結實期不同時段低溫對寒地粳稻品質的影響

楊傳銘,胡聰聰,孫顯龍,孫士鑫,李紅宇,范名宇

(黑龍江八一農墾大學農學院/黑龍江省現(xiàn)代農業(yè)栽培技術與作物種質改良重點實驗室,黑龍江 大慶 163000)

近年來隨著農業(yè)供給側結構性改革及政策引導和技術進步,我國水稻的有效供給出現(xiàn)了新的變化,水稻高產目標已基本實現(xiàn),人們對主食的需求逐漸向“少而精”的方向發(fā)展,呈現(xiàn)出由數(shù)量型向品質型轉變的趨勢。東北地區(qū)水稻產量高、品質優(yōu)良,是我國重要的粳稻產區(qū)之一,其中黑龍江省是我國最大的優(yōu)質粳稻主產區(qū),被譽為國家糧食安全的“壓艙石”,但黑龍江省屬寒地稻作區(qū),低溫冷害是該地區(qū)水稻生產的主要限制因素。

水稻生長發(fā)育的整個時期都可能發(fā)生低溫冷害,冷害發(fā)生的時期不同,對水稻的影響也不同。灌漿結實期是水稻產量和品質形成的關鍵時期,此時溫度是影響稻米品質最重要的因素之一[1]。灌漿期低溫影響水稻光合作用以及光合產物的運輸,導致籽粒不完全成熟,籽粒飽滿度降低和稻米品質下降[2]。籽粒堊白受結實期溫度的影響尤為明顯[3],低溫使胚乳細胞分裂受阻,淀粉體體積減少而產生堊白[4]。花后各時段低溫對外觀品質的影響因品種和處理時間而異,在抽穗后第二周和第三周分別進行低溫處理,秈稻品種的堊白粒和堊白面積分別呈現(xiàn)降低和升高趨勢,食味品質好的品種受影響程度更為顯著[5]。受結實期低溫處理后,中熟軟粳稻的堊白粒率和堊白度呈現(xiàn)降低的趨勢,但晚熟軟粳稻和晚熟硬粳稻先降低后增加[6]。稻米蛋白質含量受環(huán)境因素影響較大,有研究指出灌漿結實期低溫脅迫后稻米蛋白質含量增加[7-9];也有研究指出低溫降低了蛋白質含量[10-11]。黃金英等[12]認為灌漿成熟期溫度時段分布對蛋白質及其4種組分含量的影響因品種本身蛋白質含量的不同而存在差異。結實期作為籽粒淀粉積累的關鍵時期,此時低溫降低了峰值黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值,消減值升高[11],但是不同品種的RVA 譜特征值對溫度的敏感性也不同[8]。結實期低溫提高了稻米的硬度,降低了黏性和膠稠度,最終降低了稻米的適口性[11]。

目前針對結實期低溫對稻米品質影響的研究已取得一定進展,但是結實期不同的處理時間以及處理強度對不同水稻品種的影響存在差異。因此本研究以黑龍江省第一和第二積溫帶主栽粳稻品種為試材,結合黑龍江省低溫冷害發(fā)生現(xiàn)狀,研究結實期低溫對寒地粳稻品質的影響,為寒地粳稻優(yōu)質豐產提供理論依據(jù),為實現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”的目標提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年3—12月在黑龍江八一農墾大學盆栽場和人工玻璃溫室進行。本研究以黑龍江省第一和第二積溫帶主栽的8份粳稻品種作為試材,采用二因素完全隨機試驗設計,A因素為品種,共8個水平(表1),B因素為低溫處理,共4個水平(表2)。極端溫度在水稻生殖生長階段隨機發(fā)生,通常持續(xù)3～7 d[13],結合前人關于寒地粳稻的研究[14-15],本試驗將17℃設置為低溫處理溫度。試驗于4月15日進行播種,5月20日將水稻苗移栽到盆缽中。設置3次重復,每次重復種植20盆,每盆4穴,每穴3苗。根據(jù)花期,每個品種開花后按照表2依次從室外盆栽場移至人工玻璃溫室進行低溫處理,溫室四面和頂部均為透明,采用智能控溫系統(tǒng)每天7∶00和19∶00調節(jié)溫室溫度,使之產生晝夜溫差,同時采用溫濕度計(TH40G-E)監(jiān)測溫度和濕度。溫室處理7 d后將盆栽依次移至室外盆栽場。對照一直放置室外盆栽場,對照與處理的水肥等管理保持一致。利用小氣候自動觀測系統(tǒng)(RR-9100)記錄2019年7—8月日平均溫度和光合有效輻射,如圖1所示。

圖1 2019年7—8月土壤溫度及光合有效輻射Fig.1 Soil temperature and photosynthetically active radiation from July to August in 2019

表1 8份粳稻品種特性Table 1 Characteristics of eight varieties of japonica rice

表2 花后不同時段平均溫度設置Table 2 Average temperature setting of different periods after anthesis

1.2 測定項目與方法

將收獲后的稻谷放置3個月,采用普通小型脫粒機進行脫粒,采用糙米機和精米機將稻谷加工成精米,采用小型粉碎機將精米磨成米粉,過80目篩待用。

1.2.1 外觀品質 采用大米外觀品質辨別儀(EM-1000,SATAKE,日本)測定外觀品質,每個樣品設定2次重復。測定指標包括堊白粒率、堊白度和長寬比。

1.2.2 營養(yǎng)品質 蛋白質含量：準確稱取2 g精米粉,利用全自動凱氏定氮儀測定含氮量,通過轉換系數(shù)(5.95)計算稻米蛋白質含量,每個樣品設置3次重復并取其平均值。蛋白組分含量：稱取0.1 g米粉于1.5 ml離心管中,加1 ml蒸餾水,于搖床上振蕩提取4 h,然后在1 0000 r·min-1條件下離心20 min,將上清液傾入帶刻度的試管中,重復提取3次,合并提取液,用改良型的Bradford試劑盒測定清蛋白含量。在提取過清蛋白的米粉沉淀中分別加5%氯化鈉溶液1 ml、70%乙醇溶液1 ml、0.2%氫氧化鈉溶液1 ml依次提取球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白,提取及測定過程同清蛋白。每個樣品設置3次重復并取其平均值。

1.2.3 蒸煮食味品質 采用米飯食味計(STA-1A,SATAKE,日本)測定稻米的蒸煮食味品質,用粳稻標準的香氣、光澤、完整性、味道、口感以及綜合評分來評價米飯的蒸煮食味品質。每個樣品重復3次。

1.2.4 淀粉黏滯性 采用快速黏度分析儀(RVA-4,Newport Scientific,澳大利亞)測定淀粉黏滯性,用Thermocli軟件進行分析。按AACC美國谷物化學協(xié)會操作規(guī)程(199561-02)標準方法進行操作。RVA譜特征值包括最高黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值、消減值、回復值、起始糊化溫度和峰值時間。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2003對數(shù)據(jù)進行整理,用DPS v7.05軟件對整理過的數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 結實期不同時段低溫對稻米外觀品質的影響

不同品種間堊白粒率、堊白度以及籽粒長寬比的差異均達到極顯著水平,堊白粒率、堊白度和長寬比的變異幅度分別為1.27%～7.09%、0.67%～4.18%和1.51%～2.09%(表3)。A2品種的外觀品質最優(yōu),A1品種的外觀品質較差。低溫處理對籽粒長寬比的影響不顯著;B2處理對堊白粒率和堊白度影響較小;B3和B4處理后,堊白粒率和堊白度較對照分別顯著提高了73.22%、81.71%和105.57%、115.85%。品種和低溫二因素互作對堊白粒率和堊白度的影響達到極顯著水平。綜合分析表明,結實期低溫處理時間越晚,對外觀品質的影響就越大。

表3 結實期低溫對稻米外觀品質的影響Table 3 Effects of low temperature on appearance quality of rice during grain filling stage

2.2 結實期不同時段低溫對稻米營養(yǎng)品質的影響

不同品種間總蛋白以及蛋白組分含量差異達到極顯著水平,蛋白質含量變異幅度為5.72%～7.05%(表4)。不同時段低溫處理均顯著提高了稻米的總蛋白含量(1.46%～2.76%)和醇溶蛋白含量(6.33%～17.47%)、顯著降低了球蛋白含量(4.55%～5.69%)。清蛋白含量對不同時段低溫處理的響應程度不同,B2處理顯著降低了清蛋白含量,B3和B4處理顯著提高了清蛋白含量;谷蛋白含量受結實期低溫影響較小。品種和低溫二因素互作對蛋白質和蛋白組分含量的影響達到極顯著水平。

表4 結實期低溫對稻米營養(yǎng)品質的影響Table 4 Effects of low temperature on rice nutritional quality during grain filling stage

2.3 結實期不同時段低溫對稻米蒸煮食味品質的影響

如表5所示,不同品種間稻米食味品質的評價指標差異均達到極顯著水平,8份材料綜合評分整體較高,A1品種為‘龍稻18’,在本研究中食味品質表現(xiàn)最優(yōu)。二因素分析表明,結實期低溫對米飯的香氣和完整性影響較小,顯著降低了稻米的光澤、味道、口感以及綜合評分。品種和低溫二因素互作對蒸煮食味品質的影響達到了極顯著水平。總體表明,結實期低溫降低了稻米的蒸煮食味品質。

表5 結實期低溫對稻米蒸煮食味品質的影響Table 5 Effects of low temperature on eating and cooking quality of rice during grain filling stage

2.4 結實期不同時段低溫對稻米RVA譜特征值的影響

不同品種間稻米RVA譜特征值的差異均達到極顯著水平(表6)。B2和B3處理顯著降低了稻米的最高黏度、熱漿黏度、崩解值、冷膠黏度以及起始糊化溫度;B2處理顯著提高了稻米的消減值、回復值以及峰值時間;B4處理對淀粉RVA特征值的影響較小。品種和低溫二因素互作對RVA譜特征值的影響達到極顯著水平。綜合分析表明,花后1～14 d低溫處理對稻米淀粉黏滯性影響較大。

表6 結實期低溫對稻米RVA譜特征值的影響Table 6 Effects of low temperature on rice RVA characteristic values during grain filling stage

2.5 稻米蒸煮食味品質與營養(yǎng)品質和RVA譜特征值的相互關系

蒸煮食味品質與其他品質間的相關分析(表7)表明,總蛋白含量除了與完整性呈極顯著正相關關系外,與光澤、味道、口感和綜合評分呈極顯著負相關關系,這與前人的研究相同,即在一定范圍內,隨著蛋白質含量的增加,食味品質呈現(xiàn)降低趨勢。蛋白組分中的清蛋白與味道呈顯著正相關關系;谷蛋白含量與香氣呈顯著負相關。最高黏度與光澤和完整性分別呈顯著的負相關和正相關關系;熱漿黏度和冷膠黏度與香氣和味道呈顯著和極顯著的負相關關系;回復值和起始糊化溫度與完整性和口感分別呈極顯著的正相關和顯著的負相關關系。

表7 蒸煮食味品質與營養(yǎng)品質和RVA譜特征值的相關性分析Table 7 Correlations of eating and cooking quality to nutritional quality and RVA characteristics

3 討 論

在全球氣候變化背景下,極端低溫天氣發(fā)生的頻率、強度和時間持續(xù)增加[16]。低溫冷害嚴重影響作物的生長發(fā)育以及產量、品質的形成,是高緯度和寒地稻作區(qū)水稻生產的主要限制因素[17]。水稻產量和品質在生殖生長階段對極端氣溫的響應存在差異,在極端低溫和高溫條件下,產量在抽穗前一周和后一周最為敏感,品質在抽穗后第二周最為敏感[5]。稻米外觀品質受遺傳和環(huán)境因素的共同影響,其中堊白是外觀品質重要的評價指標[18],其受結實期溫度的影響尤為明顯[3]。結實期低溫導致淀粉體發(fā)育異常,胚乳細胞和組織充實不良,籽粒外觀異常[19-20],堊白粒率和堊白度增大[8,21]。花后各時段低溫對外觀品質的影響因品種的秈粳屬性、生育期、食味品質優(yōu)差而異[5-6,22]。張誠信等[9]利用粳稻研究表明抽穗后8～14 d 及 15～21 d 內單一低溫、弱光脅迫提高了堊白度、堊白粒率及堊白大小,隨著處理時間段的推移影響變小。本研究表明,8份粳稻品種間外觀品質差異達到了極顯著水平,由本課題組選育的‘墾粳8’外觀品質表現(xiàn)最優(yōu)。堊白粒率和堊白度受花后1～7 d低溫處理影響較小、花后8～21 d 低溫處理后顯著提高,原因在于開花期和結實期進行低溫脅迫嚴重降低了最大和平均灌漿速率,延長了籽粒的灌漿進程[23],前期葉片中源充足,可以向庫轉運,能夠保證灌漿的進行,但是受低溫影響后,光合能力下降,物質生產減少,導致灌漿不良、籽粒充實差,進而影響籽粒外觀品質。

目前關于低溫對稻米蛋白質含量影響的結論尚未統(tǒng)一,有研究指出灌漿結實期低溫脅迫后稻米蛋白質含量增加[7-9],也有研究指出低溫降低了蛋白質含量[10-11]。對開花后分段進行低溫處理研究表明,中后期低溫處理降低了稻米蛋白質含量,而前期蛋白質含量因品種不同而表現(xiàn)不同[22]。本研究表明,不同時段低溫處理顯著提高了稻米的總蛋白和醇溶蛋白含量,顯著降低了球蛋白含量,對谷蛋白含量的影響不顯著,前期處理顯著降低了清蛋白含量,但中后期處理顯著提高了清蛋白含量。不同學者研究結果不一致的原因一方面在于不同品種本身的耐冷性不同,蛋白質對低溫的響應程度也不同;另一方面在于低溫脅迫的程度以及持續(xù)時間的不同,故造成的影響也不同;還有可能是因為不同品種本身的蛋白質含量的差異,使結果也產生一定的差異。此外,稻米蛋白質主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白組成,蛋白質含量對低溫的響應以及對稻米食味品質的影響實際是由蛋白組分所決定。多數(shù)研究認為醇溶蛋白對稻米食味品質有負面影響,它不易被消化吸收,同時影響淀粉的吸水膨脹及糊化特性[24-25]。謝黎虹等[26]認為谷蛋白營養(yǎng)價值高,容易被人體吸收與消化,屬于營養(yǎng)優(yōu)質蛋白,且對稻米品質影響相對較小。但也有學者研究發(fā)現(xiàn),谷蛋白含量過高對稻米食味品質也有一定的負作用[27],而且在秈稻中表現(xiàn)更為明顯[28]。因此,未來我們需要根據(jù)品種本身的基因型、蛋白質和蛋白組分含量差異,深入剖析低溫對稻米營養(yǎng)品質的影響。

淀粉是稻米重要的組成成分,分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。結實期是籽粒淀粉積累的關鍵時期,此時溫度是影響淀粉形成積累和胚乳淀粉特性的最重要的因素之一[29]。稻米RVA譜特征值與蒸煮食味品質關系密切,崩解值的大小直接反映米飯的軟硬,消減值與米飯冷卻后的質地相關,食味較優(yōu)的品種一般具有較大的崩解值和較小的消減值和回復值[30]。不同品種的RVA譜特征值對結實期溫度的敏感性也不同[8],結實期低溫對食味品質優(yōu)的品種影響程度高于食味差的品種[5]。較多研究表明,結實期低溫降低了峰值黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值、糊化溫度,消減值升高[11,22]。本研究結果與前人基本相同,花后1～14 d低溫處理顯著降低了稻米的最高黏度、熱漿黏度、崩解值、冷膠黏度以及起始糊化溫度;花后1～7 d處理顯著提高了稻米的消減值、回復值以及峰值時間;花后15～21 d處理對淀粉RVA特征值的影響較小。張誠信等[9]研究發(fā)現(xiàn)抽穗后21 d內的低溫弱光復合脅迫及單一脅迫對稻米 RVA 譜特征值的影響大于其他階段,穗后21 d是籽粒灌漿及品質形成的關鍵時期,從RVA譜特征值看,這時期遭遇復合脅迫降低了食味品質。水稻開花后前期低溫對稻米加工品質影響最大,而中、后期低溫對外觀品質、蒸煮食味品質和營養(yǎng)品質影響最大[22]。灌漿期冷水脅迫[31]以及低溫處理[32]均降低了稻米食味品質,即花后溫度降低,稻米食味品質變差[8-9,11]。本研究發(fā)現(xiàn)不同時段低溫處理顯著降低了稻米的光澤、味道、口感以及綜合評分,對香氣和完整性的影響不顯著。

淀粉占稻米重量的80%左右,其含量和結構對稻米質地發(fā)揮重要作用[33-34]。直鏈淀粉含量與米飯硬度呈正相關,與黏度和食味值呈負相關[35]。研究表明,直鏈淀粉含量相似的品種之間米飯質地尤其是口感出現(xiàn)的明顯差異是由支鏈淀粉的精細結構差異所引起的[36]。支鏈淀粉長鏈多且短鏈少的水稻品種,其米飯質地較硬,反之米飯質地較軟[37]。結實期不同時段低溫對寒地粳稻淀粉含量和微觀結構的影響如何?這是我們正在研究的內容。

4 結 論

不同品種間各品質指標的差異均達極顯著水平,‘墾粳8’外觀品質最優(yōu),‘龍稻18’蛋白質含量最低,食味品質最佳。結實期低溫對稻米外觀品質影響最為顯著,花后8～21 d低溫處理顯著降低了稻米的外觀品質。低溫處理顯著提高了稻米的總蛋白含量和醇溶蛋白含量,顯著降低了球蛋白含量,清蛋白含量對不同時段低溫響應不同。花后1～14 d處理顯著降低了稻米的最高黏度、熱漿黏度、崩解值、冷膠黏度以及起始糊化溫度;花后1～7 d處理顯著提高了稻米的消減值、回復值以及峰值時間。結實期低溫通過提高蛋白含量和改變RVA譜特征值進而降低了稻米的蒸煮食味品質。