精細米粉試樣留取備用。 運用Nakamura 全波段紫外分光光度計法，測定具體方法如下：用分析天平稱取已經脫蛋白的米粉試樣0.1 g 置于容量瓶中，加入1 ml 95%乙醇使樣品充分濕潤分散，再加入9 ml 氫氧化鈉溶液 （1 mol／l）， 沸水浴15 min，冷卻至室溫，定容并吸取待測液5 ml 轉移到另一容量瓶中，加入1 ml 乙酸溶液（1 mol／l）和2 ml KI-I2，定容。 使用日立（Hitachi）U3900 紫外分光光度計進行200～900 nm 波長下進行掃描。 數據分析時，在200～900 nm 波長掃描時，可以得到淀粉的表觀直鏈淀粉（AAC）以及抗性淀粉（RS 的數值）， 接下來需明確以下3 個參數： 其首先從900 nm 開始掃描，出現的第一個波峰從而確定淀粉-碘吸附峰值的波長為λmax，，此時λmax 對應的吸光度為Aλmax， 同時從波長400 nm 到波長λmax 區間的梯形面積為F2 。 依據以上3 個參數，可以計算出淀粉的短支鏈淀粉（Fa）、長分支支鏈淀粉（Fb3），具體計算公式如下，以上四個地區每個株系的淀粉特性測定，重復兩次。

AAC＝73.307×Aλmax+0.111×λmax-73.016

73.307 ×Aλmax+0.111×λmax-73.016 測 試 樣品的λmax-糯稻的λmax

Fa＝-11.59×F2-10.92×Newλmax+34.429

Fb3＝44.691×Aλmax-0.774

RS＝21.312×Aλmax-0.030×λmax+12.251

試驗使用澳大利亞便攜式氣象站iMETOS 來測定四個地區的氣象環境因子。 試驗中iMETOS可實時記錄各地區每個株系抽穗后45 d 氣象指標，可記錄的氣象指標包括太陽輻射、光照強度、光照時間、每日平均氣溫、白天的氣溫、夜間氣溫、晝夜溫差、每日平均濕度、白天濕度及夜間濕度共計10 個氣象因子指標。 數據分析以沈陽地區為例：將沈陽地區每個株系抽穗后45 d 的數據來進行分析， 使用每天各氣象因子的平均值來反應每個株系每天所經歷的環境條件。 將沈陽地區的155 個株系第一天各氣象數據平均后的值用來反映抽穗后第1 天的環境因子的情況， 并以此方法計算抽穗后其余44 d 的數據，從而分析其環境條件。 其他3 個地區使用同樣的方法進行分析。

1.5 數據處理

使用Microsoft Excel 2010 軟件處理數據和繪制圖表，使用SPSS 23.0 軟件統計分析。四個地區的所有的樣品都測兩次重復， 數據結果使用2016 年的試驗數據用于下面的分析。

2 結果與分析

2.1 水稻淀粉特性的地區間差異

從4 個地區水稻淀粉特性指標AAC、Fa、Fb3及RS 的頻次分布直方圖（圖1），我們可以看出：在表觀直鏈淀粉（AAC）含量上：沈陽地區AAC 含量主要在8%～20%范圍內，尤其是在12%～16%范圍內含量居多達整體的50%以上； 江蘇地區AAC 含量基本全部分布在4%～12%范圍內，其中以4%～8%略大于8%～12%范圍內含量；四川地區AAC 含量主要分布在8%～16%，2／3 以上的AAC 含量在8%～12%； 深圳地區AAC 含量與江蘇地區相似， 但其AAC 含量在8%～12%略大于4%～8%范圍內；在短支鏈淀粉（Fa）含量上：沈陽地區Fa 含量主要在21%～27%范圍內， 尤其是在23%～25%范圍內含量居多，達整體的58%；江蘇地區Fa 含量基本全部分布在23%～31%范圍內，其中以25%～27%和27%～29%范圍內含量居多，占江蘇地區Fa 含量的90%；四川地區Fa 含量主要分布在21%～27%，2／3 以上的Fa 含量在23%～25%；深圳地區Fa 含量主要分布在21%～29%，但其2／3 以上的Fa 含量在25%～27%含量范圍內。

在長分支支鏈淀粉（Fb3）含量上：沈陽地區Fb3含量主要在10%～22%范圍內，2／3 以上的Fb3含量在13%～16%；江蘇地區Fb3含量主要集中在7%～13%范圍內，其中以10%～13% Fb3含量略大于7%～10%范圍內； 四川地區Fb3含量主要集中在10%～16%范圍內， 以10%～13% Fb3含量略大于13%～16%范圍內；深圳地區Fb3含量有超過3／4 都集中在10%～13%范圍內；在抗性淀粉（RS）含量上：沈陽地區RS 主要集中在1%～4%，其中以2%～3%偏多，占沈陽地區總體的50%；江蘇地區RS 含量存在于0～3%范圍內， 其中RS 含量有超過3／4 都集中在0～1%范圍內；四川地區RS 含量分布在1%～5%范圍內， 以RS 含量集中在1%～2%和2%～3%為主； 深圳地區RS 含量分布在0～4%范圍內，其中主要分布在0～2%。

2.2 生態環境對水稻淀粉特性的影響

四個不同的稻作區對應不同的環境條件，其中155 個株系每個株系有特定的水稻淀粉特性，四個不同的稻作區有特定的生態環境因子指標，將每一個株系與其對應的生態環境因子指標一一對應，建立起生態環境因子與淀粉特性的相關性，如表1。

由表1 所知，四個地區整體上來看，表觀直鏈淀粉（AAC）與光照時間、日平均溫度、白天溫度、夜間溫度、晝夜溫差、空氣濕度、白天濕度、夜間濕度均呈極顯著的相關， 其中AAC 與光照時間、晝夜溫差、 夜間濕度呈極顯著正相關， 與日平均溫度、白天溫度、夜間溫度、空氣濕度、白天濕度呈極顯著負相關。短支鏈淀粉（Fa）與太陽輻射、光照強度、光照時間、晝夜溫差、夜間濕度呈顯著或極顯著的負相關，與日平均溫度、夜間溫度、空氣相對濕度、白天濕度呈顯著或極顯著的正相關，與白天溫度之間相關性未達到顯著水平。 長分支支鏈淀粉（Fb3）和生態環境因子的相關性與短支鏈淀粉（Fa） 和生態環境因子之間的相關性剛好相反，其與太陽輻射、光照強度、光照時間、晝夜溫差、夜間濕度呈顯著或極顯著的正相關，與夜間溫度、空氣相對濕度、白天濕度呈顯著或極顯著的負相關，與日平均溫度、 白天溫度之間相關性未達到顯著水

平。 抗性淀粉（RS）和生態環境因子的相關性與長分支支鏈淀粉（Fb3）和生態環境因子的相關性完全一致。 結果表明：晝夜溫差越大，越不利于Fa 鏈的形成，其含量越低，越有利于AAC、Fb3以及RS的形成，其含量越高；相反，空氣相對濕度越大，越有利于Fa 鏈的形成， 其含量越高， 越不利于AAC、Fb3以及RS 的形成，其含量越低。

表1 生態環境因子與淀粉特性的關系

從四個地區分別來看：沈陽地區，AAC、Fb3與多數生態環境因子呈極顯著的負相關；Fa、RS 與大多數生態環境因子分別呈正相關、負相關，但其相關性均未達到顯著水平。 江蘇地區，AAC 與多數生態環境因子呈顯著或者極顯著的負相關，與空氣相對濕度、白天濕度、夜間濕度呈顯著的正相關；Fb3與多數生態環境因子呈顯著的負相關；Fa、RS 與生態環境因子相關性未達到顯著水平。四川地區水稻淀粉特性與生態環境因子均未達顯著水平， 但AAC、Fb3、RS 與多數生態環境因子相關性變化趨勢一致。 深圳地區的水稻淀粉特性與生態環境因子之間的相關性與江蘇地區變化基本一致。 結果表明：除四川地區外，沈陽、江蘇、深圳地區水稻淀粉特性與生態環境因子之間密切相關且沈陽地區水稻淀粉特性與生態環境因子之間相關性最為密切， 江蘇地區與深圳地區其次； 同時，AAC、Fb3、RS 與多數生態環境因子相關性變化趨勢一致，而與Fa 與多數生態環境因子相關性變化趨勢相反。

3 討論

影響稻米蒸煮和食味品質的主要調控因子為表觀直鏈淀粉含量，從而進一步調控水稻產量。目前來說，對于單一的表觀直鏈淀粉（AAC）研究較多， 或者以表觀直鏈淀粉結合支鏈淀粉的研究為主并且在單一的生態環境下進行試驗。我們知道，水稻品種的表現型由基因型和環境因素共同決定， 環境因素在水稻品種的表現型上起著至關重要的作用，進一步調控水稻品質性狀，從而影響大眾對稻米的口感的選擇。 而這里我們將探究的方向集中在四個有關淀粉特性的指標上： 表觀直鏈淀粉（AAC）、短支鏈淀粉（Fa）、長分支支鏈淀粉（Fb3）以及抗性淀粉（RS），與此同時放在了四個極具特點的生態環境背景下， 將這四個不可量化極具特點的生態環境背景轉化為可量化的每個稻作區內十個生態環境因子作為衡量標準， 全面分析了生態環境因素對水稻淀粉特性形成的影響。 從四個地區的淀粉特性來看， 我們發現在表觀直鏈淀粉（AAC）、長分支支鏈淀粉（Fb3）以及抗性淀粉（RS）含量上，呈現出沈陽＞四川＞深圳＞江蘇的趨勢，而在短支鏈淀粉（Fa）的含量上，呈現出江蘇＞深圳＞四川＞沈陽的趨勢，說明在構成水稻淀粉總含量上的四個主要淀粉特性， 品種中AAC、Fb3、RS 含量越高，其Fa 含量越低。進一步探究導致同樣的155 個株系表現出的不同淀粉特性差異產生的原因， 我們注意到各地區量化的十個生態環境因子。 整體上來說， 我們發現在表觀直鏈淀粉（AAC）、長分支支鏈淀粉（Fb3）以及抗性淀粉（RS）表現基本一致，均與光照時間、晝夜溫差、夜間溫度呈正相關，與日平均溫度、白天溫度、夜間溫度、空氣相對濕度、夜間濕度呈負相關，這與Asaoka et al（1985）的研究表明空氣溫度與直鏈淀粉含量有著負相關的關系結果一致[17]，更為有趣的是，在短支鏈淀粉（Fa）的含量上與上述環境因子剛好呈相反趨勢， 這也進一步解釋了由于AAC、Fb3、RS與生態環境因子的相關性與RS 與生態環境因子的相關性剛好相反， 導致在該生態環境下形成的AAC、Fb3、RS 含 量 越 高 的 品 種，Fa 含 量 越 低；AAC、Fb3、RS 含量越低的品種，Fa 含量越高。

在水稻灌漿結實的過程中， 影響水稻品質性狀最主要的因子就是氣候條件[18]。 沈陽地區AAC、Fb3、RS 含量偏高， 分析其原因可能為沈陽地區在四個稻作區中，其晝夜溫差最大，日平均氣溫最低，空氣相對濕度最低，整體環境最為干燥，這些生態環境因子共同作用， 同時夜晚更有利于物質積累，所以其AAC、Fb3、RS 含量偏高，而與此同時我們注意到另一生態環境因子光照時間，按照上述規律，晝夜溫差最小，日平均氣溫最高，空氣相對濕度最高， 整體環境較為潮濕的深圳地區其AAC、Fb3、RS 含量應為四個地區中含量最低，但是我們知道，事實并非如此，這是由于深圳地區的光照時間也是最長的， 兩個具有相同變化趨勢的生態環境因子光照時間、 晝夜溫差在大環境背景下是矛盾的，且晝夜溫差對淀粉特性的影響＞光照時間對淀粉特性的影響， 所以沈陽地區AAC、Fb3、RS 含量偏高，Fa 含量偏低且相關性最為顯著， 而剩余三個地區顯著性不明顯。 通過上述分析， 我們發現對于不同地區都呈現出AAC、Fb3、RS 含量變化的一致性還有待進一步探究內部原因。 同時作為生態環境因子中調控水稻淀粉形成的重要參考指標晝夜溫差及光照時間還有待進一步確定各自對淀粉特性的影響率， 從而分析其他三個地區淀粉特性形成原因， 為水稻淀粉特性指標在其他生態環境背景下的含量提供理論依據。

4 結論

對于不可量化的地區差異， 我們將其轉化為動態更為清晰、直觀的生態環境因子后，分析了水稻抽穗后45 d 的生態環境因子變化，從而推斷出影響水稻淀粉特性形成的主要參考指標， 對水稻淀粉特性在環境因素不同時的分析奠定了堅實的基礎和理論依據，從而影響著水稻品質性狀。但對于水稻生長發育的其他時期AAC、Fb3、RS 的形成和含量變化以及相同生態環境背景下， 表現出的水稻淀粉特性差異還有待進一步探究。