摘要：探究葉面噴施不同類型氨基酸對(duì)紫米產(chǎn)量和花青素含量的影響，以期為紫米提質(zhì)增效提供技術(shù)支撐和理論依據(jù)。以紫米滇香紫1號(hào)為研究對(duì)象，通過大田試驗(yàn)，在抽穗期與灌漿期葉面噴施蒸餾水（CK）、苯丙氨酸（Phe）、脯氨酸（Pro）和γ-氨基丁酸（GABA），分析各處理對(duì)紫米產(chǎn)量、加工品質(zhì)和花青素含量的影響。采用高效液相質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)結(jié)合主成分分析和偏最小二乘判別分析等多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)不同處理樣品進(jìn)行非靶向代謝組學(xué)分析。結(jié)果表明，外源噴施氨基酸可提高紫米產(chǎn)量和品質(zhì)。與CK相比，噴施氨基酸顯著增產(chǎn)6.35%～12.70%（Plt;0.05）；整精米率增幅為2.99%～7.34%，其中GABA處理整精米率最高，為67.12%；出糙率增幅3.73%～5.20%，其中Phe處理出糙率最高達(dá)75.81%。噴施氨基酸能促進(jìn)花青素合成，尤其是Phe處理，能顯著提高矢車菊-3-O-葡萄糖苷、矢車菊素-3-O-蕓香糖和芍藥素-3-O-葡萄糖苷的含量。代謝組學(xué)共鑒定出175個(gè)代謝物，包括氨基酸15個(gè)、苯型烴類6個(gè)、脂類6個(gè)、核苷類33個(gè)、有機(jī)酸類71個(gè)、有機(jī)雜環(huán)33個(gè)和其他代謝物11個(gè)。京都基因與基因組百科全書富集圖發(fā)現(xiàn)噴施氨基酸可以顯著提高氨基酸和核苷酸類代謝。說明抽穗期與灌漿期噴施氨基酸能夠提高紫米產(chǎn)量和品質(zhì)，是紫米提質(zhì)增效的有效措施。

關(guān)鍵詞：紫米；氨基酸；花青素；代謝組學(xué)

中圖分類號(hào)：S511.04 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）21-0091-06

收稿日期：2023-10-17

基金項(xiàng)目：云南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：202102AE090053）。

作者簡介：涂國青（1998—），女，碩士研究生，云南昭通人，研究方向?yàn)樗井a(chǎn)量與品質(zhì)。E-mail：1095415590@qq.com。

通信作者：徐玖亮，博士，副教授，主要從事養(yǎng)分管理與作物品質(zhì)研究。E-mail：jlxu9@cau.edu.cn。

紫米含有豐富的花青素和兒茶素等強(qiáng)抗氧化化合物^［1-2］，抗氧化能力是普通大米的4～8倍。具有抗氧化、抗炎抗癌等作用^［3-6］。由于品種、氣候、施肥等原因?qū)е伦厦桩a(chǎn)量低、抗性差、口感不佳、轉(zhuǎn)色不均、花青素含量低等問題^［7］。研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)紫米增產(chǎn)不顯著^［8］。葉面噴施氨基酸能提高香米結(jié)實(shí)率、千粒重和籽粒代謝活性，從而提高香米產(chǎn)量和改善品質(zhì)^［9］，因此，葉面噴施不同氨基酸對(duì)紫米產(chǎn)量、品質(zhì)的影響試驗(yàn)具有重要研究意義。數(shù)據(jù)顯示，云南省紫米平均產(chǎn)量只有 5.6 t/hm^2［10］。盧浩宇等為提高紫米產(chǎn)量，設(shè)計(jì)了不同施肥梯度和施肥配比，發(fā)現(xiàn)總施氮量150 kg/hm²，化肥減量50%配施有機(jī)肥能提高紫米產(chǎn)量，但是紫米產(chǎn)量也只達(dá)到了4 077 kg/hm²且處理間紫米品質(zhì)差異不顯著^［8］。氨基酸肥能顯著提高蔬菜、果樹、粳稻的產(chǎn)量，但噴施氨基酸肥在紫米的研究工作中鮮有文獻(xiàn)報(bào)道^［11-13］?；ㄇ嗨刭x予紫米重要的營養(yǎng)價(jià)值，紫米花青素是植物新陳代謝過程產(chǎn)生的類黃酮物質(zhì)^［14］，花青素廣泛存在于植物表皮細(xì)胞的液泡中，是一種水溶性色素，一般呈橙色、紅色和藍(lán)色^［15］。通過不同產(chǎn)地紫米花青素含量比較分析得出，云南墨江紫米花青素含量顯著低于陜西漢中紫米花青素含量^［16］。植物本身氨基酸濃度很低，需要從氨基酸合成途徑中高度誘導(dǎo)次生代謝產(chǎn)物來提高花青素含量^［17］。前人研究在芒果和蘆筍試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)外源添加苯丙氨酸可以提高苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性和花青素含量^［18-19］。噴施氨基酸葉面肥能夠提高其他作物產(chǎn)量和品質(zhì)，但噴施氨基酸對(duì)紫米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響尚不清楚。通過大田試驗(yàn)，探討噴施不同種類氨基酸對(duì)紫米產(chǎn)量和花青素含量的影響，利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)揭示氨基酸調(diào)控紫米花青素含量的機(jī)制，為紫稻米提供營養(yǎng)品質(zhì)方面的理論依據(jù)與生產(chǎn)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)田位于云南省西雙版納州勐?？h曼根村曼莊小組（100.23°E，21.95°N）；屬熱帶、亞熱帶西南季風(fēng)氣候，海拔1 700 m，年平均氣溫18.7 ℃，年均降水量1 341 mm。試驗(yàn)地小區(qū)面積100 m² （10 m×10 m），每個(gè)處理3次重復(fù)。試驗(yàn)地耕層土壤pH值為5.6，有機(jī)質(zhì)含量33.1 g/kg，速效磷含量21.0 mg/kg，速效鉀含量146 mg/kg，全氮含量 1.9 g/kg。2022年水稻移栽到收獲時(shí)間為2月8日至7月20日，全生育期共162 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試紫米品種為滇香紫1號(hào)。當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)肥料用量為N含量180 kg/hm²，P₂O₅含量75 kg/hm²，K₂O含量90 kg/hm²。氮肥運(yùn)籌為基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3。磷、鉀肥均分2次施用，基追比為1∶1。本試驗(yàn)的肥料用量與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥相同，分別在抽穗期與灌漿期噴施葉面氨基酸肥［苯丙氨酸（Phe）、脯氨酸（Pro）、γ-氨基丁酸（GABA）］，蒸餾水為對(duì)照（CK），氨基酸純氮濃度均為1.25 mmol/L，用量是300 L/hm²，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。成熟期收獲后，放置陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，直至水分達(dá)到13.5%，計(jì)算結(jié)實(shí)率、千粒重和產(chǎn)量。

1.3 試劑與儀器設(shè)備

苯丙氨酸、脯氨酸、γ-氨基丁酸、色譜級(jí)乙腈、甲醇、色譜級(jí)乙酸銨、磷酸二氫鈉、磷酸（北京雪杰特科技有限公司）；冷凍干燥機(jī)（FD-1A-50，北京博醫(yī)康公司）；超低溫冰箱（DW-86 L 388，海爾公司）、分析天平（BT 1245，德國Sartorious公司）；恒溫水浴鍋（HH.S11-4，北京長安科學(xué)儀器廠）；離心機(jī)（CR 22 g，日本HITACHI公司）；LC-MS儀器，色譜柱。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 樣品前處理

按照GB 1350—2009《稻谷》進(jìn)行水稻籽粒脫殼、碾磨，測(cè)定糙米率和整精米率等。

1.4.2 水稻測(cè)產(chǎn)方法

水稻成熟期在每個(gè)小區(qū)內(nèi)數(shù)30穴水稻的有效穗數(shù)，取得平均值后，每個(gè)小區(qū)取接近平均數(shù)的5穴水稻帶回室內(nèi)數(shù)每穗粒數(shù)，計(jì)算結(jié)實(shí)率、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因子。水稻成熟時(shí)實(shí)收測(cè)產(chǎn)并放置陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，直至水分達(dá)到13.5%左右。

1.4.3 花青素提取

紫米置于球磨儀中振動(dòng)研磨3 min，過80目篩，-20 ℃避光保存。稱取40 mg紫米粉末置于提取管中，4 mL 70%乙醇（水與鹽酸的體積比為29∶1）作為提取劑，混勻振蕩30 s后超聲 30 min，-20 ℃ 靜置過夜，取2 mL上清液過 0.22 μm 尼龍膜至-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4.4 代謝物提取

稱取100 mg粉末樣品置于EP管中，加入1.5 mL預(yù)冷提取液（甲醇∶乙醇∶水的體積比=4∶4∶2），渦旋振蕩30 s后冰浴中超聲1 h，在4 ℃條件下，16 000 g離心10 min，取上清液過0.22 μm尼龍膜至-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆??；ㄇ嗨貥?biāo)品配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，以橫坐標(biāo)為標(biāo)品峰面積，縱坐標(biāo)為濃度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4.5 代謝組分分析

采用Nexera X2LC-30AD高效液相色譜進(jìn)行樣品分離，色譜柱為C18色譜柱（ACQUITY UPLC BEH C 18（1.7 μm×2.1 mm×100 mm，Waters）。流動(dòng)相：A液為95%水（5%乙腈，含20 mmol/L乙酸銨），B為乙腈。柱溫為 40 ℃，流速0.3 mL/min，進(jìn)樣量5 μL。色譜分離條件：0～1 min，5%B；1～14 min，B液從5%線性變化到35%；15～17 min，B液維持65%；17～17.1 min，B液從65%線性變到5%；17.1～20 min，B液維持5%。采用QTRAP 5500質(zhì)譜儀在正/負(fù)離子模式下進(jìn)行質(zhì)譜分析。正離子模式：ESI電子噴霧電壓 5 500 V（正離子模式）或-4 500 V（負(fù)離子模式）；毛細(xì)管溫度550 ℃；離子源加熱輔助氣40 psi；氣簾氣50 psi。

1.4.6 數(shù)據(jù)處理

對(duì)原始峰值提取、奇異點(diǎn)剔除、基線校準(zhǔn)、峰對(duì)齊、反褶積分析、峰識(shí)別、峰面積整合等。所得結(jié)果進(jìn)行核糖醇校正，并將校正后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MS Office Excel中。然后利用SIMCA-P+23軟件進(jìn)行主成分分析并利用SPSS 20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，利用MS Office Excel 2019、Origin 2019、R語言軟件對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行作圖。所有數(shù)據(jù)都是用Microsoft Excel 2007和方差分析軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析的。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施氨基酸對(duì)紫米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表1可知，噴施氨基酸顯著提高紫米產(chǎn)量（Plt;0.05），Phe、Pro和GABA處理分別增產(chǎn)6.35%、14.29%和12.70%，各氨基酸處理中以Pro處理的產(chǎn)量最高。各處理間有效穗數(shù)和穗粒數(shù)無顯著差異。氨基酸處理顯著提高了紫米結(jié)實(shí)率，Phe、Pro、GABA處理結(jié)實(shí)率分別顯著增加5.04%、6.00%、3.84%，千粒重依次增加0.9、0.7、0.3 g。

2.2 噴施氨基酸對(duì)紫米出糙率和整精米率的影響

由圖1可知，各氨基酸處理的出糙率均顯著高于CK，增幅為3.73%～5.20%，其中Phe處理出糙率最高，為75.81%，較CK高3.75百分點(diǎn)，不同氨基酸處理之間出糙率無顯著差異。各氨基酸處理整精米率均高于CK，增幅為2.99%～7.34%，其中GABA處理整精米率最高，為67.12%，較CK增加4.59百分點(diǎn)，不同氨基酸處理之間整精米率無顯著差異。

2.3 噴施氨基酸對(duì)紫米花青素成分的分析

花青素是紫米中重要的功效成分，采用 UPLC-ESI-MS進(jìn)行一級(jí)質(zhì)譜和二級(jí)質(zhì)譜鑒定并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行比對(duì)得出， 滇香紫1號(hào)主要花青素成分為矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、矢車菊素-3-O-蕓香糖和芍藥素-3-O-葡萄糖苷（圖2）。

矢車菊素-3-O-葡萄糖苷是滇香紫1號(hào)最主要的花青素，其含量在85.5～115.3 μg/g之間。噴施氨基酸顯著提高了矢車菊素-3-O-葡萄糖苷含量，Phe、Pro、GABA處理較CK分別提高29.8、10.7、14.1 μg/g。Phe處理較Pro、GABA處理分別顯著提高17.1、15.7 μg/g。矢車菊素-3-O-蕓香糖含量相對(duì)較低，在6.2～8.5 μg/g之間，3種氨基酸處理較CK分別顯著提高2.3、1.4、1.2 μg/g，氨基酸處理之間無顯著差異。芍藥素-3-葡萄糖苷含量在32.3～45.6 μg/g之間，3種氨基酸處理較CK分別顯著提高13.3、4.2、6.1 μg/g。Phe處理較Pro、GABA處理分別顯著提高了9.1、7.2 μg/g。噴施氨基酸顯著提高了滇香紫1號(hào)中的花青素含量，其中Phe處理效果最為顯著（圖3）。

2.4 代謝通路分析

通過MRM Analyzer（R）代謝物原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量分析，共鑒定出175個(gè)代謝物，包括氨基酸15個(gè)、苯型烴類6個(gè)、脂類6個(gè)、核苷類33個(gè)、有機(jī)酸類71個(gè)、有機(jī)雜環(huán)33個(gè)、其他代謝物11個(gè)。通過對(duì)樣本進(jìn)行偏最小二乘法分析，判別不同氨基酸處理樣本之間差異度大小，尋找差異代謝物。數(shù)據(jù)分析結(jié)果（圖4）表明，CK與噴施氨基酸肥處理間充分分散，說明不同處理間代謝物存在差異。初步篩選出不同處理間顯著差異的代謝物，選取VIPgt;1且Plt;0.05的代謝物。篩選出45個(gè)代謝物，包括7個(gè)氨基酸、9個(gè)核苷類化合物、16個(gè)有機(jī)酸及其衍生物及其他13個(gè)代謝物。

滿足student’s t檢驗(yàn)Plt;0.05、VIPgt;1的代謝物為顯著性差異代謝。篩選出45個(gè)代謝物，包括7個(gè)氨基酸、9個(gè)核苷類化合物、16個(gè)有機(jī)酸及其衍生物、13個(gè)其他代謝物。根據(jù)篩選出的顯著性差異代謝表達(dá)量制成聚類分析熱圖，結(jié)果顯示，Phe處理促進(jìn)苯丙氨酸、吡哆醛、肌醇、谷氨酸鹽、磷酸氧化酶、天冬氨酸、賴氨酸、谷胱甘肽、賴氨酸、尿酸、半胱氨酸、谷氨酰胺等代謝活性。其中，苯丙氨酸是花青素合成的主要前體代謝物，表明外源噴施苯丙氨酸能夠誘導(dǎo)苯丙氨酸合成，從而提高紫米中的花青素含量（圖5）。Pro處理提高了肌酸酐代謝，GABA處理提升了苯丙氨酸、精氨酸和谷氨酰胺活性。相比Pro、GABA處理，Phe處理提高了氨基酸和核苷酸類代謝。

利用KEGG數(shù)據(jù)庫對(duì)差異代謝物進(jìn)行代謝通路富集分析，45個(gè)差異代謝物主要分布在11條代謝途徑中，分別是精氨酸合成、苯丙氨酸代謝、三羧酸循環(huán)、精氨酸和脯氨酸代謝、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝、嘌呤代謝、β-丙氨酸代謝、淀粉和蔗糖代謝、硫胺素合成、甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝和嘧啶代謝。說明不同處理氨基酸代謝的差異主要來自于這11個(gè)代謝途徑，其中嘧啶代謝是造成不同處理代謝差異的主要原因（圖6）。

3 討論

3.1 噴施氨基酸對(duì)紫米產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響

氨基類葉面肥能夠?yàn)樽魑锾峁┐罅康臓I養(yǎng)，這些營養(yǎng)通過葉面被直接吸收，調(diào)節(jié)碳、氮平衡，有效改善作物體內(nèi)生理生化過程和營養(yǎng)狀態(tài)^［20］。目前，國內(nèi)外對(duì)噴施氨基酸或氨基酸肥料展開了許多研究，施用氨基酸或者氨基酸肥料能夠顯著提高水稻、蔬菜、水果、烤煙和大豆等作物產(chǎn)量和品質(zhì)^［21-24］。本試驗(yàn)結(jié)果表明，噴施苯丙氨酸、脯氨酸和γ-氨基丁酸均能對(duì)紫米生長起到促進(jìn)作用，提高紫米產(chǎn)量和品質(zhì)，與前人研究結(jié)果一致。噴施氨基酸能夠促進(jìn)植株對(duì)氮的吸收和生長，提高氮的轉(zhuǎn)運(yùn)效率，進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量^［25］。尤其是在水稻生長后期，如抽穗和灌漿期適量補(bǔ)氮能夠延緩植株衰老，促進(jìn)干物質(zhì)積累及光合產(chǎn)物向穗部轉(zhuǎn)移^［26］。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，各氨基酸處理對(duì)結(jié)實(shí)率有增加作用，噴施氨基酸能夠誘導(dǎo)氮代謝酶活性來增加葉片氮濃度，氮素代謝酶的誘導(dǎo)和葉片吸收的氨基酸直接用于蛋白質(zhì)合成是水稻結(jié)實(shí)率增加的主要因素^［25］。千粒重增加的原因可能是噴施氨基酸提高了籽粒庫生理活性，促進(jìn)養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)而從源吸收積累更多同化物來提高水稻千粒重，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)^［26-27］。

3.2 噴施氨基酸對(duì)紫米品質(zhì)的影響

外源噴施氨基酸是提高稻米品質(zhì)的重要手段，本研究中噴施氨基酸對(duì)紫米出糙率和整精米率均有顯著提升，其中Phe處理的出糙率最高，GABA處理整精米率最高。氨基酸是含氮的小分子化合物，不同種類氨基酸在不同品種體內(nèi)具有不同的生理效應(yīng)，如宋聰?shù)妊芯堪l(fā)現(xiàn)，噴施谷胺酰胺顯著提高五優(yōu)稻4號(hào)（又名稻花香2號(hào)）的加工品質(zhì)^［9］。氮能夠有效調(diào)控花青素的合成，前人研究氮對(duì)擬南芥、蘋果、葡萄中花青素含量的影響發(fā)現(xiàn)，低氮脅迫能夠促進(jìn)花青素合成^［28-30］。但在紫米施氮研究中發(fā)現(xiàn)，施氮會(huì)促進(jìn)花青素的合成^［31］。本研究發(fā)現(xiàn)，噴施氨基酸能顯著提高紫米中的花青素含量，其中噴施苯丙氨酸（Phe）效果最為顯著。植物花青素合成屬于次級(jí)代謝產(chǎn)物黃酮類的分支途徑，苯丙氨酸是花青素合成的直接前體，在一系列酶的催化下形成花青素^［32］。紫米中苯丙氨酸含量與花青素含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系^［33］。通過代謝組學(xué)顯示，外源噴施氨基酸顯著提高氨基酸合成代謝途徑，如精氨酸、脯氨酸、丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝，尤其是苯丙氨酸代謝，提高了花青素合成前體物質(zhì)苯丙氨酸含量，從而促進(jìn)花青素積累。也有可能由于噴施氨基酸后促進(jìn)籽粒糖分合成和積累，誘導(dǎo)花青素合成酶表達(dá)活性，進(jìn)而促進(jìn)花青素合成。

4 結(jié)論

試驗(yàn)通過噴施不同種類氨基酸發(fā)現(xiàn)，3種氨基酸處理均能提高紫米產(chǎn)量和促進(jìn)花青素積累。Phe、Pro和GABA這3種氨基酸處理分別增產(chǎn)6.35%、14.29%和12.70%。Phe處理促進(jìn)花青素積累效果最顯著，矢車菊素-3-O-葡萄糖苷、矢車菊素-3-O-蕓香糖、芍藥素-3-O-葡萄糖苷的含量分別較CK提高了29.8、2.3、13.3 μg/g。因此在紫米實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)環(huán)境因素、肥料成本、品質(zhì)需求等因素綜合考慮，噴施適當(dāng)氨基酸實(shí)現(xiàn)紫米增產(chǎn)增效目標(biāo)。

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