楊傳銘,胡聰聰,孫顯龍,孫士鑫,李紅宇,范名宇

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黑龍江省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)與作物種質(zhì)改良重點實驗室,黑龍江 大慶 163000)

近年來隨著農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及政策引導(dǎo)和技術(shù)進步,我國水稻的有效供給出現(xiàn)了新的變化,水稻高產(chǎn)目標(biāo)已基本實現(xiàn),人們對主食的需求逐漸向“少而精”的方向發(fā)展,呈現(xiàn)出由數(shù)量型向品質(zhì)型轉(zhuǎn)變的趨勢。東北地區(qū)水稻產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)良,是我國重要的粳稻產(chǎn)區(qū)之一,其中黑龍江省是我國最大的優(yōu)質(zhì)粳稻主產(chǎn)區(qū),被譽為國家糧食安全的“壓艙石”,但黑龍江省屬寒地稻作區(qū),低溫冷害是該地區(qū)水稻生產(chǎn)的主要限制因素。

水稻生長發(fā)育的整個時期都可能發(fā)生低溫冷害,冷害發(fā)生的時期不同,對水稻的影響也不同。灌漿結(jié)實期是水稻產(chǎn)量和品質(zhì)形成的關(guān)鍵時期,此時溫度是影響稻米品質(zhì)最重要的因素之一[1]。灌漿期低溫影響水稻光合作用以及光合產(chǎn)物的運輸,導(dǎo)致籽粒不完全成熟,籽粒飽滿度降低和稻米品質(zhì)下降[2]。籽粒堊白受結(jié)實期溫度的影響尤為明顯[3],低溫使胚乳細胞分裂受阻,淀粉體體積減少而產(chǎn)生堊白[4]?；ê蟾鲿r段低溫對外觀品質(zhì)的影響因品種和處理時間而異,在抽穗后第二周和第三周分別進行低溫處理,秈稻品種的堊白粒和堊白面積分別呈現(xiàn)降低和升高趨勢,食味品質(zhì)好的品種受影響程度更為顯著[5]。受結(jié)實期低溫處理后,中熟軟粳稻的堊白粒率和堊白度呈現(xiàn)降低的趨勢,但晚熟軟粳稻和晚熟硬粳稻先降低后增加[6]。稻米蛋白質(zhì)含量受環(huán)境因素影響較大,有研究指出灌漿結(jié)實期低溫脅迫后稻米蛋白質(zhì)含量增加[7-9];也有研究指出低溫降低了蛋白質(zhì)含量[10-11]。黃金英等[12]認為灌漿成熟期溫度時段分布對蛋白質(zhì)及其4種組分含量的影響因品種本身蛋白質(zhì)含量的不同而存在差異。結(jié)實期作為籽粒淀粉積累的關(guān)鍵時期,此時低溫降低了峰值黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值,消減值升高[11],但是不同品種的RVA 譜特征值對溫度的敏感性也不同[8]。結(jié)實期低溫提高了稻米的硬度,降低了黏性和膠稠度,最終降低了稻米的適口性[11]。

目前針對結(jié)實期低溫對稻米品質(zhì)影響的研究已取得一定進展,但是結(jié)實期不同的處理時間以及處理強度對不同水稻品種的影響存在差異。因此本研究以黑龍江省第一和第二積溫帶主栽粳稻品種為試材,結(jié)合黑龍江省低溫冷害發(fā)生現(xiàn)狀,研究結(jié)實期低溫對寒地粳稻品質(zhì)的影響,為寒地粳稻優(yōu)質(zhì)豐產(chǎn)提供理論依據(jù),為實現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”的目標(biāo)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2019年3—12月在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)盆栽場和人工玻璃溫室進行。本研究以黑龍江省第一和第二積溫帶主栽的8份粳稻品種作為試材,采用二因素完全隨機試驗設(shè)計,A因素為品種,共8個水平(表1),B因素為低溫處理,共4個水平(表2)。極端溫度在水稻生殖生長階段隨機發(fā)生,通常持續(xù)3～7 d[13],結(jié)合前人關(guān)于寒地粳稻的研究[14-15],本試驗將17℃設(shè)置為低溫處理溫度。試驗于4月15日進行播種,5月20日將水稻苗移栽到盆缽中。設(shè)置3次重復(fù),每次重復(fù)種植20盆,每盆4穴,每穴3苗。根據(jù)花期,每個品種開花后按照表2依次從室外盆栽場移至人工玻璃溫室進行低溫處理,溫室四面和頂部均為透明,采用智能控溫系統(tǒng)每天7∶00和19∶00調(diào)節(jié)溫室溫度,使之產(chǎn)生晝夜溫差,同時采用溫濕度計(TH40G-E)監(jiān)測溫度和濕度。溫室處理7 d后將盆栽依次移至室外盆栽場。對照一直放置室外盆栽場,對照與處理的水肥等管理保持一致。利用小氣候自動觀測系統(tǒng)(RR-9100)記錄2019年7—8月日平均溫度和光合有效輻射,如圖1所示。

圖1 2019年7—8月土壤溫度及光合有效輻射Fig.1 Soil temperature and photosynthetically active radiation from July to August in 2019

表1 8份粳稻品種特性Table 1 Characteristics of eight varieties of japonica rice

表2 花后不同時段平均溫度設(shè)置Table 2 Average temperature setting of different periods after anthesis

1.2 測定項目與方法

將收獲后的稻谷放置3個月,采用普通小型脫粒機進行脫粒,采用糙米機和精米機將稻谷加工成精米,采用小型粉碎機將精米磨成米粉,過80目篩待用。

1.2.1 外觀品質(zhì) 采用大米外觀品質(zhì)辨別儀(EM-1000,SATAKE,日本)測定外觀品質(zhì),每個樣品設(shè)定2次重復(fù)。測定指標(biāo)包括堊白粒率、堊白度和長寬比。

1.2.2 營養(yǎng)品質(zhì) 蛋白質(zhì)含量：準(zhǔn)確稱取2 g精米粉,利用全自動凱氏定氮儀測定含氮量,通過轉(zhuǎn)換系數(shù)(5.95)計算稻米蛋白質(zhì)含量,每個樣品設(shè)置3次重復(fù)并取其平均值。蛋白組分含量：稱取0.1 g米粉于1.5 ml離心管中,加1 ml蒸餾水,于搖床上振蕩提取4 h,然后在1 0000 r·min-1條件下離心20 min,將上清液傾入帶刻度的試管中,重復(fù)提取3次,合并提取液,用改良型的Bradford試劑盒測定清蛋白含量。在提取過清蛋白的米粉沉淀中分別加5%氯化鈉溶液1 ml、70%乙醇溶液1 ml、0.2%氫氧化鈉溶液1 ml依次提取球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白,提取及測定過程同清蛋白。每個樣品設(shè)置3次重復(fù)并取其平均值。

1.2.3 蒸煮食味品質(zhì) 采用米飯食味計(STA-1A,SATAKE,日本)測定稻米的蒸煮食味品質(zhì),用粳稻標(biāo)準(zhǔn)的香氣、光澤、完整性、味道、口感以及綜合評分來評價米飯的蒸煮食味品質(zhì)。每個樣品重復(fù)3次。

1.2.4 淀粉黏滯性 采用快速黏度分析儀(RVA-4,Newport Scientific,澳大利亞)測定淀粉黏滯性,用Thermocli軟件進行分析。按AACC美國谷物化學(xué)協(xié)會操作規(guī)程(199561-02)標(biāo)準(zhǔn)方法進行操作。RVA譜特征值包括最高黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值、消減值、回復(fù)值、起始糊化溫度和峰值時間。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2003對數(shù)據(jù)進行整理,用DPS v7.05軟件對整理過的數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 結(jié)實期不同時段低溫對稻米外觀品質(zhì)的影響

不同品種間堊白粒率、堊白度以及籽粒長寬比的差異均達到極顯著水平,堊白粒率、堊白度和長寬比的變異幅度分別為1.27%～7.09%、0.67%～4.18%和1.51%～2.09%(表3)。A2品種的外觀品質(zhì)最優(yōu),A1品種的外觀品質(zhì)較差。低溫處理對籽粒長寬比的影響不顯著;B2處理對堊白粒率和堊白度影響較小;B3和B4處理后,堊白粒率和堊白度較對照分別顯著提高了73.22%、81.71%和105.57%、115.85%。品種和低溫二因素互作對堊白粒率和堊白度的影響達到極顯著水平。綜合分析表明,結(jié)實期低溫處理時間越晚,對外觀品質(zhì)的影響就越大。

表3 結(jié)實期低溫對稻米外觀品質(zhì)的影響Table 3 Effects of low temperature on appearance quality of rice during grain filling stage

2.2 結(jié)實期不同時段低溫對稻米營養(yǎng)品質(zhì)的影響

不同品種間總蛋白以及蛋白組分含量差異達到極顯著水平,蛋白質(zhì)含量變異幅度為5.72%～7.05%(表4)。不同時段低溫處理均顯著提高了稻米的總蛋白含量(1.46%～2.76%)和醇溶蛋白含量(6.33%～17.47%)、顯著降低了球蛋白含量(4.55%～5.69%)。清蛋白含量對不同時段低溫處理的響應(yīng)程度不同,B2處理顯著降低了清蛋白含量,B3和B4處理顯著提高了清蛋白含量;谷蛋白含量受結(jié)實期低溫影響較小。品種和低溫二因素互作對蛋白質(zhì)和蛋白組分含量的影響達到極顯著水平。

表4 結(jié)實期低溫對稻米營養(yǎng)品質(zhì)的影響Table 4 Effects of low temperature on rice nutritional quality during grain filling stage

2.3 結(jié)實期不同時段低溫對稻米蒸煮食味品質(zhì)的影響

如表5所示,不同品種間稻米食味品質(zhì)的評價指標(biāo)差異均達到極顯著水平,8份材料綜合評分整體較高,A1品種為‘龍稻18’,在本研究中食味品質(zhì)表現(xiàn)最優(yōu)。二因素分析表明,結(jié)實期低溫對米飯的香氣和完整性影響較小,顯著降低了稻米的光澤、味道、口感以及綜合評分。品種和低溫二因素互作對蒸煮食味品質(zhì)的影響達到了極顯著水平?？傮w表明,結(jié)實期低溫降低了稻米的蒸煮食味品質(zhì)。

表5 結(jié)實期低溫對稻米蒸煮食味品質(zhì)的影響Table 5 Effects of low temperature on eating and cooking quality of rice during grain filling stage

2.4 結(jié)實期不同時段低溫對稻米RVA譜特征值的影響

不同品種間稻米RVA譜特征值的差異均達到極顯著水平(表6)。B2和B3處理顯著降低了稻米的最高黏度、熱漿黏度、崩解值、冷膠黏度以及起始糊化溫度;B2處理顯著提高了稻米的消減值、回復(fù)值以及峰值時間;B4處理對淀粉RVA特征值的影響較小。品種和低溫二因素互作對RVA譜特征值的影響達到極顯著水平。綜合分析表明,花后1～14 d低溫處理對稻米淀粉黏滯性影響較大。

表6 結(jié)實期低溫對稻米RVA譜特征值的影響Table 6 Effects of low temperature on rice RVA characteristic values during grain filling stage

2.5 稻米蒸煮食味品質(zhì)與營養(yǎng)品質(zhì)和RVA譜特征值的相互關(guān)系

蒸煮食味品質(zhì)與其他品質(zhì)間的相關(guān)分析(表7)表明,總蛋白含量除了與完整性呈極顯著正相關(guān)關(guān)系外,與光澤、味道、口感和綜合評分呈極顯著負相關(guān)關(guān)系,這與前人的研究相同,即在一定范圍內(nèi),隨著蛋白質(zhì)含量的增加,食味品質(zhì)呈現(xiàn)降低趨勢。蛋白組分中的清蛋白與味道呈顯著正相關(guān)關(guān)系;谷蛋白含量與香氣呈顯著負相關(guān)。最高黏度與光澤和完整性分別呈顯著的負相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系;熱漿黏度和冷膠黏度與香氣和味道呈顯著和極顯著的負相關(guān)關(guān)系;回復(fù)值和起始糊化溫度與完整性和口感分別呈極顯著的正相關(guān)和顯著的負相關(guān)關(guān)系。

表7 蒸煮食味品質(zhì)與營養(yǎng)品質(zhì)和RVA譜特征值的相關(guān)性分析Table 7 Correlations of eating and cooking quality to nutritional quality and RVA characteristics

3 討 論

在全球氣候變化背景下,極端低溫天氣發(fā)生的頻率、強度和時間持續(xù)增加[16]。低溫冷害嚴重影響作物的生長發(fā)育以及產(chǎn)量、品質(zhì)的形成,是高緯度和寒地稻作區(qū)水稻生產(chǎn)的主要限制因素[17]。水稻產(chǎn)量和品質(zhì)在生殖生長階段對極端氣溫的響應(yīng)存在差異,在極端低溫和高溫條件下,產(chǎn)量在抽穗前一周和后一周最為敏感,品質(zhì)在抽穗后第二周最為敏感[5]。稻米外觀品質(zhì)受遺傳和環(huán)境因素的共同影響,其中堊白是外觀品質(zhì)重要的評價指標(biāo)[18],其受結(jié)實期溫度的影響尤為明顯[3]。結(jié)實期低溫導(dǎo)致淀粉體發(fā)育異常,胚乳細胞和組織充實不良,籽粒外觀異常[19-20],堊白粒率和堊白度增大[8,21]。花后各時段低溫對外觀品質(zhì)的影響因品種的秈粳屬性、生育期、食味品質(zhì)優(yōu)差而異[5-6,22]。張誠信等[9]利用粳稻研究表明抽穗后8～14 d 及 15～21 d 內(nèi)單一低溫、弱光脅迫提高了堊白度、堊白粒率及堊白大小,隨著處理時間段的推移影響變小。本研究表明,8份粳稻品種間外觀品質(zhì)差異達到了極顯著水平,由本課題組選育的‘墾粳8’外觀品質(zhì)表現(xiàn)最優(yōu)。堊白粒率和堊白度受花后1～7 d低溫處理影響較小、花后8～21 d 低溫處理后顯著提高,原因在于開花期和結(jié)實期進行低溫脅迫嚴重降低了最大和平均灌漿速率,延長了籽粒的灌漿進程[23],前期葉片中源充足,可以向庫轉(zhuǎn)運,能夠保證灌漿的進行,但是受低溫影響后,光合能力下降,物質(zhì)生產(chǎn)減少,導(dǎo)致灌漿不良、籽粒充實差,進而影響籽粒外觀品質(zhì)。

目前關(guān)于低溫對稻米蛋白質(zhì)含量影響的結(jié)論尚未統(tǒng)一,有研究指出灌漿結(jié)實期低溫脅迫后稻米蛋白質(zhì)含量增加[7-9],也有研究指出低溫降低了蛋白質(zhì)含量[10-11]。對開花后分段進行低溫處理研究表明,中后期低溫處理降低了稻米蛋白質(zhì)含量,而前期蛋白質(zhì)含量因品種不同而表現(xiàn)不同[22]。本研究表明,不同時段低溫處理顯著提高了稻米的總蛋白和醇溶蛋白含量,顯著降低了球蛋白含量,對谷蛋白含量的影響不顯著,前期處理顯著降低了清蛋白含量,但中后期處理顯著提高了清蛋白含量。不同學(xué)者研究結(jié)果不一致的原因一方面在于不同品種本身的耐冷性不同,蛋白質(zhì)對低溫的響應(yīng)程度也不同;另一方面在于低溫脅迫的程度以及持續(xù)時間的不同,故造成的影響也不同;還有可能是因為不同品種本身的蛋白質(zhì)含量的差異,使結(jié)果也產(chǎn)生一定的差異。此外,稻米蛋白質(zhì)主要由清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白組成,蛋白質(zhì)含量對低溫的響應(yīng)以及對稻米食味品質(zhì)的影響實際是由蛋白組分所決定。多數(shù)研究認為醇溶蛋白對稻米食味品質(zhì)有負面影響,它不易被消化吸收,同時影響淀粉的吸水膨脹及糊化特性[24-25]。謝黎虹等[26]認為谷蛋白營養(yǎng)價值高,容易被人體吸收與消化,屬于營養(yǎng)優(yōu)質(zhì)蛋白,且對稻米品質(zhì)影響相對較小。但也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),谷蛋白含量過高對稻米食味品質(zhì)也有一定的負作用[27],而且在秈稻中表現(xiàn)更為明顯[28]。因此,未來我們需要根據(jù)品種本身的基因型、蛋白質(zhì)和蛋白組分含量差異,深入剖析低溫對稻米營養(yǎng)品質(zhì)的影響。

淀粉是稻米重要的組成成分,分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。結(jié)實期是籽粒淀粉積累的關(guān)鍵時期,此時溫度是影響淀粉形成積累和胚乳淀粉特性的最重要的因素之一[29]。稻米RVA譜特征值與蒸煮食味品質(zhì)關(guān)系密切,崩解值的大小直接反映米飯的軟硬,消減值與米飯冷卻后的質(zhì)地相關(guān),食味較優(yōu)的品種一般具有較大的崩解值和較小的消減值和回復(fù)值[30]。不同品種的RVA譜特征值對結(jié)實期溫度的敏感性也不同[8],結(jié)實期低溫對食味品質(zhì)優(yōu)的品種影響程度高于食味差的品種[5]。較多研究表明,結(jié)實期低溫降低了峰值黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值、糊化溫度,消減值升高[11,22]。本研究結(jié)果與前人基本相同,花后1～14 d低溫處理顯著降低了稻米的最高黏度、熱漿黏度、崩解值、冷膠黏度以及起始糊化溫度;花后1～7 d處理顯著提高了稻米的消減值、回復(fù)值以及峰值時間;花后15～21 d處理對淀粉RVA特征值的影響較小。張誠信等[9]研究發(fā)現(xiàn)抽穗后21 d內(nèi)的低溫弱光復(fù)合脅迫及單一脅迫對稻米 RVA 譜特征值的影響大于其他階段,穗后21 d是籽粒灌漿及品質(zhì)形成的關(guān)鍵時期,從RVA譜特征值看,這時期遭遇復(fù)合脅迫降低了食味品質(zhì)。水稻開花后前期低溫對稻米加工品質(zhì)影響最大,而中、后期低溫對外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)影響最大[22]。灌漿期冷水脅迫[31]以及低溫處理[32]均降低了稻米食味品質(zhì),即花后溫度降低,稻米食味品質(zhì)變差[8-9,11]。本研究發(fā)現(xiàn)不同時段低溫處理顯著降低了稻米的光澤、味道、口感以及綜合評分,對香氣和完整性的影響不顯著。

淀粉占稻米重量的80%左右,其含量和結(jié)構(gòu)對稻米質(zhì)地發(fā)揮重要作用[33-34]。直鏈淀粉含量與米飯硬度呈正相關(guān),與黏度和食味值呈負相關(guān)[35]。研究表明,直鏈淀粉含量相似的品種之間米飯質(zhì)地尤其是口感出現(xiàn)的明顯差異是由支鏈淀粉的精細結(jié)構(gòu)差異所引起的[36]。支鏈淀粉長鏈多且短鏈少的水稻品種,其米飯質(zhì)地較硬,反之米飯質(zhì)地較軟[37]。結(jié)實期不同時段低溫對寒地粳稻淀粉含量和微觀結(jié)構(gòu)的影響如何?這是我們正在研究的內(nèi)容。

4 結(jié) 論

不同品種間各品質(zhì)指標(biāo)的差異均達極顯著水平,‘墾粳8’外觀品質(zhì)最優(yōu),‘龍稻18’蛋白質(zhì)含量最低,食味品質(zhì)最佳。結(jié)實期低溫對稻米外觀品質(zhì)影響最為顯著,花后8～21 d低溫處理顯著降低了稻米的外觀品質(zhì)。低溫處理顯著提高了稻米的總蛋白含量和醇溶蛋白含量,顯著降低了球蛋白含量,清蛋白含量對不同時段低溫響應(yīng)不同?；ê?～14 d處理顯著降低了稻米的最高黏度、熱漿黏度、崩解值、冷膠黏度以及起始糊化溫度;花后1～7 d處理顯著提高了稻米的消減值、回復(fù)值以及峰值時間。結(jié)實期低溫通過提高蛋白含量和改變RVA譜特征值進而降低了稻米的蒸煮食味品質(zhì)。