灌漿期不同時段高溫對稻米淀粉理化特性的影響

沈泓 姚棟萍, 吳俊 羅秋紅 吳志鵬 雷東陽 鄧啟云 柏斌, *

灌漿期不同時段高溫對稻米淀粉理化特性的影響

沈泓1, #姚棟萍1, 2, #吳俊1羅秋紅2吳志鵬3雷東陽2鄧啟云1柏斌1, *

(1湖南雜交水稻研究中心 雜交水稻國家重點實驗室，長沙 410125；2湖南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，長沙 410128；3東安縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南 永州 425900；#共同第一作者；*通信聯(lián)系人，E-mail: baibin87@163.com)

【目的】研究灌漿期不同時段高溫對稻米淀粉組成、結構和理化特性的影響，揭示高溫對稻米淀粉理化特性影響的時段效應，闡明高溫、結構和功能之間的關系。【方法】以耐熱水稻品種黃華占和熱敏感的9311近等位基因系為實驗材料，利用人工氣候箱設置高溫[38℃(晝)/30℃(夜)]和對照[28℃(晝)/22℃(夜)]，研究灌漿前期(齊穗期后1－15 d)和后期(齊穗期后16 d至成熟)高溫對稻米的加工品質、外觀品質、淀粉組成、支鏈淀粉鏈長分布、粒度分布、膠稠度、黏度特性、糊化特性、結晶特性和顆粒形態(tài)的影響。【結果】灌漿期高溫使糙米率、精米率、整精米率顯著下降，使堊白粒率和堊白度顯著升高，導致加工品質和外觀品質變差。灌漿期高溫使總淀粉含量、直鏈淀粉含量、短支鏈淀粉含量、大淀粉粒占比、直/支鏈淀粉比顯著下降，而中等支鏈淀粉含量、小中淀粉粒占比、糊化溫度和糊化焓顯著上升，黏度特性顯著改變，結晶類型不變但結晶度顯著改變，淀粉顆粒表面出現(xiàn)小孔，表面變得凹凸不平，導致淀粉顆粒更加碎片化和蒸煮食味品質變劣。灌漿期不同時段高溫對稻米品質的影響不同，灌漿前期高溫對稻米淀粉的影響大于灌漿后期，耐熱品種受影響小于熱敏感品種。灌漿前期高溫處理下供試材料具有較高的消減值和較低的崩解值，黏度特性變差；灌漿后期高溫處理下供試材料具有較低的消減值和較高的崩解值，黏度特性變好?！窘Y論】灌漿前期高溫對淀粉理化特性的影響最大，進而導致稻米的加工品質、外觀品質和蒸煮食味品質變劣，灌漿后期高溫提升了黏度特性。

水稻；灌漿期；高溫；淀粉組成；理化特性

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全球一半以上的人口以稻米作為主要糧食。淀粉是稻米的主要成分，占胚乳干質量的90%以上，稻米淀粉的組成和理化特性是決定稻米品質，尤其是蒸煮食味品質的主要因素[1]。全球氣候變暖導致水稻生長季溫度升高，水稻生長過程中的抽穗期和灌漿結實期對溫度最為敏感，灌漿期遭受過高的溫度將嚴重影響稻米淀粉的理化特性，進而影響稻米品質[2-3]。水稻灌漿期一般都在30 d以上，但遭受高溫脅迫可能是其中的一段時間。開展灌漿期不同時段高溫對稻米淀粉理化特性差異性影響的研究，更有助于指導水稻在實際生產(chǎn)上如何避開高溫脅迫，保持穩(wěn)產(chǎn)和優(yōu)質特性。

灌漿結實期是稻米品質形成的關鍵時期。多數(shù)研究表明灌漿期高溫可以導致稻米堊白增加、透明度降低、長寬比變小、整精米率下降，使得淀粉結構疏松、顆粒間空隙變大、直鏈淀粉含量顯著變化，耐熱品種的受影響程度小于熱敏感品種[4-5]。另外，灌漿期高溫使稻米淀粉RVA譜特征值的最終黏度、消減值和糊化溫度升高，崩解值降低，峰值時間延長[6-7]，晶體結構改變，并且進一步研究發(fā)現(xiàn)這種變化可能與直鏈淀粉含量的變化密切相關[8-10]。Jiang等[11]指出高溫主要影響淀粉的積累和結構，而不會影響淀粉顆粒的數(shù)量[12]。直鏈淀粉含量是影響稻米品質的最主要因素，目前關于高溫對直鏈淀粉含量的影響，有三種觀點：1）高溫使稻米直鏈淀粉含量降低[13-14]；2）高溫導致直鏈淀粉含量升高[15]；3）高溫對直鏈淀粉的影響因品種而異，灌漿期高溫導致高直鏈淀粉含量的品種直鏈淀粉含量增加，而低直鏈淀粉含量的品種直鏈淀粉含量降低[16]。灌漿期不同時段高溫對稻米品質的影響可能存在差異，這更有利于不同水稻品種在生產(chǎn)上通過微調(diào)播種期以有效減輕高溫對稻米品質的影響，但當前的研究并無清晰的結論。徐富賢等[17]分析齊穗后不同時段高溫對稻米品質的影響，發(fā)現(xiàn)水稻齊穗后的前20 d是稻米品質對溫度最敏感的階段。程方民等[18]研究指出水稻抽穗后的前20 d是溫度對直鏈淀粉含量影響的關鍵階段。而Ambardekar和Lanning等[19-20]通過選用多個不同類型的品種在不同緯度進行多年種植，得出了不同的觀點，認為蠟質化時期(R7)與強勢粒成熟期(R8)這兩個屬于灌漿中后期的階段是高溫對稻米品質指標影響最為關鍵的階段。

目前針對灌漿期高溫影響稻米品質的研究已有一定進展，但是多數(shù)研究集中在加工、外觀等指標上，而忽略了蒸煮食味指標特別是淀粉理化性質方面的深入探究，而且多數(shù)研究是針對整個灌漿期，而對于灌漿期不同時段高溫對于稻米淀粉理化特性的研究較少。本研究以稻米淀粉理化指標為研究點，探索灌漿期不同時段高溫對稻米淀粉理化性質的影響規(guī)律，全面系統(tǒng)解析灌漿期高溫對淀粉理化性質的影響機理及時段效應，為實際生產(chǎn)上水稻如何應對氣候變化進而保持其穩(wěn)產(chǎn)和優(yōu)質提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

選用耐熱水稻品種黃華占(簡寫HHZ)和熱敏感水稻9311近等基因系(簡寫9311N)作為試材，其中9311近等基因系是以超級雜交中稻父本9311為輪回親本，以馬來西亞普通野生稻()為供體親本導入增產(chǎn)QTL和所得到的[21]。試驗所用的種子均由湖南雜交水稻研究中心提供。由于9311N比黃華占生育期長7 d左右，為了使兩者同時抽穗，將黃華占于2020年4月26日播種，9311N于4月19日播種。高溫處理時段為灌漿期前期(齊穗期后1－15 d，簡稱為QD)和灌漿期后期(齊穗期后16 d至成熟，簡稱HD)，利用Percival人工氣候箱設置高溫處理與常溫對照(CT)，分別為38℃ (7:00－19:00)/30℃ (19:00－次日7：00)，28℃ (7:00－19:00)/22℃ (19:00－次日7：00)，相對濕度設定為70%，植株冠層光密度設定為850 μmol/(m2·s)。處理前15 d，將生長發(fā)育基本一致的材料帶泥移入盆缽(缽體內(nèi)徑為266 mm，高為190 mm)，每個處理20盆，每盆1株。為保證所取樣品的生長發(fā)育進程和處理條件一致，于高溫處理和對照處理的當天對發(fā)育進程基本一致的稻穗進行標記，然后灌漿前期材料首先置于高溫處理培養(yǎng)箱內(nèi)處理15 d后移入對照培養(yǎng)箱，直至成熟；灌漿后期材料首先放入對照培養(yǎng)箱培養(yǎng)至齊穗后16 d，后移入高溫處理培養(yǎng)箱進行高溫處理至成熟。常溫對照材料整個灌漿期都放置在對照培養(yǎng)箱內(nèi)。所有材料成熟后，對標記的稻穗進行收種，放置在室溫、陰涼通風處儲藏3個月以平衡水分后進行稻米淀粉的提取和淀粉理化特性的測定。

1.2 淀粉的提取

稻米淀粉的提取按照我們之前報道的方法并稍作修改[22]。將干燥的精米在含有0.14％的亞硫酸氫鈉溶液水中浸泡過夜(固液比為1∶5)；加入足量的0.14％的亞硫酸氫鈉，用勻漿機將精米研磨；將精米漿液過200目的尼龍網(wǎng)，精米過濾后的漿液收集到離心瓶內(nèi)；尼龍網(wǎng)用超純水沖洗兩次，將濾液與精米過濾后的漿液混合；3000 r/min下離心20 min，倒掉上清液；用超純水再次懸浮淀粉后，3000 r/min下離心20 min，倒掉上清液；重復上一步3次；將淀粉晾干，結塊后取出，放在55℃烘箱中快速烘干；將淀粉塊用粉碎機粉碎，過200目篩；置于干燥器中保存。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 加工品質與外觀品質的測定

糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、粒長、粒寬、長寬比等指標按照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 83－2017》和《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 2334－2013》測定。

1.3.2 總淀粉含量、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、膠稠度的測定

總淀粉含量利用淀粉總量檢測試劑盒(Megazyme，K-TSTA)測得。直鏈淀粉含量的測定按照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 2639》測定；支鏈淀粉含量利用總淀粉含量減去直鏈淀粉含量得到。膠稠度按照《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 83－2017》測定。

1.3.3 支鏈淀粉鏈長分布的測定

準確稱取已純化淀粉5 mg，置于5 mL雙蒸水中沸水浴60 min，期間每隔10 min震蕩混勻一次。取2.5 mL已糊化樣品，分別加入125 μL醋酸鈉(100 mmol/L, pH 4.4)，5 μL異淀粉酶(100 U/μL)和5 μL NaN3(2%/)，在38 ℃下放置24 h。取600 μL已處理樣品，室溫吹氮干燥后，溶于600 μL流動相中，12 000 r/min下離心5 min，取上清液進行離子色譜分析。Thermo ICS5000+離子色譜系統(tǒng)采用Dionex? CarboPac? PA10液相色譜柱，其進樣量設為20 μL。流動相A相為200 mmol/L NaOH，B相為200 mmol/L NaOH+200 mmol/L NaAC，柱溫為30℃，利用電化學檢測器對單糖組分進行分析檢測。

1.3.4 糊化特性的測定

精確稱取米粉10 mg于氧化鋁坩堝中，加入30 μL無菌水，密封氧化鋁坩堝，室溫平衡24 h后，利用差示熱值掃描儀(DSC，Q2000, 美國TA 儀器公司)對樣品進行糊化特性測試。設置儀器以10℃/min 的速度，由30℃升溫至95℃，掃描熱量變化。

1.3.5 黏度特性的測定

實驗采用PerkinElmer儀器公司生產(chǎn)的快速黏度分析儀RVA4800進行黏度特性的測定。具體實驗流程按照《中華人民共和國國家標準GB/T 24852－2010》測定。

1.3.6 晶體結構的測定

采用X射線衍射儀(X'Pert Pro PANalytical，Netherlands)進行分析。取100 mg淀粉樣品平鋪到載物臺上，壓緊后上機檢測。測定條件：銅靶Cu Kα(λ=0.154 06 nm)，功率1600 W(40 kV×40 mA)，利用NaI晶體閃爍計數(shù)器測量X射線的強度，掃描范圍為5°～60°，掃描速度4°/min。使用MDI Jade 5.0進行分析，并計算樣品的相對結晶度。

1.3.7 淀粉顆粒形態(tài)結構和粒度分布的測定

取約100 mg淀粉樣于載物臺上，利用高分辨場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Zeiss Merlin Compact)測定淀粉的顆粒形態(tài)結構。稱取樣品100～200 mg于干凈EP管中，加入1 mL 75%酒精，渦旋混勻后超聲混勻。將混勻后的樣品加入到馬爾文激光烈度儀(Mastersizer 3000，Malvern Instruments Ltd，UK)進行粒度分布測定，每樣測定3次，收集數(shù)據(jù)。根據(jù)Xiong等[23]的方法將測定得到的淀粉顆粒體積、表面積和數(shù)量分布分成兩類：小中淀粉粒(淀粉顆粒直徑<10 μm)和大淀粉粒(>10 μm)。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 24.0統(tǒng)計軟件對所得結果進行方差分析，差異顯著性分析采用Duncan法，<0.05表示差異顯著。利用Microsoft Excel軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 對稻米加工品質和外觀品質的影響

加工品質主要測定糙米率、精米率和整精米率，而外觀品質主要考查精米長寬比、堊白度和堊白粒率。從表1可知，與對照相比，灌漿前期高溫使稻米的糙米率、精米率顯著下降，而灌漿后期高溫不影響稻米的糙米率和精米率，兩個品種的變化趨勢一致。與熱敏感9311近等基因系相比，耐熱品種黃華占下降幅度小些。灌漿期高溫對耐熱品種黃華占的長寬比無影響，但灌漿前期高溫處理使熱敏感9311近等基因系的長寬比顯著下降，而灌漿后期高溫處理對其無顯著影響。灌漿期高溫對整精米率、堊白度、堊白粒率產(chǎn)生較大影響，灌漿前期和后期高溫均使整精米率顯著性下降，使堊白度顯著增加，兩個品種都表現(xiàn)為受灌漿前期高溫影響程度大于灌漿后期高溫。從表1中可以得到，黃華占和9311近等基因系在灌漿期前期受高溫處理后整精米率分別下降54%和63%，堊白粒率均達到90%以上，堊白度比對照分別增加84倍和121倍。灌漿期前期高溫處理對稻米的加工品質和外觀品質影響更為嚴重，與熱敏感9311近等基因系相比，耐熱品種黃華占受影響程度更小。

2.2 對淀粉組成和膠稠度的影響

從表2可以得到，與對照相比，兩個品種灌漿前期經(jīng)高溫處理后，總淀粉含量、直鏈淀粉含量、直/支鏈淀粉比顯著下降。但耐高溫品種黃華占受影響程度小于熱敏感9311近等基因系，與對照相比，灌漿前期高溫處理使耐熱品種黃華占和熱敏感9311近等基因系的總淀粉含量分別下降6.1%和4.5%，直鏈淀粉含量分別下降25.2%和37.4%，直/支鏈淀粉比分別下降24.1%和36.8%。直鏈淀粉含量對高溫更敏感，受影響程度大于總淀粉含量。灌漿后期高溫處理對于兩個品種的淀粉組分的影響都小于灌漿前期高溫。灌漿期前期和后期高溫不影響耐熱品種的支鏈淀粉含量，對于熱敏感品種的影響不一致，灌漿前期高溫使其顯著上升，灌漿后期高溫使其顯著下降。灌漿期不同時段高溫使膠稠度顯著降低，耐熱品種黃華占的灌漿前期和后期高溫處理后膠稠度分別降低15.7%和14.5%，而熱敏感9311近等基因系的灌漿前期和后期高溫處理后膠稠度分別降低14.1%和15.2%，兩個品種的灌漿前期和灌漿后期相比均沒有顯著性差異。

表1 灌漿期不同時段高溫對稻米加工品質和外觀品質的影響

表中數(shù)據(jù)為3次重復實驗的平均值±標準差，標準差后面不同字母代表處理間差異達0.05顯著水平。CT－常溫對照; QD－灌漿前期（齊穗期后1－15 d）高溫; HD－灌漿后期（齊穗期后16 d－成熟）高溫。下同。

9311N, Near-isogenic lines derived from 9311. Data are shown as mean ± SD of triplicate measurements. Different letters mean significant difference (< 0.05). CT, Control temperature. QD, High temperature treatment at early grain-filling (1－15 d after full heading) . HD, High temperature at late grain-filling (16 d after full heading to maturity). The same below.

2.3 對支鏈淀粉鏈長分布的影響

從圖1中可以看到灌漿前期和后期高溫均使聚合度在DP 6～18范圍的短支鏈淀粉含量下降，使DP 19～30范圍的支鏈淀粉含量增加，DP 31～42的中長支鏈淀粉含量總體不變，而DP 42～76范圍的長支鏈淀粉含量總體呈增加趨勢。為進一步分析支鏈淀粉的精細結構，將支鏈淀粉的葡聚糖鏈根據(jù)聚合度的大小劃分為四個離散類，分別為：A鏈(6≤DP≤12)、B1鏈(12＜DP≤24)、B2鏈(24＜DP≤36)和B3鏈(36＜DP≤76)，分別對應支鏈淀粉的A鏈和B鏈(包含短鏈B1鏈、中等鏈B2鏈、長鏈B3鏈)。從表3中可以看到，對于耐熱品種黃華占，灌漿前期和后期高溫都使其支鏈淀粉短鏈A鏈含量顯著降低，分別降低8.1%和5.7%。而對于黃華占支鏈淀粉B鏈的影響，灌漿前期高溫使短鏈B1含量降低3.1%，中長鏈B2、B3鏈分別增加10.9%和27.5%。灌漿后期高溫使黃華占支鏈淀粉B1鏈降低1.2%，中長鏈B2、B3鏈分別增加7.2%和14.8%。對于熱敏感9311近等基因系，灌漿前期高溫處理使其支鏈淀粉A鏈降低12.5%，而使中長鏈B2和B3鏈分別增加6.1%和19.1%，灌漿后期高溫處理，除使支鏈淀粉B1鏈顯著降低外，基本不影響支鏈淀粉的鏈長分布。因此，在耐熱品種和熱敏感品種中都表現(xiàn)為灌漿前期高溫處理對支鏈淀粉鏈長分布的影響大于灌漿后期，而熱敏感品種支鏈淀粉短鏈A鏈的降幅大于耐熱品種，但中長鏈的增幅小于耐熱品種。

圖1 灌漿期不同時段高溫對黃華占(A)和9311近等基因系(B)支鏈淀粉鏈長分布的影響

Fig. 1. Effect of high temperature at different phases of grain filling on amylopectin chain distribution of heat tolerant variety Huanghuazhan(A) and heat sensitive near-isogenic lines derived from 9311 (B).

表2 灌漿期不同時段高溫對淀粉組分和膠稠度的影響

表3 灌漿期不同時段高溫對支鏈淀粉A、B1、B2、B3鏈含量的影響

表4 灌漿期不同時段高溫對糊化特性的影響

圖2 灌漿期不同時段高溫對黃華占(A)和9311近等基因系(B)淀粉晶體結構的影響

Fig. 2. Effect of high temperature at different times of grain filling on starch crystal structure of heat tolerant variety Huanghuazhan(A) and heat sensitive near-isogenic lines derived from 9311N (B).

圖3 灌漿期不同時段高溫對黃華占(A)和9311N(B)近等基因系淀粉顆粒形態(tài)結構的影響

Fig. 3. Scanning electron photomicrographs of rice starch from heat tolerant variety Huanghuazhan(A) and heat sensitive near-isogenic lines derived from 9311N (B) as affected by high temperature at various parts of grain-filling.

2.4 對淀粉糊化特性的影響

從表4可以看到兩個品種得到了相似的結果，與對照相比，灌漿前期、后期高溫處理都使起始糊化溫度、峰值糊化溫度顯著升高，但經(jīng)灌漿前期高溫處理的材料，其起始糊化溫度和峰值糊化溫度的變幅更大；終止糊化溫度、糊化焓在灌漿前期高溫處理后表現(xiàn)為顯著升高，但經(jīng)灌漿后期高溫處理后沒有明顯的改變。

2.5 對淀粉黏度特性的影響

對于耐熱品種，與對照相比，峰值黏度、谷值黏度和最終黏度均增加，但各指標增幅不同，且灌漿前期高溫變化更為明顯，灌漿后期高溫對最終黏度無影響；對于熱敏感品種，灌漿前期和后期受到高溫都使峰值黏度增加，但谷值黏度和最終黏度變化不一致，表現(xiàn)為灌漿前期高溫使谷值黏度和最終黏度增加，灌漿后期高溫則相反。崩解值和消減值在兩個品種間均顯示相同的變化趨勢，灌漿前期高溫使崩解值下降，消減值增加，而灌漿后期高溫使崩解值增加，消減值下降(表5)。

表5 灌漿期不同時段高溫對黏度特性的影響

2.6 對淀粉結晶特性的影響

為了更清楚地觀察結晶類型，分別將灌漿前期和灌漿后期各個掃描點相對結晶強度增加500和1000。結果發(fā)現(xiàn)兩個品種都表現(xiàn)為灌漿期前期和后期高溫脅迫對結晶類型無顯著性影響，兩個品種的所有處理都呈現(xiàn)A型結晶峰(圖2)。但從結晶度來看，不同時段高溫的處理顯著影響了相對結晶度(表6)，灌漿后期高溫結晶度降幅大于灌漿前期高溫，與常溫對照相比，熱敏感材料灌漿經(jīng)前期高溫處理后其結晶度略有增加。

表6 灌漿期不同時段高溫對淀粉結晶度和粒度分布的影響

2.7 對稻米顆粒形態(tài)的影響

用掃描電鏡觀察淀粉的顆粒形態(tài)，結果表明所有處理材料的淀粉顆粒形狀相似，多為不規(guī)則的多面體。由圖3可以看到，適溫條件下的淀粉顆粒表面大多為光滑表面，而高溫條件下，淀粉顆粒表面可以看到一些小孔，表面變得凹凸不平。灌漿前期高溫處理使淀粉顆粒的表面受損程度大于灌漿后期高溫處理的材料，與對照相比，灌漿前期高溫對熱敏感水稻9311近等基因系的影響大于耐熱品種黃華占。灌漿后期高溫處理使耐熱品種黃華占的淀粉顆粒只出現(xiàn)少量的小孔，形狀與對照處理無明顯差異，而熱敏感9311近等基因系的淀粉顆粒表面受影響大些。

2.8 對淀粉粒度分布的影響

從表6粒度分布結果來看，除黃華占經(jīng)灌漿后期高溫處理的材料外，灌漿前期和后期高溫對兩個品種的淀粉顆粒體積、表面積和數(shù)量分布影響趨勢一致，表現(xiàn)為小中淀粉粒數(shù)量、表面積占比、體積占比增加，大淀粉粒數(shù)目、表面積占比、體積占比降低，但經(jīng)灌漿前期高溫處理的材料受影響程度大于灌漿后期。耐熱品種黃華占經(jīng)過灌漿前期高溫處理后，小中淀粉粒的數(shù)量、體積和表面積分別增加17%、17%和23%，同時大淀粉粒的數(shù)量、體積和表面積分別降低27%、2.9%和8.6%。與耐熱品種相比，熱敏感9311近等基因系受灌漿前期高溫影響更大，小中淀粉粒的數(shù)量、體積和表面積分別增加43%、143%和102%，而大淀粉粒的數(shù)量、體積和表面積分別降低45%、13%和24%。耐熱品種黃華占受灌漿后期高溫的影響最小，其表面積分布和數(shù)量分布都沒有顯著變化，體積分布顯示小中淀粉粒降低，大淀粉粒增加。

3 討論

灌漿結實期是稻米品質形成的關鍵時期，適宜的灌漿溫度對稻米品質至關重要。水稻灌漿結實期是指水稻開花受精到谷粒成熟的時期，一般分為乳熟期(10～15 d)、蠟熟期(7～10 d)和完熟期(8 d左右)。開花后3～5 d進入乳熟期，這時已經(jīng)有淀粉的積累，籽粒成乳白色液體狀，此后籽粒顏色逐漸變濃，變成硬塊，谷殼變黃進入蠟熟期，蠟熟期7～10 d后進入完熟期，整個過程大概持續(xù)30～40 d[24]。本研究從齊穗期開始溫度處理，灌漿前期為灌漿前15 d，這個時期主要處于乳熟期，是淀粉合成的關鍵時期，灌漿后期主要處于蠟熟和完熟時期。

3.1 灌漿期不同時段高溫對加工品質和外觀品質的影響

灌漿期高溫使糙米率、精米率、整精米率顯著下降，堊白度和堊白粒率顯著上升，使加工品質和外觀品質變劣，這與我們之前的研究結果[22]基本一致。其中灌漿前期高溫對稻米加工品質和外觀品質的影響程度大于灌漿后期高溫，耐熱品種受影響程度小于熱敏感品種。本研究發(fā)現(xiàn)灌漿前期高溫對整精米率和堊白影響最為嚴重，這可能因為花后6～20 d是稻米堊白形成的關鍵時期，在此期間水稻受到高溫將使淀粉粒間隙變大，導致堊白增加[25]。高溫對乳熟期水稻的整精米率影響最大，原因可能是灌漿前期高溫使谷粒的灌漿速率加快，灌漿時間縮短，導致籽粒充實度下降、米糠層厚度增加，進而降低了精米率和整精米率[23,26]。有研究報道，堊白與整精米率負相關，堊白度和堊白粒率的增加，使稻米在加工過程中易碎，導致整精米率下降[27-28]。

3.2 灌漿期不同時段高溫對淀粉組成和結構的影響

灌漿不同時期淀粉合成關鍵酶活性不一致，且不同品種在同一時期酶活性達到最高的時間有顯著差異[29]。一般，ADPG淀粉合成焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶(SSS)和顆粒結合型淀粉合成酶活性在乳熟期活性達到最大，灌漿期前期的高溫抑制這3個酶的活性，不利于淀粉的積累，因此導致總淀粉含量、直鏈淀粉含量、直/支鏈淀粉比的顯著下降[30]。另外，張彩霞等[31]研究表明灌漿期高溫抑制稻米淀粉積累可能與高溫下蔗糖分解受阻有關。高溫可以提高可溶性淀粉分支酶(可溶性Q酶)的活性，而顆粒結合型分支酶(顆粒型Q酶)活性變化不大，淀粉脫分支酶(DBE)活性降低，因此灌漿期高溫促進短支鏈淀粉合成中長支鏈淀粉[32-33]。而在灌漿后期，尤其在完熟期，淀粉的積累基本結束，淀粉合成相關酶的活性較小，高溫對淀粉組分影響較小[29]。本研究中灌漿期高溫，尤其灌漿前期高溫顯著降低短支鏈淀粉含量，增加中長鏈支鏈淀粉含量，促進結晶片層的形成，但粒度結果顯示小中淀粉粒的數(shù)量、體積和表面積增加，大淀粉粒相應降低，說明雖然結晶片層在一定程度上增加，但淀粉粒依然表現(xiàn)為更加碎片化，與莫文偉等的[34]研究結果相似。與耐熱品種相比，熱敏感品種灌漿前期經(jīng)高溫處理后，其淀粉積累更少，淀粉粒碎片化更為嚴重，更利于結晶片層的形成，導致糊化溫度和糊化焓上升更為顯著，稻米更難以糊化。對于支鏈淀粉含量，耐熱品種黃華占沒有顯著性改變，熱敏感9311近等基因系在灌漿前期高溫影響下表現(xiàn)為增加，在灌漿期后期影響下表現(xiàn)為下降，說明水稻在應對灌漿期高溫脅迫時對支鏈淀粉在灌漿期前后兩段的調(diào)控機制不同。

3.3 灌漿期不同時段高溫對淀粉理化特性的影響

稻米淀粉的組成和結構主要受遺傳和環(huán)境因素的影響，高溫下淀粉的各組分和結構的變化，主要與淀粉合成相關酶有關。而淀粉的組分和結構的改變導致淀粉理化特性的變化[32]。我們的研究結果表明灌漿前期高溫對水稻糊化特性的影響更大，水稻品種在灌漿前期遇高溫后，糊化溫度和糊化焓顯著性升高，研究表明糊化特性與直鏈淀粉含量負相關，而與中長鏈支鏈淀粉含量正相關，因此糊化溫度和糊化焓的增加可能是直鏈淀粉含量的降低和中長鏈支鏈淀粉含量增加所導致的[10, 27]。增加的糊化溫度使米飯需要更高的溫度才能煮熟，糊化焓升高說明米飯在蒸煮過程中需要吸收更多的熱量，這些特性的改變使米飯蒸煮特性變差[22]。

RVA譜特征值與稻米的蒸煮食味品質密切相關，一般蒸煮食味品質好的稻米，其崩解值較大，而消減值較小[34]。本研究中灌漿前期高溫處理具有較高的消減值和較低的崩解值，使黏度特性變差；灌漿后期高溫處理具有較低的消減值和較高的崩解值，使黏度特性變好，這與前人研究結果相似[5,25]。前人研究表明，支鏈淀粉的分支結構主要影響糊化溫度與結晶度，而直鏈淀粉是影響RVA譜黏度特征的主要因素[28]。而Bao、Tong和Peng等[35-37]認為是稻米黏度特性的主要控制基因，由編碼合成的GBSSⅠ主要負責胚乳中的直鏈淀粉，以及支鏈淀粉中較長葡聚糖鏈的形成，因此直鏈淀粉和支鏈淀粉的分支結構，尤其長鏈和超長鏈與RVA譜特征值存在一定的相關性。本研究發(fā)現(xiàn)，灌漿前期高溫使耐熱水稻品種黃華占和熱敏感水稻9311近等基因系的直鏈淀粉含量分別下降25.2%和37.4%。對于支鏈淀粉鏈長分布分析顯示，灌漿期高溫主要影響熱敏感品種支鏈淀粉的短鏈A鏈和耐熱品種的中長鏈B鏈。推測灌漿前期高溫使耐熱品種的支鏈淀粉中長鏈增幅大于熱敏感品種對支鏈淀粉短鏈的降幅是導致耐熱品種的黏度特性更差的原因。但是與熱敏感品種相比，耐熱品種稻米的加工品質和外觀品質指標、直鏈淀粉含量、淀粉的顆粒形態(tài)、淀粉的粒徑分布等指標經(jīng)灌漿期高溫處理后變幅更小，表現(xiàn)為耐熱特性。本研究中，灌漿不同時段高溫對黏度特性影響不一致，可能是因為選用品種的不同，也可能是灌漿前期和灌漿后期直鏈淀粉含量變幅不一引起的，有待于進一步驗證。灌漿前期和后期高溫都不改變淀粉顆粒的結晶類型，但是結晶度有顯著變化，灌漿后期高溫淀粉顆粒結晶度降幅大于灌漿前期高溫，這可能與灌漿期前期高溫短支鏈淀粉降幅大于灌漿后期有關，而熱敏感品種的支鏈淀粉中長鏈含量增幅最為顯著，因此其結晶度不降反而略有增加。灌漿期高溫條件使淀粉顆粒表面變得凹凸不平，這是由于大淀粉顆粒減少，中小淀粉粒增加引起淀粉顆粒更加碎片化，熱敏感品種受灌漿前期影響更為嚴重，淀粉顆粒更疏松[33,38]。

4 結論

灌漿期高溫使稻米的糙米率、精米率、整精米率、總淀粉含量、直鏈淀粉含量、短支鏈淀粉含量、膠稠度、大淀粉粒的數(shù)目、體積和表面積占比等指標顯著性下降，使堊白度、堊白粒率、中長鏈支鏈淀粉含量、糊化溫度和糊化焓、小中淀粉粒的數(shù)量、體積和表面積占比等指標顯著性上升，使黏度特性顯著改變、結晶類型不變但結晶度顯著改變，淀粉顆粒表面出現(xiàn)小孔，表面變得凹凸不平，最終導致加工品質、外觀品質和蒸煮食味品質變劣。淀粉的糊化特性、黏度特性、結晶特性和顆粒形貌等理化特性的改變與淀粉的組分含量、支鏈淀粉鏈長分布和粒度分布等結構變化密切相關。灌漿期不同時段高溫對稻米品質的影響程度不同，灌漿前期高溫對稻米淀粉的影響大于灌漿后期，耐熱品種受影響程度小于熱敏感品種。灌漿前期高溫引起稻米消減值升高和崩解值降低，使黏度特性變差；灌漿后期高溫引起稻米消減值降低和崩解值升高，使黏度特性變好。

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Effects of High Temperature in Various Phases of Grain Filling on Rice Starch Physicochemical Properties

SHEN Hong1, #, YAO Dongping1, 2, #, WU Jun1, LUO Qiuhong2, WU Zhipeng3, LEI Dongyang2, DENG Qiyun1, BAI Bin1, *

(State Key Laboratory of Hybrid Rice, Hunan Hybrid Rice Research Center, Changsha 410125, China; College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; Agricultural and Rural Bureau of Dong'an County, Yongzhou 425900, China; These authors contributed equally to this work; Corresponding author, E-mail: baibin87@163.com)

【Objective】The effects of high temperature on the composition, structure and physicochemical properties of rice starch at different parts of grain filling were studied to reveal the effect of high temperature and the relationship among high temperature, structure and function.【Method】Heat-tolerant Huanghuazhan and heat-sensitive near-isogenic lines of 9311 were used as experimental materials. The experiment was conducted in artificial climate boxes at high temperature (38℃/30℃) and control temperature (28℃/22℃) to clarify the effects of high temperature during early (1－15 d after full heading) and late (from 16 d after full heading to maturity) grain-filling on rice processing quality, appearance quality, starch composition, amylopectin chain length distribution, particle size distribution, gel consistency, viscosity, gelatinization, crystalline properties and starch granule morphology. 【Result】High temperature at grain-filling stage significantly reduced brown rice rate, polished rice rate and head milled rice rate, but significantly increased chalky grain rate and chalkiness, resulting in poor processing and appearance quality. High temperature during grain filling obviously decreased total starch contents, amylose content, short chain amylopectin content, percentage of large granule, amylose/amylopectin ratio, while increased medium chain amylopectin content, percentage of small & medium granule and gelatinization temperature, gelatinization enthalpy and significantly affected viscosity properties, relative crystallinity with same crystalline type, as well as pitting and unevenness on the surface of the starch granules, making starch granules more fragmented and cooking and eating quality worse. The effects of high temperature at different times of grain filling stage on rice quality were different. The damage degree of high temperature at early grain filling stage was greater than that at late grain filling, and the effect on the heat-tolerant variety was less than that of the heat-sensitive variety. The high temperature at early grain filling stage led to the highest setback and the lowest breakdown, which degraded the viscosity properties. The high temperature at late grain filling had the lowest setback and the highest breakdown, which made the viscosity properties better. 【Conclusion】The starch structure and physicochemical properties were more affected by the high temperature during early grain filling as compared with late grain filling stage. The processing, appearance, cooking and eating quality of rice were worse due to the high temperature at early grain filling stage. The high temperature at late grain filling stage was helpful to improve the viscosity property of rice.

rice; filling stage; high temperature; starch composition; physicochemical property

10.16819/j.1001-7216.2022.210413

2021-04-22；

2021-08-24。

三亞崖州灣科技城管理局2020年度科技計劃資助項目(SKJC-2020-02-006)；湖南省作物種質創(chuàng)新與資源利用重點實驗室科學基金開放項目(19KFXM09)。