稻米食味品質(zhì)形成及其響應(yīng)氮素調(diào)控作用的研究進(jìn)展

吳家青 熊若愚 解嘉鑫 蔣海燕 譚雪明 潘曉華 曾勇軍 石慶華 曾研華

（江西農(nóng)業(yè)大學(xué)雙季稻現(xiàn)代化生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心/作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330045；*通訊作者：zyh74049501@163.com）

稻米品質(zhì)主要包括碾磨、外觀、蒸煮食味及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，而對(duì)于消費(fèi)者而言，食味品質(zhì)最為關(guān)鍵。印度與巴基斯坦的Basmati、泰國(guó)Khao Dawk Mali以及日本Koshihikari等品種都享譽(yù)世界，均具有優(yōu)異的食味品質(zhì)[1]。我國(guó)雖然在水稻高產(chǎn)方面取得舉世矚目的成就，但仍存在著優(yōu)質(zhì)稻品種短缺、檔次不足、稻米品質(zhì)性狀及技術(shù)研究落后等問(wèn)題[2]。

氮肥是水稻最重要的養(yǎng)分資源，是水稻需求量最大的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)水稻品質(zhì)具有重要影響。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)水稻食味品質(zhì)的研究大多數(shù)集中在直鏈淀粉、膠稠度及淀粉粘滯特性等方面，而對(duì)于支鏈淀粉、淀粉熱力學(xué)特性、回生特性及質(zhì)構(gòu)特性等方面鮮有報(bào)告。因此，本文綜合稻米食味品質(zhì)的理化指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，從淀粉及蛋白質(zhì)生物合成出發(fā)，簡(jiǎn)述稻米淀粉食味品質(zhì)形成機(jī)制，綜述稻米食味品質(zhì)受氮素調(diào)控作用的響應(yīng)特征，并對(duì)稻米食味品質(zhì)的研究方向進(jìn)行探討，為優(yōu)質(zhì)食味品種選育及調(diào)優(yōu)栽培提供理論依據(jù)。

1 稻米食味品質(zhì)的評(píng)價(jià)

1.1 直鏈淀粉含量及膠稠度

長(zhǎng)期以來(lái)，直鏈淀粉含量（AC）一直是判斷稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)。直鏈淀粉是由α-1,4糖苷鍵連接而成的線性葡聚糖鏈，沒(méi)有或極少有α-1,6糖苷鍵連接的分支，水稻直鏈淀粉平均聚合度一般為920～1 110，平均鏈長(zhǎng)為250～370[3]。不同品種之間直鏈淀粉含量存在很大差異，糯米幾乎沒(méi)有直鏈淀粉，典型的秈米和粳米直鏈淀粉含量差異較大，一般分別為23.4%～27.5%、15.7%～21.1%左右，同時(shí)某些特殊品種或突變體直鏈淀粉含量可能高達(dá)35%～53%[4-5]。一般來(lái)說(shuō)，直鏈淀粉含量越高，米質(zhì)越硬、黏性越小、米飯干燥且色澤暗淡；直鏈淀粉含量越低，米質(zhì)越軟、黏性越大、彈性較差且色澤較亮；中等含量直鏈淀粉的大米品質(zhì)介于兩者之間，相對(duì)符合消費(fèi)者飲食習(xí)慣。最新研究表明，通過(guò)基因編輯水稻W(wǎng)x基因啟動(dòng)子上的關(guān)鍵順式作用元件（ACGT、OsBF5、GCN4和TATA box等）調(diào)節(jié)基因表達(dá)，可創(chuàng)制6種可微調(diào)AC含量的新Wx等位基因，為水稻優(yōu)質(zhì)育種提供了新種質(zhì)與新方法[6]。膠稠度反映了淀粉膠體的流體特性，即柔軟性。一般來(lái)說(shuō)，硬膠稠度（＜40 mm）精米蒸煮冷卻后米飯較硬，干燥且不具彈性；軟膠稠度（＞60 mm）精米蒸煮冷卻后米飯較柔軟，濕潤(rùn)且光滑，較受消費(fèi)者偏愛。

1.2 淀粉結(jié)晶度

根據(jù)淀粉各量級(jí)大小，直鏈淀粉和支鏈淀粉首先組成了淀粉的二級(jí)結(jié)構(gòu)，然后二者進(jìn)行雙螺旋等空間構(gòu)型的變化形成晶體結(jié)構(gòu)[7]。淀粉不是純晶體結(jié)構(gòu)物質(zhì)，結(jié)晶區(qū)主要由支鏈淀粉的外鏈相互纏繞螺旋或者脂類物質(zhì)與直鏈淀粉支鏈結(jié)合形成；非結(jié)晶區(qū)主要由直鏈淀粉及排列有序的支鏈淀粉組成[8-9]。淀粉結(jié)晶度的計(jì)算方法及檢測(cè)方法有很多，如XRD射線衍射技術(shù)，但其結(jié)果都為相對(duì)結(jié)晶度。以水稻、小麥淀粉為主的A型衍射圖（圖1b）所示，天然淀粉結(jié)晶度一般在15%～50%之間，非糯性水稻淀粉結(jié)晶度在21%左右，糯性水稻淀粉結(jié)晶度可高達(dá)48%[4]。有關(guān)稻米淀粉晶體結(jié)構(gòu)與水稻蒸煮食味品質(zhì)的分子機(jī)理研究相對(duì)較少，但已發(fā)現(xiàn)直鏈淀粉及支鏈淀粉都與淀粉結(jié)晶度具有顯著相關(guān)性。一般來(lái)說(shuō)，直鏈淀粉含量越高，結(jié)晶度越小；支鏈淀粉支鏈鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)，結(jié)晶度越大，不利于稻米食味品質(zhì)。

1.3 淀粉顆粒粒徑分布

淀粉粒徑是指淀粉顆粒的直徑，水稻淀粉顆粒大小及形態(tài)不一，對(duì)淀粉理化性質(zhì)具有顯著影響[10]，一般采用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行淀粉顆粒參數(shù)測(cè)定（圖1c）。水稻胚乳中的淀粉顆粒分為單粒、半復(fù)粒及復(fù)粒三種類型，直鏈淀粉含量較低的優(yōu)質(zhì)稻米淀粉多以復(fù)粒形式存在，且其復(fù)粒中的單粒呈多棱角多面體，淀粉顆粒排列較為緊密；而直鏈淀粉含量較高的非優(yōu)質(zhì)稻或逆境環(huán)境下（高溫、淹水等）產(chǎn)生的稻米淀粉多以單粒形式存在，且其單粒為近圓形，顆粒間空隙較大[11]。

1.4 支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布

支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)和含量是判斷稻米食味品質(zhì)的重要依據(jù)。支鏈淀粉同樣以α-1,4糖苷鍵連接葡萄糖，每20～30個(gè)脫水葡萄糖苷元就存在1個(gè)由α-1,6糖苷鍵連接而成的分支，分支含量一般能達(dá)到5%～6%[12]。水稻支鏈淀粉數(shù)均聚合度一般為8 200～12 800，平均外鏈長(zhǎng)和平均內(nèi)鏈長(zhǎng)分別為11.3～15.8、3.2～5.7[13-14]。支鏈淀粉中同時(shí)還存在三類支鏈：A鏈、B鏈和C鏈。A鏈不再存在分支，以α-1,6糖苷鍵連接在B鏈上；B鏈又可分為B1、B2、B3和B4；C鏈即支鏈淀粉的主鏈，不同品種支鏈淀粉C鏈并無(wú)較大差別，差別較大的是連接C鏈的分支即A鏈和B鏈[15-16]。圖1d為不同灌溉制度下泰優(yōu)871支鏈淀粉聚合度DP 6～73的相對(duì)面積占比。一般來(lái)說(shuō)，支鏈淀粉中長(zhǎng)鏈越多，米質(zhì)越硬；長(zhǎng)鏈越少，米質(zhì)越軟，食味品質(zhì)相對(duì)較優(yōu)。

1.5 溶解及膨脹特性

稻米淀粉在水中加熱，其半晶體結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，水分子通過(guò)氫鍵與直鏈淀粉及支鏈淀粉分子的羥基結(jié)合，引起淀粉的溶解及膨脹。膨脹勢(shì)大小反映了稻米淀粉吸水能力，溶解度反映了淀粉在膨脹過(guò)程中的溶解程度[17]。淀粉在加熱過(guò)程中的水化和溶脹反映了淀粉鏈在非晶態(tài)和晶態(tài)結(jié)構(gòu)域內(nèi)相互作用的程度。研究表明，膨脹力與短支鏈淀粉、相對(duì)結(jié)晶度、片層峰強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，與直鏈淀粉含量和片層間距呈顯著負(fù)相關(guān)[18]。直鏈淀粉和支鏈淀粉比率和分子量/分布可能是導(dǎo)致膨脹勢(shì)及溶解度變化的原因[19]。淀粉結(jié)晶區(qū)短支鏈的富集會(huì)降低結(jié)晶的穩(wěn)定性，使支鏈淀粉含量高的短支鏈顆粒更易膨脹，達(dá)到較高的膨脹勢(shì)[18]。

1.6 熱力學(xué)特性

淀粉在加熱糊化的過(guò)程中伴隨著能量的變化，在吸熱的過(guò)程中淀粉顆粒中的分子順序遭到破壞，微晶分裂，然后發(fā)生水合作用，導(dǎo)致顆粒膨脹、自然晶體熔化、雙折射損失等變化[20]。一般采用差示熱掃描儀（DSC）測(cè)定淀粉的熱力學(xué)特性。熱力學(xué)特性特征值包含：起始溫度（Onset temperature，To）、峰值溫度（Peak temperature，Tp）、最終溫度（Conclusion temperature、Tc）、糊化焓（Enthalpy of gelatinization，ΔHgel）、糊化溫度范圍（Gelatinization temperature range，R=Tc-To）及峰值指數(shù)[Peak height index，PHI=ΔHgel/（Tp-To）][21-22]（圖1e）。COOKE等[23]研究表明，糊化焓反映的是雙螺旋的損失而不是結(jié)晶度的損失。不同品種間糊化溫度的差異是因?yàn)榈矸垲w粒形態(tài)變化導(dǎo)致的[21]，糊化溫度對(duì)于選擇具有特定淀粉理化性質(zhì)的理想水稻品種及根據(jù)要求用于各種食品應(yīng)用非常重要[24]。高直鏈淀粉品種糊化焓較高，原因在于直鏈淀粉與脂類（磷酸酯）相互作用，形成直鏈淀粉-脂類復(fù)合物，淀粉顆粒糊化延遲，糊化溫度及糊化焓升高[25]。

1.7 糊化特性

稻米在高溫加熱及冷卻的過(guò)程中，淀粉表現(xiàn)出來(lái)的粘滯特性，形成特征性的淀粉粘滯性譜即RVA譜。RVA譜包含了以下特征值：起始糊化溫度（pasting temperature，PaT）、峰值時(shí)間（peak time，PeT）、最高黏度（peak viscosity，PKV）、熱漿黏度（hot paste viscosity，HPV）、冷膠黏度（cool paste viscosity，CPV）、崩解值（breakdown viscosity，BDV=PKV-HPV）、消減值（setback viscosity，SBV=CPV-PKV）以及回復(fù)值（consistency viscosity，CSV=CPV-HPV）。食味品質(zhì)較好的品種一般具有較高的崩解值（RVU＞100）及較小的消減值、回復(fù)值。圖1f展示了利用快速粘度分析儀（RVA）測(cè)定的榮優(yōu)華占大米淀粉糊化特性，與常規(guī)灌溉相比，干濕交替灌溉提升了其崩解值、最高黏度，顯著改善了稻米食味品質(zhì)[26-27]。

1.8 回生特性

圖1 稻米食味品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)

回生是指加熱超過(guò)淀粉結(jié)晶熔化溫度的淀粉糊冷卻，直鏈淀粉和支鏈淀粉以有序的結(jié)構(gòu)與膨脹的淀粉粒重新結(jié)合，淀粉分子從無(wú)序到有序再結(jié)晶的過(guò)程[28]。直鏈淀粉和支鏈淀粉在淀粉回生過(guò)程中具有重要作用，糊化淀粉的回生涉及直鏈淀粉和支鏈淀粉雙螺旋的形成和聚集，從而控制淀粉的彈性、硬度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究表明，淀粉回生率（R%）與直鏈淀粉含量、消減值呈顯著正相關(guān)，與崩解值顯著正相關(guān)，同時(shí)，淀粉熱力學(xué)特性（To、Tp及Tc）與回生特性不相關(guān)[29]。支鏈淀粉的回生過(guò)程發(fā)生緩慢，需要數(shù)周或數(shù)月的儲(chǔ)存以達(dá)到平衡，回生程度取決于支鏈淀粉的鏈長(zhǎng)分布，支鏈淀粉的長(zhǎng)鏈對(duì)淀粉的回生程度影響較大[6]。支鏈淀粉能加速淀粉重結(jié)晶，但并不影響支鏈淀粉最終的重結(jié)晶程度[30]。導(dǎo)致不同回生率的原因在于直鏈淀粉、支鏈淀粉比率、顆粒結(jié)構(gòu)和磷酸酯的不同[31]。

1.9 質(zhì)構(gòu)特性

米飯的適口與否是米飯食味品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，由于蒸煮后米飯感官評(píng)價(jià)易受人為因素影響，所以需要一種有效的方法客觀測(cè)試米飯質(zhì)構(gòu)特性，評(píng)定米飯的食味品質(zhì)。食品工藝上，質(zhì)構(gòu)儀（Texture Profile Analysis,TPA）被廣泛使用，其主要反映的是與力學(xué)特性有關(guān)的食品質(zhì)地特性，可通過(guò)對(duì)試供樣品進(jìn)行2次連續(xù)性機(jī)械壓縮模擬人的咀嚼過(guò)程，從而將米飯適口性指標(biāo)數(shù)字化。米飯質(zhì)構(gòu)指標(biāo)主要指硬度（Hardness,HD）、粘性（Adhesiveness,ADH）及粘聚性（Cohesiveness,COH），其中粘聚性指第一壓縮與第二壓縮正受力面積的比值，體現(xiàn)了樣品的抗拉伸強(qiáng)度。研究表明，表觀直鏈淀粉含量（Apparent amylose content，AAC）和糊化特性與米飯質(zhì)構(gòu)特性具有顯著相關(guān)性，HD與AAC、PKV、HPV、CPV和SBV顯著正相關(guān)，硬度越高，食味越差；ADH與AAC和糊化特性顯著負(fù)相關(guān)，粘性升高，食味提升；COH與AAC、HPV、CPV和SBV顯著負(fù)相關(guān)，與PKV和BDV顯著正相關(guān)，粘聚性的增加有利于食味品質(zhì)[32]。稻米內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響米飯的質(zhì)構(gòu)特性，如直鏈淀粉與脂類等的復(fù)合物顯著增加米飯硬度[33-34]。

2 稻米食味品質(zhì)決定因素及其遺傳

2.1 淀粉

水稻淀粉于灌漿期在籽粒中合成并累積，主要由ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase,AGPase）、顆粒結(jié)合淀粉合成酶（Granule-bound starch synthase，GBSS）、可溶性淀粉合成酶（Soluble starch synthase,SSS）、淀粉分支酶（Starch branching enzyme,SBE）、淀粉脫分支酶（Starch debranching enzyme,DBE）等的協(xié)同作用產(chǎn)生（圖2），每種酶都存在2種或2種以上的亞型[36-37]。在水稻籽粒中，淀粉來(lái)自于蔗糖的降解，蔗糖在葉片中被合成，小部分被儲(chǔ)藏在源中，大部分經(jīng)韌皮部運(yùn)送到庫(kù)器官中，然后在一系列酶促反應(yīng)下生成淀粉儲(chǔ)藏。蔗糖合成主要受蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase,SPS）、蔗糖合成酶（Sucrose synthase,SS）影響，SPS促進(jìn)蔗糖的合成，與淀粉含量呈負(fù)相關(guān)；SS具有雙向催化作用，既能將尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）與果糖合成蔗糖，也能將蔗糖分解為UDPG和果糖。磷酸丙糖（Triose phosphate,TP）或蔗糖經(jīng)過(guò)酶促反應(yīng)生成1-磷酸葡萄糖（Glucose-1-phosphate,G1P），G1P在ADPase的催化下生成腺苷二磷酸葡萄糖（ADP-glucose,ADPG），ADPG在顆粒結(jié)合淀粉合成酶（GBSS）的催化下生成直鏈淀粉，又通過(guò)可溶性淀粉酶（SSS）、淀粉分支酶（SBE）及淀粉去分支酶（DBE）的催化下生成支鏈淀粉[38]。

圖2 水稻胚乳淀粉生物合成過(guò)程

2.1.1 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）

在水稻中，葡萄糖-1-磷酸（Glucose-1-phosphate，G1P）和ATP在AGPase的催化下生成活化的葡萄糖基供體ADP-葡萄糖（ADP-glucose，ADP-Glc）和無(wú)機(jī)焦磷酸（Inorganic pyrophosphate，PPi），催化淀粉生物合成的第一步。AGPase是控制高等植物淀粉生物合成的限速酶，由2個(gè)相同的大亞基和2個(gè)相同的小亞基組成的異四聚體。水稻AGP（ADP-glucose pyrophosphorylase，AGP）基因家族包含2個(gè)小亞基基因OsAGPS1和OsAGPS2和4個(gè)大亞基基因OsAGPL1-L4[39]。研究表明，OsAGPL1在種子和莖中表達(dá)，缺乏OsAGPL1的突變體莖稈中AGP活性和淀粉含量顯著降低，而在葉和胚乳中無(wú)顯著變化，表明了OsAGPL1在莖稈淀粉積累中起主要作用，但突變體植株生長(zhǎng)發(fā)育正常，產(chǎn)量無(wú)顯著變化[40]。OsAGPL2僅在種子中表達(dá)，OsAGPL2和OsAGPS2b的缺失都會(huì)使淀粉合成減少導(dǎo)致胚乳萎縮[39]。OsAGPL3在種子、葉片及莖稈中都有表達(dá)，其突變體導(dǎo)致葉鞘淀粉含量顯著降低，對(duì)于其他部位淀粉合成無(wú)顯著影響[41]。OsAGPL4不僅在種子、葉片及莖稈中表達(dá)，在花粉中也存在，OsAGPL4是水稻花粉中淀粉合成的關(guān)鍵[42]。

2.1.2 顆粒結(jié)合淀粉合成酶（GBSS）

顆粒結(jié)合淀粉合成酶是直鏈淀粉合成過(guò)程中重要的酶，由蠟質(zhì)基因Waxy控制[43]。AYRES等[44]研究表明，Wx基因與表觀直鏈淀粉含量的變化相關(guān)。同時(shí)，Os－GBSSⅠ也參與了支鏈淀粉的生物合成，影響水稻胚乳的顆粒外觀、淀粉晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)特性和糊化特性[45]。水稻表觀直鏈淀粉的QTL定位表明，Wx基因不僅可作為水稻馴化及作物多樣化過(guò)程中的主要選擇目標(biāo)，也有利于研究Wx基因的自然變異與稻米食味品質(zhì)之間的關(guān)系[46-48]。ZHANG等[49]研究表明，攜帶Wxa等位基因的秈稻品種其直鏈淀粉含量為25%～28%，食味值偏低，而攜帶Wxb的粳稻品種直鏈淀粉含量為15%～18%，食味值相對(duì)較高。不同水稻品種的不同Wx等位基因在全球的分布不同，Wxlv和Wxin等位基因主要分布在熱帶地區(qū)，Wxa和Wxb等位基因主要分布在溫帶地區(qū)，且Wxa集中于中國(guó)中南部等中緯度地區(qū)，Wxb主要集中于中國(guó)北部和日本等高緯度地區(qū)[49]。與秈稻相比，粳稻在溫帶地區(qū)具有更強(qiáng)的選擇能力[49-51]。

2.1.3 可溶性淀粉合成酶（SSS）

可溶性淀粉合成酶將ADP-Glc的葡萄糖部分通過(guò)α-1,4-糖苷鍵（α-1,4-glycosidic）轉(zhuǎn)移到葡聚糖引物的非還原端，負(fù)責(zé)鏈的延伸。水稻中有4種可溶性淀粉合成酶SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ和SSⅣ，和SSⅠ、SSⅡa、SSⅡb、SSⅡc、SSⅢa、SSⅢb、SSⅣa、SSⅣb等8種同工酶[52]。淀粉合成酶（GBSS和SSS）在穎果發(fā)育過(guò)程中根據(jù)時(shí)間表達(dá)可分為三類：（1）在果皮中SSⅡb、SSⅢa和GBSSⅡ于籽粒灌漿早期表達(dá)；（2）在胚乳中SSⅡc、SSⅢb和GBSSⅠ于灌漿中后期表達(dá)；（3）SSⅠ、SSⅡa、SSⅣa和SSⅣb同時(shí)在果皮與胚乳中于整個(gè)灌漿過(guò)程穩(wěn)定表達(dá)[53]。不同于其他淀粉合成酶，SSⅠ沒(méi)有其他亞型，優(yōu)先合成DP6～15的短鏈[54]。FUJITA等[55]研究發(fā)現(xiàn)，SSⅠ缺陷型突變體水稻胚乳支鏈淀粉DP8～12含量下降，DP6～7和DP16～19含量增加，提高了胚乳淀粉的凝膠化溫度。但是，SSⅠ作為胚乳發(fā)育過(guò)程中重要的同工酶，它的完全缺失對(duì)種子、淀粉粒的大小及形狀和胚乳淀粉的結(jié)晶度無(wú)顯著影響[35]，原因可能在于其他淀粉合成酶具有與SSⅠ相同的功能。SSⅡa是調(diào)控凝膠化溫度的主要基因[55]，支鏈淀粉A和B1鏈的伸長(zhǎng)受SSⅡa的控制[56]。與秈稻相比，粳稻SSⅡa的活性在數(shù)量和功能上有所下降，其凝膠化溫度相對(duì)降低[56]。掃描電鏡分析表明，SSⅢa突變體flo5（white-core flour endosperm5）的淀粉粒更小、更圓，且flo5突變體的胚乳中心部分較松散[57]（圖1a）。flo5突變體淀粉結(jié)晶度及支鏈淀粉DP≥30的含量降低，表明SSⅢa對(duì)支鏈淀粉長(zhǎng)鏈合成起重要作用[57]。SSⅢa和SSⅣb雙突變體在水稻淀粉體發(fā)育和種子脫水過(guò)程中導(dǎo)致顆粒相互分離，SSⅢa和SSⅣb在支鏈淀粉DP≥42的合成過(guò)程中存在相同功能，且對(duì)淀粉顆粒及淀粉質(zhì)體包膜結(jié)構(gòu)的維持具有重要作用[58]。

2.1.4 淀粉分支酶（SBE）

淀粉分支酶屬于α-淀粉酶家族（α-amylase family），其分支活性由Q-酶（Q-enzyme）調(diào)節(jié)，Q-酶切割α-1,4-葡聚糖鏈，然后通過(guò)α-1,6-葡聚糖鏈將切割的鏈重新連接到受體鏈上，引入分支結(jié)構(gòu)[59]。淀粉分支酶是支鏈淀粉形成支鏈的唯一酶。在水稻中SBE包含SBEⅠ和SBEⅡ兩類，SBEⅡ在谷物中分為SBEⅡa和SBEⅡb兩個(gè)亞型，SBEⅡa廣泛存在于每個(gè)組織中，SBEⅡb僅在胚乳中特異表達(dá)[60-61]。SBEⅡb僅作用于DP6～7的短鏈，SBEⅡa和SBEⅡb可分別分解支鏈葡聚糖的外鏈和內(nèi)鏈，形成DP≤40的中短鏈[61]。抑制SBE的基因可以增加水稻的直鏈淀粉含量，降低相對(duì)結(jié)晶度、雙螺旋含量和層狀峰散射強(qiáng)度[62]。抑制SBEⅠ和SBEⅡb都將使低直鏈淀粉品種的淀粉晶體結(jié)構(gòu)從A型變?yōu)镃A型，使高直鏈淀粉品種的淀粉晶體結(jié)構(gòu)從A型變?yōu)镃型[62]?；虮磉_(dá)分析表明，OsSbe1基因的上調(diào)是改善稻米食味的重要原因[63]。

2.1.5 淀粉脫分支酶（DBE）

淀粉脫分支酶是另一種葡聚糖修飾酶，有兩種形式，即異淀粉酶（Isoamylase，ISA）和普魯蘭酶（Pullulanase，PUL）。水稻ISA通常以同四聚體或同六聚體的形式存在，水解植物糖原和支鏈淀粉的α-1,6-葡聚糖鏈，修飾或去除過(guò)度支鏈以維持支鏈淀粉的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)[67]。此外，ISA可能為直鏈淀粉提供支鏈[67]。PUL作用于普魯蘭多糖及支鏈淀粉，切割α-1,6-糖苷鍵，對(duì)糖原幾乎不起作用[68]。UTSUMI等[69]證實(shí)了水稻胚乳存在兩種ISA低聚體：ISA1同源低聚體（ISA1 homo-oligomer）和ISA1 -ISA2異源低聚體（ISA Ⅰ-ISA Ⅱ hetero -oligomer）。抑制ISA2的表達(dá)對(duì)淀粉表型無(wú)顯著影響，但I(xiàn)SA2的過(guò)表達(dá)將損害胚乳淀粉的數(shù)量及質(zhì)量[70]。ISA1和ISA3在功能上沒(méi)有冗余[71]。ISA3在胚乳中的缺失或過(guò)表達(dá)均產(chǎn)生多形性淀粉體和淀粉顆粒[71]。研究表明，OsPUL僅在種子中表達(dá)，且在種子發(fā)育過(guò)程中一直保持較高的表達(dá)水平，并在中后期達(dá)到高峰[72]。PUL與ISA具有部分重疊的功能，在淀粉生物合成過(guò)程中參與短支鏈的切割[73]，PUL突變體導(dǎo)致支鏈淀粉短鏈（DP≤13）增加[74]。

2.2 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)含量作為營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)對(duì)稻米食味品質(zhì)產(chǎn)生了巨大的影響，且不同類型蛋白質(zhì)含量稻米食味差異大。如谷蛋白生物價(jià)值較大，而醇溶蛋白在人體不易消化，含醇溶蛋白的淀粉粒影響吸水及淀粉糊化，粘性降低，品質(zhì)下降。淀粉含量主要受遺傳特性影響，而蛋白質(zhì)種類的含量同時(shí)受遺傳及環(huán)境影響。水稻蛋白主要儲(chǔ)藏在蛋白體（Protein bodies，PBs）中，在水稻胚乳中發(fā)現(xiàn)了兩種形態(tài)的蛋白體PB-Ⅰ和PB-Ⅱ。PB-Ⅰ為片層結(jié)構(gòu)，呈球形，富含醇溶蛋白；PB-Ⅱ?yàn)榫w結(jié)構(gòu)，呈不規(guī)則形狀，主要含谷蛋白[71]。研究表明，胚乳貯藏蛋白包括60%～65%的PB-Ⅱ、20%～25%的PB-Ⅰ和10%～15%的白蛋白及球蛋白[72]。

谷蛋白作為水稻貯藏蛋白中含量最多的蛋白是進(jìn)行水稻品質(zhì)遺傳改良的首要目標(biāo)。水稻谷蛋白包括酸性亞基和堿性亞基，分子量分別為37～39 kD和22～33 kD，它們由57 kD前原蛋白經(jīng)后轉(zhuǎn)錄剪切形成[73]。在水稻胚乳中，57 kD谷蛋白前體先在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，經(jīng)高爾基體以致密囊泡介導(dǎo)的方式運(yùn)輸?shù)降鞍踪A藏液泡后，在酶的作用下產(chǎn)生成熟的谷蛋白亞基并儲(chǔ)存[4]。PSV轉(zhuǎn)運(yùn)途徑的缺陷將導(dǎo)致水稻種子57 kD谷蛋白前體過(guò)度積累（被稱為57H defect），已鑒定出57H突變體相關(guān)的基因，如胚乳貯藏蛋白突變體2（Endosperm storage protein mutant2，ESP2）編碼蛋白二硫化物異構(gòu)酶蛋白（Protein disulfide isomerase-like protein，PDI）使谷蛋白前體在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中成熟[5]；谷蛋白前體突變體3（Glutelin precursor mutant3，GLUP3）編碼液泡加工酶1（Vacuolar processing enzyme1，VPE1）在蛋白貯藏液泡中使谷蛋白前體轉(zhuǎn)化為成熟亞基[6]；GPA4編碼高爾基轉(zhuǎn)運(yùn)體1B（Golgi transport1B，GOT1B）使貯藏蛋白通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)[7]。最新研究報(bào)道了1個(gè)水稻57H突變體基因GPA5（Glutelin precursor accumulation5）。GPA5特異分布在致密囊泡外，與介導(dǎo)致密囊泡和蛋白貯藏液泡的融合、并完成谷蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)有關(guān)[8]。研究表明，雖然谷蛋白和醇溶蛋白都在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成，但是兩者的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑不同[80]。由于其疏水性，醇溶蛋白被貯藏在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)腔的球形胞內(nèi)顆粒（即PB-Ⅰ）中[8]。醇溶蛋白mRNAs定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的PB-Ⅰ中，水稻醇溶蛋白不包含KDEL/HDEL內(nèi)質(zhì)網(wǎng)保守序列，但其聚集有結(jié)合蛋白（Binding proein，BiP）的幫助，BiP在PB-Ⅰ的周圍富集并在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中維持醇溶蛋白的形態(tài)[9]。

稻米蛋白質(zhì)含量與稻米品質(zhì)關(guān)系密切。NING等[75]研究表明，高蛋白可以增加胚乳貯藏蛋白的密度，從而使稻米在加工過(guò)程中不易斷裂，提高整精米率。稻米蛋白質(zhì)含量與食味有緊密聯(lián)系，蛋白質(zhì)越多會(huì)降低稻米糊化特性，口感降低。有研究指出，通過(guò)蛋白質(zhì)組分含量的相對(duì)變化來(lái)改良稻米蒸煮食味品質(zhì)難度較大，改良稻米蒸煮食味品質(zhì)的育種計(jì)劃應(yīng)注重降低總蛋白質(zhì)的絕對(duì)含量，以此達(dá)到改良蒸煮食味品質(zhì)的目的[76]。但也有研究表明，稻米蒸煮食味品質(zhì)的改善，也需要從直鏈淀粉含量、淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)含量及其組分分布等方面綜合考慮。優(yōu)質(zhì)食味稻米的保優(yōu)栽培技術(shù)，更應(yīng)該注重稻米蛋白質(zhì)含量的控制，通過(guò)適當(dāng)?shù)牡是耙坪退敕试缡?，減數(shù)分裂期之后少用或不用氮肥，控制結(jié)實(shí)期植株氮素水平，協(xié)調(diào)好蛋白質(zhì)與淀粉合成兩者之間的平衡，才能使優(yōu)質(zhì)品種表現(xiàn)出更好的蒸煮和食味品質(zhì)[77]。

3 氮素對(duì)稻米食味品質(zhì)的調(diào)控作用

氮素作為植物體內(nèi)氨基酸、蛋白質(zhì)、葉綠素等的重要組分，對(duì)水稻生理生化活動(dòng)具有巨大的影響，不同的施氮量、施氮時(shí)期及氮素形態(tài)，都會(huì)使稻米食味品質(zhì)發(fā)生不同的變化。

3.1 施氮量

研究表明，直鏈淀粉含量隨施氮量的增加而減少[78-79]，但直鏈淀粉含量存在閾值[80]。氮肥對(duì)稻米直鏈淀粉含量的作用因品種而異[81-82]。其原因在于高直鏈淀粉含量品種對(duì)氮素及環(huán)境的響應(yīng)較遲鈍，導(dǎo)致直鏈淀粉變化不明顯[83-84]?？偟膩?lái)說(shuō)，直鏈淀粉含量與食味品質(zhì)呈反比，利用食味儀測(cè)定不同施氮量情況下的稻米直鏈淀粉含量，結(jié)果表明，隨著氮肥的增加，稻米食味值減小，香氣、光澤、味道、口感都呈下降的趨勢(shì)[85]。盡管增加施氮量能減少直鏈淀粉含量，使得大米口感變軟、黏性變大，但同時(shí)蛋白質(zhì)含量也會(huì)顯著增加，最終也會(huì)影響稻米食味品質(zhì)。

施氮量影響著稻米的硬度。研究表明，稻米的硬度與施氮量呈正相關(guān)，而膠稠度與施氮量呈負(fù)相關(guān)[83，86]。但膠稠度受施氮量影響與品種生育期長(zhǎng)短有關(guān)[87]。而施氮量對(duì)食味品質(zhì)的影響與品種對(duì)氮素的響應(yīng)差異有關(guān)，氮鈍感型品種稻米食味值變幅較小，而氮敏感型品種則相反[88]。

淀粉粘滯性的特征值對(duì)施氮量的響應(yīng)程度不同[86，88-89]。一般來(lái)說(shuō)，起始糊化溫度、最高黏度及崩解值隨施氮量的增加而減小，而消減值、糊化溫度及回復(fù)值隨施氮量的增加而增加。但高氮條件下，籽粒積累較多的蛋白質(zhì)，抑制稻米淀粉與水的結(jié)合，從而造成了起始糊化溫度增加[86]。此外，施肥量對(duì)稻米R(shí)VA的影響品種間存在差異。中熟中粳品種以中氮條件下RVA最優(yōu)，而遲熟中粳品種隨著施氮量增加，RVA譜特征值在無(wú)氮、低氮和中氮條件下差異不明顯[85]。

氮肥對(duì)支鏈淀粉、淀粉的晶體、顆粒結(jié)構(gòu)、米粒的延伸性及香味的影響國(guó)內(nèi)外相對(duì)較少研究報(bào)道。支鏈淀粉含量及結(jié)構(gòu)如平均聚合度、平均鏈長(zhǎng)、鏈長(zhǎng)分布均對(duì)大米的食味品質(zhì)具有顯著影響[90]。SINGH等[91]研究表明，高氮水平顯著降低粳稻短支鏈淀粉（DP≤11）含量。且高氮條件下淀粉合成酶（SS）和淀粉分支酶（SBE）活性下降，亦阻礙短支鏈淀粉的產(chǎn)生。而節(jié)水條件下中高氮增加了支鏈淀粉的短鏈比例，有利于提升稻米食味品質(zhì)[92]。CAO等[93]研究認(rèn)為，在相同遺傳背景下施肥量的改變會(huì)導(dǎo)致淀粉相對(duì)結(jié)晶度的變化。結(jié)晶度的改變是由于淀粉成分和鏈長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的差異產(chǎn)生了淀粉溶脹及溶解度等淀粉理化性質(zhì)變化所致。

3.2 施氮時(shí)期

與一次性全部基施相比，分次追施氮肥對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)具有顯著的影響。胡群等[94]指出，分次施肥有利于改善稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，但降低稻米食味品質(zhì)。而穗肥施用比例越高，淀粉含量明顯下降，蛋白質(zhì)含量則顯著增加，食味品質(zhì)降低[95]。

氮素施用時(shí)期對(duì)稻米食味品質(zhì)的影響與直鏈淀粉含量有關(guān)。楊澤敏等[96]研究表明，低直鏈淀粉品種重施穗肥可提升直鏈淀粉含量0.5%，不利于食味品質(zhì)改善，而高直鏈淀粉品種則下降1.0%。同時(shí)，施氮時(shí)期對(duì)稻米食味品質(zhì)的影響也存在季節(jié)及生育時(shí)期間的差異。研究表明，孕穗期施氮比分蘗期施氮對(duì)品質(zhì)的改善效果更優(yōu)，因?yàn)樵兴脒^(guò)程中水稻吸收氮素可提高植株和穎果的氮含量和生理活性，尤其是合成酶類的活性，進(jìn)而增強(qiáng)光合作用，提高植株體內(nèi)的碳代謝能力[97-98]。而抽穗期施用氮肥可降低淀粉顆粒大小、鏈長(zhǎng)分布及晶體結(jié)構(gòu)，有效改善稻米的食味品質(zhì)[99]。

3.3 氮素形態(tài)

包膜氮肥包含長(zhǎng)效氮肥和緩控釋氮肥，其主要功能是在減少施肥次數(shù)的情況下提升氮肥利用效率。緩控釋氮肥在市場(chǎng)上種類繁多，一類為包膜型緩控釋氮肥，如非有機(jī)包膜緩控釋氮肥、有機(jī)聚合物包膜型緩控釋氮肥及熱塑性樹脂包膜緩控釋氮肥；另一類為有機(jī)氮化合物，如脲甲醛縮合物（UF）、異丁叉二脲（IBDU）及丁烯叉二脲（CDU）等[100]。對(duì)緩控釋氮肥研究主要集中在氮肥利用效率[101]、水稻根系形態(tài)[102]及水稻產(chǎn)量[103]等方面，而在稻米品質(zhì)研究方面鮮有報(bào)道。已有的研究表明，施用樹脂尿素與硫包衣尿素均能顯著降低稻米直鏈淀粉含量，從而有利于提升稻米食味品質(zhì)[104]。此外，尿素作為速效氮肥，其不同施用時(shí)期也起到了長(zhǎng)效與緩控作用，對(duì)稻米食味品質(zhì)的影響報(bào)道較多[95，98，101]。

4 研究展望

4.1 優(yōu)質(zhì)食味品質(zhì)稻米性狀改良

我國(guó)現(xiàn)有食味品質(zhì)較好的水稻品種大多為直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量低、崩解值大、粘度與硬度比大等某一單項(xiàng)理化特性較優(yōu)，但各項(xiàng)理化指標(biāo)對(duì)氮素響應(yīng)都較好的品種偏少。以往的優(yōu)質(zhì)食味品種選育專注于某一項(xiàng)品質(zhì)性狀進(jìn)行改良，顯得顧此失彼，稻米食味品質(zhì)是一類復(fù)雜的性狀，不僅受外觀品質(zhì)、碾磨品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及稻米各理化成分的影響，而且其特征值之間還存在著交互作用，單一組分并不能作為評(píng)價(jià)食味品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)，在食味品質(zhì)性狀改良中需各指標(biāo)的綜合效應(yīng)。近年來(lái)隨著基礎(chǔ)生物學(xué)科及相關(guān)研究技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，很多高新生物技術(shù)已運(yùn)用到水稻食味品質(zhì)改良上來(lái)，如利用基因編輯技術(shù)或全基因組關(guān)聯(lián)分析研究稻米食味品質(zhì)改良，為提高稻米品質(zhì)育種提供了寶貴的技術(shù)。

4.2 明確食味品質(zhì)調(diào)優(yōu)的配套栽培措施

氮素在產(chǎn)量提升方面扮演著至關(guān)重要的作用，但是諸多研究表明，氮肥并不是提升優(yōu)質(zhì)稻米蒸煮食味品質(zhì)的有利栽培措施[84，105]。一方面，增施氮肥可增加稻米蛋白質(zhì)含量，但也降低稻米淀粉含量；另一方面，直鏈淀粉含量相對(duì)較低的水稻品種，蛋白質(zhì)含量相對(duì)較高，然而高含量的蛋白質(zhì)并不利于稻米食味品質(zhì)的提升。目前僅針對(duì)食味品質(zhì)調(diào)優(yōu)的配套栽培措施并未形成明確的技術(shù)體系，以往多注重于外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等指標(biāo)的全面改善，并未重點(diǎn)集中于食味品質(zhì)的調(diào)優(yōu)，而食味品質(zhì)的改善勢(shì)必影響其他品質(zhì)的優(yōu)劣。所以，未來(lái)開展稻米食味品質(zhì)改良研究，需要鑒定稻米組分及相關(guān)酶的關(guān)鍵基因，解析其調(diào)控機(jī)理，根據(jù)目標(biāo)農(nóng)藝性狀進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)食味稻米品種，研究其配套的食味品質(zhì)調(diào)優(yōu)措施，為我國(guó)優(yōu)質(zhì)稻育種與生產(chǎn)提供理論依據(jù)與生產(chǎn)指導(dǎo)。