超聲波處理對(duì)華南雙季晚稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響

傅友強(qiáng) ，劉彥卓，梁開(kāi)明，嚴(yán)卓晟，鐘旭華，黃農(nóng)榮，潘俊峰，胡香玉，彭碧琳

（1廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2廣州市金稻農(nóng)業(yè)科技有限公司，廣州 510075）

0 引言

超聲波是一種頻率高、波長(zhǎng)短、能量大、穿透力強(qiáng)的彈性機(jī)械波[1]。20 世紀(jì)50 年代末，劉紹德等[2]首次報(bào)道超聲波在農(nóng)業(yè)及生物學(xué)上的應(yīng)用，指出超聲波能刺激植物細(xì)胞分裂，過(guò)量超聲波能夠抑制細(xì)胞分裂甚至導(dǎo)致死亡。大量研究發(fā)現(xiàn)，超聲波主要通過(guò)振動(dòng)，刺激植物內(nèi)部物質(zhì)性能和生理活性，如可促進(jìn)植物細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)的氧化、還原、分解和合成反應(yīng)，提高種子發(fā)芽速率和發(fā)芽勢(shì)，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[3-5]。因此，在許多生物學(xué)領(lǐng)域，超聲波被認(rèn)為是一種無(wú)公害的物理處理手段，特別在種子調(diào)優(yōu)增效等方面具有重要作用[6-7]。

目前，超聲波種子處理主要有濕法[8]和干法[6,9]兩種方式。研究表明，一般以單頻率（20 kHz 或40 kHz）[6,8]或混頻率(20～40 kHz)[10-11]超聲波處理種子效果較佳。在水稻應(yīng)用中，超聲波種子處理能夠提高種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子、光合作用、碳水化合物累積、生理生化等指標(biāo)，提高稻谷產(chǎn)量和米質(zhì)[6,10,12-13]，同時(shí)還可提高抗冷性[14]和抗逆性[15]和作物重金屬含量[16-17]等。

本研究以近年來(lái)廣東省推廣種植面積較大的主栽品種[18-20]雜交稻‘五豐優(yōu)615’和常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’為材料，探討超聲波種子處理對(duì)水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響，以期為超聲波處理技術(shù)在水稻提質(zhì)增效中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018 年晚季在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云試驗(yàn)基地（113°23′E，23°17′N，海拔41.0 m）內(nèi)進(jìn)行。供試水稻品種為雜交稻‘五豐優(yōu)615’和常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’。試驗(yàn)田土壤理化性質(zhì)參照土壤農(nóng)化分析方法進(jìn)行測(cè)定[21]：pH 5.95，有機(jī)質(zhì)為22.48 g/kg，全氮1.29 g/kg，全磷為0.42 g/kg，全鉀為8.43 g/kg，堿解氮為58.03 mg/kg，有效磷為6.49 mg/kg，速效鉀為47.00 mg/kg。

試驗(yàn)設(shè)置了超聲波種子處理和對(duì)照（未超聲波處理）2 個(gè)處理。超聲波處理方法：風(fēng)選后的干種子，在超聲波植物種子處理機(jī)（型號(hào)：5ZCG-50）中于20 KHz和40 KHz混頻處理1 min。各處理施氮量均為150 kg N/hm2，4次重復(fù)，共計(jì)16個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，2018年7月20日播種，采用塑料軟盤育秧，軟盤規(guī)格為434 穴。按照雜交稻‘五豐優(yōu)615’每穴2 粒種子、‘粵農(nóng)絲苗’每穴3粒種子以及種子千粒重，確定每盤的播種量，均勻撒播。秧盤置于秧田中進(jìn)行統(tǒng)一常規(guī)管理，2018 年8 月10 日移栽，栽插規(guī)格為20 cm×20 cm。水肥管理統(tǒng)一按水稻“三控”施肥技術(shù)進(jìn)行[22]。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.2.1 稻谷實(shí)割產(chǎn)量、生物量和考種 水稻黃熟期，每個(gè)小區(qū)取樣12 穴，逐穴計(jì)錄莖蘗數(shù)，剪去根，將稻草、實(shí)粒、空秕粒和枝梗分開(kāi)，在105℃下殺青20 min，在75℃下烘干至恒重，后稱量，計(jì)算生物量等。成熟期實(shí)收125 穴(5 m2)測(cè)產(chǎn)，將稻谷風(fēng)干，取100 g 左右于105℃下烘干48 h，測(cè)定含水量，然后將稻谷轉(zhuǎn)換成含水量為14%的稻谷產(chǎn)量。使用智能種子計(jì)數(shù)系統(tǒng)（TPZJ-A，麥科儀）對(duì)實(shí)粒和空秕粒進(jìn)行記數(shù)，計(jì)算每穗粒數(shù)、每穗穎花數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素指標(biāo)，見(jiàn)式(1)[23]。

1.2.2 稻米品質(zhì)測(cè)定 僅測(cè)定‘粵農(nóng)絲苗’稻谷樣品。稻谷收割曬干后，在室溫下貯藏3個(gè)月，用于測(cè)定稻米品質(zhì)，包括糙米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、直鏈淀粉含量、膠稠度等指標(biāo)，采用GB/T 17891—1999 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[24]。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，用OriginPro 9.0 軟件作圖，不同字母表示不同處理間差異顯著水平(P<0.05)。

2 結(jié)果

2.1 超聲波處理對(duì)稻谷產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的影響

從表1可知，雜交稻‘五豐優(yōu)615’的稻谷產(chǎn)量明顯高于常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’。超聲波種子處理的兩個(gè)品種的稻谷產(chǎn)量都高于對(duì)照處理，‘五豐優(yōu)615’和‘粵農(nóng)絲苗’分別比對(duì)照處理增產(chǎn)3.68%和7.31%，其中‘粵農(nóng)絲苗’增產(chǎn)達(dá)到顯著水平。

表1 超聲波處理對(duì)水稻產(chǎn)量構(gòu)成因子和庫(kù)容量的影響

與未超聲波種子處理相比，超聲波種子處理使‘五豐優(yōu)615’和‘粵農(nóng)絲苗’每穗穎花數(shù)分別增加了3.2%和14.3%，其中，‘粵農(nóng)絲苗’處理間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重都有下降趨勢(shì)，但處理間差異不顯著(P>0.05)。表明超聲波處理有增加每穗穎花數(shù)的作用。

2.2 稻谷產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

表2為各水稻品種稻谷產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素間的相關(guān)性分析。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’的稻谷產(chǎn)量與每穗穎花數(shù)呈顯著的正相關(guān)，與有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和庫(kù)容量相關(guān)不顯著。其次，‘五豐優(yōu)615’的稻谷產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成無(wú)顯著相關(guān)。

表2 產(chǎn)量與產(chǎn)量構(gòu)成因素的相關(guān)性分析

2.3 超聲波處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

超聲波種子處理對(duì)常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’增產(chǎn)效果達(dá)到顯著水平。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與未超聲波種子處理（對(duì)照）相比，超聲波種子處理的稻米膠稠度、直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量分別增加了14.4%、4.6%和4.3%（相對(duì)值），差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；堊白度和堊白粒率分別增加了75.0%和42.86%（相對(duì)值），但由于絕對(duì)數(shù)值含量低，且重復(fù)間測(cè)定誤差變異較大，差異不顯著；糙米率、精米率、整精米率、堿消值、精米率等無(wú)明顯差異（表3）。依據(jù)NY/T 593—2013《食用稻品種品質(zhì)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)食用長(zhǎng)粒形秈稻品種米質(zhì)的界定，對(duì)照和超聲波處理的‘粵農(nóng)絲苗’稻谷都符合優(yōu)質(zhì)三等以上，故處理間品質(zhì)等級(jí)無(wú)明顯差異。

3 討論

3.1 超聲波處理對(duì)稻谷產(chǎn)量的影響

大量研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可顯著促進(jìn)種子萌發(fā)，提高發(fā)芽率，增加有效穗數(shù)、穎花數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重等指標(biāo)[7,17,25]。辛星光等[10]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理有利于提高作物干物質(zhì)積累、凈光合速率、葉面積指數(shù)、群體生長(zhǎng)率、物質(zhì)輸出率和轉(zhuǎn)化率，同時(shí)，也可增加葉綠素含量，促進(jìn)氮從葉片向生殖器官的轉(zhuǎn)移[26]，從而增加稻谷產(chǎn)量。因此，超聲波種子處理不僅僅提高種子的發(fā)芽率和增加有效穗數(shù)，還能夠提高作物的光合能力、促進(jìn)源庫(kù)流協(xié)調(diào)、提高稻谷產(chǎn)量。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不論是雜交稻‘五豐優(yōu)615’，還是常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’，超聲波處理后的水稻每穗穎花數(shù)明顯增加，其中常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’達(dá)顯著水平，稻谷產(chǎn)量的差異達(dá)顯著水平（表1），這與黎國(guó)喜等[8]發(fā)現(xiàn)超聲波處理增產(chǎn)的主要原因之一是提高了水稻的每穗穎花數(shù)相一致。同時(shí)，相關(guān)性研究結(jié)果表明，常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’稻谷產(chǎn)量與每穗穎花數(shù)成顯著的正相關(guān)（表2）。這進(jìn)一步表明了，在本試驗(yàn)條件下，超聲波處理增產(chǎn)的主要原因是提高了水稻的每穗穎花數(shù)。值得注意的是，在本試驗(yàn)條件下，超聲波處理后水稻的有效穗數(shù)都低于對(duì)照處理，這與萬(wàn)泗梅等[9]的研究結(jié)果認(rèn)為超聲波處理提高水稻有效穗數(shù)不一致，可能原因是水稻品種對(duì)超聲波處理頻率和處理時(shí)間的響應(yīng)存在差異。如需提高水稻有效穗數(shù)，兩系雜交稻‘Y 兩優(yōu)900’水稻品種需采用50 KHz超聲波干法處理種子1 min[9]；常規(guī)稻‘桂香占’只需采用20 KHz 超聲波處理濕法處理種子30 min[8]。而且，有研究表明，雜交稻‘隆優(yōu)619’和常規(guī)稻‘南育紅秈’同時(shí)采用20 KHz+40 KHz 混合超聲波處理30 min，雜交稻‘隆優(yōu)619’的有效穗數(shù)顯著增加，而常規(guī)稻‘南育紅秈’無(wú)顯著差異[27]。表明了各水稻品種對(duì)超聲波處理頻率和處理時(shí)間的敏感性存在明顯差異，研究超聲波處理對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的變化需考慮品種間的特性，需進(jìn)一步開(kāi)展品種間的個(gè)性化研究。

上述結(jié)果表明，在本試驗(yàn)條件下，超聲波處理提高水稻產(chǎn)量的主要原因是提高每穗穎花數(shù)，而不是有效穗數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重和庫(kù)容量。每穗穎花數(shù)的提高可能與穎花分化期細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素含量有關(guān)[28-29]，超聲波種子處理是否能提高水稻揚(yáng)花期細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素的含量，有待考究。

3.2 超聲波處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

有研究報(bào)道，超聲波處理能夠提高稻米的糙米率、精米率和整精米率等加工品質(zhì)，通過(guò)降低堊白粒率和堊白度而提高稻米的外觀品質(zhì)，通過(guò)提高膠稠度，降低直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量而提高稻米的蒸煮品質(zhì)[6]。聶俊等[11]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理可提高稻米的精米率和整精米率，同時(shí)顯著降低水稻的堊白粒率和堊白度，從而改善水稻的碾米和外觀品質(zhì)。黎國(guó)喜等[8]研究發(fā)現(xiàn)，超聲波處理顯著降低‘桂香占’的堊白粒率，增加其膠稠度，但‘培雜泰豐’的堊白粒率和膠稠度均無(wú)顯著變化。本試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波種子處理的稻米的膠稠度、直鏈淀粉（蒸煮品質(zhì)）、蛋白質(zhì)含量（營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)）顯著增加（表3），其它品質(zhì)性狀都無(wú)明顯變化，表明了在本試驗(yàn)條件下，超聲波處理主要是對(duì)稻米的蒸煮和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有顯著的促進(jìn)作用，而對(duì)加工和外觀品質(zhì)無(wú)明顯影響，其機(jī)理可能與水稻品種特性、超聲波處理頻率和處理時(shí)間有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。

表3 超聲波種子處理對(duì)稻米品質(zhì)的影響

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下，超聲波處理能夠顯著提高常規(guī)稻‘粵農(nóng)絲苗’稻谷產(chǎn)量。其提高稻谷產(chǎn)量的主要原因是增加水稻的每穗穎花數(shù)。其次，超聲波處理在稻米膠稠度、直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量等方面有顯著的促進(jìn)作用，其它稻米品質(zhì)指標(biāo)無(wú)顯著變化。本研究開(kāi)展的超聲波種子處理對(duì)水稻產(chǎn)量和稻米品質(zhì)的影響，將為超聲波處理技術(shù)在水稻提質(zhì)增效中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。