穆海蓉，邵在勝，沈士博，景立權(quán)，王云霞，王余龍，楊連新*

（1.揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

臭氧濃度增加對(duì)超級(jí)稻南粳9108稻穗不同部位籽粒氨基酸含量的影響

穆海蓉1，邵在勝1，沈士博1，景立權(quán)1，王云霞2，王余龍1，楊連新1*

（1.揚(yáng)州大學(xué)江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中下游作物生理生態(tài)與栽培重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

為了解臭氧濃度升高對(duì)稻米品質(zhì)的影響，2015年以高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)超級(jí)粳稻南粳9108為供試材料，利用自然光氣體熏蒸平臺(tái)，設(shè)置對(duì)照（18 nL·L-1）和高濃度臭氧（100 nL·L-1）處理，研究了臭氧濃度增加對(duì)成熟期稻穗不同部位糙米氨基酸性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：臭氧濃度增加使稻米氨基酸、必需和非必需氨基酸總量顯著增加，但對(duì)必需或非必需氨基酸占氨基酸總量的百分比無(wú)顯著影響；從氨基酸組分看，除半胱氨酸外，臭氧濃度增加使糙米中7種必需氨基酸和9種非必需氨基酸的含量均呈增加趨勢(shì)，其中蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、亮氨酸、絡(luò)氨酸、天冬氨酸和苯丙氨酸的增幅均達(dá)顯著或極顯著水平；總體上，稻穗下部稻米氨基酸及其組分濃度對(duì)臭氧濃度增加的響應(yīng)大于稻穗上、中部，其中臭氧處理與籽粒著生部位對(duì)苯丙氨酸、絡(luò)氨酸、組氨酸、精氨酸有明顯的互作效應(yīng)（P＜0.1）。以上數(shù)據(jù)表明，100 nL·L-1臭氧濃度使供試超級(jí)稻稻米氨基酸及其組分濃度明顯增加,且多數(shù)情況下弱勢(shì)粒的增加趨勢(shì)大于強(qiáng)勢(shì)粒。

大氣變化；臭氧；水稻；氨基酸；稻穗不同部位

在許多亞洲國(guó)家，近年來(lái)快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展使得空氣污染物——氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)化合物排放增加，這些臭氧前體物在高溫和強(qiáng)光照條件下通過(guò)光化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為臭氧，導(dǎo)致許多國(guó)家地表（近地層或?qū)α鲗樱┏粞鯘舛妊杆偕仙?，特別是人口密度大的發(fā)展中國(guó)家[1-2]。據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)的40年里，東南亞地區(qū)地表平均臭氧濃度將比現(xiàn)在高25 nL·L-1[2]。作為強(qiáng)氧化劑，目前地表臭氧濃度已超過(guò)敏感作物臭氧傷害閥值（40 nL·L-1）[3]，對(duì)作物包括水稻的生長(zhǎng)發(fā)育造成負(fù)面影響，未來(lái)這種影響可能更大[4-8]。

水稻作為人類最重要的食物來(lái)源，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量有關(guān)臭氧濃度增加對(duì)水稻影響的研究，但多數(shù)集中在生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成方面，很少涉及稻米品質(zhì)[5-7，9]。地表臭氧濃度增高導(dǎo)致作物一系列生理過(guò)程發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)植株物理或化學(xué)性狀產(chǎn)生影響，收獲器官的品質(zhì)可能因此改變[7]。前期有限的研究表明，臭氧濃度增加對(duì)稻米品質(zhì)的負(fù)面影響較大，影響程度與供試品種和氣象條件有關(guān)[10-14]。稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要包括蛋白質(zhì)含量及其氨基酸組成，是最為重要的品質(zhì)性狀之一。目前臭氧濃度增加對(duì)稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的影響主要聚焦于蛋白質(zhì)含量[10-11，15-17]，而對(duì)各種氨基酸包括重要的限制性氨基酸濃度的變化鮮有報(bào)道[17]。最新大田研究表明，臭氧濃度增加使不同密度水稻稻米氨基酸濃度均呈增加趨勢(shì)[17]，但這種趨勢(shì)是否與籽粒在稻穗上的著生部位有關(guān)未見(jiàn)報(bào)道。水稻是穗狀花序，同一穗內(nèi)的穎花分化和開(kāi)花存在先后，一般位于稻穗上部的強(qiáng)勢(shì)粒開(kāi)花早，灌漿啟動(dòng)快，灌漿時(shí)間短，而弱勢(shì)粒則相反[18]?；谶@種灌漿快慢的差異推測(cè)，臭氧濃度增加對(duì)弱勢(shì)粒的影響可能大于強(qiáng)勢(shì)粒，但這一假設(shè)尚未得到驗(yàn)證。

1996年中國(guó)實(shí)施超級(jí)稻育種計(jì)劃以來(lái)，超級(jí)稻的選育取得重大進(jìn)展，分別于2000、2004、2011、2014年實(shí)現(xiàn)第一至四期單季水稻產(chǎn)量目標(biāo)[19-20]，為我國(guó)水稻增產(chǎn)做出了重要貢獻(xiàn)，但臭氧濃度增加對(duì)超級(jí)稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響鮮有報(bào)道[21-22]，稻米品質(zhì)方面的研究則還是空白。本試驗(yàn)依托接近自然稻田環(huán)境的自然光氣體熏蒸平臺(tái)[23]，以優(yōu)質(zhì)超級(jí)稻南粳9108為供試材料，用自然采光和群體土培方式培育水稻植株。試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照（18 nL·L-1）和高濃度臭氧（100 nL·L-1）兩個(gè)處理，成熟期籽粒按稻穗不同部位收獲后測(cè)定糙米中的氨基酸，研究臭氧濃度增加對(duì)超級(jí)稻南粳9108氨基酸含量的影響及其與籽粒著生部位的關(guān)系，以期為高臭氧濃度環(huán)境下稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的調(diào)控提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)依托一種新型自然光氣體熏蒸平臺(tái)[23]，該平臺(tái)位于江蘇省揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院網(wǎng)室試驗(yàn)田內(nèi)（119.42°E，32.39°N）。試驗(yàn)土壤類型為清泥土，所在地年均降水量1000 mm左右，年均蒸發(fā)量在940 mm左右，年平均溫度15℃，日照時(shí)間大于2100 h，年平均無(wú)霜期220 d。土壤理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)24.3 g·kg-1，全氮1.5 g·kg-1，堿解氮126.1 mg·kg-1，全磷0.66 g·kg-1，速效磷13.4 mg·kg-1，速效鉀35.2 mg·kg-1，電導(dǎo)率0.17 mS·cm-1，pH 7.1，土壤中砂粒（0.02～2 mm）占57.9%，粉砂粒（0.002～0.02 mm）占28.4%，黏粒（＜0.002 mm）占13.7%。

本平臺(tái)為動(dòng)態(tài)熏氣系統(tǒng)，由溫濕度調(diào)控系統(tǒng)、氣體熏蒸系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)以及保護(hù)和報(bào)警系統(tǒng)共四個(gè)子系統(tǒng)組成。由平臺(tái)附屬氣象站觀測(cè)采集室外溫度、濕度、臭氧濃度、光照、大氣壓力等主要?dú)庀髤?shù)信息，同時(shí)，通過(guò)溫濕度傳感器、光照傳感器、氣壓測(cè)定儀和O3分析儀監(jiān)測(cè)各室主要環(huán)境參數(shù)與氣體濃度，通過(guò)主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收采集信息并反饋調(diào)節(jié)各主要控制因子，使室內(nèi)外環(huán)境差異維持在最小水平。本研究平臺(tái)分為上下兩層，下層為設(shè)備間，氣體先在下層混氣箱中混勻再由風(fēng)機(jī)輸送至上層試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，由于與室外空氣無(wú)直接接觸，臭氧濃度本底值明顯低于室外環(huán)境。臭氧是以純氧為氣源，由佳環(huán)臭氧發(fā)生器（型號(hào)為QD-001-3A）產(chǎn)生，通過(guò)Model 49i臭氧分析儀對(duì)臭氧濃度進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)（每分鐘采集一次）。2015年根據(jù)試驗(yàn)需求，共設(shè)置2個(gè)室內(nèi)對(duì)照（C-O3，室內(nèi)對(duì)照）和2個(gè)高濃度臭氧處理（E-O3，設(shè)定為100nL·L-1），熏氣時(shí)間設(shè)定為每天9：00—17：00，濕度在7月22日前、后分別設(shè)定為70%、75%，溫度、光照和大氣壓力動(dòng)態(tài)模擬外界環(huán)境（圖1）。

2015年6月15日將水稻秧苗移栽至氣室，返青期內(nèi)僅對(duì)溫、濕度進(jìn)行調(diào)控，待秧苗返青后（7月1日）開(kāi)始進(jìn)行熏氣處理，9月4日停止熏氣。平臺(tái)運(yùn)行期間，除因設(shè)備故障、雷雨天氣以及臭氧分析儀校準(zhǔn)等原因短時(shí)間暫停布?xì)馔猓ü?2 d，見(jiàn)圖1），其余時(shí)間系統(tǒng)運(yùn)行正常。

1.2 材料培育

以目前生產(chǎn)上廣泛選用的優(yōu)質(zhì)超級(jí)稻南粳9108（遲熟中粳）為供試材料。大田旱育秧，2015年5月10日播種，6月15日移栽，9月22日收獲，每室12穴，兩個(gè)重復(fù)，密度為27株·m-2。全生育期總施氮量為15 g·m-2，于6月10日施基肥（占總施氮量的60%），7月20日施穗肥（占總施氮量的40%）；磷、鉀肥總施用量均為7 g·m-2，并作為基肥一次性施用。氮肥使用尿素（含氮率46.7%）和復(fù)合肥（N-P-K：15-15-15），磷、鉀肥使用復(fù)合肥。水分管理為6月15日—7月22日保持水層（約3 cm），7月23日后干濕交替，控水?dāng)R田。適時(shí)進(jìn)行病蟲(chóng)草害防治，保證水稻正常生長(zhǎng)發(fā)育。

1.3 測(cè)定內(nèi)容和方法

強(qiáng)、弱勢(shì)粒區(qū)分：于成熟期，每個(gè)氣室以6穴為一個(gè)重復(fù)分別收獲，稻穗上的籽粒區(qū)分為上、下和中三個(gè)部位，即先將穗軸一分為二（一次枝梗數(shù)為奇數(shù)則上部比下部多一個(gè)一次枝梗），然后將稻穗上部一次枝梗、下部二次枝梗上的籽粒以及所有剩余籽粒分別作為稻穗上、下和中部籽粒，以此對(duì)應(yīng)強(qiáng)勢(shì)粒、弱勢(shì)粒和中勢(shì)粒[24-25]。

圖1 2015年水稻生長(zhǎng)季自然光氣體熏蒸平臺(tái)的控制狀態(tài)Figure 1 The performance of greenhouse-type gas fumigation chambers in 2015 rice growing season

稻米氨基酸含量采用全自動(dòng)氨基酸分析儀（Biochrom 30）測(cè)定。稻谷經(jīng)出糙后磨粉，準(zhǔn)確稱取米粉0.100 0 g于10 mL安瓿瓶中，加入6 mol·L-1的HCl 5 mL，將安瓿瓶封口，用鋁蓋壓實(shí)密封。用注射器抽出安瓿瓶中的空氣，并用醫(yī)用膠帶再次封口，將安瓿瓶置于110℃恒溫干燥箱中消化24 h后取出冷卻至室溫；打開(kāi)安瓿瓶，過(guò)濾消化液（定量濾紙）至50 mL消化管中，室溫下放置4 h；吸取2 mL濾液至10mL試管中，用水浴鍋常壓蒸干去除HCl，殘留物用2 mL稀釋液稀釋，稀釋液通過(guò)0.45 μm孔徑的濾膜后，即得到米粉氨基酸水解液，隨后轉(zhuǎn)入進(jìn)樣瓶中待上機(jī)測(cè)定，根據(jù)測(cè)定結(jié)果計(jì)算氨基酸含量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析方法

使用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，采用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和方差分析。顯著水平設(shè)P＜0.01、P＜0.05、P＜0.1、P＞0.1，分別用**、*、+和ns表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 臭氧熏蒸平臺(tái)的控制

臭氧熏蒸期試驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)的變化示于圖1。熏蒸平臺(tái)的控制一般用TAR（Target Achievement Ratio，實(shí)際測(cè)定值/設(shè)定目標(biāo)值）值來(lái)表示，TAR值越接近1，則控制精度越高。結(jié)果表明，室外對(duì)照、室內(nèi)對(duì)照和高濃度臭氧處理熏蒸期間平均臭氧濃度分別為61.7、18.1、100.3nL·L-1（圖1a），臭氧精度控制的TAR值達(dá)到1.0。整個(gè)臭氧熏蒸期間的各室平均溫度（圖1b）和大氣壓力變幅（圖1c）分別為29.3～30.8℃和99.8～100.3 kPa，TAR值均達(dá)到1.0。室內(nèi)對(duì)照和高濃度臭氧處理整個(gè)生育期熏蒸期間相對(duì)濕度值（圖1d）分別為72.7%和72.9%，TAR均達(dá)到1.0。

2.2 臭氧濃度增加對(duì)稻穗不同部位糙米氨基酸總量、必需和非必需氨基酸總量的影響

圖2 臭氧濃度增加對(duì)南粳9108稻穗不同部位糙米氨基酸總量、必需和非必需氨基酸總量的影響Figure 2 Effect of ozone stress on total of essential，nonessential and all amino acids in brown rice at different positionsonapanicle of Nanjing 9108

臭氧濃度增加對(duì)南粳9108稻穗各部位糙米氨基酸總量的影響如圖2所示。該品種全穗糙米氨基酸總量平均（兩臭氧處理平均）為62.7 mg·g-1，稻穗上部、中部和下部氨基酸總量分別為61.7、64.2、62.4 mg·g-1，中部最大，但無(wú)顯著差異。與對(duì)照相比，臭氧處理使該品種糙米氨基酸總量平均增加5.5%，達(dá)顯著水平。從稻穗不同部位看，臭氧濃度增加使稻穗上部、中部和下部糙米氨基酸總量分別增加1.6%、2.9%和12.3%，稻穗中、下部均達(dá)極顯著或顯著水平。方差分析表明，臭氧處理與稻穗不同部位對(duì)糙米氨基酸總量有微弱的互作效應(yīng)。

水稻糙米氨基酸總量為必需氨基酸總量和非必需氨基酸總量之和。圖2表明，糙米必需、非必需氨基酸的總量平均（兩臭氧處理平均）分別為21.5、41.3mg·g-1，后者為前者的兩倍，但兩參數(shù)不同部位間均無(wú)顯著差異。與對(duì)照相比，臭氧處理使南粳9108必需氨基酸、非必需氨基酸總量平均（兩臭氧處理平均）分別增加5.4%和5.6%，后者達(dá)0.01顯著水平。從部位看，臭氧濃度增加使稻穗上部、中部和下部糙米必需氨基酸總量分別增加1.6%、3.1%和11.8%，非必需氨基酸總量分別增加1.7%、2.8%和12.5%，稻穗上部未達(dá)顯著水平，但稻穗中部和下部均達(dá)顯著水平。方差分析表明，臭氧處理與稻穗不同部位對(duì)糙米非必需氨基酸總量有顯著的互作效應(yīng)。

2.3 臭氧濃度增加對(duì)稻穗不同部位糙米必需、非必需氨基酸占氨基酸總量百分比的影響

圖3為臭氧濃度增加對(duì)稻米必需、非必需氨基酸占氨基酸總量百分比的影響。稻米必需氨基酸占氨基酸總量的百分比（平均34.2%）明顯小于非必需氨基酸占氨基酸總量的百分比（平均65.8%），但兩指標(biāo)稻穗不同部位間均無(wú)差異。臭氧處理對(duì)稻穗不同部位糙米必需或非必需氨基酸占氨基酸總量的百分比均沒(méi)有影響。方差分析表明，臭氧處理與稻穗部位間的互作對(duì)兩參數(shù)均無(wú)顯著影響。

圖3 臭氧濃度增加對(duì)南粳9108稻穗不同部位糙米必需和非必需氨基酸占氨基酸總量百分比的影響Figure 3 Effect of ozone stress on the percentage of essential or nonessential amino acids to total amino acids in brown rice at different positionsona panicle of Nanjing 9108

2.4 臭氧濃度增加對(duì)稻穗不同部位糙米必需氨基酸含量的影響

組成蛋白質(zhì)的一部分氨基酸必須由食物供給（而非人體合成），稱為必需氨基酸。臭氧濃度增加對(duì)水稻糙米中7種必需氨基酸含量的影響列于表1。稻穗上部、中部和下部糙米蛋氨酸含量平均分別為1.02、1.09、0.89 mg·g-1，部位間差異達(dá)0.1顯著水平；除蛋氨酸外，糙米中其他6種必需氨基酸含量的部位差異均未達(dá)顯著水平。與對(duì)照相比，臭氧濃度增加使水稻糙米中所有必需氨基酸含量均呈增加趨勢(shì)，其中蘇氨酸（+10.2%）、亮氨酸（+7.8%）均達(dá)顯著水平。從著生部位看，臭氧濃度增加條件下稻穗各部位諸必需氨基酸含量多呈增加趨勢(shì)，其中稻穗上部氨基酸含量最高增幅為6.7%，但均未達(dá)顯著水平；稻穗中部最高增幅為9.9%，有4個(gè)必需氨基酸達(dá)0.1顯著水平；稻穗下部所有必需氨基酸含量均增加，最高增幅達(dá)19.2%，除蛋氨酸外，均達(dá)0.1以上顯著水平。方差分析表明，臭氧處理與部位對(duì)糙米苯丙氨酸有顯著的互作效應(yīng)。

2.5 臭氧濃度增加對(duì)稻穗不同部位糙米非必需氨基酸含量的影響

組成蛋白質(zhì)的另一部分氨基酸可能由人體自身合成，稱為非必需氨基酸。表2結(jié)果表明，稻穗上部、中部和下部糙米半胱氨酸含量平均分別為0.29、0.29、0.23 mg·g-1，部位間差異達(dá)顯著水平；除半胱氨酸外，糙米中其他9種非必需氨基酸含量的部位差異均未達(dá)顯著水平。與對(duì)照相比，臭氧濃度增加使水稻糙米中所有非必需氨基酸（半胱氨酸除外）含量均呈增加趨勢(shì)，其中天冬氨酸（+4.7%）、絲氨酸（+12.6%）、谷氨酸（+5.0%）和絡(luò)氨酸（+5.7%）增幅達(dá)顯著水平，甘氨酸（+9.0%）、組氨酸（+3.0%）接近0.1顯著水平。從著生部位看，臭氧濃度增加條件下稻穗各部位諸非必需氨基酸含量多呈增加趨勢(shì)，其中稻穗上部、中部和下部最高增幅分別為4.5%、19.0%、27.7%，稻穗上部所有非必需氨基酸均未達(dá)顯著水平，但稻穗中部、下部多數(shù)達(dá)到或接近0.1以上顯著水平。方差分析表明，臭氧處理與部位對(duì)糙米絡(luò)氨酸、組氨酸和精氨酸的影響分別達(dá)0.01、0.1和0.1顯著水平。

3 討論

表1 臭氧濃度增加對(duì)南粳9108稻穗不同部位糙米必需氨基酸含量的影響Table 1 Effect of ozone stress on essential amino acid concentration in brown rice at different positionsona panicle of Nanjing 9108

本試驗(yàn)依托的自然光氣體熏蒸平臺(tái)在借鑒傳統(tǒng)氣室優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增大了試驗(yàn)空間，采用自然采光特別是土培方式培育水稻植株，并動(dòng)態(tài)追蹤室外的空氣溫度。水稻生長(zhǎng)季平臺(tái)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，自然光氣體熏蒸平臺(tái)控制準(zhǔn)確，滿足試驗(yàn)要求（圖1）。

作為重要的稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)，臭氧濃度增加對(duì)稻米氨基酸含量的報(bào)道甚少。僅有的一例水稻研究表明，臭氧濃度增加24.5%使雜交秈稻汕優(yōu)63稻米氨基酸、必需和非必需氨基酸總量平均增加12%～14%[17]。本研究采用的超級(jí)稻南粳9108為常規(guī)粳稻，結(jié)果表明，100 nL·L-1臭氧濃度使其稻米氨基酸、必需和非必需氨基酸總量顯著增加（圖2），但平均增幅（+5%～6%）小于敏感的雜交秈稻汕優(yōu)63[17]。這一結(jié)果證實(shí)，臭氧濃度增加對(duì)稻米氨基酸的影響亦可能存在基因型差異。稻米蛋白質(zhì)的質(zhì)量取決于氨基酸的平衡。由于臭氧濃度增加條件下稻米必需和非必需氨基酸總量的增幅相近，對(duì)稻米必需或非必需氨基酸占氨基酸總量的百分比無(wú)顯著影響（圖2、圖3），這一結(jié)果與汕優(yōu)63的表現(xiàn)相同[17]，說(shuō)明高濃度臭氧環(huán)境下稻米氨基酸的濃度呈增加趨勢(shì)，但氨基酸的平衡無(wú)明顯變化。

表2 臭氧濃度增加對(duì)南粳9108稻穗不同部位糙米非必需氨基酸含量的影響Table 2 Effect of ozone stress on non-essential amino acid concentration in brown rice at different positionsona panicle of Nanjing 9108

關(guān)于臭氧濃度增加對(duì)稻米各種氨基酸組分的影響，Zhou等[17]FACE研究表明，臭氧脅迫使雜交秈稻汕優(yōu)63稻米15種氨基酸顯著增加。本研究在此基礎(chǔ)上多測(cè)定了半胱氨酸和絡(luò)氨酸這兩種氨基酸，結(jié)果表明，除半胱氨酸外，臭氧脅迫使糙米中16種氨基酸的含量均呈增加趨勢(shì)，其中3個(gè)必需氨基酸（蘇氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸）、4個(gè)非必需氨基酸（絲氨酸、谷氨酸、絡(luò)氨酸和天冬氨酸）的增幅均達(dá)顯著水平，平均最高增幅為12.6%（表1～表2）。這一結(jié)果小于已報(bào)道的雜交秈稻汕優(yōu)63[17]，但大于Fuhrer等[26]對(duì)小麥的研究結(jié)果。Fuhrer等[26]研究發(fā)現(xiàn)，盡管高臭氧濃度（比環(huán)境空氣高2.5倍）使谷粒蛋白質(zhì)濃度增加，但谷粒中的16種氨基酸濃度在各種臭氧熏蒸濃度下均無(wú)顯著變化。

一般認(rèn)為，臭氧熏蒸導(dǎo)致植物食用部分蛋白質(zhì)或氨基酸濃度增加的原因可能有兩個(gè)：第一，與“濃縮效應(yīng)”有關(guān)，即碳代謝途徑受臭氧脅迫的影響可能大于氮代謝；第二，與臭氧脅迫導(dǎo)致植株的早衰有關(guān)，后者有利于灌漿期蛋白質(zhì)向谷粒的轉(zhuǎn)移[7]。本試驗(yàn)同期測(cè)定結(jié)果表明，臭氧脅迫使南粳9108粒重顯著下降，但抽穗和成熟的日期均沒(méi)有變化，說(shuō)明臭氧熏蒸使稻米氨基酸濃度增加可能只與“濃縮效應(yīng)”有關(guān)，當(dāng)然這還需要更多的研究驗(yàn)證。盡管臭氧濃度增加使稻米氨基酸濃度增加，但由于臭氧導(dǎo)致產(chǎn)量大幅下降（平均下降28.9%），所以單位面積的氨基酸產(chǎn)量大幅下降。

前期研究發(fā)現(xiàn)，臭氧濃度增加對(duì)稻米蛋白質(zhì)性質(zhì)的影響因臭氧熏蒸強(qiáng)度[10]、環(huán)境O3水平[13]以及供試品種[10，27]而異，但同一品種稻穗內(nèi)部強(qiáng)、弱勢(shì)粒間是否存在差異未見(jiàn)報(bào)道。為此，本試驗(yàn)根據(jù)籽粒在稻穗上的著生位置區(qū)分為上、中和下三個(gè)部位，分別對(duì)應(yīng)強(qiáng)勢(shì)粒、中勢(shì)粒和弱勢(shì)粒[24-25]。稻米氨基酸及其組分濃度的測(cè)定數(shù)據(jù)表明，多數(shù)情形下，臭氧濃度增加對(duì)這些參數(shù)影響表現(xiàn)為下部＞中部＞上部（圖2、表1、表2）。例如，臭氧濃度增加對(duì)稻穗上部測(cè)定的所有17種氨基酸含量均無(wú)顯著影響，而稻穗中部、下部分別有8種、11種氨基酸濃度的響應(yīng)達(dá)到0.1以上的顯著水平，稻穗上、中和下部稻米諸氨基酸濃度的最高增幅分別為7%、19%和28%。方差分析結(jié)果顯示，臭氧與部位對(duì)部分測(cè)定指標(biāo)有顯著的互作效應(yīng)（表1、表2）。筆者認(rèn)為，上述這種趨勢(shì)可能與強(qiáng)、弱勢(shì)粒的灌漿時(shí)間不同有關(guān)：與稻穗上部的強(qiáng)勢(shì)粒相比，位于稻穗下部的弱勢(shì)粒灌漿明顯慢、灌漿時(shí)間長(zhǎng)，因此其籽粒生長(zhǎng)過(guò)程受臭氧濃度增加的傷害更大，導(dǎo)致其體積和重量的降幅均顯著大于強(qiáng)勢(shì)粒，“濃縮效應(yīng)”表現(xiàn)得更為明顯。水稻強(qiáng)、弱勢(shì)粒對(duì)環(huán)境響應(yīng)的這種差異說(shuō)明，開(kāi)展臭氧濃度增加與稻米品質(zhì)的研究需要區(qū)分籽粒在稻穗上的著生部位甚至粒位。本試驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，稻米不同氨基酸對(duì)臭氧濃度增加的響應(yīng)存在差異，這可能與臭氧濃度增加對(duì)諸氨基酸合成過(guò)程的影響程度不同有關(guān)，例如，合成過(guò)程的有關(guān)酶類尚待進(jìn)一步探明。結(jié)合其他研究，弱勢(shì)粒結(jié)實(shí)和品質(zhì)指標(biāo)對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)通常大于強(qiáng)勢(shì)粒[18]，從另一側(cè)面說(shuō)明了它的可調(diào)性。這些現(xiàn)象為通過(guò)作物管理技術(shù)的改進(jìn)并進(jìn)一步挖掘水稻生產(chǎn)潛力提供了依據(jù)。

前期研究表明臭氧濃度增加對(duì)水稻生長(zhǎng)、產(chǎn)量及品質(zhì)的影響多受供試品種的影響[7，9]，本試驗(yàn)只觀察了一個(gè)超級(jí)稻品種稻米相關(guān)氨基酸性狀的變化，下一步還需開(kāi)展不同類型水稻，特別是不同穗型水稻的大田實(shí)驗(yàn)研究，并從植株碳氮代謝響應(yīng)角度解析其生理機(jī)制。

4 結(jié)論

本文以生產(chǎn)上大面積使用的超級(jí)稻品種南粳9108為試驗(yàn)對(duì)象，首次研究了臭氧濃度增加對(duì)稻米氨基酸含量的影響及其與稻穗著生部位的關(guān)系。臭氧濃度增加使供試品種糙米氨基酸總量、必需和非必需氨基酸總量、除半胱氨酸外的16種必需和非必需氨基酸含量均呈增加趨勢(shì)，但稻穗中、下部籽粒的響應(yīng)明顯大于稻穗上部籽粒。與此不同，臭氧濃度增加對(duì)該品種氨基酸的平衡無(wú)顯著影響。以上結(jié)果說(shuō)明臭氧濃度增加使超級(jí)稻南粳9108糙米中各種氨基酸組分的含量均呈上升趨勢(shì)，且多數(shù)情況下，弱勢(shì)粒的增幅大于強(qiáng)勢(shì)粒。

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Impacts of ozone stress on grain amino acids of super rice cultivar Nanjing 9108 differ with grain positions on a panicle

MU Hai-rong1,SHAO Zai-sheng1,SHEN Shi-bo1,JING Li-quan1,WANG Yun-xia2,WANG Yu-long1,YANG Lian-xin1*
（1.Yangzhou University/Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology/Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops,Yangzhou 225009,China;2.College of Environmental Science and Engineering,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China）

The increase of ground-level ozone concentration caused by human activities can reduce rice yield,but its effects on rice quality, especially super rice quality in association with grain positions in panicles were not studied yet.A Japonica super rice NJ9108 was grown in glasshouse type chambers at either low（18 nL·L-1）or high（100 nL·L-1）ozone concentration from seedling transplanting until plant maturity.The seeds on a panicle were separated into three groups based on its position on a panicle,namely upper,middle and lower part of a panicle.The grains from the upper and lower part of the panicle refer to superior and inferior grains,respectively.Compared with plants grown in clean air with low ozone concentrations,ozone stress significantly increased the contents of total amino acids,essential amino acids and nonessential amino acids,but the percentage of essential or nonessential amino acids to total amino acids was unchanged.Except for cys-teine,ozone stress induced a trend of increase in the concentrations of other 16 amino acids,among which the significant increases were detected for threonine,serine,glutamic acid,leucine,tyrosine,aspartate and phenylalanine.In general,ozone stress had greater impacts on amino acid concentrations of inferior grains than the superior grains or the grains in the middle part of a panicle,and ozone by grain position interactions were significant at P＜0.1 for concentrations of phenylalanine,tyrosine,histidine,arginine.The results indicated that ozone concentration of 100 nL·L-1during the growth of super rice increased total amino acids and its components,and in most cases,the increase of amino acids concentration in inferior grains is greater than superior grains.

atmospheric change;ozone;rice;amino acids;grain position on a panicle

S511

A

1672-2043（2017）03-0420-08

10.11654/jaes.2016-1347

穆海蓉，邵在勝，沈士博，等.臭氧濃度增加對(duì)超級(jí)稻南粳9108稻穗不同部位籽粒氨基酸含量的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（3）：420-427.

MU Hai-rong,SHAO Zai-sheng,SHEN Shi-bo,et al.Impacts of ozone stress on grain amino acids of super rice cultivar Nanjing 9108 differ with grain positions on a panicle[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（3）：420-427.

2016-10-24

穆海蓉（1992—），女，江蘇海安人，碩士研究生，主要從事大氣變化與作物響應(yīng)的研究。E-mail：742537267@qq.com

*通信作者：楊連新E-mail：lxyang@yzu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31471437，31371563）；國(guó)家留學(xué)基金委中德合作科研項(xiàng)目（PPP）；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

Project supported：The National Natural Science Foundation of China（31471437，31371563）；The PPP program jointly supported by CSC and DAAD（2012）；The Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions