劉海天 王峰 王強 虞軼俊 馬軍偉*

（1浙江農(nóng)林大學(xué)，杭州 311300；2浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021；3浙江省耕地質(zhì)量與肥料管理總站，杭州 310020；*通訊作者:majunwei11@163.com）

稻米品質(zhì)主要分為加工、外觀、蒸煮食味和營養(yǎng)品質(zhì)[1]。水稻籽粒中淀粉質(zhì)量約占籽粒干物質(zhì)量的50%以上，其理化性質(zhì)直接關(guān)系著稻米品質(zhì)的優(yōu)劣[2-3]。水稻籽粒淀粉不僅受體內(nèi)激素、相關(guān)基因和酶的影響，還受到外界因素，如生長溫度、光照和栽培措施等的影響[4]。以往研究主要關(guān)注水稻籽粒的整體品質(zhì)，而對于弱勢籽粒的淀粉品質(zhì)研究較少，對灌漿期間強、弱勢籽粒形成對于稻米淀粉品質(zhì)的調(diào)控差異也鮮有研究[5]。

1 水稻弱勢籽粒淀粉生物學(xué)特性

通常情況，水稻弱勢籽粒的淀粉形成與穎花在穗上的位置有一定關(guān)系。稻穗中上部一般來說開花較早、灌漿速率快、灌漿充實度好、籽粒質(zhì)量較大、淀粉品質(zhì)較好，被稱為強勢粒；而稻穗下部（一般指穗基部二次枝梗）開花較晚、灌漿速率相對較慢、灌漿充實度較差、籽粒質(zhì)量小、淀粉品質(zhì)較差的籽粒則被稱為弱勢粒[6-8]。借助顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，相比強勢粒，弱勢籽粒胚乳中的淀粉粒呈現(xiàn)半晶體形態(tài)，且多為一種有棱角的無規(guī)則狀態(tài)。淀粉粒根據(jù)粒徑大小可劃分為3種類型：粒徑大于20μm的為大淀粉粒，粒徑處于1.5～20μm之間的為中淀粉粒，粒徑小于1.5μm的為小淀粉粒。前人研究發(fā)現(xiàn)，水稻弱勢籽粒中中淀粉粒所占比例最高，并對水稻弱勢籽粒大小影響顯著。淀粉粒的數(shù)量在其中呈單峰分布，體積呈三峰分布，表面積呈雙峰分布[9]，數(shù)量、體積、表面積的分布具有一定規(guī)律，且這種規(guī)律與水稻整體的籽粒淀粉品質(zhì)具有一定聯(lián)系。劉建超[10]就水稻淀粉粒徑分布情況對蔗糖與蛋白質(zhì)的影響機(jī)制進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，淀粉粒的大小及其粒度分布也與水稻籽粒淀粉品質(zhì)有一定關(guān)系。弱勢籽粒中的淀粉粒相比強勢籽粒而言顆粒和間隙較大，且排列不整齊，因此更容易發(fā)生斷裂[11]，嚴(yán)重影響淀粉品質(zhì)的形成。

水稻籽粒中的淀粉按分支可以分為兩種——直鏈淀粉和支鏈淀粉[3]。直鏈淀粉呈線性結(jié)構(gòu)，幾乎沒有分支；支鏈淀粉呈高度分支的簇狀結(jié)構(gòu)，分支數(shù)量較多。其中，天然淀粉顆粒由交替出現(xiàn)的“生長環(huán)”的無定型層和半結(jié)晶層組成。直鏈淀粉大多分布在無定型層，而半結(jié)晶層也有一定分布，但是數(shù)量較少。而半結(jié)晶層過多的直鏈淀粉會導(dǎo)致淀粉結(jié)晶狀態(tài)的不穩(wěn)定、籽粒淀粉密度減小，最后導(dǎo)致水稻籽粒硬度下降[12]。直鏈淀粉含量（AC）是稻米品質(zhì)的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，與峰值黏度、糊化程度都有著顯著關(guān)系[13]。直鏈淀粉含量較高的籽粒硬度大、黏度低，支鏈淀粉含量較高的籽粒表現(xiàn)則與之相反[14]。通常而言，稻米品質(zhì)高一般有著以下幾個共性，比如低水平的糊化溫度、直鏈淀粉含量以及膠稠度等[16]。相比強勢籽粒，弱勢籽粒的直鏈淀粉含量常常過高，進(jìn)而導(dǎo)致淀粉糊化溫度升高、膠稠度下降，最終導(dǎo)致籽粒淀粉品質(zhì)下降，直接表現(xiàn)為米飯光澤度降低、黏性變差、食味品質(zhì)下降[15]。

2 影響水稻弱勢籽粒淀粉品質(zhì)的生理機(jī)制

2.1 水稻光合產(chǎn)物對弱勢籽粒淀粉形成的影響

水稻弱勢籽粒淀粉同其他籽粒淀粉形成原理和過程基本一致，其淀粉的積累主要以光合作用所形成的蔗糖通過韌皮部輸導(dǎo)系統(tǒng)從源輸送到籽粒，首先降解為單糖，繼而轉(zhuǎn)化為葡萄糖供體UDPG（ADPG），接著用于代謝或淀粉合成[17]。研究表明，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）活性高低影響著水稻產(chǎn)量和籽?？偟矸酆縖18-19]，同時也對淀粉的結(jié)構(gòu)改變有一定作用[20]。淀粉分支酶（SBE）的作用主要體現(xiàn)在可以通過催化合成支鏈淀粉來改變支鏈淀粉的含量，調(diào)節(jié)水稻籽粒胚乳中直鏈、支鏈淀粉的比例，進(jìn)而影響水稻籽粒淀粉的品質(zhì)[21]。在對其研究過程中發(fā)現(xiàn)，AGPiso、AGPsma和SBE3等基因與水稻籽粒淀粉的膠稠度和熱力學(xué)性質(zhì)有一定聯(lián)系[22]。而另一種淀粉去分支酶（DBE）能夠特異性地水解淀粉中的α-1,6糖苷鍵[23]。部分學(xué)者提出，水稻強、弱勢籽粒淀粉品質(zhì)形成的差異是因為光合產(chǎn)物供應(yīng)不足，水稻葉片推遲1 d衰老可使產(chǎn)量增加2%左右，而葉片早衰對后期灌漿的弱勢粒影響巨大。早衰越嚴(yán)重的品種其弱勢粒灌漿速率越低。鄧仲篪等[24]在研究秈粳亞種雜交組合結(jié)實率偏低的生理原因時，通過減去部分葉片和穎花來調(diào)控其營養(yǎng)的吸收，結(jié)果表明，水稻光合水平的降低大大限制了秈粳亞種雜交組合的結(jié)實率。因此，探明水稻強、弱勢籽粒光合產(chǎn)物的形成差異，尋求提高水稻弱勢籽粒光合產(chǎn)物的方法和途徑對水稻籽粒淀粉品質(zhì)形成具有重要意義。

2.2 水稻籽粒庫容對弱勢籽粒淀粉形成的影響

部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒庫容大小與水稻籽粒灌漿以及水稻強弱勢籽粒淀粉品質(zhì)形成正相關(guān)。通過對稻穗中上部穎花進(jìn)行剪除（剪除水稻強勢粒），然后觀察記錄稻穗底部其余弱勢籽粒的灌漿情況和不同時期的籽粒淀粉品質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，去除部分強勢花弱勢籽粒其灌漿時間并沒有明顯縮短，穗底部余下的分蘗上的水稻籽粒淀粉品質(zhì)也未顯著改善[25]。袁隆平[26]認(rèn)為，秈粳亞種雜交稻籽粒普遍庫容量大，但后期功能葉光合作用能力下降，易早衰，光合產(chǎn)物到籽粒庫容的運輸速率和庫中分配比例低是限制淀粉品質(zhì)形成的主要原因。因此，庫容大小是影響水稻強弱勢籽粒灌漿的限制因素，確保光合產(chǎn)物的供應(yīng)，平衡強、弱勢籽粒灌漿之間的關(guān)系是解決水稻籽粒淀粉品質(zhì)形成問題的基礎(chǔ)。

2.3 光合產(chǎn)物運輸對弱勢籽粒淀粉形成的影響

水稻光合產(chǎn)物運輸主要是通過維管束系統(tǒng)實現(xiàn)。稻穗不同部位穎花的分化時間存在一定差異，導(dǎo)致其維管束的發(fā)育狀況也不盡相同。通過比較發(fā)現(xiàn)，穗中上部一次枝梗維管束的導(dǎo)管面積和韌皮部面積較大，單個伴胞（促進(jìn)同化物向篩管的轉(zhuǎn)移運輸）面積也較大[27]。弱勢籽粒輸導(dǎo)組織活性差，灌漿起步晚、速率小、充實度低。但是強勢籽粒穗頸節(jié)間莖稈粗、莖壁厚，其韌皮部面積和維管束數(shù)目與水稻籽粒灌漿充實度和穗粒質(zhì)量正相關(guān)。因此，水稻莖稈莖壁厚，莖壁面積占莖橫切面面積比例大，輸導(dǎo)組織活性強，維管束系統(tǒng)發(fā)育發(fā)達(dá)，光合產(chǎn)物流通順暢，有利于水稻弱勢籽粒的灌漿充實，提高穗粒質(zhì)量和稻米品質(zhì)。

2.4 內(nèi)源激素及遺傳基因?qū)θ鮿葑蚜５矸坌纬傻挠绊?/h3>

水稻籽粒淀粉形成受激素水平的影響較大，所以各類激素對于植物生長的調(diào)控作用一直是熱點研究問題。目前，對生長素（IAA）、赤霉素（GA）和脫落酸（ABA）在強、弱勢籽粒的淀粉形成過程中的作用已有一定研究[28]。

IAA不僅可以促進(jìn)氣孔開放，增強葉片光合作用，還影響水稻籽粒中的胚乳細(xì)胞數(shù)目、體積以及填充物[29]。開花后水稻強勢粒灌漿啟動早，等其灌漿狀態(tài)下降后，弱勢粒才開始灌漿，且強勢粒的灌漿勢峰值高于弱勢粒，呈現(xiàn)“粒間頂端優(yōu)勢”，這種優(yōu)勢與其內(nèi)源IAA含量一致，是強勢粒對弱勢粒抑制作用產(chǎn)生的原因。除此之外，IAA可以刺激可溶性淀粉合成酶（SSS）和顆粒淀粉合成酶（GBSS）的活性，從而改變直鏈淀粉在弱勢籽粒淀粉中的比例[30]。一般而言，水稻籽粒直鏈淀粉合成能力越高，SSS的活性也就越高[31]。SSS不僅可以改變淀粉的鏈長還可以改變淀粉的分支頻率[32]，而強勢籽粒中SSS活性均高于同穗上的弱勢籽粒，且二者直鏈、支鏈淀粉比例也有顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)，鋅指蛋白OsbZIP58與基因SBEII呈顯著負(fù)相關(guān)，通過RNAi敲除SBEII可以提高直鏈淀粉含量水平，進(jìn)而提升水稻弱勢籽粒的淀粉品質(zhì)[33]。除此之外，還可以通過GBSS（包括GBSSI和GBSSII兩個同工酶）參與弱勢籽粒中直鏈淀粉的合成過程，經(jīng)由Waxy進(jìn)行編碼，提升水稻弱勢籽粒稻米品質(zhì)[34-35]。

赤霉素（GA）可以激活淀粉合成相關(guān)酶的活性，但有研究發(fā)現(xiàn)，GA的合成會進(jìn)一步阻礙水稻弱勢籽粒淀粉的合成和積累[36]。通過外施GA發(fā)現(xiàn)，強、弱勢粒二者的粒質(zhì)量和膠稠度均有一定程度的降低，同時進(jìn)一步增加弱勢籽粒的堊白度[37]。WANG等[38]通過對不同水稻品種的研究發(fā)現(xiàn)，弱勢籽粒直鏈淀粉的合成受淀粉合成酶蠟質(zhì)基因（Wx）的調(diào)控程度較高[39]。另外，孫業(yè)盈等[40]還發(fā)現(xiàn)，Wx基因?qū)δz稠度也具有調(diào)控作用。Wx基因還使強、弱勢粒的淀粉粒在粒度差異上有明顯區(qū)別[41]。另外，除上述研究發(fā)現(xiàn)幾個基因?qū)?、弱勢粒淀粉形成過程造成差異外，不同基因組合相互作用也可以改變籽粒內(nèi)的直鏈淀粉含量，如Wx和PUL、SSII-3和PUL、SSI和SBEI、ISA和PUL以及SBEI和SBE3等[42]。然而對此還需進(jìn)一步研究強、弱勢粒之間的差異性。

脫落酸（ABA）通常作為一種抑制型激素，導(dǎo)致水稻籽粒蔗糖合酶（SuSy）和部分磷酸化酶活性的改變，提升淀粉合成酶、淀粉分支酶的活性[43]。在水稻籽粒灌漿期間，強勢籽粒的ABA含量顯著高于弱勢籽粒。另外，ABA含量較低還使弱勢籽粒在灌漿速率上明顯低于同穗的強勢籽粒[44-45]。

乙烯（ETH）通過乙烯釋放速率（EER）和ETH合成直接前體（ACC）對水稻籽粒的灌漿和粒質(zhì)量進(jìn)行調(diào)控，研究發(fā)現(xiàn)，稻穗頂部籽粒中EER要低于同一稻穗底部籽粒，而ETH在稻穗底部籽粒中的累積會造成對應(yīng)部位籽粒灌漿的延緩[46-47]。有研究表明，EER與粒質(zhì)量、淀粉含量、充實度、籽粒灌漿速率和水稻胚乳細(xì)胞分裂速率均呈極顯著負(fù)相關(guān)[48]。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，EER和ACC含量在灌漿期的變化與水稻籽粒品質(zhì)中的堊白度、堊白粒率和堊白大小呈顯著正相關(guān)，同時與精米率、整精米率和糙米率呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明EER和ACC含量的降低有效提升了稻米的加工品質(zhì)[49-50]。

除上述幾種激素外，細(xì)胞分裂素（CTK）和油菜素類固醇（BRs）等也對弱勢籽粒淀粉品質(zhì)的提升有一定作用[51]。水稻中各種激素水平和基因之間的關(guān)系與水稻籽粒淀粉的品質(zhì)形成有著重要聯(lián)系，不同激素通過影響籽粒相關(guān)基因表達(dá)、相關(guān)淀粉酶來對籽粒淀粉形成進(jìn)行調(diào)控。然而，內(nèi)源激素對于水稻強、弱勢籽粒的作用機(jī)制差異尚未有深入的探究，與弱勢籽粒的關(guān)聯(lián)也沒有深入闡明，外施激素之間相互作用以及對弱勢籽粒淀粉品質(zhì)的提升也需要進(jìn)一步探究。

表1 稻米籽粒淀粉形成影響因素及其途徑

2.5 養(yǎng)分管理對弱勢籽粒淀粉形成的影響

養(yǎng)分管理中最主要的是氮素的管理，不管是稻米產(chǎn)量，還是強、弱勢籽粒品質(zhì)都與其密切相關(guān)。研究表明，一定時期內(nèi)直鏈淀粉含量隨施氮量的增加而升高[52]。與具有較高氮的土壤比較，在低氮土壤環(huán)境下，弱勢籽粒中的表觀直鏈淀粉含量較強勢籽粒會有一定的提升[53]。通過外施氮肥，可以直接影響弱勢籽粒內(nèi)相關(guān)淀粉合成酶的活性，降低淀粉粒的平均粒徑。相對合理的施氮量可以提高弱勢粒中淀粉粒的有序性，改善淀粉粒的分布、數(shù)量和結(jié)構(gòu)[54]。在水稻結(jié)實期增加施氮量，會造成弱勢籽粒中支鏈淀粉含量的顯著下降[55-56]。因此，對水稻施用氮肥應(yīng)科學(xué)設(shè)計施用量，氮肥對于籽粒品質(zhì)的兩面性會影響弱勢籽粒品質(zhì)的改善程度，對水稻產(chǎn)量和品質(zhì)造成顯著影響。

除氮肥外，單獨外施鉀肥或者單獨外施鋅肥也會造成弱勢籽粒中直鏈淀粉含量的提高，而氮磷鉀肥的合理組合施用則會使其堊白粒率和直鏈淀粉含量明顯下降[57]。另外，研究還發(fā)現(xiàn)，不同氮素施用方法通過GBSS、ISAs和SBEs等基因改變水稻弱勢籽粒淀粉中直鏈、支鏈淀粉的相對數(shù)量[58-59]。

3 展望

隨著人們生活水平的不斷提高，對于稻米的要求也逐漸由數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量。盡管對稻米的產(chǎn)量和品質(zhì)已有較多研究，而對于占稻米相當(dāng)數(shù)量并對品質(zhì)有重要影響的弱勢籽粒的相關(guān)研究還鮮有報道?；谝陨戏治?，對于提升稻米品質(zhì)研究可以從生理和遺傳水平改善弱勢籽粒的角度來提高整體稻米品質(zhì)，具體從以下方面著手，首先明確弱勢籽粒淀粉形成的相關(guān)生物學(xué)特性，明確不同因素對水稻不同粒位（強、弱勢）籽粒淀粉形成的調(diào)控機(jī)制，在遺傳水平上，整體闡明影響水稻強、弱勢籽粒淀粉形成內(nèi)在機(jī)制與差別，尤其針對水稻弱勢籽粒灌漿時期，需明確不同環(huán)境信號（尤其是不同養(yǎng)分水平）對淀粉合成相關(guān)基因的影響和調(diào)控的方式和途徑。