稻米外觀與加工品質(zhì)對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

王東明 陶冶 朱建國 劉鋼 朱春梧,*

稻米外觀與加工品質(zhì)對大氣CO2濃度升高的響應(yīng)

王東明1,2陶冶1,2朱建國1劉鋼1朱春梧1,*

(1中國科學(xué)院 南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008;2中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049;*通訊聯(lián)系人, E-mail: cwzhu@issas.ac.cn)

【】大氣CO2濃度升高會降低水稻的外觀與加工品質(zhì)。為探明其下降機(jī)制并予以緩解，采用開放式大氣CO2濃度升高(FACE)平臺、兩種栽培品種及其三種不同的基因調(diào)控遺傳材料 (中花11及其蒸騰調(diào)節(jié)材料ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30; 中花11及其促冠根生長材料ERF3-7和ERF3-12; 日本晴及其促硝酸鹽吸收材料NIL)，研究稻米外觀與加工品質(zhì)對CO2濃度升高的響應(yīng)。稻米外觀品質(zhì)與加工品質(zhì)對CO2濃度升高的響應(yīng)因品種不同而異。CO2濃度升高下，中花11的堊白粒率和堊白度增加9.2%和4.4%，整精米率降低5.3%；而日本晴的堊白粒率和堊白度降低11.1%和7.9%，整精米率提升9.8%。蒸騰調(diào)節(jié)材料顯著改善了CO2濃度升高對中花11外觀與外觀品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)，與當(dāng)前CO2濃度相比，CO2濃度升高，ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30的堊白粒率相對變化量為?2.7%、?16.3%、?14.8%，+7.4%，堊白度為?8.7%、?22.3%、?15.1%、?3.0%，整精米率為+2.1%、+6.4%、+3.6%、?7.0%。促冠根生長材料加大了CO2濃度升高對中花11號外觀與加工品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)，ERF3-7、ERF3-12的堊白粒率在CO2濃度升高下分別增加17.7%和11.5%，堊白度增加34.4%和19.1%，整精米率分別降低10.1%和0.8%。促硝酸鹽吸收材料(NIL)的堊白粒率和堊白度在CO2濃度升高下無明顯變化，整精米率下降4.2%。NIL的外觀品質(zhì)較日本晴明顯改善，CO2濃度升高下堊白粒率和堊白度分別下降16.5%和17.9%，當(dāng)前CO2濃度條件下分別下降26.3%和28.9%。未來CO2濃度升高條件下，通過基因改良促進(jìn)水稻蒸騰作用和硝酸鹽吸收是提升稻米外觀與加工品質(zhì)的有效途徑之一。

CO2濃度升高；水稻；外觀品質(zhì)；加工品質(zhì)

自工業(yè)革命以來大氣CO2濃度持續(xù)升高[1]，目前達(dá)到約400μmol/mol，且繼續(xù)升高趨勢不可遏制[2]。盡管對CO2濃度攀升的速度有爭議，但一致認(rèn)為21世紀(jì)末至少達(dá)到570μmol/mol[3]。CO2作為植物光合作用的底物，其濃度升高促進(jìn)光合作用進(jìn)而提高生物量[4]。稻米是全球超過一半人口的主食，在CO2濃度升高約200μmol/mol的情況下，水稻產(chǎn)量可提高3.0%~36.0%[5]。然而，CO2濃度升高提高產(chǎn)量的同時，也會影響稻米品質(zhì)(營養(yǎng)品質(zhì)、外觀品質(zhì)和加工品質(zhì))[6]。比如，CO2濃度升高降低蛋白質(zhì)、鋅、鐵等營養(yǎng)物質(zhì)含量，引發(fā)潛在的“隱形饑餓”危機(jī)[7-9]。此外，CO2濃度升高也會影響稻米外觀品質(zhì)(堊白、粒型、透明度)和加工品質(zhì)(糙米率、精米率、整精米率)[10]。外觀和加工品質(zhì)是稻米作為商品流通的重要特性，水稻供應(yīng)亦由數(shù)量化向品質(zhì)化轉(zhuǎn)變，因此，優(yōu)質(zhì)稻米生產(chǎn)對調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、提高農(nóng)產(chǎn)品效益有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

研究表明，CO2濃度升高導(dǎo)致稻米堊白度增高，整精米率下降[11]，這種效應(yīng)受水稻灌漿動態(tài)和環(huán)境因子調(diào)控。比如，關(guān)于蛋白質(zhì)含量如何影響堊白的形成尚存爭議[10]。并且，根系活性通過影響水稻新陳代謝和生長發(fā)育對稻米外觀品質(zhì)起調(diào)控作用，在水稻灌漿期，根系活性增加會降低堊白度[12]。此外，稻米外觀品質(zhì)對灌漿期高溫敏感，高溫導(dǎo)致稻米堊白度增大并使米質(zhì)疏松易破碎[13]。而CO2濃度升高會影響上述涉及稻米外觀品質(zhì)的生理性狀。CO2濃度升高導(dǎo)致稻米蛋白質(zhì)含量降低[7,8,14]；氣孔導(dǎo)度下降，蒸騰拉力下降，從而降低養(yǎng)分吸收[15]，并且，蒸騰拉力下降直接導(dǎo)致蒸騰散熱減弱，致使FACE圈的冠層溫度升高[16]；CO2濃度升高增加水稻抽穗期的根系生物量，而單位干質(zhì)量根系活力顯著下降[17]。

基于上述高CO2濃度對涉及影響堊白形成的生理性狀的影響，理論上高CO2濃度將會對水稻外觀品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，而從水稻分子和生理機(jī)制作為出發(fā)點(diǎn)的研究較少。與此同時，已有的稻米堊白研究在試驗(yàn)材料上以主栽品種為主，較少利用遺傳背景相同的突變體或近等基因系材料，研究結(jié)果受復(fù)雜遺傳背景的干擾，且無法消除因生育期不同導(dǎo)致的灌漿環(huán)境差異[18]。近期一些分子生物學(xué)研究進(jìn)展為解決這些問題提供了機(jī)遇，研究發(fā)現(xiàn)1)和參與細(xì)胞外K+濃度的調(diào)控，過量表達(dá)和可顯著增大水稻氣孔導(dǎo)度[19-20]；2)參與冠根萌生、出根和伸長整個生理過程，增強(qiáng)水稻單莖的根系總活性[21]；3)促進(jìn)硝酸鹽的吸收并提高水稻氮素利用效率[22-23]。因此，本研究利用中花11及其蒸騰調(diào)節(jié)材料(ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30)和促冠根生長材料(ERF3-7、ERF3-12)、日本晴(Nipponbare)及其促硝酸鹽吸收材料(NIL)，研究稻米外觀與加工品質(zhì)對CO2濃度升高的響應(yīng)，以期為未來優(yōu)良的稻米品質(zhì)生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料培育

試驗(yàn)于2015?2017年在江蘇省江都市小紀(jì)鎮(zhèn)良種場(32°35＇N，119°42＇E)開放式空氣CO2濃度升高(FACE)系統(tǒng)平臺進(jìn)行。供試品種為中花11號和它的促冠根生長材料ERF3-7、ERF3-12(2016和2017年種植)和蒸騰調(diào)節(jié)材料mK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30(2015年種植)，日本晴和它的促硝酸鹽吸收材料NIL(2016和2017年種植)。

2015年5月20日播種，6月20日移栽；2016年5月20日播種，6月17日移栽；2017年5月22日播種，6月20日移栽。行距為 25.0 cm，株距為 16.7 cm，每個品種所占小區(qū)長3.8 m，寬1.2 m，所有品種每穴2苗。2015年總施氮量(折合純氮)為225 kg/hm2，其中40％作基肥施用(6月17日)，30％作分蘗肥施用(7月1日)，30％作穗肥施用(7月26日)。磷、鉀施用量均為90 kg/hm2(以純磷、純鉀計)，全作基肥施用。肥料為復(fù)合肥(N-P2O5-K2O)和尿素。水分管理為6月17日?7月20日保持水層約3 cm，7月21日?8月10日多次輕擱田，８月11日之后間隙灌溉，抽穗揚(yáng)花期保持淺水，收獲前10日斷水。及時防治病蟲草害，保證水稻正常生長發(fā)育。2016、2017年的肥料運(yùn)籌和水分管理均與2015年一致。

1.2 試驗(yàn)平臺

FACE平臺位于江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)小紀(jì)鎮(zhèn)良種場試驗(yàn)田(32°35＇N， 119°42＇E)。試驗(yàn)田土壤類型為下位砂姜土，年均降水量980 mm左右，年均蒸發(fā)量大于1100 mm，年平均溫度15.1℃，年日照時間大于2100 h，年平均無霜期220 d，耕作方式為水稻?冬閑單季種植。土壤理化性質(zhì)如下：有機(jī)碳18.4g/kg，全氮 1.45 g/kg，全磷 0.63g/kg，全鉀14.0 g/kg，速效磷 10.1mg/kg，速效鉀 70.5 mg/kg，砂粒(0.02~12.00 mm)578.4 g/kg，粉砂粒(0.002~0.020 mm)285.1 g/kg，黏粒(＜0.002 mm) 136.5 g/kg，容重1.16 g/cm3，pH值7.2。

該平臺現(xiàn)建有3個CO2濃度升高的FACE圈，3個作為對照的控制圈。FACE 圈與FACE圈， FACE圈與對照圈之間的間隔大于90 m，以減少CO2釋放對其他圈的影響。每個FACE圈是一個直徑為14 m的正八角形，面積為138.6 m2，8根釋放CO2氣體的管帶，每根長5 m，放氣管面向圈內(nèi)一面有很多呈鋸齒狀分布的小孔，孔徑約 0.5~0.9 mm，放氣管的高度在作物冠層上方 50~60 cm處。根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)速及晝夜交替等因素的變化，由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)CO2釋放方向及速度，使FACE圈內(nèi)全生育期的CO2濃度保持在568~590 μmol/mol；對照圈沒有安裝FACE管道，CO2濃度與周邊環(huán)境空氣條件一致，為376~390 μmol/mol。

1.3 測定指標(biāo)及方法

成熟期采集稻谷樣品，統(tǒng)一用NP-4350 型風(fēng)選機(jī)去除空癟粒，于通風(fēng)處曬干至含水量13.0%，然后參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T17891－1999優(yōu)質(zhì)稻谷》測定糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度等指標(biāo)。

1.3.1 加工品質(zhì)

稱取待測樣品100 g用壟谷機(jī)(73-2型)脫殼，抽出糙米斗檢查，穎殼完全去除后稱重，精確到0.1 g。取部分糙米繼續(xù)用碾米機(jī)(VP-32型)去除糠層得到精米，稱精米重，精確到0.1 g。整精米率利用SC-E大米外觀品質(zhì)檢測儀進(jìn)行掃描分析。

1.3.2 外觀品質(zhì)

應(yīng)用SC-E大米外觀品質(zhì)檢測儀掃描測定堊白粒率和堊白度。

1.4 統(tǒng)計分析方法

所有數(shù)據(jù)均以Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理，以SPSS 22.0進(jìn)行方差分析，以O(shè)rigin 8.0繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 超表達(dá)ZmK2.1和OsKAT3的蒸騰調(diào)節(jié)材料對CO2濃度升高的響應(yīng)

2015?2017年間，野生型中花11的糙米率和精米率在FACE處理下無明顯變化，而其整精米率平均下降了5.3%(=0.005)。蒸騰調(diào)節(jié)材料ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26的糙米率、精米率、整精米率都在FACE條件下提高，其中整精米率提高幅度最大， ZmK2.1-20和OsKAT3-26的整精米率分別升高6.4%(=0.029)和3.6% (=0.024，表1)。而OsKAT3-30的糙米率、精米率、整精米率在FACE條件下分別下降了0.9%、3.1%、7.0%(圖1-A~C)。

中花11的堊白粒率和堊白度在FACE條件下平均上升9.2%(=0.027)和4.4%，而ZmK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26的堊白粒率在FACE條件下分別下降2.7%、16.3%(=0.006)、14.8% (=0.024)，堊白度分別下降8.7%、22.3% (=0.004)、15.1%(=0.015)，外觀品質(zhì)對CO2濃度升高的響應(yīng)較中花11得到改善。OsKAT3-30的堊白粒率在FACE條件下升高7.4%，而其堊白度呈相反趨勢，下降了3.0%，表明OsKAT3-30在FACE條件下堊白粒率上升，但堊白的總面積降低(圖1-D~E)。

對于中花11和蒸騰調(diào)節(jié)材料mK2.1-15、ZmK2.1-20、OsKAT3-26、OsKAT3-30，加工和外觀品質(zhì)的CO2效應(yīng)都不顯著，而種質(zhì)因素對糙米率、整精米率、堊白粒率和堊白度的影響都達(dá)到顯著水平(<0.05) (表1)。

2.2 超表達(dá)ERF3的促冠根生長材料對CO2濃度升高的響應(yīng)

2016?2017年間，促冠根生長材料ERF3-7、ERF3-12的糙米率和精米率在FACE條件下相較當(dāng)前CO2濃度無明顯變化。ERF3-12的整精米率無明顯變化，而ERF3-7下降10.1%(<0.001) (圖1-A~C)。

促冠根生長材料ERF3-7、ERF3-12的堊白粒率和堊白度在FACE條件下都顯著提高，堊白粒率分別升高17.7%、11.5%(=0.002，<0.001)，堊白度升高幅度更大，分別為34.4%和19.1%(<0.001，<0.001) (圖1-D~E)。

表1 2015年中花11及其蒸騰調(diào)節(jié)材料（ZmK2.1-15, ZmK2.1-15, OsKAT3-26, OsKAT3-30）在不同CO2濃度處理下的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率和堊白度

表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，雙因素方差分析計算顯著性：***，<0.001; *，<0.05。

Data in the table are mean±SD. Statistically significant effects by two-factor analysis of variance are indicated: ***,< 0.001; *,< 0.05.

A－糙米率；B－精米率; C－整精米率; D－堊白粒率; E－堊白度。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差，獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)計算顯著性：***，P<0.001; **，P<0.01; *，P<0.05。

Fig. 1. Average change in milling quality and appearance quality at elevated CO2concentration for Zhonghua 11 (wild type) and its transpiration-promoting overexpression genetic materials (ZmK2.1-15, ZmK2.1-15, OsKAT3-26, OsKAT3-30) and crown root-promoting overexpression genetic materials (ERF3-7 and ERF3-12), Nipponbare (wild type) and its nitrate-absorption promoting overexpression genetic material(NIL).

表2 2016和2017年中花11及其促冠根生長材料（ERF3-7、ERF3-12）在不同CO2濃度處理下的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率和堊白度

表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差；雙因素方差分析計算顯著性：***，<0.001; **，<0.01; *，<0.05。

Data in the table are mean±SD. Statistically significant effects by two-factor analysis of variance are indicated: ***,< 0.001; **,< 0.01; *,< 0.05.

對于中花11和促冠根生長材料(ERF3-7、ERF3-12)，CO2對糙米率和精米率無明顯影響，對整精米率和外觀品質(zhì)的影響達(dá)到顯著水平(<0.05)；種質(zhì)和年際因素對加工和外觀品質(zhì)(精米率除外)的影響顯著(<0.05)(表2)。

2.3 超表達(dá)NRT1.1B的促硝酸鹽吸收材料對CO2濃度升高的響應(yīng)

2016?2017年間，日本晴和NIL的糙米率、精米率對CO2濃度升高的響應(yīng)不敏感，日本晴的整精米率顯著提升了9.8%(=0.021)，而NIL下降了4.2% (<0.001)(圖1-A~C)。日本晴和NIL的整精米率存在顯著的品種×CO2濃度互作效應(yīng)(=0.044，表3)。

日本晴在FACE條件下的外觀品質(zhì)優(yōu)于對照，其堊白粒率和堊白度比對照平均降低了11.1%和7.9%(=0.047，=0.018)而促硝酸鹽吸收材料NIL的堊白粒率和堊白度在FACE條件下無明顯變化(圖1-D~E)。NIL的外觀品質(zhì)相對于野生型日本晴顯著提高，2016?2017年間，無論在CO2濃度升高還是當(dāng)前CO2濃度下，NIL的堊白粒率和堊白度都低于日本晴，在FACE條件下較日本晴平均下降16.5%和17.9%(=0.137，=0.120)，在當(dāng)前CO2濃度條件下平均降幅更大，分別為26.3%和28.9% (=0.002，<0.001)。

表3 2016和2017年日本晴及其促硝酸鹽吸收材料NIL在不同CO2濃度處理下的糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率和堊白度

表中數(shù)據(jù)為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差；雙因素方差分析計算顯著性：***，<0.001; **，<0.01; *，<0.05。

Data in the table are mean±SD. Statistically significant effects by two-factor analysis of variance are indicated: ***,< 0.001; **,< 0.01; *,< 0.05.

對于日本晴和NIL，CO2處理對于加工與外觀品質(zhì)所有指標(biāo)無明顯影響，而年際間的差異都很顯著(<0.05)，種質(zhì)因素對整精米率、堊白粒率和堊白度的影響都達(dá)到顯著水平，對糙米率和精米率的影響也較大(=0.100，=0.088，表3)。

3 討論

稻米外觀品質(zhì)包括堊白、粒型、透明度等指標(biāo)，其中堊白是稻米品質(zhì)對環(huán)境條件響應(yīng)的最直觀的視覺體現(xiàn)[13]。在本研究中，2015?2017年間中花11的堊白粒率和堊白度在CO2濃度升高處理下平均上升9.2%和4.4%，這與前人研究發(fā)現(xiàn)CO2濃度升高處理增加稻米堊白的結(jié)果一致[6,10]。然而，日本晴在FACE條件下的外觀品質(zhì)優(yōu)于對照，堊白粒率和堊白度比對照降低了11.1%和7.9%。這表明稻米外觀品質(zhì)對CO2濃度的響應(yīng)因品種不同而異。

CO2濃度升高對中花11的外觀品質(zhì)產(chǎn)生不利影響。首先，堊白度對CO2濃度升高的響應(yīng)可能與灌漿動態(tài)的變化有關(guān)。CO2濃度升高會影響水稻灌漿動態(tài)和時長，CO2濃度升高下水稻在灌漿早期的灌漿速率因莖中積累的干物質(zhì)量較多而顯著提高，而灌漿后期因氮素吸收、葉面積指數(shù)、凈同化速率下降等生理早衰造成灌漿遲緩[24]。過快的早期灌漿和不完全的晚期灌漿共同導(dǎo)致了稻米外觀品質(zhì)變劣。再加上CO2濃度升高導(dǎo)致的早衰也使水稻的灌漿期縮短，使稻米品質(zhì)降低[25]。此外，CO2濃度升高會加速水稻生育進(jìn)程，使齊穗期提前[25]，導(dǎo)致FACE圈灌漿同期的大氣溫度比對照圈高，而稻米外觀品質(zhì)對灌漿期溫度比較敏感，抽穗后20 d是稻米外觀品質(zhì)形成的關(guān)鍵時期[13]。CO2濃度升高對堊白的影響還有可能與CO2濃度升高對水稻冠層的增溫效應(yīng)有關(guān)，多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)水稻冠層溫度影響堊白度[26]。日本FACE試驗(yàn)表明，CO2濃度升高會使水稻齊穗期的冠層溫度升高0.5~1.0℃[16]；中國FACE試驗(yàn)表明，CO2濃度升高處理使水稻從開花到成熟期之間白天冠層平均溫度比對照高0.43℃[27]。稻米品質(zhì)對高溫非常敏感，當(dāng)灌漿期平均溫度大于27℃時，堊白容易形成[10,28]。2016和2017年中花11的齊穗期分別為8月5日和8月9日，齊穗后20 d內(nèi)的大氣平均溫度分別為28.7℃和27.4℃。高溫造成水稻灌漿過程中酶活性的異常和胚乳生理狀態(tài)的紊亂，使籽粒灌漿加快，淀粉體發(fā)育不良，細(xì)胞形態(tài)小且多，并且形成不規(guī)則淀粉粒，隨著溫度升高，淀粉粒間出現(xiàn)空隙，米粒散光形成堊白[11]。然而，日本晴的外觀品質(zhì)對CO2濃度升高的響應(yīng)是積極的，可能與日本晴齊穗期較晚有關(guān)。2016和2017年齊穗時間分別是8月17日和26日，灌漿期的大氣溫度平均溫度較低，齊穗后20 d內(nèi)的大氣平均溫度分別為26.2℃和25.4℃，這使日本晴在灌漿抽穗期避開自然高溫，顯著降低CO2濃度升高下堊白的形成。

蒸騰調(diào)節(jié)材料的外觀品質(zhì)對CO2濃度升高的響應(yīng)是積極的，顯著改善了CO2濃度升高對中花11號稻米外觀品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)。研究表明，大氣CO2濃度升高條件下植物的氣孔導(dǎo)度降低[16]，致使蒸騰速率顯著下降[29]，伴隨蒸騰的養(yǎng)分運(yùn)輸必然下降，這無疑會影響水稻灌漿速率和氮素吸收，從而影響水稻外觀品質(zhì)。早期研究發(fā)現(xiàn)OsKAT3和ZmK2.1通過控制保衛(wèi)細(xì)胞中的電壓門控K+吸收通道，參與細(xì)胞外K+濃度的調(diào)控[19]，進(jìn)而調(diào)控氣孔開度。本研究促蒸騰材料的外觀品質(zhì)對CO2濃度升高響應(yīng)積極，有可能是因過表達(dá)的和基因保持葉片氣孔在CO2濃度升高下高效開放，提高蒸騰拉力，促進(jìn)養(yǎng)分輸送[20]，從而利于水稻灌漿更加充分，使稻米淀粉粒之間的空隙減少。同時，中花11在CO2濃度升高條件下劍葉光合作用關(guān)鍵酶Rubisco含量顯著下降，而過表達(dá)材料下降不明顯，蒸騰調(diào)節(jié)材料在CO2濃度升高條件下葉片光合速率提升幅度更大[30]，使光合作用制造的有機(jī)物增大，源庫關(guān)系發(fā)生改變，即可以輸送營養(yǎng)物質(zhì)到稻米的“源”增大。此外，F(xiàn)ACE研究表明，當(dāng)CO2濃度升高200 μmol/mol時，水稻齊穗期的氣孔導(dǎo)度降低30%，導(dǎo)致葉溫升高1~2℃，冠層溫度升高0.5~1.0℃[16]，而OsKAT3和ZmK2.1增加氣孔導(dǎo)度，利于蒸騰散熱，降低水稻葉溫和冠層溫度，使中花系列有效避開了齊穗期的高溫。因此，未來CO2濃度升高條件下，通過過表達(dá)和基因以增大氣孔導(dǎo)度可能是改善稻米外觀品質(zhì)的有效途徑。氣孔導(dǎo)度增大同時促進(jìn)水稻的光合和蒸騰作用，影響水稻的養(yǎng)分輸送，從而影響水稻灌漿速率和稻米外觀品質(zhì)。

CO2濃度升高使促冠根生長材料ERF3-7和ERF3-12的外觀品質(zhì)變劣。前人研究表明FACE處理使不同水稻品種抽穗期的根系生物量提高，而其單位質(zhì)量根系活力顯著下降[17]，因FACE處理加速水稻生育進(jìn)程，使結(jié)實(shí)期的水稻根系早衰，活力降低。根系形態(tài)和活性通過影響水稻新陳代謝和生長發(fā)育對稻米外觀品質(zhì)起調(diào)控作用，研究發(fā)現(xiàn)在水稻灌漿期，稻米堊白粒率和堊白度都與根系活力呈顯著負(fù)相關(guān)系[12]，并有學(xué)者提倡通過提高灌漿期根系活性來降低稻米堊白度。近期研究發(fā)現(xiàn)ERF3參與冠根萌生、出根和伸長整個生理過程，在冠根分化過程中，ERF3通過調(diào)控細(xì)胞分裂素A型響應(yīng)因子RR2的表達(dá)促進(jìn)其分化[21]，并且增強(qiáng)水稻單莖的根系總活力，進(jìn)一步提高水稻對蛋白質(zhì)等養(yǎng)分的吸收能力。本研究中ERF3-7和ERF3-12的外觀品質(zhì)較野生型中花11變劣，同時，它們在CO2濃度升高下品質(zhì)較對照變劣。超表達(dá)ERF3的水稻在抽穗前冠根數(shù)量顯著增加，根系總活力提高，從而利于灌漿前期莖鞘中氮素的累積及其向穗部的轉(zhuǎn)移，增加單穗穎花數(shù)；而在灌漿后期，ERF3-7和ERF3-12根系的衰老速率大于中花11，從而使根系規(guī)模和活力下降，阻礙灌漿后期養(yǎng)分吸收和運(yùn)輸，對籽粒灌漿產(chǎn)生不利影響[30]。此外，超表達(dá)ERF3的水稻產(chǎn)量在FACE條件下的增幅顯著提高，其中單穗穎花數(shù)顯著提高[30]，“庫”增大，使灌漿初期光合產(chǎn)物的轉(zhuǎn)運(yùn)負(fù)擔(dān)增大，使得灌漿不充分。因此，超表達(dá)ERF3的促冠根遺傳材料未能改善CO2濃度升高對中花11外觀品質(zhì)的負(fù)面效應(yīng)。

日本晴的外觀品質(zhì)在FACE條件下顯著提升，而攜帶的NIL對CO2濃度升高的響應(yīng)不敏感，兩材料堊白粒率和堊白度存在明顯的品種×CO2互作效應(yīng)(表3)，這表明日本晴和NIL的外觀品質(zhì)對CO2濃度的響應(yīng)可能因水稻吸收氮素的能力而異。吸收氮素能力較低時，CO2濃度升高提升了外觀品質(zhì)；而氮素吸收增加、氮素利用效率提高時，CO2濃度升高對外觀品質(zhì)無明顯影響。研究表明，將秈稻的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)基因?qū)刖救毡厩缰?，發(fā)現(xiàn)攜帶的基因參與了硝酸鹽的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，并上調(diào)了硝酸鹽響應(yīng)基因的表達(dá)，導(dǎo)致超表達(dá)NRT1.1B的NIL產(chǎn)量和氮素利用效率顯著提高[22-23]。本研究結(jié)果表明，無論在FACE還是當(dāng)前CO2濃度條件下，NIL的外觀品質(zhì)較野生型日本晴顯著提高，表明氮素吸收和利用效率提高能夠有效改善外觀品質(zhì)。過表達(dá)材料氮素吸收和利用效率的提高可能通過改變水稻碳、氮代謝途徑對稻米品質(zhì)產(chǎn)生影響。首先，碳、氮代謝的終產(chǎn)物淀粉和蛋白質(zhì)是影響稻米品質(zhì)的關(guān)鍵因子，稻米蛋白質(zhì)含量的變化會影響堊白度[10]；并且，碳代謝與氮代謝之間相互促進(jìn)并制約的關(guān)系共同決定了淀粉和蛋白質(zhì)在籽粒胚乳積累的數(shù)量和儲藏形式；另外，氮素吸收和利用效率的提高可能有助于淀粉合成酶類的生成[31]。

圖2 FACE條件下所有遺傳材料(中花11, ZmK2.1-15, ZmK2.1-20, OsKAT3-26, OsKAT3-30, ERF3-7, ERF3-12, 日本晴, NIL)整精米率的變化與堊白粒率的變化之間的線性回歸關(guān)系

Fig. 2. A linear regression relationship between the change of head rice percentage and chalky grain percentage at elevated [CO2] to ambient [CO2] for all rice varieties of contrasting genetic backgrounds (Zhonghua 11, ZmK2.1-15, ZmK2.1-15, OsKAT3-26, OsKAT3-30, ERF3-7, ERF3-12, Nipponbare, NIL).

堊白不僅直接反映稻米的外觀品質(zhì)，且影響稻米脫殼和打磨加工過程中的折損率，降低可食用稻米的實(shí)際產(chǎn)量，影響稻米的加工品質(zhì)和市場價值[32]。稻米的糙米率和精米率對CO2濃度升高的響應(yīng)較小(表1~3)，不及整精米率對CO2濃度升高響應(yīng)的敏感程度。CO2濃度升高下整精米率的變化對堊白粒率的變化擬合的線性回歸方程為：=?0.507?0.009(2=0.661，<0.001，圖2)，決定系數(shù)較大且二者呈極顯著負(fù)相關(guān)，堊白粒率在CO2濃度升高下的變化能夠解釋整精米率變化66.1%的變異。堊白發(fā)生變化很大程度上會引起整精米率的變化，堊白度越高，米質(zhì)越疏松易破碎，導(dǎo)致整精米率下降[11]。

謝辭:感謝國家自然科學(xué)基金(31870423)和江蘇省自然科學(xué)基金(BK2018402)的資助！感謝徐習(xí)的幫助！感謝為本研究提供水稻材料的單位和科研團(tuán)隊(duì)。中國科學(xué)院南京土壤研究所蘇彥華研究團(tuán)隊(duì)提供蒸騰調(diào)節(jié)材料(ZmK2.1-15, ZmK2.1-20, OsKAT3-26, OsKAT3-30)，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所儲成才研究團(tuán)隊(duì)提供促硝酸鹽吸收材料(NIL)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)趙毓研究團(tuán)隊(duì)提供促冠根生長材料(ERF3-7，ERF3-12)！在此一并表示誠摯感謝。

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Responses of Rice Appearance and Processing Quality to Elevated Atmospheric CO2Concentration

WANG Dongming1,2, TAO Ye1,2, ZHU Jianguo1, LIU Gang1, ZHU Chunwu1,*

(State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture/,,,;University ofChinese Academy of Sciences, Beijing 100049,;Corresponding author,:)

【】Rice appearance and processing quality will be reduced by elevated atmosphere CO2concentration ([CO2]). To ascertain the mechanism behind this decline and then alleviate it, 【】we used a Free-air Carbon Dioxide Enrichment (FACE) facility, two kinds of cultivars and its three kinds of genetically modified materials (Zhonghua 11 and its transpiration-promoting genetic materials, ZmK2.1-15, ZmK2.1-20, OsKAT3-26, OsKAT3-30; Zhonghua 11 and its crown root-promoting genetic materials, ERF3-7 and ERF3-12; Nipponbare and its nitrate absorption-promoting genetic material, NIL) to study the responses of appearance and processing quality of different rice genetic materials to elevated [CO2]. 【】The responses of rice appearance and processing quality to elevated [CO2] varied among these genotypes. The chalky grain percentage and chalkiness degree of Zhonghua11 increased by 9.2% and 4.4% under elevated [CO2] compared with ambient [CO2], and head rice percentage decreased by 5.3%, while the chalky grain percentage and chalkiness degree of Nipponbare decreased by 11.1% and 7.9%, and head rice percentage increased by 9.8%.Transpiration-promoting genetic materials significantly mitigated the negative effect of elevated [CO2] on the appearance and processing quality of Zhonghua11. As compared with ambient [CO2], the changes in chalky grain percentages for ZmK2.1-15, ZmK2.1-20, OsKAT3-26 and OsKAT3-30 under elevated [CO2] were ?2.7%, ?16.3%, ?14.8%, +7.4%, and that of chalkiness degree was ?8.7%, ?22.3%, ?15.1%, ?3.0%, and that of head rice percentage was +2.1%, +6.4%, +3.6%, ?7.0%.Crown root-promoting genetic materials exacerbated the negative impact of elevated [CO2] on the appearance and processing quality of Zhonghua 11, with the chalky grain percentage increased by 17.7% and 11.5% under elevated [CO2], and the chalkiness degree increased by 34.4% and 19.1%, head rice percentage decreased by 10.1% and 0.8%, respectively. The chalky grain percentage and chalkiness degree of nitrate absorption-promoting material (NIL) did not change significantly at elevated [CO2], and the head rice percentage decreased by 4.2%. The appearance quality of NIL was significantly improved as compared with that of Nipponbare, with the chalky grain percentage and chalkiness degree decreased by 16.5% and 17.9% under elevated [CO2], and 26.3% and 28.9% under ambient [CO2]. 【】The promotion of transpiration and nitrate absorption through genetic regulation could be one of the effective ways to improve the appearance and processing quality of rice under elevated [CO2] in the future.

elevated CO2concentration; rice; appearance quality; milling quality

S181; S511.01

A

1001-7216(2019)04-0338-09

10.16819/j.1001-7216.2019.8134

2018-12-05;

2019-04-02。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31870423）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2018402）。