優良食味米胚乳淀粉粒顯微結構初步研究

殷春淵，王書玉*，劉賀梅，孫建權，胡秀明，王和樂，張金霞，張倩倩，田芳慧，馬朝陽，劉經緯，張瑞平，李習軍，張 栩

（新鄉市農業科學院，河南 新鄉 453002）

淀粉是水稻籽粒中含量最多的物質，也是影響稻米品質的重要因素。淀粉顆粒的形態結構以及其中各種物質成分的累積分布特點和形態是食味米品質形成的基礎。通過解剖顯微鏡觀察胚乳淀粉顆粒的結構將有可能了解稻米品質差異的直接原因。關于稻米胚乳的顯微結構觀察國內外學者很早就做過相關研究，長戶一雄等[1，2],范燕萍等[3，4]曾先后用光學顯微鏡方法研究了稻米胚乳細胞與堊白的關系；陸彥等[5]研究了稻米透明度與胚乳淀粉粒排列緊密度的關系；梁敬焜、瞿波等[6-8]借助掃描電子顯微鏡技術，從結構上對稻米品質研究表明，胚乳細胞的大小、數量以及細胞斷裂所顯露的狀態等與稻米品質性狀(如堊白)密切相關，胚乳中的淀粉粒形態和大小在不同品質水平的品種間存在較大差異[9]。胡群[10]對不同氮素穗肥施用時期對稻米淀粉結構的影響研究表明，穗肥施用時期越早，大顆粒越多，隨著穗肥施用時期的推遲，淀粉小顆粒和中等顆粒的淀粉含量呈上升趨勢，大顆粒淀粉含量逐漸下降，大小顆粒含量不同進而影響稻米直鏈淀粉含量。綜上研究表明，關于稻米淀粉結構與品質的關系研究大多涉及稻米外觀品質的堊白、透明度等相關品質性狀，而關于稻米食味品質與淀粉解剖性狀的關系研究則鮮見報道。本研究以食味品質相對優良的常規粳稻品種為材料，在籽粒灌漿不同時段，采用生物顯微鏡技術觀察籽粒胚乳淀粉粒結構的動態變化，研究不同食味值稻米淀粉粒的結構差異，旨在探索不同食味米食味品質差異的物理基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用近幾年培育的優良食味米品種新稻89、新科稻31 為試驗材料。

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，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），2～3 本苗/穴栽插。肥料運籌為氮素基肥∶分蘗肥∶穗肥=2.5∶2.5∶5，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 葉露尖時兩次等量施入，磷肥（五氧化二磷）和鉀肥（氧化鉀）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 測定內容與方法

1.3.1 淀粉顆粒解剖結構觀察 于籽粒灌漿初期、灌漿中期和灌漿末期進行不同處理稻穗取樣，每個樣品分別取強弱勢粒2 粒，剝去穎殼，混在一起。前期籽粒較嫩用手擠出胚乳，搗碎，灌漿中后期籽粒較硬用研缽磨成粉末狀，將搗碎或磨碎的胚乳淀粉置于載玻片上，滴入1～2 滴番紅指示劑，剛好浸沒淀粉，染色約5 min，蓋上蓋玻片，置于生物顯微鏡上進行觀察。

1.3.2 稻米食味品質的測定 用JSWL 200 米粒食味計（北京東孚久恒儀器技術有限公司）測定稻米的食味品質。先把整精米裝入測定杯中，體積為250 mL；把杯中米倒入測量盒測定稻米直鏈淀粉含量、蛋白質含量和食味值，一個樣品重復測定3次取平均值。

2 結果與分析

2.1 優良食味米品種在不同氮肥處理下的食味值

表1 表明，兩品種在不同氮肥處理下食味值變化規律基本相同，均表現為隨著施氮量的增加稻米食味值下降。不施氮處理稻米食味值最高，其中新稻89 在N0 處理下高達87 分，其他三處理值相對較低；新科稻31 在N0 處理下食味值為81分，其他三處理則在80 分以下。說明隨著氮肥施用量的增加稻米食味有降低的趨勢。

表1 水稻不同處理下稻米食味值

2.2 優良食味米胚乳淀粉顆粒顯微結構動態變化

對水稻籽粒灌漿過程中籽粒胚乳淀粉結構進行動態顯微解剖結構觀察，明確不同灌漿時期淀粉粒結構的動態變化。由于同一灌漿時期各處理下淀粉顆粒形態結構大致相同，以N1 處理為例觀察兩品種在不同灌漿時段淀粉顆粒的動態變化，結果見圖1～3。從圖1～3 中可以看出，籽粒灌漿初期，胚乳淀粉顆粒普遍較小，中小顆粒占較大比例，形態大多呈圓球形或多邊體形，顆粒間排列較緊密，零星的大顆粒多以不規則的多邊體形或梭形呈現，顆粒間分布較稀疏，且大小顆粒基本均以單粒形式存在。灌漿中期，大顆粒比例明顯增多，呈不規則形狀分布，體積逐漸增大，大小顆粒有明顯分層現象。成熟期，淀粉顆粒大小逐漸趨于一致，無明顯分層現象，顆粒大小整體表現較均勻一致，大多呈多邊體形或球形分布，顆粒間排列不規則，疏密兼有，顆粒以單粒和團狀復粒形式存在。說明籽粒成熟的過程也是淀粉顆粒逐漸增大和大小顆粒排列分布不斷優化的過程。

圖1 灌漿初期籽粒胚乳淀粉顆粒結構

圖2 灌漿中期籽粒胚乳淀粉顆粒結構

圖3 成熟期籽粒胚乳淀粉顆粒結構

2.3 不同食味值大米胚乳淀粉顆粒顯微結構差異

圖4 為兩品種成熟期不同食味值下水稻籽粒淀粉顆粒解剖顯微結構，從淀粉粒形態結構可以看出，食味值高的籽粒淀粉顆粒多以團狀復粒形式存在，且其復粒中的單粒呈多棱角多面體，淀粉顆粒排列較為緊密；而食味值相對低的籽粒淀粉顆粒多以單粒形式存在，籽粒淀粉顆粒大小不均，且其單粒大多為近圓形，單粒淀粉粒間排列較疏松，有明顯的空隙，復粒相對較少。這說明，食味值較高，口感較好的大米，籽粒淀粉粒顆粒分布較緊密，顆粒大多以團狀的復粒存在，這可能是食味值高口感好的大米粘性高的原因之一。

圖4 不同食味值水稻胚乳淀粉粒結構差異

3 結論

近年來隨著人民物質生活水平的提高，人們對于稻米食味品質的追求也越來越高。如何有效地改良稻米品質，已經成為水稻育種和栽培生產的一個重要課題[11-14]。水稻主要成分是胚乳，胚乳主要成分是淀粉，淀粉除了其類型和含量不同影響稻米品質外，其內部淀粉粒的結構形態是否影響稻米品質亦有相關研究[5-7]，但由于水稻胚乳淀粉粒較小，其外部形態已有大量研究，內部結構由于解剖困難而研究相對較少。有先后利用共焦激光掃描顯微鏡對淀粉粒進行整體光學切片成像觀察和采用透射電鏡制樣技術制成半薄切片進行掃描電鏡觀察等[15]，這對研究水稻淀粉粒的內部結構有極大的幫助，但操作方法和技術難度較高，成本也較高，難以普遍應用。而且通過這種技術對淀粉粒的研究只是局限于淀粉粒內部結構形態觀察研究，而這些形態結構與稻米品質關系的研究則相對較少[1-4]。本研究是利用生物顯微技術，進行鮮樣采集來觀察胚乳淀粉粒結構，操作相對簡單，觀察比較直觀。在觀察淀粉粒形態結構的基礎上，明確了淀粉粒結構的動態變化及其與稻米食味品質的關系。結果表明，在籽粒灌漿期，籽粒胚乳淀粉粒結構是不斷變化的，隨著灌漿時期的延長，淀粉顆粒逐漸由小增大，中間有明顯分層現象，直到成熟期大小顆粒基本均勻一致，無明顯分層現象。相對于低食味值大米，高食味值大米淀粉顆粒多以復粒形態存在，顆粒間分布較緊密，空隙小，這可能是高食味值大米口感好粘性大的原因之一。由于本研究只是初步探索淀粉粒顯微結構與食味品質的關系，僅局限于胚乳淀粉粒結構簡單的定性觀察，關于稻米胚乳淀粉顆粒性狀與米質性狀是否存在量的關系？具體衡量標準是什么？在對淀粉顆粒進行觀察時是否存在非淀粉物質的干擾等等，都有待于進一步深入研究。