灌浆成熟期氮素营养对粳稻品质性状及籽粒蔗糖代谢相关酶活性影响

金正勋，郭雪冬，朱方旭，张忠臣

（东北农业大学农学院，哈尔滨　150030）

灌浆成熟期氮素营养对粳稻品质性状及籽粒蔗糖代谢相关酶活性影响

金正勋，郭雪冬，朱方旭，张忠臣

（东北农业大学农学院，哈尔滨150030）

选用籽粒直链淀粉含量（AC）差异显著的粳稻品种，通过盆栽试验研究灌浆成熟期氮素营养对粳稻品质性状及籽粒蔗糖代谢相关酶活性的影响。结果表明，抽穗期施氮肥显著提高籽粒蛋白质含量和千粒重，降低稻米最高粘度、最低粘度和最终粘度，降低幅度因品种不同而异；灌浆过程中籽粒SuSy和AI活性呈单峰曲线变化，峰值出现在抽穗后15～20 d；SPS活性变化在高AC材料中呈单峰曲线变化，峰值出现在抽穗后15 d，在低AC材料中活性缓慢下降，不同AC材料间三种酶活性有显著差异；抽穗期施氮肥显著提高SuSy和AI活性，但显著降低SPS活性；灌浆不同时期SuSy活性均高于SPS和AI；AC与AI活性间呈不显著负相关，与SuSy和SPS活性间呈不显著正相关；总淀粉含量与SuSy、AI、SPS活性间均呈正相关，其中与SuSy活性间相关达显著水平。

粳稻；灌浆成熟期；氮素营养；蔗糖代谢相关酶；品质

金正勋，郭雪冬，朱方旭，等.灌浆成熟期氮素营养对粳稻品质性状及籽粒蔗糖代谢相关酶活性影响［J］.东北农业大学学报，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产物主要以蔗糖形式通过韧皮部运输系统运至库器官，降解为小分子单糖，转化为葡萄糖供体UDPG（ADPG），用于淀粉合成［1］，而淀粉组分含量是决定稻米品质与产量的重要内在因素。植物体内参与蔗糖代谢的关键酶主要有蔗糖磷酸合成酶（Sucrose phosphate synthase，SPS）、蔗糖合成酶（Sucrose synthase，SuSy），转化酶（Invertase，INV），其中转化酶又包括酸性蔗糖转化酶（Acid invertase，AI）、中性转化酶（Neutral invertase，NI）和碱性转化酶（Alkaline invertase）［2-3］。

Poe等研究蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶，转化酶功能以及氮素对以上三种酶活性影响和增施氮肥对稻米品质的影响［4-6］，但针对抽穗期施用氮肥对水稻籽粒灌浆过程中这三种酶活性影响以及三种酶与淀粉合成之间关系报道较少。氮肥是水稻最重要养分，对水稻产量和品质影响很大。因此，本研究选用籽粒直链淀粉含量不同寒地粳稻品种，通过盆栽试验探讨灌浆成熟期氮素营养对籽粒蔗糖代谢相关酶活性和淀粉积累特性影响及碳代谢相关酶活性与淀粉组分含量之间关系，为阐明氮素营养对稻米淀粉品质形成影响机理和建立优质高产栽培技术提供理论依据。

1　材料与方法

1.1盆栽试验及取样方法

选用籽粒直链淀粉含量差异显著的粳稻品系（H6和L12）、品种东农423（H4）和藤系180 （L11），2015年在哈尔滨市东北农业大学农学院盆栽试验，盆规格为长60 cm、宽40 cm、高40 cm。为使抽穗期尽量保持一致，4月初按供试材料生育期分期播种，等距离单粒点播催芽籽，大棚盘育秧，旱育秧管理，5月中旬选取长势一致秧苗等距离插秧，每个品种插4盆，每盆插8穴，每穴插2棵苗。肥料处理设总施氮量为6 kg·667m-2相等基础上，抽穗期增施20%纯氮处理和不施氮肥对照处理。

各处理抽穗时选取长势相同且同日抽出的穗挂牌标记，于标记后第10、15、20、25天分别取标记稻穗，然后选取灌浆基本一致穗中部籽粒30粒，低温下去壳去胚后放入冻存管，-80℃超低温冰柜保存备用。

1.2测定方法

1.2.1淀粉含量测定

参照Jarvis等方法测定籽粒各灌浆时期表观直链淀粉含量［7］，参照何照范改良硫酸-蒽酮检测法测定籽粒各灌浆时期总淀粉含量［8］，各样品重复测定3次。

1.2.2蔗糖合成相关酶活性测定

参照张志良和瞿伟菁方法采用间苯二酚法测定蔗糖含量［9］。蔗糖代谢相关酶SPS和SuSy活性测定参考Smyth等方法［10］，AI活性测定参考刘丽杰等方法，略作修改［11］。

2　结果与分析

2.1氮素营养对灌浆不同时期籽粒淀粉组分含量影响

灌浆不同时期供试材料籽粒淀粉组分含量比较结果分别列于表1和表2。由表1和表2可知，不同材料灌浆进程中籽粒直链淀粉与总淀粉积累趋势大体一致，均表现为抽穗后15～20 d淀粉积累快，抽穗后25 d各供试品种直链淀粉和总淀粉积累量均达到精米90%，说明抽穗后15～25 d是直链淀粉和总淀粉的快速积累时期。灌浆过程中直链淀粉含量低的品种籽粒总淀粉含量始终低于直链淀粉含量高的品种，说明籽粒直链淀粉含量低的品种一般总淀粉含量较低。

表1　灌浆不同时期籽粒直链淀粉含量比较Table 1Comparison of grain amylose content during different filling periods

表2　灌浆不同时期籽粒总淀粉含量比较（%）Table 2Comparison of grain total starch content during different filling periods

抽穗期增施氮肥能降低精米直链淀粉含量，但降低幅度较小，而对总淀粉含量影响较大，比对照显著升高；处理间和不同材料间在抽穗后10～20 d内直链淀粉积累速率大体一致，但抽穗20 d后，施肥处理的材料直链淀粉积累较慢。总淀粉积累速率于抽穗后20 d至收获阶段增施氮肥材料较对照积累速度明显加快，说明增施氮肥在灌浆后期能够减缓直链淀粉并增加总淀粉积累。

2.2氮素营养对稻米品质性状影响

灌浆成熟期氮素营养对水稻千粒重和蒸煮食味品质性状影响结果列于表3。由表3可知，与对照相比抽穗期增施氮肥显著增加供试材料千粒重和蛋白质含量，但蛋白质含量增加幅度因品种而异，其中L12增加幅度最大，达到1.39个百分点；对于食味值而言，不同直链淀粉含量材料间食味值差异显著，低直链淀粉含量材料食味值显著大于高直链淀粉含量材料，与对照相比抽穗期增施氮肥材料食味值变化小。说明抽穗期增施氮肥有利于提高千粒重，有利于提高产量和成熟度。

与对照相比抽穗期增施氮肥能降低最高粘度、最低粘度及最终粘度，降低幅度既有显著材料也有不显著材料，因材料不同而异，下降粘度值处理间差异小。与对照相比抽穗期增施氮肥既能降低粘滞峰消减值也能提高该值，因材料不同而异。说明抽穗期增施氮肥对稻米粘特性影响因品种不同而异，对部分品种起改善作用。

2.3氮素营养对灌浆不同时期籽粒蔗糖代谢相关酶活性影响

不同氮素处理间灌浆不同时期籽粒SuSy、AI、SPS活性比较结果分别列于表4～6。

表3　不同氮素处理间稻米千粒重和品质性状比较Table 3Comparison of rice quality characters and thousand seed weight under different nitrogen treatments

表4　不同氮素处理间灌浆不同时期籽粒SuSy活性比较Table4ComparisonofgrainSuSyactivityduringdifferentfillingperiodsunderdifferentnitrogentreatments（mol·g-1·min-1）

表5　不同氮素处理间灌浆不同时期籽粒AI活性比较Table5ComparisonofgrainAIactivityduringdifferentfillingperiodsunderdifferentnitrogentreatments（mol·g-1·min-1）

表6　不同氮素处理间灌浆不同时期籽粒SPS活性比较Table6ComparisonofgrainSPSactivityduringdifferentfillingperiodsunderdifferentnitrogentreatments（mol·g-1·min-1）

由表4和表5可知，灌浆过程中籽粒SuSy和AI活性不同材料和处理均呈单峰曲线变化，随灌浆进程逐渐上升，抽穗后15～20 d达峰值后又缓慢下降，但下降幅度因材料不同而异。灌浆过程中籽粒SPS活性变化有两种情况（见表6），高直链淀粉含量材料呈单峰曲线变化，活性高峰均出现在抽穗后15 d；低直链淀粉含量材料呈缓慢下降趋势，活性高峰出现在抽穗后10 d，不同直链淀粉含量材料间酶活性差异达显著水平。由表4～6比较还可知，灌浆不同时期籽粒SuSy活性均明显高于SPS和AI活性，而SPS和AI酶活性彼此间相差很小，说明灌浆过程中籽粒SuSy和AI及SPS活性变化相互独立，SuSyo为籽粒中活性较大的酶。

与对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，差异达显著水平，其中H6材料SuSy活性增幅达1.75倍，最低增幅也达1.12倍；而AI活性最高增幅可达3.54倍，说明SuSy和AI活性受氮肥调控比较明显，且不因材料不同而异。SPS活性施肥处理时活性下降较明显，差异达显著水平，其中H4材料抽穗后10 d时下降幅度较大，比对照低4.43倍，说明抽穗期增施氮肥会抑制灌浆初期籽粒SPS活性。

2.4蔗糖代谢相关酶活性与淀粉组分含量间关系

根据两个处理的8个材料，估算灌浆不同时期蔗糖代谢相关酶活性与淀粉组分含量间简单相关系数，结果见表7。

表7　蔗糖代谢相关酶活性与淀粉组分含量间相关系数Table 7Correlation analysis between sucrose-metabolism enzymes activity and starch content

由表7可知，直链淀粉含量与AI间呈不显著负相关，而与SuSy和SPS活性间呈不显著正相关；总淀粉含量与SuSy、AI、SPS活性间均呈正相关，其中与SuSy活性间的相关达到显著水平。说明灌浆过程中蔗糖代谢相关酶活性对总淀粉含量的影响大于直链淀粉含量影响。

3　讨论

淀粉是胚乳主要贮藏物质，总淀粉积累量直接影响产量，总淀粉积累量多，籽粒产量高，而直链淀粉含量又是直接影响蒸煮食味品质的重要内在因素，随含量升高蒸煮食味品质变差。本研究结果中伴随总淀粉积累量增加，直链淀粉含量升高，说明这种淀粉积累特性受基因控制，高产与优质间矛盾是淀粉积累特性所致。虽然在一定范围内这种矛盾并不突出，但超高产或特优品种选育中矛盾尤为突出，这也是实际水稻生产中超高产品种蒸煮食味品质差，而优质品种产量低的内在原因之一。因此，以增加总淀粉积累提高产量的水稻超高产育种或以降低直链淀粉含量提高蒸煮食味品质的优质育种应关注淀粉积累这一特性，确定合理选择指标，以顺利选育目标品种。由本试验结果还可知，抽穗期增施氮肥显著增加稻米蛋白质含量，而增加稻米蛋白质含量会降低蒸煮食味品质。因此以提高蒸煮食味品质为目的的优质水稻栽培应避免抽穗期增施氮肥或控制灌浆成熟期氮素营养，以保证稻米蒸煮食味品质。

关于蔗糖代谢相关酶与产量和品质性状之间关系以及对氮素营养响应，李永庚等研究结果表明，籽粒中SuSy活性与淀粉积累速率呈正相关，较高SuSy活性有利于提高籽粒重量［12］。申丽霞等研究发现，施氮明显促进玉米顶部籽粒AI、SuSy活性并改善蔗糖利用与淀粉合成能力［13］。Chen等在苹果叶片研究中指出，SPS活性随氮素营养增加而增加［14］。本试验结果表明，抽穗期增施氮肥提高灌浆不同时期不同淀粉含量材料的SuSy、AI活性，且SuSy、AI活性与总淀粉含量呈正相关。表明抽穗期施用氮肥可通过提高水稻蔗糖代谢相关酶活性，促进碳水化合物合成，为淀粉合成积累提供物质。因此，抽穗期增施氮肥提高总淀粉含量和千粒重是通过提高蔗糖合成代谢SuSy、AI活性，促进蔗糖向淀粉合成转化。刘洪等认为，过量施用氮肥降低水稻弱势籽粒蔗糖积累量和SPS活性，减少淀粉含量，最终减少弱势粒粒重［15］；甜菜中SPS活性与氮素施用量呈二次抛物线关系，当施氮量达12.8 mmolNH4+·L-1时，根和叶片中SPS活性降低［16］。由本试验结果可知，增施氮肥可降低SPS活性，且SPS活性与直链淀粉及总淀粉含量呈正相关。通过抽穗期增施氮肥降低SPS活性，降低稻米直链淀粉含量，有利于提高稻米蒸煮食味品质，但实际结果不同。说明灌浆成熟期氮素营养对淀粉品质的影响机理复杂，有待深入研究。

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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”科技支撑计划项目（2015BAD23B05-11）；东北农业大学学科团队建设资助项目，黑龙江省粮食产能提升协同创新中心资助项目

金正勋（1960-），男，教授，博士，博士生导师，研究方向为水稻遗传育种及生物技术。E-mail：zxjin326@hotmail.com