養分和水分管理對稻米香味影響的研究進展

成大宇 劉 昆 高 捷 張杏雨 顧 希 劉立軍

（揚州大學農學院/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心，225009，江蘇揚州）

水稻是我國最重要的糧食作物之一，隨著人們生活水平的提高，稻米品質受到越來越多的關注[1]。稻米香味是稻米蒸煮食味品質的重要組成部分，具有優良香味的稻米在食用價值高的同時，也擁有很高的經濟價值[2]。稻米香味物質含量不僅受水稻自身遺傳物質的調控，同時也受到栽培環境、養分和水分管理等因素的影響[3-4]。各養分和水分管理措施可以通過促進香味物質前體的合成并上調相關酶的活性，進而提升稻米香味[5]。因此，通過調節養分和水分管理措施改善稻米香味對提高稻米的蒸煮食味品質具有重要意義。20世紀 80年代，Buttery等[6]首次報道構成稻米香味的主要物質為2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），以此為突破口，學者對稻米香味進行了廣泛研究，并在2-AP合成路徑、相關調控基因和栽培環境與措施的影響等方面取得了一定的研究成果[7-8]。本文綜述了稻米香味物質的形成機理，重點闡述了養分和水分管理措施對稻米香味的影響，并提出未來稻米香味研究的重點與方向，為我國稻米的增香栽培技術提供理論與實踐依據。

1 稻米香味形成機理及研究方法

1.1 稻米香味類型以及相關化學物質

稻米香味一般可分為紫羅蘭型、露兜樹香型、山核桃型、茉莉花型、萵苣筍型、烤面包型、爆玉米花香型和巴斯馬蒂型等香型。自20世紀80年代開始，學者對稻米香味物質進行了廣泛研究，隨著檢測技術的不斷進步，對構成米香化學物質的了解逐漸深入。已有研究[3]發現，米香構成物質種類十分豐富，包括醛類、酮類、酯類、酸類、醇類、烯醇類、烴類、芳烴類和雜環化合物在內的多種有機物均能對稻米香味的生成產生影響。在上述物質中，2-AP被認為是產生稻米香味的主要成分[9]。

1.2 稻米香味物質2-AP形成機理

2-AP的合成路線已被探明，如圖1所示，2-AP是以脯氨酸（Pro）為氮源，Pro在脯氨酸脫氫酶（PDH）的催化作用下形成吡咯啉-5-羧酸（P5C），再經吡咯啉-5-羧酸脫羧酶（P5CR）催化下脫羧基形成 1-吡咯啉，最終結合碳代謝提供的乙酰輔酶A在吡咯啉乙酰基轉移酶作用下形成香氣物質2-AP[10]，谷氨酸（Glu）亦能通過吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）的催化，轉化為P5C，參與2-AP的合成。游離Pro、PDH和總游離氨基酸是影響2-AP合成的主要因子[11]。通過增強脯氨酸合成關鍵酶（PDH、P5CS和鳥氨酸轉氨酶）的活性能夠上調前體物質的合成速率[1]，從而提高2-AP的含量[12-13]。

圖1 2-AP合成路線Fig.1 2-AP synthetic route

早期研究[14]認為，2-AP僅在稻米蒸煮時通過美拉德反應產生，稻米中游離的氨基化合物和還原糖或羰基化合物在常溫或加熱時會發生聚合和縮合等反應，隨之產生構成香味的還原酮、醛和雜環化合物。進一步研究[12]發現，2-AP在水稻植株中合成，并在大多數水稻組織中都可檢測到。成熟籽粒中2-AP的積累可能存在2種機制，一種認為2-AP在葉片和莖鞘中合成，隨后運輸到成熟籽粒中；另一種則認為Pro從葉片向籽粒轉運，并在籽粒中合成 2-AP[5]。Hinge等[15]認為，成熟稻米中的 2-AP含量最高，而此時期籽粒中的Pro含量比其他生育階段要少，籽粒2-AP積累更有可能是通過第1種機制完成。

1.3 稻米香味研究方法

隨著檢測技術的不斷發展，對稻米香味的研究手段也有長足進步。研究稻米香味較為典型的方法有咀嚼法、氫氧化鉀法、香味指數法和氣相色譜儀檢測方法等。

咀嚼法操作簡單，并最早被采用，其技術要點為咀嚼采自單株上稻米進行香味評價，這種方法主要用于稻米樣品的初步檢測。氫氧化鉀法[2]是在氫氧化鉀溶液中浸泡稻粒和植株，選擇多個鑒定者對不同分組的水稻樣品進行香味的嗅覺鑒定。該檢測方法操作方便快捷，能夠有效地避免葉綠素等物質對水稻香味檢測的干擾，使得香味檢測相對精確。

咀嚼法、氫氧化鉀法和香味指數法等主要依靠感官檢測稻米香味，難以進行精確定量分析。Buttery等[9]利用氣―質聯用法成功分析出了產生稻米香味的主要物質，該方法精確度高，是目前普遍采用的檢測方法，氣相色譜儀擁有十分出色的分離效果，適用于分析香味揮發物質，而質譜儀可以很好地對未知物質進行檢測，與先前各方法相比具有不可替代的優點[16]。

2 養分管理對稻米香味的影響

養分管理是水稻生產過程中最重要的管理措施之一。明確養分管理措施對稻米香味的影響對增香栽培措施的深入研究具有重要意義。

2.1 氮肥管理對稻米香味的影響

氮元素是水稻生長的必需元素[17]。施用氮肥是水稻生產過程中最重要的栽培措施之一，氮肥的施用不僅影響稻米的產量，還會對包括稻米香味在內的品質性狀產生重要影響[18-19]。目前關于施氮量和施氮時間對稻米香味影響的研究均已取得了一定的進展。

2.1.1 施氮量 施氮量對稻米品質產生較大的影響[20]，亦能影響水稻植株中2-AP含量。研究[21]表明，各香稻產地土壤中全氮含量均高于其他產區。土壤中全氮含量越高，稻米中游離Pro含量越高，故籽粒香氣越濃郁[22]。

Mo等[22]觀察到，與120kg/hm2施氮量相比，180kg/hm2施氮量可以提高糙米的2-AP含量。在施氮量90～150kg/hm2范圍內，增加施氮量可以促進籽粒中2-AP的合成與積累，但是不同品種受施氮量影響的程度有較大差異，最佳施氮量因品種不同而存在明顯差別[23]。鐘群等[24]認為，增施氮肥雖對不同品種糙米的2-AP增加幅度有較大差異，但總體來說能夠提升其2-AP含量。田華等[25]也得出了類似的結論，認為在高施氮量處理下，水稻籽粒中2-AP含量明顯提高。其原因主要是高氮處理下，莖鞘和根中的P5C含量、莖鞘中的鳥氨酸轉氨酶活性以及根中游離 Pro含量上升，促進了籽粒中 2-AP的積累[23]。但也有研究[26]認為，施氮對稻米的香氣有不利影響，氮含量與籽粒香氣含量呈負相關關系，即施氮量增加會導致米的香味下降，但未對其機制進行深入分析。

2.1.2 施氮時期 在不同時期增施氮肥均可有效提高稻米香味水平。調控水稻中 Pro合成過程的決定因素是土壤中無機氮（NO3-、NH4+）的含量，而Pro的積累是水稻籽粒合成2-AP的必需過程[10,27-28]。因此各時期增施氮肥能夠增加Pro含量，促進2-AP的合成與積累。

分蘗期施用氮肥，水稻籽粒中2-AP含量顯著增加[29]。Ren等[30]認為，分蘗期增施氮肥提升稻米香味主要是依靠促進2-AP前體物質Pro的積累，在該處理下，葉片中2-AP含量降低，籽粒中Pro與2-AP含量得到提升，稻米的香味增加。Mo等[22-23]認為，孕穗期增施氮肥能提高供試水稻品種籽粒的2-AP含量，該處理下葉片中的2-AP含量顯著提高，籽粒中的P5C含量也有所提高，從而促進米香物質2-AP的產生。灌漿期對稻米香味有較強的影響，此時期增施氮肥可以促進2-AP的合成。田華等[25]報道，與不施粒肥相比，增施粒肥處理使香稻的糙米香氣量顯著增加。還有研究[24]發現，葉片和籽粒中Pro含量隨粒肥的施用而上升，葉片與籽粒中的脯氨酸氧化酶含量雖有所降低，但對2-AP的合成沒有產生明顯的影響，籽粒中2-AP含量依然增加。

綜上所述，在水稻不同生育期增施氮肥均能有效提升稻米香氣水平，但具體的機制尚存在一定爭議。施氮時期對脯氨酸氧化酶、P5CS和鳥氨酸轉氨酶等關鍵酶活性影響暫無明確結論。

2.1.3 氮肥種類 水稻生產中常見的氮肥主要包括尿素、碳酸氫銨和復合氮肥等[31]。尿素是農業生產中使用量較大的一種中性化學氮肥，也是含氮量最高的氮肥。研究[25]表明，與不施氮肥相比，施用尿素可以有效增加稻米的香氣。李艷紅等[29]也得出了類似的結論。莫釗文等[32]的研究結果顯示，與含氮量15%的復合肥處理相比，碳酸氫銨處理水稻葉片具有較高的 PDH、P5CS、鳥氨酸轉氨酶活性和P5C含量，從而提高了其籽粒中2-AP的含量。無機氮肥與有機肥混合施用也能夠有效提升稻米香味，其原因在于無機氮肥與有機肥混合施用能提高葉片與籽粒中游離Pro含量與脯氨酸氧化酶活性，促進籽粒2-AP的合成與積累，且籽粒中2-AP含量高于僅施無機肥[33]。除了上述氮肥外，水稻生產中還會施用氮化銨、硫酸銨和磷酸銨等氮肥，但由于這些氮肥應用較少，它們對稻米香味的影響研究也相對較少，未來可根據需要加強這方面的研究。

2.2 其他肥料對稻米香味的影響

2.2.1 磷鉀肥 磷肥與鉀肥是養分管理中重要的肥料。磷肥對米香的影響尚未進行深入研究。增施鉀肥能夠使糙米2-AP含量得到明顯提升，因為施用鉀肥能提高水稻葉片和籽粒中的Pro含量及PDH活性[34-35]。葉片與籽粒中Pro含量的增加為籽粒2-AP的合成提供了充足底物，而PDH活性的提高保證了底物Pro合成2-AP的高效性。

2.2.2 微量元素肥料 早期對稻米香味的研究[21,36]中發現，傳統香稻產區的土壤成分與稻米香味產生有密切關系，當地香稻品種一旦離開該地區種植，香味程度便會大幅度降低。對土壤進行分析，發現土壤中的一些微量元素參與了稻米香味物質的產生過程，具有香味的稻米較普通稻米的微量元素含量更高[37]。有學者[38-39]對微量元素增香機制提出了新的觀點，認為施用微量元素肥料可能造成了一定程度的鹽脅迫，作為對植物滲透脅迫的響應，高鹽濃度水平增加了莖和葉中Pro的水平，因而有助于提高2-AP含量并增加稻米香味。因此，增施微量元素可有效促進稻米香味的產生。

增施硒肥可以改善稻米品質，因而被應用于生產中[40]。硒元素能有效提升稻米香味濃度。在抽穗期追施亞硒酸鈉促進了籽粒中Pro和P5C的積累，PDH和P5CS的活性得到提升，從而提高了莖鞘、籽粒以及葉片的2-AP含量[41-42]。適量施用鋅肥也能增加稻米香味[43]，鋅是合成 Glu不可缺少的元素，Glu是Pro的前體物質，其合成過程中需要谷氨酸脫氫酶的催化，鋅是該酶的必要組成部分[44]。因此，施用鋅肥可促進Glu的合成，從而促進Pro的產生與Pro向2-AP的轉化，最終增加稻米的香氣。也有報道[45]指出，增施鋅肥可以有效提高脯氨酸氧化酶和吡咯啉乙酰基轉移酶活性，也能促進2-AP的合成過程。水稻有較強的吸硅能力，施硅提高了葉片和籽粒中Pro含量和PDH活性，隨著前體物質含量的升高與相關酶活性的提升，2-AP含量也得到提高[46-47]。此外，鐵、鑭肥基施或噴施處理均能不同程度提高水稻劍葉的Pro含量，促進水稻灌漿前、中期劍葉Pro的合成，利于Pro向籽粒中轉運，從而提升籽粒2-AP的合成與積累[33,43,48]。

綜上，包括鉀、硒、硅、鋅、鐵、鑭在內的多種元素參與了2-AP的合成過程，施用上述各類肥料可不同程度提高稻米香味。這些元素的施用對稻米香味影響的機制有待探明。

3 水分管理對稻米香味的影響

水稻作為一種喜水性作物，在整個種植周期中需要大量的水分，但各個生育階段對水的需求差別很大[49]。因此根據各生育期需水特點，有針對性地實行不同水分管理方法，是生產過程中的重要栽培措施[50]。水稻需水包括生理需水和生態需水，在常規灌溉條件下，水稻生態需水遠大于生理需水，加之全球氣候變化與環境污染加重，導致可用于水田灌溉的淡水嚴重匱乏[51]。故進行節水灌溉對我國水稻生產和水資源高效利用具有十分重要的意義。土壤適度落干對水稻香味物質的產生有重要影響，2-AP前體物質Pro的積累被認為是植物應對逆境脅迫的主要機制，脅迫下水稻植株的根、葉和籽粒積累游離 Pro，促進 2-AP的合成[52]，該增香機制與Badh2基因的表達有關，Badh2調控了水稻對水分脅迫的耐受性，影響Pro的合成速率，從而控制了2-AP的合成過程[53-54]。目前針對水分管理對米香影響的研究主要集中于節水灌溉方面，現對3種主要節水灌溉技術進行綜述。

3.1 控制灌溉

控制灌溉是指在稻苗移栽返青后的各個生育階段，田面不再建立水層，以根層土壤水分作為控制指標，確定灌水時間和灌水定額，土壤水分控制上限為飽和含水率，下限則根據水稻不同生育階段，取土壤飽和含水率的60%～80%進行水分控制[55]。此方面已經進行了較多試驗，田卡等[56]認為，灌漿成熟期水分管理對水稻糙米香氣有一定影響，水稻灌漿階段控制土壤水勢能顯著增加灌漿中期劍葉和籽粒的Pro含量，提高灌漿前期和后期籽粒超氧化物歧化酶與脯氨酸氧化酶的活性，使得2-AP前體物質游離Pro含量增加，促進香味物質2-AP的積累。李艷紅等[57]也得到了類似的結果。田華等[25]發現，在齊穗期對土壤水勢進行控制，水稻籽粒的2-AP含量得到提升，但是不同水稻品種籽粒的香氣提高程度不同。因此，有關控制灌溉對稻米香味的響應機制仍需進行深入研究。

3.2 干濕交替灌溉

干濕交替灌溉技術是一種被廣泛應用的節水灌溉技術，具有顯著的節水效果[58]。該灌溉方式的技術特點是在水稻的生育過程中，在一段時間內保持田間水層，然后自然落干一段時間，再復水，再落干，多次循環。目前在各主要水稻生產國得到廣泛應用。Bao等[59]認為，干濕交替灌溉通過上調PDH、P5CS和二胺氧化酶的活性，從而增強2-AP生物合成，而γ-氨基丁酸含量的下降表明Badh2基因受到了抑制。黃忠林等[33]發現，干濕交替灌溉顯著提高了齊穗后劍葉和籽粒游離Pro含量和脯氨酸氧化酶活性，從而使糙米和精米的香味上升。王培等[60]研究表明，分蘗期土壤水勢維持在（-20±5）～0kPa時，能夠提高香稻葉片、莖鞘和籽粒的脯氨酸氧化酶活性，使得籽粒中游離Pro含量和糙米2-AP增加。Li等[61]認為，分蘗期進行干濕交替灌溉，提升了稻米中P5C含量和P5CS的活性，從而促進了籽粒2-AP的合成。孕穗期土壤水勢維持在（-20±5）～0kPa時，糙米的香氣含量顯著增加，游離 Pro含量、成熟期葉片和籽粒的脯氨酸氧化酶活性也有一定的提升[62]。

3.3 濕潤灌溉

濕潤灌溉也是一種廣為應用的節水灌溉方式，其技術要點在于除在水稻返青期保持淺水層外，其余各時期僅滿足水稻生長發育水分供應即可，濕潤灌溉對水稻的產量及品質均有一定的影響[63-64]。有關濕潤灌溉對米香影響的研究較少且結論不同，田卡等[56]認為濕潤灌溉方式對稻米香味的影響可能存在一定負面作用，因為劍葉中游離Pro含量、籽粒脯氨酸氧化酶活性以及糙米2-AP含量均出現一定下降。但亦有研究[57]表明，濕潤灌溉對糙米2-AP的合成有促進作用。

4 研究展望

目前，大量試驗已經探明了稻米香味的合成路徑、調控基因以及適宜的栽培條件，關于各類養分和水分管理措施影響稻米香味物質合成的研究已經取得了一定的進展。但是，稻米香味物質的種類與合成過程十分復雜，不同栽培環境以及水稻品種對香氣物質的影響也存在差異，因此關于稻米香味的研究仍有很大空間。未來的研究應從以下幾個方面進行。

4.1 加強節水灌溉與養分管理互作對稻米香味形成機理的研究

養分和水分管理均對稻米的香味物質合成路徑有十分明顯的影響。但是，目前對稻米香味的研究多是針對水分管理或者肥料管理等單因素作用的，而對節水灌溉與養分管理互作的研究較少。并且香味物質合成路徑中的各關鍵酶與前體物質對最終物質產生的調控水平也尚不明確，不同研究者得出的結論不一致。此外，已經有大量報道證實各類水稻增香栽培措施能夠有效提升稻米香味水平，但是現有研究大多著眼于收獲后稻米的香味物質含量，而在合成路徑上的研究較為缺乏。因此，需要深入水氮互作對稻米香味物質合成的研究，為水稻增香栽培提供理論與實踐依據。

4.2 深入緩控釋肥對稻米香味影響的研究

緩控釋肥能夠有效提高肥料利用率，減少養分流失，近年來被廣泛應用于水稻生產中。以往對水稻緩控釋肥的研究多集中于其施用量和施用方法對水稻產量、氮肥利用效率和常規稻米品質的影響方面，而對稻米香味影響的研究較少。因此，深入緩控釋肥對稻米香味的研究，開發以增香為目的的專用緩控釋肥，對完善水稻增香栽培技術具有積極作用。

4.3 進一步探究水稻品種間香味物質合成差異的機制

米香在不同水稻品種間存在廣泛差異。大量研究發現，水分和養分管理措施對不同水稻品種米香的影響有較大差異，2-AP合成過程中各環節關鍵酶活性所受影響的程度不一，故難以保證增香栽培效果的穩定高效。因此，深入探究不同水稻品種的香味物質差異及其機制，并建立與之配套的養分和水分管理技術，對進一步探明稻米香味產生機制和因種增香栽培技術有重要意義。