灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)粳稻品質(zhì)性狀及籽粒蔗糖代謝相關(guān)酶活性影響

金正勛，郭雪冬，朱方旭，張忠臣

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱　150030）

灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)粳稻品質(zhì)性狀及籽粒蔗糖代謝相關(guān)酶活性影響

金正勛，郭雪冬，朱方旭，張忠臣

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱150030）

選用籽粒直鏈淀粉含量（AC）差異顯著的粳稻品種，通過盆栽試驗(yàn)研究灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)粳稻品質(zhì)性狀及籽粒蔗糖代謝相關(guān)酶活性的影響。結(jié)果表明，抽穗期施氮肥顯著提高籽粒蛋白質(zhì)含量和千粒重，降低稻米最高粘度、最低粘度和最終粘度，降低幅度因品種不同而異；灌漿過程中籽粒SuSy和AI活性呈單峰曲線變化，峰值出現(xiàn)在抽穗后15～20 d；SPS活性變化在高AC材料中呈單峰曲線變化，峰值出現(xiàn)在抽穗后15 d，在低AC材料中活性緩慢下降，不同AC材料間三種酶活性有顯著差異；抽穗期施氮肥顯著提高SuSy和AI活性，但顯著降低SPS活性；灌漿不同時(shí)期SuSy活性均高于SPS和AI；AC與AI活性間呈不顯著負(fù)相關(guān)，與SuSy和SPS活性間呈不顯著正相關(guān)；總淀粉含量與SuSy、AI、SPS活性間均呈正相關(guān)，其中與SuSy活性間相關(guān)達(dá)顯著水平。

粳稻；灌漿成熟期；氮素營(yíng)養(yǎng)；蔗糖代謝相關(guān)酶；品質(zhì)

金正勛，郭雪冬，朱方旭，等.灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)粳稻品質(zhì)性狀及籽粒蔗糖代謝相關(guān)酶活性影響［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，47（9）：1-6.

Jin Zhengxun，Guo Xuedong，Zhu Fangxu，et al.Effect of nitrogen nutrition in japonica quality characters and grain sucrosemetabolizing enzymes activity during grouting mature stage［J］.Journal of Northeast Agricultural University，2016，47（9）：1-6. （in Chinese with English abstract）

水稻源器官形成的同化產(chǎn)物主要以蔗糖形式通過韌皮部運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至庫(kù)器官，降解為小分子單糖，轉(zhuǎn)化為葡萄糖供體UDPG（ADPG），用于淀粉合成［1］，而淀粉組分含量是決定稻米品質(zhì)與產(chǎn)量的重要內(nèi)在因素。植物體內(nèi)參與蔗糖代謝的關(guān)鍵酶主要有蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）、蔗糖合成酶（Sucrose synthase，SuSy），轉(zhuǎn)化酶（Invertase，INV），其中轉(zhuǎn)化酶又包括酸性蔗糖轉(zhuǎn)化酶（Acid invertase，AI）、中性轉(zhuǎn)化酶（Neutral invertase，NI）和堿性轉(zhuǎn)化酶（Alkaline invertase）［2-3］。

Poe等研究蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶，轉(zhuǎn)化酶功能以及氮素對(duì)以上三種酶活性影響和增施氮肥對(duì)稻米品質(zhì)的影響［4-6］，但針對(duì)抽穗期施用氮肥對(duì)水稻籽粒灌漿過程中這三種酶活性影響以及三種酶與淀粉合成之間關(guān)系報(bào)道較少。氮肥是水稻最重要養(yǎng)分，對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)影響很大。因此，本研究選用籽粒直鏈淀粉含量不同寒地粳稻品種，通過盆栽試驗(yàn)探討灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)籽粒蔗糖代謝相關(guān)酶活性和淀粉積累特性影響及碳代謝相關(guān)酶活性與淀粉組分含量之間關(guān)系，為闡明氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)稻米淀粉品質(zhì)形成影響機(jī)理和建立優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1盆栽試驗(yàn)及取樣方法

選用籽粒直鏈淀粉含量差異顯著的粳稻品系（H6和L12）、品種東農(nóng)423（H4）和藤系180 （L11），2015年在哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院盆栽試驗(yàn)，盆規(guī)格為長(zhǎng)60 cm、寬40 cm、高40 cm。為使抽穗期盡量保持一致，4月初按供試材料生育期分期播種，等距離單粒點(diǎn)播催芽籽，大棚盤育秧，旱育秧管理，5月中旬選取長(zhǎng)勢(shì)一致秧苗等距離插秧，每個(gè)品種插4盆，每盆插8穴，每穴插2棵苗。肥料處理設(shè)總施氮量為6 kg·667m-2相等基礎(chǔ)上，抽穗期增施20%純氮處理和不施氮肥對(duì)照處理。

各處理抽穗時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)相同且同日抽出的穗掛牌標(biāo)記，于標(biāo)記后第10、15、20、25天分別取標(biāo)記稻穗，然后選取灌漿基本一致穗中部籽粒30粒，低溫下去殼去胚后放入凍存管，-80℃超低溫冰柜保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2測(cè)定方法

1.2.1淀粉含量測(cè)定

參照J(rèn)arvis等方法測(cè)定籽粒各灌漿時(shí)期表觀直鏈淀粉含量［7］，參照何照范改良硫酸-蒽酮檢測(cè)法測(cè)定籽粒各灌漿時(shí)期總淀粉含量［8］，各樣品重復(fù)測(cè)定3次。

1.2.2蔗糖合成相關(guān)酶活性測(cè)定

參照張志良和瞿偉菁方法采用間苯二酚法測(cè)定蔗糖含量［9］。蔗糖代謝相關(guān)酶SPS和SuSy活性測(cè)定參考Smyth等方法［10］，AI活性測(cè)定參考劉麗杰等方法，略作修改［11］。

2　結(jié)果與分析

2.1氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)灌漿不同時(shí)期籽粒淀粉組分含量影響

灌漿不同時(shí)期供試材料籽粒淀粉組分含量比較結(jié)果分別列于表1和表2。由表1和表2可知，不同材料灌漿進(jìn)程中籽粒直鏈淀粉與總淀粉積累趨勢(shì)大體一致，均表現(xiàn)為抽穗后15～20 d淀粉積累快，抽穗后25 d各供試品種直鏈淀粉和總淀粉積累量均達(dá)到精米90%，說明抽穗后15～25 d是直鏈淀粉和總淀粉的快速積累時(shí)期。灌漿過程中直鏈淀粉含量低的品種籽?？偟矸酆渴冀K低于直鏈淀粉含量高的品種，說明籽粒直鏈淀粉含量低的品種一般總淀粉含量較低。

表1　灌漿不同時(shí)期籽粒直鏈淀粉含量比較Table 1Comparison of grain amylose content during different filling periods

表2　灌漿不同時(shí)期籽?？偟矸酆勘容^（%）Table 2Comparison of grain total starch content during different filling periods

抽穗期增施氮肥能降低精米直鏈淀粉含量，但降低幅度較小，而對(duì)總淀粉含量影響較大，比對(duì)照顯著升高；處理間和不同材料間在抽穗后10～20 d內(nèi)直鏈淀粉積累速率大體一致，但抽穗20 d后，施肥處理的材料直鏈淀粉積累較慢。總淀粉積累速率于抽穗后20 d至收獲階段增施氮肥材料較對(duì)照積累速度明顯加快，說明增施氮肥在灌漿后期能夠減緩直鏈淀粉并增加總淀粉積累。

2.2氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)稻米品質(zhì)性狀影響

灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)水稻千粒重和蒸煮食味品質(zhì)性狀影響結(jié)果列于表3。由表3可知，與對(duì)照相比抽穗期增施氮肥顯著增加供試材料千粒重和蛋白質(zhì)含量，但蛋白質(zhì)含量增加幅度因品種而異，其中L12增加幅度最大，達(dá)到1.39個(gè)百分點(diǎn)；對(duì)于食味值而言，不同直鏈淀粉含量材料間食味值差異顯著，低直鏈淀粉含量材料食味值顯著大于高直鏈淀粉含量材料，與對(duì)照相比抽穗期增施氮肥材料食味值變化小。說明抽穗期增施氮肥有利于提高千粒重，有利于提高產(chǎn)量和成熟度。

與對(duì)照相比抽穗期增施氮肥能降低最高粘度、最低粘度及最終粘度，降低幅度既有顯著材料也有不顯著材料，因材料不同而異，下降粘度值處理間差異小。與對(duì)照相比抽穗期增施氮肥既能降低粘滯峰消減值也能提高該值，因材料不同而異。說明抽穗期增施氮肥對(duì)稻米粘特性影響因品種不同而異，對(duì)部分品種起改善作用。

2.3氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)灌漿不同時(shí)期籽粒蔗糖代謝相關(guān)酶活性影響

不同氮素處理間灌漿不同時(shí)期籽粒SuSy、AI、SPS活性比較結(jié)果分別列于表4～6。

表3　不同氮素處理間稻米千粒重和品質(zhì)性狀比較Table 3Comparison of rice quality characters and thousand seed weight under different nitrogen treatments

表4　不同氮素處理間灌漿不同時(shí)期籽粒SuSy活性比較Table4ComparisonofgrainSuSyactivityduringdifferentfillingperiodsunderdifferentnitrogentreatments（mol·g-1·min-1）

表5　不同氮素處理間灌漿不同時(shí)期籽粒AI活性比較Table5ComparisonofgrainAIactivityduringdifferentfillingperiodsunderdifferentnitrogentreatments（mol·g-1·min-1）

表6　不同氮素處理間灌漿不同時(shí)期籽粒SPS活性比較Table6ComparisonofgrainSPSactivityduringdifferentfillingperiodsunderdifferentnitrogentreatments（mol·g-1·min-1）

由表4和表5可知，灌漿過程中籽粒SuSy和AI活性不同材料和處理均呈單峰曲線變化，隨灌漿進(jìn)程逐漸上升，抽穗后15～20 d達(dá)峰值后又緩慢下降，但下降幅度因材料不同而異。灌漿過程中籽粒SPS活性變化有兩種情況（見表6），高直鏈淀粉含量材料呈單峰曲線變化，活性高峰均出現(xiàn)在抽穗后15 d；低直鏈淀粉含量材料呈緩慢下降趨勢(shì)，活性高峰出現(xiàn)在抽穗后10 d，不同直鏈淀粉含量材料間酶活性差異達(dá)顯著水平。由表4～6比較還可知，灌漿不同時(shí)期籽粒SuSy活性均明顯高于SPS和AI活性，而SPS和AI酶活性彼此間相差很小，說明灌漿過程中籽粒SuSy和AI及SPS活性變化相互獨(dú)立，SuSyo為籽粒中活性較大的酶。

與對(duì)照相比抽穗期增施氮肥的材料籽粒SuSy 和AI活性均大幅度增加，差異達(dá)顯著水平，其中H6材料SuSy活性增幅達(dá)1.75倍，最低增幅也達(dá)1.12倍；而AI活性最高增幅可達(dá)3.54倍，說明SuSy和AI活性受氮肥調(diào)控比較明顯，且不因材料不同而異。SPS活性施肥處理時(shí)活性下降較明顯，差異達(dá)顯著水平，其中H4材料抽穗后10 d時(shí)下降幅度較大，比對(duì)照低4.43倍，說明抽穗期增施氮肥會(huì)抑制灌漿初期籽粒SPS活性。

2.4蔗糖代謝相關(guān)酶活性與淀粉組分含量間關(guān)系

根據(jù)兩個(gè)處理的8個(gè)材料，估算灌漿不同時(shí)期蔗糖代謝相關(guān)酶活性與淀粉組分含量間簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表7。

表7　蔗糖代謝相關(guān)酶活性與淀粉組分含量間相關(guān)系數(shù)Table 7Correlation analysis between sucrose-metabolism enzymes activity and starch content

由表7可知，直鏈淀粉含量與AI間呈不顯著負(fù)相關(guān)，而與SuSy和SPS活性間呈不顯著正相關(guān)；總淀粉含量與SuSy、AI、SPS活性間均呈正相關(guān)，其中與SuSy活性間的相關(guān)達(dá)到顯著水平。說明灌漿過程中蔗糖代謝相關(guān)酶活性對(duì)總淀粉含量的影響大于直鏈淀粉含量影響。

3　討論

淀粉是胚乳主要貯藏物質(zhì)，總淀粉積累量直接影響產(chǎn)量，總淀粉積累量多，籽粒產(chǎn)量高，而直鏈淀粉含量又是直接影響蒸煮食味品質(zhì)的重要內(nèi)在因素，隨含量升高蒸煮食味品質(zhì)變差。本研究結(jié)果中伴隨總淀粉積累量增加，直鏈淀粉含量升高，說明這種淀粉積累特性受基因控制，高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)間矛盾是淀粉積累特性所致。雖然在一定范圍內(nèi)這種矛盾并不突出，但超高產(chǎn)或特優(yōu)品種選育中矛盾尤為突出，這也是實(shí)際水稻生產(chǎn)中超高產(chǎn)品種蒸煮食味品質(zhì)差，而優(yōu)質(zhì)品種產(chǎn)量低的內(nèi)在原因之一。因此，以增加總淀粉積累提高產(chǎn)量的水稻超高產(chǎn)育種或以降低直鏈淀粉含量提高蒸煮食味品質(zhì)的優(yōu)質(zhì)育種應(yīng)關(guān)注淀粉積累這一特性，確定合理選擇指標(biāo)，以順利選育目標(biāo)品種。由本試驗(yàn)結(jié)果還可知，抽穗期增施氮肥顯著增加稻米蛋白質(zhì)含量，而增加稻米蛋白質(zhì)含量會(huì)降低蒸煮食味品質(zhì)。因此以提高蒸煮食味品質(zhì)為目的的優(yōu)質(zhì)水稻栽培應(yīng)避免抽穗期增施氮肥或控制灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)，以保證稻米蒸煮食味品質(zhì)。

關(guān)于蔗糖代謝相關(guān)酶與產(chǎn)量和品質(zhì)性狀之間關(guān)系以及對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)響應(yīng)，李永庚等研究結(jié)果表明，籽粒中SuSy活性與淀粉積累速率呈正相關(guān)，較高SuSy活性有利于提高籽粒重量［12］。申麗霞等研究發(fā)現(xiàn)，施氮明顯促進(jìn)玉米頂部籽粒AI、SuSy活性并改善蔗糖利用與淀粉合成能力［13］。Chen等在蘋果葉片研究中指出，SPS活性隨氮素營(yíng)養(yǎng)增加而增加［14］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，抽穗期增施氮肥提高灌漿不同時(shí)期不同淀粉含量材料的SuSy、AI活性，且SuSy、AI活性與總淀粉含量呈正相關(guān)。表明抽穗期施用氮肥可通過提高水稻蔗糖代謝相關(guān)酶活性，促進(jìn)碳水化合物合成，為淀粉合成積累提供物質(zhì)。因此，抽穗期增施氮肥提高總淀粉含量和千粒重是通過提高蔗糖合成代謝SuSy、AI活性，促進(jìn)蔗糖向淀粉合成轉(zhuǎn)化。劉洪等認(rèn)為，過量施用氮肥降低水稻弱勢(shì)籽粒蔗糖積累量和SPS活性，減少淀粉含量，最終減少弱勢(shì)粒粒重［15］；甜菜中SPS活性與氮素施用量呈二次拋物線關(guān)系，當(dāng)施氮量達(dá)12.8 mmolNH4+·L-1時(shí)，根和葉片中SPS活性降低［16］。由本試驗(yàn)結(jié)果可知，增施氮肥可降低SPS活性，且SPS活性與直鏈淀粉及總淀粉含量呈正相關(guān)。通過抽穗期增施氮肥降低SPS活性，降低稻米直鏈淀粉含量，有利于提高稻米蒸煮食味品質(zhì)，但實(shí)際結(jié)果不同。說明灌漿成熟期氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)淀粉品質(zhì)的影響機(jī)理復(fù)雜，有待深入研究。

［1］鐘連進(jìn)，程方民.水稻籽粒灌漿過程中直鏈淀粉的積累及其相關(guān)酶的品種類型間差異［J］.作物學(xué)報(bào)，2003，29（3）：452-456.

［2］Verma A K，Upadhyay S K，Verma P C，et al.Functional analysis of sucrose phosphate synthase（SPS）and sucrose synthase（SS）in sugarcane（saccharum）cultivars［J］.Plant Biology，2011，13（2）：325-332.

［3］甘彩霞，吳楚.蔗糖代謝中3類關(guān)鍵酶的研究進(jìn)展［J］.長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，4（1）：74-78.

［4］Poe C F，Cooley M，Witt N F.Effect of certain preservatives on the determination of sucrose by the invertase method［J］.Chemsus?chem，2015，8（6）：911-915.

［5］劉立軍，吳長(zhǎng)付，張耗，等.實(shí)地氮肥管理對(duì)稻米品質(zhì)的影響［J］.中國(guó)水稻科學(xué)，2007，21（6）：625-630.

［6］Schm?lzer K，Gutmann A，Diricks M，et al.Sucrose synthase：A unique glycosyltransferase for biocatalytic glycosylation process development［J］.Biotechnology Advances，2015，34（2）：88-111.

［7］Jarvis C E，Walker J R L.Simultaneous，rapid，spectrophotomet?ric determination of total starch，amylose and amylopectin［J］.Jour?nal of Science of Food and Agriculture，1993（1）：53-57.

［8］何照范.糧油籽粒品質(zhì)及其分析技術(shù)［M］.北京：農(nóng)業(yè)出版社，1985：137-139.

［9］張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)［M］.北京：高等教育出版社，2003：127-129.

［10］Smyth D A，Prescott H E.Sugar content and activity of sucrose metabolism enzymes in milled rice grain［J］.Plant Physiol，1989，89：893-896.

［11］劉麗杰，蒼晶，張成亮，等.外源ABA對(duì)冬小麥越冬期蔗糖代謝的影響［J］.植物生理學(xué)報(bào)，2013，49（11）：1173-1180.

［12］李永庚，于振文，姜東，等.冬小麥旗葉蔗糖和籽粒淀粉合成動(dòng)態(tài)及與其有關(guān)的酶活性的研究［J］.作物學(xué)報(bào)，2001，27（5）：658-664.

［13］申麗霞，魏亞萍，王璞，等.施氮對(duì)夏玉米頂部籽粒早期發(fā)育及產(chǎn)量的影響［J］.作物學(xué)報(bào)，2006，32（11）：1746-1751.

［14］Chen L S，Cheng A L.Phoosynthetic enzymes and carbohydrate metabolism of apple leave s in response to nitrogen limitation［J］. Journal of Hortcultural Science and Biotechnology，2004，79（6）：923-929.

［15］劉洪，李之林，徐振江，等.施氮對(duì)大穗型兩系雜交水稻弱勢(shì)粒碳氮代謝的影響［J］.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（8）：1755-1759.

［16］趙越，魏自民，馬鳳鳴.銨態(tài)氮對(duì)甜菜蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶的影響［J］.中國(guó)糖料，2003（3）：1-5.

Effect of nitrogen nutrition in japonica quality characters and grain sucrose-metabolizing enzymes activity during grouting mature stage

JIN Zhengxun，GUO Xuedong，ZHU Fangxu，ZHANG Zhongchen
（School of Agriculture，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China）

Japonica varieties with grain amylase content having significant difference were chosen. Potted experiments were used to research the effects of nitrogen nutrition on rice quality and grain sucrosemetabolism enzymes activity during grouting mature stage.The results showed that：Increased nitrogen fertilization could increase the content of protein and thousand seeds weight to significant level，reduced the highest viscosity，the lowest viscosity and final viscosity during grain filling period，the decrease was different because of different varieties.SuSy and AI activities showed a single peak curve，the peak value appeared in 15-20 d after heading.The change of the SPS activity in high amylose starch content of parents and progenies showed a single peak curve，the peak appeared in 15 d after heading；in low amylose content ofparents and progenies SPS activity was slowly decreased.The difference enzyme activities in different materials with different amylose content were significant difference.Under nitrogen treatment，the activity of SuSy and AI were increased to a significant level，SPS activity was decreased to significant level，The activity of SuSy in different period was higher than SPS and AI.AC was no significant negative correlation with AI activity，was no significant positive correlation with SuSy and SPS activity；Total starch content was positively correlated withAI，SuSy and SPS activity，which was significantly correlated with SuSy activity.

japonica；grouting mature stage；nitrogen nutrition；sucrose-metabolizing enzymes；quality

S511

A

1005-9369（2016）09-0001-06

2016-03-27

科技部“十三五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAD23B05-11）；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)科團(tuán)隊(duì)建設(shè)資助項(xiàng)目，黑龍江省糧食產(chǎn)能提升協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目

金正勛（1960-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樗具z傳育種及生物技術(shù)。E-mail：zxjin326@hotmail.com