水稻弱势籽粒淀粉形成对稻米品质影响研究进展

刘海天 王峰 王强 虞轶俊 马军伟*

（1浙江农林大学，杭州 311300；2浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021；3浙江省耕地质量与肥料管理总站，杭州 310020；*通讯作者:majunwei11@163.com）

稻米品质主要分为加工、外观、蒸煮食味和营养品质[1]。水稻籽粒中淀粉质量约占籽粒干物质量的50%以上，其理化性质直接关系着稻米品质的优劣[2-3]。水稻籽粒淀粉不仅受体内激素、相关基因和酶的影响，还受到外界因素，如生长温度、光照和栽培措施等的影响[4]。以往研究主要关注水稻籽粒的整体品质，而对于弱势籽粒的淀粉品质研究较少，对灌浆期间强、弱势籽粒形成对于稻米淀粉品质的调控差异也鲜有研究[5]。

1 水稻弱势籽粒淀粉生物学特性

通常情况，水稻弱势籽粒的淀粉形成与颖花在穗上的位置有一定关系。稻穗中上部一般来说开花较早、灌浆速率快、灌浆充实度好、籽粒质量较大、淀粉品质较好，被称为强势粒；而稻穗下部（一般指穗基部二次枝梗）开花较晚、灌浆速率相对较慢、灌浆充实度较差、籽粒质量小、淀粉品质较差的籽粒则被称为弱势粒[6-8]。借助显微镜观察发现，相比强势粒，弱势籽粒胚乳中的淀粉粒呈现半晶体形态，且多为一种有棱角的无规则状态。淀粉粒根据粒径大小可划分为3种类型：粒径大于20μm的为大淀粉粒，粒径处于1.5～20μm之间的为中淀粉粒，粒径小于1.5μm的为小淀粉粒。前人研究发现，水稻弱势籽粒中中淀粉粒所占比例最高，并对水稻弱势籽粒大小影响显著。淀粉粒的数量在其中呈单峰分布，体积呈三峰分布，表面积呈双峰分布[9]，数量、体积、表面积的分布具有一定规律，且这种规律与水稻整体的籽粒淀粉品质具有一定联系。刘建超[10]就水稻淀粉粒径分布情况对蔗糖与蛋白质的影响机制进行了研究，结果表明，淀粉粒的大小及其粒度分布也与水稻籽粒淀粉品质有一定关系。弱势籽粒中的淀粉粒相比强势籽粒而言颗粒和间隙较大，且排列不整齐，因此更容易发生断裂[11]，严重影响淀粉品质的形成。

水稻籽粒中的淀粉按分支可以分为两种——直链淀粉和支链淀粉[3]。直链淀粉呈线性结构，几乎没有分支；支链淀粉呈高度分支的簇状结构，分支数量较多。其中，天然淀粉颗粒由交替出现的“生长环”的无定型层和半结晶层组成。直链淀粉大多分布在无定型层，而半结晶层也有一定分布，但是数量较少。而半结晶层过多的直链淀粉会导致淀粉结晶状态的不稳定、籽粒淀粉密度减小，最后导致水稻籽粒硬度下降[12]。直链淀粉含量（AC）是稻米品质的重要衡量标准之一，与峰值黏度、糊化程度都有着显著关系[13]。直链淀粉含量较高的籽粒硬度大、黏度低，支链淀粉含量较高的籽粒表现则与之相反[14]。通常而言，稻米品质高一般有着以下几个共性，比如低水平的糊化温度、直链淀粉含量以及胶稠度等[16]。相比强势籽粒，弱势籽粒的直链淀粉含量常常过高，进而导致淀粉糊化温度升高、胶稠度下降，最终导致籽粒淀粉品质下降，直接表现为米饭光泽度降低、黏性变差、食味品质下降[15]。

2 影响水稻弱势籽粒淀粉品质的生理机制

2.1 水稻光合产物对弱势籽粒淀粉形成的影响

水稻弱势籽粒淀粉同其他籽粒淀粉形成原理和过程基本一致，其淀粉的积累主要以光合作用所形成的蔗糖通过韧皮部输导系统从源输送到籽粒，首先降解为单糖，继而转化为葡萄糖供体UDPG（ADPG），接着用于代谢或淀粉合成[17]。研究表明，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性高低影响着水稻产量和籽粒总淀粉含量[18-19]，同时也对淀粉的结构改变有一定作用[20]。淀粉分支酶（SBE）的作用主要体现在可以通过催化合成支链淀粉来改变支链淀粉的含量，调节水稻籽粒胚乳中直链、支链淀粉的比例，进而影响水稻籽粒淀粉的品质[21]。在对其研究过程中发现，AGPiso、AGPsma和SBE3等基因与水稻籽粒淀粉的胶稠度和热力学性质有一定联系[22]。而另一种淀粉去分支酶（DBE）能够特异性地水解淀粉中的α-1,6糖苷键[23]。部分学者提出，水稻强、弱势籽粒淀粉品质形成的差异是因为光合产物供应不足，水稻叶片推迟1 d衰老可使产量增加2%左右，而叶片早衰对后期灌浆的弱势粒影响巨大。早衰越严重的品种其弱势粒灌浆速率越低。邓仲篪等[24]在研究籼粳亚种杂交组合结实率偏低的生理原因时，通过减去部分叶片和颖花来调控其营养的吸收，结果表明，水稻光合水平的降低大大限制了籼粳亚种杂交组合的结实率。因此，探明水稻强、弱势籽粒光合产物的形成差异，寻求提高水稻弱势籽粒光合产物的方法和途径对水稻籽粒淀粉品质形成具有重要意义。

2.2 水稻籽粒库容对弱势籽粒淀粉形成的影响

部分学者发现，水稻籽粒库容大小与水稻籽粒灌浆以及水稻强弱势籽粒淀粉品质形成正相关。通过对稻穗中上部颖花进行剪除（剪除水稻强势粒），然后观察记录稻穗底部其余弱势籽粒的灌浆情况和不同时期的籽粒淀粉品质，结果发现，去除部分强势花弱势籽粒其灌浆时间并没有明显缩短，穗底部余下的分蘖上的水稻籽粒淀粉品质也未显著改善[25]。袁隆平[26]认为，籼粳亚种杂交稻籽粒普遍库容量大，但后期功能叶光合作用能力下降，易早衰，光合产物到籽粒库容的运输速率和库中分配比例低是限制淀粉品质形成的主要原因。因此，库容大小是影响水稻强弱势籽粒灌浆的限制因素，确保光合产物的供应，平衡强、弱势籽粒灌浆之间的关系是解决水稻籽粒淀粉品质形成问题的基础。

2.3 光合产物运输对弱势籽粒淀粉形成的影响

水稻光合产物运输主要是通过维管束系统实现。稻穗不同部位颖花的分化时间存在一定差异，导致其维管束的发育状况也不尽相同。通过比较发现，穗中上部一次枝梗维管束的导管面积和韧皮部面积较大，单个伴胞（促进同化物向筛管的转移运输）面积也较大[27]。弱势籽粒输导组织活性差，灌浆起步晚、速率小、充实度低。但是强势籽粒穗颈节间茎秆粗、茎壁厚，其韧皮部面积和维管束数目与水稻籽粒灌浆充实度和穗粒质量正相关。因此，水稻茎秆茎壁厚，茎壁面积占茎横切面面积比例大，输导组织活性强，维管束系统发育发达，光合产物流通顺畅，有利于水稻弱势籽粒的灌浆充实，提高穗粒质量和稻米品质。

2.4 内源激素及遗传基因对弱势籽粒淀粉形成的影响

水稻籽粒淀粉形成受激素水平的影响较大，所以各类激素对于植物生长的调控作用一直是热点研究问题。目前，对生长素（IAA）、赤霉素（GA）和脱落酸（ABA）在强、弱势籽粒的淀粉形成过程中的作用已有一定研究[28]。

IAA不仅可以促进气孔开放，增强叶片光合作用，还影响水稻籽粒中的胚乳细胞数目、体积以及填充物[29]。开花后水稻强势粒灌浆启动早，等其灌浆状态下降后，弱势粒才开始灌浆，且强势粒的灌浆势峰值高于弱势粒，呈现“粒间顶端优势”，这种优势与其内源IAA含量一致，是强势粒对弱势粒抑制作用产生的原因。除此之外，IAA可以刺激可溶性淀粉合成酶（SSS）和颗粒淀粉合成酶（GBSS）的活性，从而改变直链淀粉在弱势籽粒淀粉中的比例[30]。一般而言，水稻籽粒直链淀粉合成能力越高，SSS的活性也就越高[31]。SSS不仅可以改变淀粉的链长还可以改变淀粉的分支频率[32]，而强势籽粒中SSS活性均高于同穗上的弱势籽粒，且二者直链、支链淀粉比例也有显著差异。研究发现，锌指蛋白OsbZIP58与基因SBEII呈显著负相关，通过RNAi敲除SBEII可以提高直链淀粉含量水平，进而提升水稻弱势籽粒的淀粉品质[33]。除此之外，还可以通过GBSS（包括GBSSI和GBSSII两个同工酶）参与弱势籽粒中直链淀粉的合成过程，经由Waxy进行编码，提升水稻弱势籽粒稻米品质[34-35]。

赤霉素（GA）可以激活淀粉合成相关酶的活性，但有研究发现，GA的合成会进一步阻碍水稻弱势籽粒淀粉的合成和积累[36]。通过外施GA发现，强、弱势粒二者的粒质量和胶稠度均有一定程度的降低，同时进一步增加弱势籽粒的垩白度[37]。WANG等[38]通过对不同水稻品种的研究发现，弱势籽粒直链淀粉的合成受淀粉合成酶蜡质基因（Wx）的调控程度较高[39]。另外，孙业盈等[40]还发现，Wx基因对胶稠度也具有调控作用。Wx基因还使强、弱势粒的淀粉粒在粒度差异上有明显区别[41]。另外，除上述研究发现几个基因对强、弱势粒淀粉形成过程造成差异外，不同基因组合相互作用也可以改变籽粒内的直链淀粉含量，如Wx和PUL、SSII-3和PUL、SSI和SBEI、ISA和PUL以及SBEI和SBE3等[42]。然而对此还需进一步研究强、弱势粒之间的差异性。

脱落酸（ABA）通常作为一种抑制型激素，导致水稻籽粒蔗糖合酶（SuSy）和部分磷酸化酶活性的改变，提升淀粉合成酶、淀粉分支酶的活性[43]。在水稻籽粒灌浆期间，强势籽粒的ABA含量显著高于弱势籽粒。另外，ABA含量较低还使弱势籽粒在灌浆速率上明显低于同穗的强势籽粒[44-45]。

乙烯（ETH）通过乙烯释放速率（EER）和ETH合成直接前体（ACC）对水稻籽粒的灌浆和粒质量进行调控，研究发现，稻穗顶部籽粒中EER要低于同一稻穗底部籽粒，而ETH在稻穗底部籽粒中的累积会造成对应部位籽粒灌浆的延缓[46-47]。有研究表明，EER与粒质量、淀粉含量、充实度、籽粒灌浆速率和水稻胚乳细胞分裂速率均呈极显著负相关[48]。后续研究发现，EER和ACC含量在灌浆期的变化与水稻籽粒品质中的垩白度、垩白粒率和垩白大小呈显著正相关，同时与精米率、整精米率和糙米率呈极显著负相关，表明EER和ACC含量的降低有效提升了稻米的加工品质[49-50]。

除上述几种激素外，细胞分裂素（CTK）和油菜素类固醇（BRs）等也对弱势籽粒淀粉品质的提升有一定作用[51]。水稻中各种激素水平和基因之间的关系与水稻籽粒淀粉的品质形成有着重要联系，不同激素通过影响籽粒相关基因表达、相关淀粉酶来对籽粒淀粉形成进行调控。然而，内源激素对于水稻强、弱势籽粒的作用机制差异尚未有深入的探究，与弱势籽粒的关联也没有深入阐明，外施激素之间相互作用以及对弱势籽粒淀粉品质的提升也需要进一步探究。

表1 稻米籽粒淀粉形成影响因素及其途径

2.5 养分管理对弱势籽粒淀粉形成的影响

养分管理中最主要的是氮素的管理，不管是稻米产量，还是强、弱势籽粒品质都与其密切相关。研究表明，一定时期内直链淀粉含量随施氮量的增加而升高[52]。与具有较高氮的土壤比较，在低氮土壤环境下，弱势籽粒中的表观直链淀粉含量较强势籽粒会有一定的提升[53]。通过外施氮肥，可以直接影响弱势籽粒内相关淀粉合成酶的活性，降低淀粉粒的平均粒径。相对合理的施氮量可以提高弱势粒中淀粉粒的有序性，改善淀粉粒的分布、数量和结构[54]。在水稻结实期增加施氮量，会造成弱势籽粒中支链淀粉含量的显著下降[55-56]。因此，对水稻施用氮肥应科学设计施用量，氮肥对于籽粒品质的两面性会影响弱势籽粒品质的改善程度，对水稻产量和品质造成显著影响。

除氮肥外，单独外施钾肥或者单独外施锌肥也会造成弱势籽粒中直链淀粉含量的提高，而氮磷钾肥的合理组合施用则会使其垩白粒率和直链淀粉含量明显下降[57]。另外，研究还发现，不同氮素施用方法通过GBSS、ISAs和SBEs等基因改变水稻弱势籽粒淀粉中直链、支链淀粉的相对数量[58-59]。

3 展望

随着人们生活水平的不断提高，对于稻米的要求也逐渐由数量转变为质量。尽管对稻米的产量和品质已有较多研究，而对于占稻米相当数量并对品质有重要影响的弱势籽粒的相关研究还鲜有报道。基于以上分析，对于提升稻米品质研究可以从生理和遗传水平改善弱势籽粒的角度来提高整体稻米品质，具体从以下方面着手，首先明确弱势籽粒淀粉形成的相关生物学特性，明确不同因素对水稻不同粒位（强、弱势）籽粒淀粉形成的调控机制，在遗传水平上，整体阐明影响水稻强、弱势籽粒淀粉形成内在机制与差别，尤其针对水稻弱势籽粒灌浆时期，需明确不同环境信号（尤其是不同养分水平）对淀粉合成相关基因的影响和调控的方式和途径。