成大宇 劉 昆 高 捷 張杏雨 顧 希 劉立軍

（揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，225009，江蘇揚(yáng)州）

水稻是我國最重要的糧食作物之一，隨著人們生活水平的提高，稻米品質(zhì)受到越來越多的關(guān)注[1]。稻米香味是稻米蒸煮食味品質(zhì)的重要組成部分，具有優(yōu)良香味的稻米在食用價(jià)值高的同時(shí)，也擁有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[2]。稻米香味物質(zhì)含量不僅受水稻自身遺傳物質(zhì)的調(diào)控，同時(shí)也受到栽培環(huán)境、養(yǎng)分和水分管理等因素的影響[3-4]。各養(yǎng)分和水分管理措施可以通過促進(jìn)香味物質(zhì)前體的合成并上調(diào)相關(guān)酶的活性，進(jìn)而提升稻米香味[5]。因此，通過調(diào)節(jié)養(yǎng)分和水分管理措施改善稻米香味對(duì)提高稻米的蒸煮食味品質(zhì)具有重要意義。20世紀(jì) 80年代，Buttery等[6]首次報(bào)道構(gòu)成稻米香味的主要物質(zhì)為2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），以此為突破口，學(xué)者對(duì)稻米香味進(jìn)行了廣泛研究，并在2-AP合成路徑、相關(guān)調(diào)控基因和栽培環(huán)境與措施的影響等方面取得了一定的研究成果[7-8]。本文綜述了稻米香味物質(zhì)的形成機(jī)理，重點(diǎn)闡述了養(yǎng)分和水分管理措施對(duì)稻米香味的影響，并提出未來稻米香味研究的重點(diǎn)與方向，為我國稻米的增香栽培技術(shù)提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 稻米香味形成機(jī)理及研究方法

1.1 稻米香味類型以及相關(guān)化學(xué)物質(zhì)

稻米香味一般可分為紫羅蘭型、露兜樹香型、山核桃型、茉莉花型、萵苣筍型、烤面包型、爆玉米花香型和巴斯馬蒂型等香型。自20世紀(jì)80年代開始，學(xué)者對(duì)稻米香味物質(zhì)進(jìn)行了廣泛研究，隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)構(gòu)成米香化學(xué)物質(zhì)的了解逐漸深入。已有研究[3]發(fā)現(xiàn)，米香構(gòu)成物質(zhì)種類十分豐富，包括醛類、酮類、酯類、酸類、醇類、烯醇類、烴類、芳烴類和雜環(huán)化合物在內(nèi)的多種有機(jī)物均能對(duì)稻米香味的生成產(chǎn)生影響。在上述物質(zhì)中，2-AP被認(rèn)為是產(chǎn)生稻米香味的主要成分[9]。

1.2 稻米香味物質(zhì)2-AP形成機(jī)理

2-AP的合成路線已被探明，如圖1所示，2-AP是以脯氨酸（Pro）為氮源，Pro在脯氨酸脫氫酶（PDH）的催化作用下形成吡咯啉-5-羧酸（P5C），再經(jīng)吡咯啉-5-羧酸脫羧酶（P5CR）催化下脫羧基形成 1-吡咯啉，最終結(jié)合碳代謝提供的乙酰輔酶A在吡咯啉乙酰基轉(zhuǎn)移酶作用下形成香氣物質(zhì)2-AP[10]，谷氨酸（Glu）亦能通過吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）的催化，轉(zhuǎn)化為P5C，參與2-AP的合成。游離Pro、PDH和總游離氨基酸是影響2-AP合成的主要因子[11]。通過增強(qiáng)脯氨酸合成關(guān)鍵酶（PDH、P5CS和鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶）的活性能夠上調(diào)前體物質(zhì)的合成速率[1]，從而提高2-AP的含量[12-13]。

圖1 2-AP合成路線Fig.1 2-AP synthetic route

早期研究[14]認(rèn)為，2-AP僅在稻米蒸煮時(shí)通過美拉德反應(yīng)產(chǎn)生，稻米中游離的氨基化合物和還原糖或羰基化合物在常溫或加熱時(shí)會(huì)發(fā)生聚合和縮合等反應(yīng)，隨之產(chǎn)生構(gòu)成香味的還原酮、醛和雜環(huán)化合物。進(jìn)一步研究[12]發(fā)現(xiàn)，2-AP在水稻植株中合成，并在大多數(shù)水稻組織中都可檢測(cè)到。成熟籽粒中2-AP的積累可能存在2種機(jī)制，一種認(rèn)為2-AP在葉片和莖鞘中合成，隨后運(yùn)輸?shù)匠墒熳蚜Ｖ?；另一種則認(rèn)為Pro從葉片向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)，并在籽粒中合成 2-AP[5]。Hinge等[15]認(rèn)為，成熟稻米中的 2-AP含量最高，而此時(shí)期籽粒中的Pro含量比其他生育階段要少，籽粒2-AP積累更有可能是通過第1種機(jī)制完成。

1.3 稻米香味研究方法

隨著檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)稻米香味的研究手段也有長足進(jìn)步。研究稻米香味較為典型的方法有咀嚼法、氫氧化鉀法、香味指數(shù)法和氣相色譜儀檢測(cè)方法等。

咀嚼法操作簡單，并最早被采用，其技術(shù)要點(diǎn)為咀嚼采自單株上稻米進(jìn)行香味評(píng)價(jià)，這種方法主要用于稻米樣品的初步檢測(cè)。氫氧化鉀法[2]是在氫氧化鉀溶液中浸泡稻粒和植株，選擇多個(gè)鑒定者對(duì)不同分組的水稻樣品進(jìn)行香味的嗅覺鑒定。該檢測(cè)方法操作方便快捷，能夠有效地避免葉綠素等物質(zhì)對(duì)水稻香味檢測(cè)的干擾，使得香味檢測(cè)相對(duì)精確。

咀嚼法、氫氧化鉀法和香味指數(shù)法等主要依靠感官檢測(cè)稻米香味，難以進(jìn)行精確定量分析。Buttery等[9]利用氣―質(zhì)聯(lián)用法成功分析出了產(chǎn)生稻米香味的主要物質(zhì)，該方法精確度高，是目前普遍采用的檢測(cè)方法，氣相色譜儀擁有十分出色的分離效果，適用于分析香味揮發(fā)物質(zhì)，而質(zhì)譜儀可以很好地對(duì)未知物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，與先前各方法相比具有不可替代的優(yōu)點(diǎn)[16]。

2 養(yǎng)分管理對(duì)稻米香味的影響

養(yǎng)分管理是水稻生產(chǎn)過程中最重要的管理措施之一。明確養(yǎng)分管理措施對(duì)稻米香味的影響對(duì)增香栽培措施的深入研究具有重要意義。

2.1 氮肥管理對(duì)稻米香味的影響

氮元素是水稻生長的必需元素[17]。施用氮肥是水稻生產(chǎn)過程中最重要的栽培措施之一，氮肥的施用不僅影響稻米的產(chǎn)量，還會(huì)對(duì)包括稻米香味在內(nèi)的品質(zhì)性狀產(chǎn)生重要影響[18-19]。目前關(guān)于施氮量和施氮時(shí)間對(duì)稻米香味影響的研究均已取得了一定的進(jìn)展。

2.1.1 施氮量 施氮量對(duì)稻米品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響[20]，亦能影響水稻植株中2-AP含量。研究[21]表明，各香稻產(chǎn)地土壤中全氮含量均高于其他產(chǎn)區(qū)。土壤中全氮含量越高，稻米中游離Pro含量越高，故籽粒香氣越濃郁[22]。

Mo等[22]觀察到，與120kg/hm2施氮量相比，180kg/hm2施氮量可以提高糙米的2-AP含量。在施氮量90～150kg/hm2范圍內(nèi)，增加施氮量可以促進(jìn)籽粒中2-AP的合成與積累，但是不同品種受施氮量影響的程度有較大差異，最佳施氮量因品種不同而存在明顯差別[23]。鐘群等[24]認(rèn)為，增施氮肥雖對(duì)不同品種糙米的2-AP增加幅度有較大差異，但總體來說能夠提升其2-AP含量。田華等[25]也得出了類似的結(jié)論，認(rèn)為在高施氮量處理下，水稻籽粒中2-AP含量明顯提高。其原因主要是高氮處理下，莖鞘和根中的P5C含量、莖鞘中的鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性以及根中游離 Pro含量上升，促進(jìn)了籽粒中 2-AP的積累[23]。但也有研究[26]認(rèn)為，施氮對(duì)稻米的香氣有不利影響，氮含量與籽粒香氣含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即施氮量增加會(huì)導(dǎo)致米的香味下降，但未對(duì)其機(jī)制進(jìn)行深入分析。

2.1.2 施氮時(shí)期 在不同時(shí)期增施氮肥均可有效提高稻米香味水平。調(diào)控水稻中 Pro合成過程的決定因素是土壤中無機(jī)氮（NO3-、NH4+）的含量，而Pro的積累是水稻籽粒合成2-AP的必需過程[10,27-28]。因此各時(shí)期增施氮肥能夠增加Pro含量，促進(jìn)2-AP的合成與積累。

分蘗期施用氮肥，水稻籽粒中2-AP含量顯著增加[29]。Ren等[30]認(rèn)為，分蘗期增施氮肥提升稻米香味主要是依靠促進(jìn)2-AP前體物質(zhì)Pro的積累，在該處理下，葉片中2-AP含量降低，籽粒中Pro與2-AP含量得到提升，稻米的香味增加。Mo等[22-23]認(rèn)為，孕穗期增施氮肥能提高供試水稻品種籽粒的2-AP含量，該處理下葉片中的2-AP含量顯著提高，籽粒中的P5C含量也有所提高，從而促進(jìn)米香物質(zhì)2-AP的產(chǎn)生。灌漿期對(duì)稻米香味有較強(qiáng)的影響，此時(shí)期增施氮肥可以促進(jìn)2-AP的合成。田華等[25]報(bào)道，與不施粒肥相比，增施粒肥處理使香稻的糙米香氣量顯著增加。還有研究[24]發(fā)現(xiàn)，葉片和籽粒中Pro含量隨粒肥的施用而上升，葉片與籽粒中的脯氨酸氧化酶含量雖有所降低，但對(duì)2-AP的合成沒有產(chǎn)生明顯的影響，籽粒中2-AP含量依然增加。

綜上所述，在水稻不同生育期增施氮肥均能有效提升稻米香氣水平，但具體的機(jī)制尚存在一定爭議。施氮時(shí)期對(duì)脯氨酸氧化酶、P5CS和鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶等關(guān)鍵酶活性影響暫無明確結(jié)論。

2.1.3 氮肥種類 水稻生產(chǎn)中常見的氮肥主要包括尿素、碳酸氫銨和復(fù)合氮肥等[31]。尿素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用量較大的一種中性化學(xué)氮肥，也是含氮量最高的氮肥。研究[25]表明，與不施氮肥相比，施用尿素可以有效增加稻米的香氣。李艷紅等[29]也得出了類似的結(jié)論。莫釗文等[32]的研究結(jié)果顯示，與含氮量15%的復(fù)合肥處理相比，碳酸氫銨處理水稻葉片具有較高的 PDH、P5CS、鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶活性和P5C含量，從而提高了其籽粒中2-AP的含量。無機(jī)氮肥與有機(jī)肥混合施用也能夠有效提升稻米香味，其原因在于無機(jī)氮肥與有機(jī)肥混合施用能提高葉片與籽粒中游離Pro含量與脯氨酸氧化酶活性，促進(jìn)籽粒2-AP的合成與積累，且籽粒中2-AP含量高于僅施無機(jī)肥[33]。除了上述氮肥外，水稻生產(chǎn)中還會(huì)施用氮化銨、硫酸銨和磷酸銨等氮肥，但由于這些氮肥應(yīng)用較少，它們對(duì)稻米香味的影響研究也相對(duì)較少，未來可根據(jù)需要加強(qiáng)這方面的研究。

2.2 其他肥料對(duì)稻米香味的影響

2.2.1 磷鉀肥 磷肥與鉀肥是養(yǎng)分管理中重要的肥料。磷肥對(duì)米香的影響尚未進(jìn)行深入研究。增施鉀肥能夠使糙米2-AP含量得到明顯提升，因?yàn)槭┯免浄誓芴岣咚救~片和籽粒中的Pro含量及PDH活性[34-35]。葉片與籽粒中Pro含量的增加為籽粒2-AP的合成提供了充足底物，而PDH活性的提高保證了底物Pro合成2-AP的高效性。

2.2.2 微量元素肥料 早期對(duì)稻米香味的研究[21,36]中發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)香稻產(chǎn)區(qū)的土壤成分與稻米香味產(chǎn)生有密切關(guān)系，當(dāng)?shù)叵愕酒贩N一旦離開該地區(qū)種植，香味程度便會(huì)大幅度降低。對(duì)土壤進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)土壤中的一些微量元素參與了稻米香味物質(zhì)的產(chǎn)生過程，具有香味的稻米較普通稻米的微量元素含量更高[37]。有學(xué)者[38-39]對(duì)微量元素增香機(jī)制提出了新的觀點(diǎn)，認(rèn)為施用微量元素肥料可能造成了一定程度的鹽脅迫，作為對(duì)植物滲透脅迫的響應(yīng)，高鹽濃度水平增加了莖和葉中Pro的水平，因而有助于提高2-AP含量并增加稻米香味。因此，增施微量元素可有效促進(jìn)稻米香味的產(chǎn)生。

增施硒肥可以改善稻米品質(zhì)，因而被應(yīng)用于生產(chǎn)中[40]。硒元素能有效提升稻米香味濃度。在抽穗期追施亞硒酸鈉促進(jìn)了籽粒中Pro和P5C的積累，PDH和P5CS的活性得到提升，從而提高了莖鞘、籽粒以及葉片的2-AP含量[41-42]。適量施用鋅肥也能增加稻米香味[43]，鋅是合成 Glu不可缺少的元素，Glu是Pro的前體物質(zhì)，其合成過程中需要谷氨酸脫氫酶的催化，鋅是該酶的必要組成部分[44]。因此，施用鋅肥可促進(jìn)Glu的合成，從而促進(jìn)Pro的產(chǎn)生與Pro向2-AP的轉(zhuǎn)化，最終增加稻米的香氣。也有報(bào)道[45]指出，增施鋅肥可以有效提高脯氨酸氧化酶和吡咯啉乙?；D(zhuǎn)移酶活性，也能促進(jìn)2-AP的合成過程。水稻有較強(qiáng)的吸硅能力，施硅提高了葉片和籽粒中Pro含量和PDH活性，隨著前體物質(zhì)含量的升高與相關(guān)酶活性的提升，2-AP含量也得到提高[46-47]。此外，鐵、鑭肥基施或噴施處理均能不同程度提高水稻劍葉的Pro含量，促進(jìn)水稻灌漿前、中期劍葉Pro的合成，利于Pro向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提升籽粒2-AP的合成與積累[33,43,48]。

綜上，包括鉀、硒、硅、鋅、鐵、鑭在內(nèi)的多種元素參與了2-AP的合成過程，施用上述各類肥料可不同程度提高稻米香味。這些元素的施用對(duì)稻米香味影響的機(jī)制有待探明。

3 水分管理對(duì)稻米香味的影響

水稻作為一種喜水性作物，在整個(gè)種植周期中需要大量的水分，但各個(gè)生育階段對(duì)水的需求差別很大[49]。因此根據(jù)各生育期需水特點(diǎn)，有針對(duì)性地實(shí)行不同水分管理方法，是生產(chǎn)過程中的重要栽培措施[50]。水稻需水包括生理需水和生態(tài)需水，在常規(guī)灌溉條件下，水稻生態(tài)需水遠(yuǎn)大于生理需水，加之全球氣候變化與環(huán)境污染加重，導(dǎo)致可用于水田灌溉的淡水嚴(yán)重匱乏[51]。故進(jìn)行節(jié)水灌溉對(duì)我國水稻生產(chǎn)和水資源高效利用具有十分重要的意義。土壤適度落干對(duì)水稻香味物質(zhì)的產(chǎn)生有重要影響，2-AP前體物質(zhì)Pro的積累被認(rèn)為是植物應(yīng)對(duì)逆境脅迫的主要機(jī)制，脅迫下水稻植株的根、葉和籽粒積累游離 Pro，促進(jìn) 2-AP的合成[52]，該增香機(jī)制與Badh2基因的表達(dá)有關(guān)，Badh2調(diào)控了水稻對(duì)水分脅迫的耐受性，影響Pro的合成速率，從而控制了2-AP的合成過程[53-54]。目前針對(duì)水分管理對(duì)米香影響的研究主要集中于節(jié)水灌溉方面，現(xiàn)對(duì)3種主要節(jié)水灌溉技術(shù)進(jìn)行綜述。

3.1 控制灌溉

控制灌溉是指在稻苗移栽返青后的各個(gè)生育階段，田面不再建立水層，以根層土壤水分作為控制指標(biāo)，確定灌水時(shí)間和灌水定額，土壤水分控制上限為飽和含水率，下限則根據(jù)水稻不同生育階段，取土壤飽和含水率的60%～80%進(jìn)行水分控制[55]。此方面已經(jīng)進(jìn)行了較多試驗(yàn)，田卡等[56]認(rèn)為，灌漿成熟期水分管理對(duì)水稻糙米香氣有一定影響，水稻灌漿階段控制土壤水勢(shì)能顯著增加灌漿中期劍葉和籽粒的Pro含量，提高灌漿前期和后期籽粒超氧化物歧化酶與脯氨酸氧化酶的活性，使得2-AP前體物質(zhì)游離Pro含量增加，促進(jìn)香味物質(zhì)2-AP的積累。李艷紅等[57]也得到了類似的結(jié)果。田華等[25]發(fā)現(xiàn)，在齊穗期對(duì)土壤水勢(shì)進(jìn)行控制，水稻籽粒的2-AP含量得到提升，但是不同水稻品種籽粒的香氣提高程度不同。因此，有關(guān)控制灌溉對(duì)稻米香味的響應(yīng)機(jī)制仍需進(jìn)行深入研究。

3.2 干濕交替灌溉

干濕交替灌溉技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有顯著的節(jié)水效果[58]。該灌溉方式的技術(shù)特點(diǎn)是在水稻的生育過程中，在一段時(shí)間內(nèi)保持田間水層，然后自然落干一段時(shí)間，再復(fù)水，再落干，多次循環(huán)。目前在各主要水稻生產(chǎn)國得到廣泛應(yīng)用。Bao等[59]認(rèn)為，干濕交替灌溉通過上調(diào)PDH、P5CS和二胺氧化酶的活性，從而增強(qiáng)2-AP生物合成，而γ-氨基丁酸含量的下降表明Badh2基因受到了抑制。黃忠林等[33]發(fā)現(xiàn)，干濕交替灌溉顯著提高了齊穗后劍葉和籽粒游離Pro含量和脯氨酸氧化酶活性，從而使糙米和精米的香味上升。王培等[60]研究表明，分蘗期土壤水勢(shì)維持在（-20±5）～0kPa時(shí)，能夠提高香稻葉片、莖鞘和籽粒的脯氨酸氧化酶活性，使得籽粒中游離Pro含量和糙米2-AP增加。Li等[61]認(rèn)為，分蘗期進(jìn)行干濕交替灌溉，提升了稻米中P5C含量和P5CS的活性，從而促進(jìn)了籽粒2-AP的合成。孕穗期土壤水勢(shì)維持在（-20±5）～0kPa時(shí)，糙米的香氣含量顯著增加，游離 Pro含量、成熟期葉片和籽粒的脯氨酸氧化酶活性也有一定的提升[62]。

3.3 濕潤灌溉

濕潤灌溉也是一種廣為應(yīng)用的節(jié)水灌溉方式，其技術(shù)要點(diǎn)在于除在水稻返青期保持淺水層外，其余各時(shí)期僅滿足水稻生長發(fā)育水分供應(yīng)即可，濕潤灌溉對(duì)水稻的產(chǎn)量及品質(zhì)均有一定的影響[63-64]。有關(guān)濕潤灌溉對(duì)米香影響的研究較少且結(jié)論不同，田卡等[56]認(rèn)為濕潤灌溉方式對(duì)稻米香味的影響可能存在一定負(fù)面作用，因?yàn)閯θ~中游離Pro含量、籽粒脯氨酸氧化酶活性以及糙米2-AP含量均出現(xiàn)一定下降。但亦有研究[57]表明，濕潤灌溉對(duì)糙米2-AP的合成有促進(jìn)作用。

4 研究展望

目前，大量試驗(yàn)已經(jīng)探明了稻米香味的合成路徑、調(diào)控基因以及適宜的栽培條件，關(guān)于各類養(yǎng)分和水分管理措施影響稻米香味物質(zhì)合成的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。但是，稻米香味物質(zhì)的種類與合成過程十分復(fù)雜，不同栽培環(huán)境以及水稻品種對(duì)香氣物質(zhì)的影響也存在差異，因此關(guān)于稻米香味的研究仍有很大空間。未來的研究應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

4.1 加強(qiáng)節(jié)水灌溉與養(yǎng)分管理互作對(duì)稻米香味形成機(jī)理的研究

養(yǎng)分和水分管理均對(duì)稻米的香味物質(zhì)合成路徑有十分明顯的影響。但是，目前對(duì)稻米香味的研究多是針對(duì)水分管理或者肥料管理等單因素作用的，而對(duì)節(jié)水灌溉與養(yǎng)分管理互作的研究較少。并且香味物質(zhì)合成路徑中的各關(guān)鍵酶與前體物質(zhì)對(duì)最終物質(zhì)產(chǎn)生的調(diào)控水平也尚不明確，不同研究者得出的結(jié)論不一致。此外，已經(jīng)有大量報(bào)道證實(shí)各類水稻增香栽培措施能夠有效提升稻米香味水平，但是現(xiàn)有研究大多著眼于收獲后稻米的香味物質(zhì)含量，而在合成路徑上的研究較為缺乏。因此，需要深入水氮互作對(duì)稻米香味物質(zhì)合成的研究，為水稻增香栽培提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

4.2 深入緩控釋肥對(duì)稻米香味影響的研究

緩控釋肥能夠有效提高肥料利用率，減少養(yǎng)分流失，近年來被廣泛應(yīng)用于水稻生產(chǎn)中。以往對(duì)水稻緩控釋肥的研究多集中于其施用量和施用方法對(duì)水稻產(chǎn)量、氮肥利用效率和常規(guī)稻米品質(zhì)的影響方面，而對(duì)稻米香味影響的研究較少。因此，深入緩控釋肥對(duì)稻米香味的研究，開發(fā)以增香為目的的專用緩控釋肥，對(duì)完善水稻增香栽培技術(shù)具有積極作用。

4.3 進(jìn)一步探究水稻品種間香味物質(zhì)合成差異的機(jī)制

米香在不同水稻品種間存在廣泛差異。大量研究發(fā)現(xiàn)，水分和養(yǎng)分管理措施對(duì)不同水稻品種米香的影響有較大差異，2-AP合成過程中各環(huán)節(jié)關(guān)鍵酶活性所受影響的程度不一，故難以保證增香栽培效果的穩(wěn)定高效。因此，深入探究不同水稻品種的香味物質(zhì)差異及其機(jī)制，并建立與之配套的養(yǎng)分和水分管理技術(shù)，對(duì)進(jìn)一步探明稻米香味產(chǎn)生機(jī)制和因種增香栽培技術(shù)有重要意義。