香稻胚乳的堊白性狀研究及掃描電鏡觀察

彭波 龐瑞華 孫艷芳 耿樂萍 宋曉華 李慧龍 周棋贏 孔冬艷 田夏雨 宋世枝

摘要：【目的】研究不同香稻品種堊白性狀與胚乳細胞和淀粉粒的形狀結(jié)構(gòu)、排列方式及發(fā)育情況的關(guān)系，為進一步研究香稻堊白性狀的形成機理及培育優(yōu)良品質(zhì)的香稻新品種打下基礎(chǔ)?！痉椒ā客ㄟ^田間試驗，調(diào)查11個香稻品種的堊白粒率、堊白面積和堊白度，并對香稻品種胚乳細胞及淀粉粒進行電鏡觀察?！窘Y(jié)果】供試11個香稻品種間差異最明顯的堊白性狀為堊白粒率，其次是堊白面積，最小的是堊白度，堊白粒率和堊白度成正比，堊白粒率越高則堊白度越高。不同香稻品種稻米胚乳細胞的排列方式、形態(tài)及其橫斷面淀粉粒的分布存在明顯差異，其與堊白性狀的形成存在一定關(guān)聯(lián)，根據(jù)稻米胚乳中堊白形成的位置不同，可將堊白性狀分為腹白、心白和背白3種堊白亞類。同一香稻品種，堊白米與無堊白米在淀粉粒形狀結(jié)構(gòu)及排列方式等方面也存在明顯差異，但堊白米的透明部位和無堊白米的淀粉粒間無明顯差異，且堊白度低的部位淀粉粒發(fā)育良好?！窘Y(jié)論】香稻稻米的堊白性狀與胚乳細胞和淀粉粒的形狀結(jié)構(gòu)、排列方式及發(fā)育情況密切相關(guān)，可用于香稻稻米品質(zhì)鑒定。

關(guān)鍵詞： 香稻；堊白；胚乳；淀粉粒；電鏡掃描

中圖分類號： S511 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2016）10-1635-07

0 引言

【研究意義】水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的糧食作物之一，我國超過三分之二的人口以稻米為主食（Tian et al.，2009；Kim et al.，2013）。隨著生活水平的不斷提高，人們對高品質(zhì)稻米的需求也在不斷增加（Fitzgerald et al.，2009；Peng et al.，2014；Zhou et al.，2015）。然而，稻米品質(zhì)是一個復(fù)雜的數(shù)量性狀，由研磨加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)等組成（Liu et al.，2010； 彭波等，2016）。在這些品質(zhì)指標中，人們最注重外觀品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)（Guo et al.，2011）。稻米的外觀品質(zhì)主要包括粒長、粒寬、粒厚和堊白或透明度，其中堊白不僅影響稻米的外觀品質(zhì)，還影響稻米的研磨加工品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)（Yoshioka et al.，2007；Liu et al.，2011；Sun et al.，2015）。同時，堊白會降低稻米的整精米率進而影響其產(chǎn)量，對稻米的價格產(chǎn)生重要影響（Sun et al.，2015；Yu et al.，2015；Zhao et al.，2015）。因此，減少水稻堊白性狀是水稻育種工作的重要目標（Guo et al.，2011），對提高稻米品質(zhì)的影響具有重要意義。【前人研究進展】堊白是一個多基因控制的數(shù)量性狀（Liu et al.，2010；Guo et al.，2011；邱先進等，2015），其形成除受遺傳因素控制外，還受其他多種因素影響，如淀粉合成、淀粉顆粒結(jié)構(gòu)和排列及外界環(huán)境（包括灌漿過程中的高溫、日平均溫度、晝夜溫差、日照長短、栽培措施等）（Tamaki et al.，2006；Yu et al.，2015；Zhao et al.，2015；Zhou et al.，2015），存在加性效應(yīng)及其與環(huán)境的互作效應(yīng)（Yoshioka et al.，2007；Tsukaguchi and Lida，2008；Mei et al.，2013；Li et al.，2014）。遺傳因素是導(dǎo)致堊白形成的主要原因（Woo et al.，2008；Li et al.，2014），至今已從自然群體或突變體克隆獲得大量影響水稻堊白性狀的基因，如OsPPDKB（Kang et al.，2005）、SSIIIa（Fujita et al.，2007；Ryoo et al.，2007）、GW2（Song et al.，2007）、flo2（She et al.，2010）、GIF1（Wang et al.，2010a）、OsRab5a（Wang et al.，2010b）、Chalk5（Li et al.，2014）等。此外，堊白形成還與淀粉合成及其顆粒結(jié)構(gòu)和排列方式密切相關(guān)，如Shi等（2002）、Patindol和Wang（2003）、Zhou等（2015）研究發(fā)現(xiàn)，堊白是水稻在灌漿期胚乳淀粉顆粒和蛋白質(zhì)體的發(fā)育與充實受到影響，而導(dǎo)致淀粉顆粒排列疏松后充氣所形成的白色不透明部分；Patindol和Wang（2003）、康海岐和常紅葉（2007）研究發(fā)現(xiàn)，與無堊白的稻米相比，堊白稻米的直鏈淀粉和長鏈支鏈淀粉明顯減少，短鏈支鏈淀粉明顯增多，且整精米率和透明度也降低，進而導(dǎo)致蒸煮食味品質(zhì)和產(chǎn)量降低；Sun等（2015）、Zhou等（2015）、Chakraborty等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，香稻胚乳堊白性狀的遺傳力較低，且與淀粉的含量及結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。【本研究切入點】香稻為栽培稻特殊類型，由于香味濃郁、營養(yǎng)價值較高被視為稻米中的珍品，其價格也相對較高（Daygon et al.，2016），但堊白性狀在很大程度上降低了稻米品質(zhì)和市場價值。目前對香稻的研究主要集中在香稻的營養(yǎng)價值、香味的化學成分、鑒定方法、基因分子標記與定位等方面（陳遠孟等，2007；林光，2009），而鮮見對香稻胚乳堊白性狀形成機理的研究報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】對11個香稻品種胚乳的堊白性狀進行調(diào)查分析，并對其稻米胚乳細胞和淀粉粒進行掃描電鏡觀察，研究不同香稻品種堊白性狀的形成與胚乳細胞和淀粉粒形態(tài)結(jié)構(gòu)、排列方式及發(fā)育情況的關(guān)系，為進一步研究香稻堊白性狀形成的機理及培育品質(zhì)優(yōu)良的香稻新品種打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試材料為11個粳型香稻品種，包括河南省的7個香稻品種（香寶1號、香寶2號、農(nóng)香粳4號、農(nóng)香粳、香粳33、矮桿香稻丸和香粳1862）、江蘇省的2個香稻品種（廣陵香粳和武香粳23）、黑龍江省的1個香稻品種（白香粳）及吉林省的1個香稻品種（黑香粳193）。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 田間種植 根據(jù)11個粳型香稻品種生育期的不同，2015年分批次播種在信陽市農(nóng)業(yè)科學院同一試驗大田進行種植，確保11個香稻品種在8月下旬開花，且開花后保持灌漿期溫度一致。每個香稻品種種植2行，每行12株，株行距為16.5 cm×26.4 cm。供試材料從播種到種子成熟實行普通大田常規(guī)栽培管理，香稻種子成熟后經(jīng)自然干燥，室溫保存3個月后進行測試。

1. 2. 2 堊白性狀測定 不同香稻品種的堊白粒率、堊白面積和堊白度按照國家標準GB/T 17891-1999進行測定：每個品種隨機取100粒飽滿完整的精米，計算堊白米粒數(shù)量，重復(fù)3次，取其平均值即為堊白粒率。腹白粒率和心白粒率（未觀察到背白的米粒）按照同樣的方法進行測定。從不同香稻品種中隨機取10粒堊白米粒，估算每粒米堊白部分占整個面積的百分比，重復(fù)3次，取其平均值即為堊白面積。堊白度=堊白粒率×堊白面積。最后應(yīng)用SPSS 20.0對測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

1. 2. 3 掃描電鏡觀察 從每個香稻品種中隨機選取堊白米粒和無堊白米粒，用刀片背部在稻米中部輕敲，使其自然斷裂，然后用小刀切下斷裂部位并制成2～3 mm厚的樣品。一部分用普通光學顯微鏡觀察，另一部分用導(dǎo)電膠粘著于銅樣臺上，HUS-5GB型真空鍍膜儀對米粒斷面鍍金，然后在掃描電鏡（日立S-4800）下對米粒斷面的不同部位進行觀察并拍照。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同香稻品種的堊白性狀差異分析結(jié)果

11個香稻品種的堊白性狀統(tǒng)計結(jié)果如圖1所示，品種間差異最明顯的堊白性狀是堊白粒率，其次是堊白面積，最小的是堊白度。11個香稻品種的堊白粒率為3.3%～100.0%，其中黑香粳193的堊白粒率最高，香粳33的堊白粒率最低。11個香稻品種的堊白度在0.5%～52.0%，其變化趨勢與堊白率相似。香寶2號、香粳1862、香粳33、矮桿香稻丸等品種的堊白主要發(fā)生在其稻米的中心部位（心白）；農(nóng)香粳4號、農(nóng)香粳、廣陵香粳等品種的堊白主要發(fā)生在稻米胚乳的腹部（腹白）；香寶2號、白香粳、武香粳23和黑香粳193等品種堊白在中心部位和腹部均有發(fā)生。11個香稻品種的堊白面積為7.0%～100.0%，其變化趨勢與堊白粒率和堊白度不同：農(nóng)香粳4號和香粳33的堊白粒率較低，分別為4.0%和3.3%，但其堊白面積均超過12.0%；黑香粳193、香寶2號、矮桿香稻丸的堊白粒率均在90.0%以上，且堊白面積和堊白度也均超過50.0%。由此看出，堊白粒率和堊白度成正比，堊白粒率越高則堊白度越高。

2. 2 不同香稻品種的胚乳形態(tài)及其結(jié)構(gòu)

從11個香稻品種中選取具有代表性的精米，對其胚乳細胞的排列方式、形態(tài)及其橫斷面淀粉粒的分布進行普通光學顯微鏡和電鏡掃描觀察。根據(jù)橫斷面上的胚乳細胞排列方式，可將11個香稻品種分為四大類，第一類包括香寶2號、香粳1862、香粳33和矮桿香稻丸等以心白為主的香稻品種，其胚乳細胞從胚乳橫斷面的中部向四周呈明顯輻射狀，且輻射較長，存在較多柱狀細胞，四周有橢圓狀細胞，淀粉粒分布明顯不均勻且密度較?。▓D2-A、圖2-E）；第二類包括農(nóng)香粳和廣陵香粳等以腹白為主的香稻品種，其胚乳細胞從稻米胚乳橫斷面的中部向四周輻射狀不明顯，且輻射狀排列的胚乳細胞彎曲排列在一起，存在不規(guī)則細胞群，外周是多層多邊柱狀細胞，淀粉粒在稻米腹部和中心部位分布較多且不均勻，主要集中在背腹徑方向（圖2-B、圖2-F）；第三類包括香寶1號、武香粳23、黑香稻193和白香粳等既有心白也有腹白的香稻品種，其胚乳細胞從稻米胚乳橫斷面的中部向四周呈顯明顯輻射狀，輻射較短，存在橢圓狀細胞群，淀粉粒分布不均勻（圖2-C、圖2-G）；第四類包括農(nóng)香粳4號等堊白粒率較低或無堊白的香稻品種，胚乳細胞無輻射狀排列，多邊柱狀細胞、橢圓狀細胞和不規(guī)則細胞不明顯甚至沒有，淀粉粒均勻分布在整個橫斷面上，淀粉粒密度較大且發(fā)育很好（圖2-D、圖2-H）。綜上所述，不同香稻品種在稻米胚乳細胞的排列方式、形態(tài)及其橫斷面淀粉粒的分布存在差異，其與堊白性狀的形成存在一定關(guān)聯(lián)性。

2. 3 香稻品種堊白米和無堊白米淀粉粒的形態(tài)差異

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，11個香稻品種堊白米的堊白部位淀粉粒均呈球形或橢球形，大小不一致，直徑較小，排列無規(guī)則，間隙較大、排列疏松，且以單個淀粉粒形式存在（圖3-A、圖3-D）。對同一香稻品種堊白米的透明部位和無堊白米的淀粉粒進一步觀察，發(fā)現(xiàn)兩者無明顯差異，淀粉粒大小一致、呈菱形或等多邊形、有多面體棱角，間隙很小或無空隙，排列緊密且有規(guī)則（圖3-B、圖3-C、圖3-E、圖3-F）。上述結(jié)果表明，稻米堊白性狀的形成與淀粉粒的形狀結(jié)構(gòu)及其排列方式密切相關(guān)，且堊白度低的部位淀粉粒發(fā)育良好，反之則淀粉粒發(fā)育不良。

2. 4 不同香稻品種間堊白米不同部位淀粉粒發(fā)育差異

根據(jù)稻米胚乳中堊白形成的位置不同，可將堊白性狀細分為腹白、心白和背白3種堊白亞類。對11個香稻品種的堊白米粒腹部、中心和背部分別進行掃描電鏡顯微觀察，發(fā)現(xiàn)香寶2號、香粳1862、香粳33和矮桿香稻丸等品種胚乳中心淀粉?？障洞?，排列較疏松，淀粉粒發(fā)育較差，但胚乳腹部和背部淀粉粒發(fā)育較好（圖4-1）；農(nóng)香粳和廣陵香粳等品種胚乳腹部淀粉粒發(fā)育差，但胚乳中心和背部淀粉粒發(fā)育良好（圖4-2）；白香粳、香寶1號、武香粳23和黑香粳193等品種胚乳中心和背部淀粉粒均排列疏松，淀粉粒發(fā)育差，但背部淀粉粒發(fā)育較好（圖4-3）；農(nóng)香粳4號等品種胚乳中心、腹部和背部淀粉粒發(fā)育均很好（圖4-4）。上述結(jié)果表明，稻米堊白性狀的形成與不同部位淀粉粒的發(fā)育情況密切相關(guān)。

3 討論

3. 1 香稻堊白性狀與淀粉粒分布

堊白是重要的稻米品質(zhì)性狀，不僅影響稻米的外觀和加工品質(zhì)，還影響蒸煮食味品質(zhì)。利用掃描電鏡直接觀察稻米中淀粉粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)，可初步鑒定稻米品質(zhì)的優(yōu)劣（梁敬焜等，1996；常紅葉等，2006；康海岐和常紅葉，2007）。本研究利用掃描電鏡對11個香稻品種的胚乳進行觀察，發(fā)現(xiàn)堊白粒率和堊白度較高的香稻品種（如香寶2號、矮桿香稻丸和黑香粳193等），胚乳橫斷面上的淀粉粒明顯分布不均勻；堊白粒率和堊白度較低的香稻品種（如農(nóng)香粳4號等）的淀粉粒在胚乳的中心、腹部和背部上分布較均勻。綜合分析11個香稻品種胚乳堊白性狀與橫斷面上淀粉粒的形態(tài)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)橫斷面上淀粉粒分布較均勻的品種堊白粒率和堊白度較低，不易形成堊白性狀；橫斷面上的淀粉粒分布不均勻，間隙大，排列較疏松，淀粉粒發(fā)育不良的品種堊白粒率和堊白度較高，易形成堊白性狀。因此，香稻胚乳橫斷面上淀粉粒的分布對堊白性狀的形成有明顯影響。

3. 2 香稻堊白性狀與淀粉粒發(fā)育

本研究對11個香稻品種胚乳堊白性狀進行電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)稻米胚乳中淀粉粒在同一香稻品種不同部位其形態(tài)結(jié)構(gòu)和排列也存在差異：與堊白米的透明部位或無堊白稻米的淀粉粒相比，堊白部位淀粉粒主要以游離狀態(tài)存在，無法進一步發(fā)育成具有一定形態(tài)的淀粉粒復(fù)合體。若單個淀粉粒能有序緊密排列形成具有一定形態(tài)的淀粉粒復(fù)合體，該部位就不會形成堊白性狀；若球形或橢球形的淀粉粒排列不規(guī)則，沉積為無序狀態(tài)，該部位即形成堊白性狀。前人研究發(fā)現(xiàn)，稻米胚乳的背部發(fā)育較中心和腹部好，其胚乳較少甚至無背白性狀（湯圣祥等，1999；Lisle et al.，2000；Singh et al.，2003；Kim et al.，2004；常紅葉等，2006；康海岐和常紅葉，2007）。本研究的11個香稻品種胚乳中，未發(fā)現(xiàn)背白性狀，且背部的淀粉粒為規(guī)則菱形或等多邊形、有棱角，淀粉粒間隙很小甚至無空隙、排列緊密，表明背部的淀粉粒發(fā)育較好，究其原因可能是營養(yǎng)物質(zhì)首先運輸?shù)降久椎谋巢?，再到中心和腹部，因此胚乳背部發(fā)育較好，中心和腹部較差?？梢?，香稻胚乳堊白性狀與淀粉粒發(fā)育緊密相關(guān)。

3. 3 堊白性狀的形成原因

水稻堊白性狀是一個復(fù)雜的數(shù)量性狀，受多基因共同控制，且受環(huán)境因素的影響（Tsukaguchi and Lida，2008；Guo et al.，2011；Li et al.，2014）。本研究的11個香稻品種間，胚乳堊白性狀存在明顯差異，結(jié)合前期的研究結(jié)果（Li et al.，2014；Peng et al.，2014），推測水稻胚乳堊白性狀主要受遺傳控制。稻米堊白性狀的發(fā)生是一個復(fù)雜過程，堊白的形成還涉及水稻植株內(nèi)“源”、“庫”和“流”三者之間的關(guān)系（Kim et al.，2004），三者中任何一個發(fā)生變化或關(guān)系不協(xié)調(diào)均有可能導(dǎo)致稻米胚乳中堊白性狀的形成。因此，結(jié)合本研究結(jié)果推測，稻米胚乳中淀粉粒的發(fā)生、發(fā)育和后期的沉積方式及其分布對于堊白的形成非常關(guān)鍵。但香稻胚乳中淀粉粒的早期發(fā)生、發(fā)育及后期的沉積調(diào)控方式，參與的基因及在香稻堊白性狀形成過程中扮演的角色等問題均有待進一步研究。

4 結(jié)論

香稻稻米的堊白性狀與胚乳細胞和淀粉粒的形狀結(jié)構(gòu)、排列方式及發(fā)育情況密切相關(guān)，可用于香稻稻米品質(zhì)鑒定。

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（責任編輯 陳 燕）