超聲波處理對華南雙季晚稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響

傅友強 ，劉彥卓，梁開明，嚴(yán)卓晟，鐘旭華，黃農(nóng)榮，潘俊峰，胡香玉，彭碧琳

（1廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點實驗室，廣州 510640；2廣州市金稻農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣州 510075）

0 引言

超聲波是一種頻率高、波長短、能量大、穿透力強的彈性機械波[1]。20 世紀(jì)50 年代末，劉紹德等[2]首次報道超聲波在農(nóng)業(yè)及生物學(xué)上的應(yīng)用，指出超聲波能刺激植物細胞分裂，過量超聲波能夠抑制細胞分裂甚至導(dǎo)致死亡。大量研究發(fā)現(xiàn)，超聲波主要通過振動，刺激植物內(nèi)部物質(zhì)性能和生理活性，如可促進植物細胞內(nèi)部物質(zhì)的氧化、還原、分解和合成反應(yīng)，提高種子發(fā)芽速率和發(fā)芽勢，進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3-5]。因此，在許多生物學(xué)領(lǐng)域，超聲波被認為是一種無公害的物理處理手段，特別在種子調(diào)優(yōu)增效等方面具有重要作用[6-7]。

目前，超聲波種子處理主要有濕法[8]和干法[6,9]兩種方式。研究表明，一般以單頻率（20 kHz 或40 kHz）[6,8]或混頻率(20～40 kHz)[10-11]超聲波處理種子效果較佳。在水稻應(yīng)用中，超聲波種子處理能夠提高種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子、光合作用、碳水化合物累積、生理生化等指標(biāo)，提高稻谷產(chǎn)量和米質(zhì)[6,10,12-13]，同時還可提高抗冷性[14]和抗逆性[15]和作物重金屬含量[16-17]等。

本研究以近年來廣東省推廣種植面積較大的主栽品種[18-20]雜交稻‘五豐優(yōu)615’和常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’為材料，探討超聲波種子處理對水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響，以期為超聲波處理技術(shù)在水稻提質(zhì)增效中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設(shè)計

試驗于2018 年晚季在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云試驗基地（113°23′E，23°17′N，海拔41.0 m）內(nèi)進行。供試水稻品種為雜交稻‘五豐優(yōu)615’和常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’。試驗田土壤理化性質(zhì)參照土壤農(nóng)化分析方法進行測定[21]：pH 5.95，有機質(zhì)為22.48 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷為0.42 g/kg，全鉀為8.43 g/kg，堿解氮為58.03 mg/kg，有效磷為6.49 mg/kg，速效鉀為47.00 mg/kg。

試驗設(shè)置了超聲波種子處理和對照（未超聲波處理）2 個處理。超聲波處理方法：風(fēng)選后的干種子，在超聲波植物種子處理機（型號：5ZCG-50）中于20 KHz和40 KHz混頻處理1 min。各處理施氮量均為150 kg N/hm2，4次重復(fù)，共計16個小區(qū)，小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，2018年7月20日播種，采用塑料軟盤育秧，軟盤規(guī)格為434 穴。按照雜交稻‘五豐優(yōu)615’每穴2 粒種子、‘粵農(nóng)絲苗’每穴3粒種子以及種子千粒重，確定每盤的播種量，均勻撒播。秧盤置于秧田中進行統(tǒng)一常規(guī)管理，2018 年8 月10 日移栽，栽插規(guī)格為20 cm×20 cm。水肥管理統(tǒng)一按水稻“三控”施肥技術(shù)進行[22]。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 稻谷實割產(chǎn)量、生物量和考種 水稻黃熟期，每個小區(qū)取樣12 穴，逐穴計錄莖蘗數(shù)，剪去根，將稻草、實粒、空秕粒和枝梗分開，在105℃下殺青20 min，在75℃下烘干至恒重，后稱量，計算生物量等。成熟期實收125 穴(5 m2)測產(chǎn)，將稻谷風(fēng)干，取100 g 左右于105℃下烘干48 h，測定含水量，然后將稻谷轉(zhuǎn)換成含水量為14%的稻谷產(chǎn)量。使用智能種子計數(shù)系統(tǒng)（TPZJ-A，麥科儀）對實粒和空秕粒進行記數(shù)，計算每穗粒數(shù)、每穗穎花數(shù)、結(jié)實率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素指標(biāo)，見式(1)[23]。

1.2.2 稻米品質(zhì)測定 僅測定‘粵農(nóng)絲苗’稻谷樣品。稻谷收割曬干后，在室溫下貯藏3個月，用于測定稻米品質(zhì)，包括糙米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、直鏈淀粉含量、膠稠度等指標(biāo)，采用GB/T 17891—1999 標(biāo)準(zhǔn)測定[24]。

1.3 統(tǒng)計方法

采用SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，用OriginPro 9.0 軟件作圖，不同字母表示不同處理間差異顯著水平(P<0.05)。

2 結(jié)果

2.1 超聲波處理對稻谷產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

從表1可知，雜交稻‘五豐優(yōu)615’的稻谷產(chǎn)量明顯高于常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’。超聲波種子處理的兩個品種的稻谷產(chǎn)量都高于對照處理，‘五豐優(yōu)615’和‘粵農(nóng)絲苗’分別比對照處理增產(chǎn)3.68%和7.31%，其中‘粵農(nóng)絲苗’增產(chǎn)達到顯著水平。

表1 超聲波處理對水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子和庫容量的影響

與未超聲波種子處理相比，超聲波種子處理使‘五豐優(yōu)615’和‘粵農(nóng)絲苗’每穗穎花數(shù)分別增加了3.2%和14.3%，其中，‘粵農(nóng)絲苗’處理間的差異達顯著水平(P<0.05)；有效穗數(shù)、結(jié)實率和千粒重都有下降趨勢，但處理間差異不顯著(P>0.05)。表明超聲波處理有增加每穗穎花數(shù)的作用。

2.2 稻谷產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

表2為各水稻品種稻谷產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素間的相關(guān)性分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’的稻谷產(chǎn)量與每穗穎花數(shù)呈顯著的正相關(guān)，與有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和庫容量相關(guān)不顯著。其次，‘五豐優(yōu)615’的稻谷產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成無顯著相關(guān)。

表2 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

2.3 超聲波處理對稻米品質(zhì)的影響

超聲波種子處理對常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’增產(chǎn)效果達到顯著水平。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未超聲波種子處理（對照）相比，超聲波種子處理的稻米膠稠度、直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量分別增加了14.4%、4.6%和4.3%（相對值），差異達顯著水平(P<0.05)；堊白度和堊白粒率分別增加了75.0%和42.86%（相對值），但由于絕對數(shù)值含量低，且重復(fù)間測定誤差變異較大，差異不顯著；糙米率、精米率、整精米率、堿消值、精米率等無明顯差異（表3）。依據(jù)NY/T 593—2013《食用稻品種品質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)對食用長粒形秈稻品種米質(zhì)的界定，對照和超聲波處理的‘粵農(nóng)絲苗’稻谷都符合優(yōu)質(zhì)三等以上，故處理間品質(zhì)等級無明顯差異。

3 討論

3.1 超聲波處理對稻谷產(chǎn)量的影響

大量研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可顯著促進種子萌發(fā)，提高發(fā)芽率，增加有效穗數(shù)、穎花數(shù)、結(jié)實率、千粒重等指標(biāo)[7,17,25]。辛星光等[10]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理有利于提高作物干物質(zhì)積累、凈光合速率、葉面積指數(shù)、群體生長率、物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率，同時，也可增加葉綠素含量，促進氮從葉片向生殖器官的轉(zhuǎn)移[26]，從而增加稻谷產(chǎn)量。因此，超聲波種子處理不僅僅提高種子的發(fā)芽率和增加有效穗數(shù)，還能夠提高作物的光合能力、促進源庫流協(xié)調(diào)、提高稻谷產(chǎn)量。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論是雜交稻‘五豐優(yōu)615’，還是常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’，超聲波處理后的水稻每穗穎花數(shù)明顯增加，其中常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’達顯著水平，稻谷產(chǎn)量的差異達顯著水平（表1），這與黎國喜等[8]發(fā)現(xiàn)超聲波處理增產(chǎn)的主要原因之一是提高了水稻的每穗穎花數(shù)相一致。同時，相關(guān)性研究結(jié)果表明，常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’稻谷產(chǎn)量與每穗穎花數(shù)成顯著的正相關(guān)（表2）。這進一步表明了，在本試驗條件下，超聲波處理增產(chǎn)的主要原因是提高了水稻的每穗穎花數(shù)。值得注意的是，在本試驗條件下，超聲波處理后水稻的有效穗數(shù)都低于對照處理，這與萬泗梅等[9]的研究結(jié)果認為超聲波處理提高水稻有效穗數(shù)不一致，可能原因是水稻品種對超聲波處理頻率和處理時間的響應(yīng)存在差異。如需提高水稻有效穗數(shù)，兩系雜交稻‘Y 兩優(yōu)900’水稻品種需采用50 KHz超聲波干法處理種子1 min[9]；常規(guī)稻‘桂香占’只需采用20 KHz 超聲波處理濕法處理種子30 min[8]。而且，有研究表明，雜交稻‘隆優(yōu)619’和常規(guī)稻‘南育紅秈’同時采用20 KHz+40 KHz 混合超聲波處理30 min，雜交稻‘隆優(yōu)619’的有效穗數(shù)顯著增加，而常規(guī)稻‘南育紅秈’無顯著差異[27]。表明了各水稻品種對超聲波處理頻率和處理時間的敏感性存在明顯差異，研究超聲波處理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化需考慮品種間的特性，需進一步開展品種間的個性化研究。

上述結(jié)果表明，在本試驗條件下，超聲波處理提高水稻產(chǎn)量的主要原因是提高每穗穎花數(shù)，而不是有效穗數(shù)、結(jié)實率、千粒重和庫容量。每穗穎花數(shù)的提高可能與穎花分化期細胞分裂素和生長素含量有關(guān)[28-29]，超聲波種子處理是否能提高水稻揚花期細胞分裂素和生長素的含量，有待考究。

3.2 超聲波處理對稻米品質(zhì)的影響

有研究報道，超聲波處理能夠提高稻米的糙米率、精米率和整精米率等加工品質(zhì)，通過降低堊白粒率和堊白度而提高稻米的外觀品質(zhì)，通過提高膠稠度，降低直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量而提高稻米的蒸煮品質(zhì)[6]。聶俊等[11]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可提高稻米的精米率和整精米率，同時顯著降低水稻的堊白粒率和堊白度，從而改善水稻的碾米和外觀品質(zhì)。黎國喜等[8]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理顯著降低‘桂香占’的堊白粒率，增加其膠稠度，但‘培雜泰豐’的堊白粒率和膠稠度均無顯著變化。本試驗結(jié)果表明，超聲波種子處理的稻米的膠稠度、直鏈淀粉（蒸煮品質(zhì)）、蛋白質(zhì)含量（營養(yǎng)品質(zhì)）顯著增加（表3），其它品質(zhì)性狀都無明顯變化，表明了在本試驗條件下，超聲波處理主要是對稻米的蒸煮和營養(yǎng)品質(zhì)有顯著的促進作用，而對加工和外觀品質(zhì)無明顯影響，其機理可能與水稻品種特性、超聲波處理頻率和處理時間有關(guān)，有待進一步研究。

表3 超聲波種子處理對稻米品質(zhì)的影響

4 結(jié)論

在本試驗條件下，超聲波處理能夠顯著提高常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’稻谷產(chǎn)量。其提高稻谷產(chǎn)量的主要原因是增加水稻的每穗穎花數(shù)。其次，超聲波處理在稻米膠稠度、直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量等方面有顯著的促進作用，其它稻米品質(zhì)指標(biāo)無顯著變化。本研究開展的超聲波種子處理對水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響，將為超聲波處理技術(shù)在水稻提質(zhì)增效中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。