魏曉東 張亞東 趙凌 路凱 宋雪梅 王才林

稻米香味物質2-乙酰-1-吡咯啉的形成及其影響因素

魏曉東 張亞東 趙凌 路凱 宋雪梅 王才林*

(江蘇省農業(yè)科學院糧食作物研究所/江蘇省優(yōu)質水稻工程技術研究中心/國家水稻改良中心南京分中心，南京 210014; *通信聯系人, E-mail: clwang@jaas.ac.cn)

稻米香味的形成是一個復雜而多變的生理過程，遺傳和環(huán)境變化對香味的形成都具有重要影響。香味的有無主要受香味基因控制，氣候條件、土壤質地和栽培措施也會直接影響稻米香味物質的合成。為進一步加快香稻培育進程，提升香稻稻米品質，本文綜述了近年來國內外有關稻米香味物質形成的遺傳和生理機制以及環(huán)境因素對稻米香味形成的研究進展，重點總結了外界光照、水分、溫度、肥料、礦質元素等對稻米香味物質合成的影響，并指出了今后研究的方向，以期為提高我國香稻栽培技術，提升香稻稻米品質提供參考。

水稻；香味；2-乙酰-1-吡咯啉；香稻

香稻是水稻中一個特殊的類型，其稻米具有香氣馥郁和米飯芬芳的特點，被視為水稻中的珍品。香稻主要分布在印度、巴基斯坦、孟加拉國、阿富汗、伊朗、美國和中國。隨著生活水平的提高，香稻在世界大米市場上的價格和需求逐年上升[1]。巴基斯坦和印度的Basmati和泰國的Jasmine都是世界著名的典型香稻品種[2]。我國香稻資源也十分豐富，云南、貴州、臺灣、太湖流域以及蘇北地區(qū)是我國香稻分布較為集中的地區(qū)[2]。另外，還有些零星分布，例如五常稻花香米，產于黑龍江省五常市。傳統(tǒng)香稻品種具有地域性強的特點，稻米香味雖然受遺傳基因控制，但與土壤條件和氣候條件密切相關，香稻產地的土壤成分與非產地的差異較大，且香稻品種在非產地種植后普遍存在香氣不夠濃郁的現象。因此，利用栽培措施提高香稻的香味是提升稻米品質的一項重要措施。環(huán)境因素如光照、溫度、水分、肥料、礦質元素、鹽分等都會影響香味物質的合成，最終影響香稻的品質。本文綜述了近年來各種環(huán)境因素影響稻米香味的新進展，以期為優(yōu)質香稻的栽培提供借鑒和參考。

1 稻米香味物質形成的生理機制

對大米香味的研究可以追溯到30年前[3]。隨著檢測技術的發(fā)展，特別是氣相色譜和質譜技術結合，在水稻中共檢測到500多種揮發(fā)性芳香物質[4-5]，包括碳氫化合物、酸類、醇類、醛類、酮類、酯類和酚類等[6-9]。各種芳香混合物在不同香稻中組成不同，形成品種特有的香氣，例如茉莉花香、山核桃香、爆米花香、紫羅蘭香、玉米香等[10-11]。香稻中的香氣主要分為五大類：綠草香味，果香花香味，燒烤味，堅果味，苦味。每種味道均由不同的化合物組合形成，醛、酮和乙醇主要散發(fā)綠草香味，庚酮、醛和甲酯主要形成果味花香味，苯甲醛和2-戊基呋喃則主要形成堅果香味[4]。

一直以來，科學家希望能夠找出形成水稻香味的關鍵化合物，但水稻的香味并不是由單獨一種的化合物或者一類化合物形成的。其中，第一個被發(fā)現形成水稻香味的重要化合物是2-乙酰-1-吡咯啉(2-acetyl-1-pyrroline, 2-AP)，它是1983年由Buttery首次發(fā)現的[12]。2-AP是香稻中主要香味物質，香稻中爆米花香味主要由2-AP形成[5]。2-AP在水稻植株地上部分均能檢測到，且2-AP不是在收獲后以及稻米烹飪過程中產生的，而是在水稻生長過程中地上部分合成后輸送到籽粒中的[5]。在已知的500多種揮發(fā)性化合物中，只有14%的化合物是香味的主要貢獻者[13]。這些香味物質都是在植株內自然合成的，合成這些化合物的來源主要包括碳源、氮源、硫元素，并且以碳水化合物、脂肪酸、氨基酸的形式合成香味物質[13]。碳水化合物主要用來合成萜烯類、呋喃酮類和吡喃酮類[13]。醛、醇、酮、酸、酯、內酯則主要由脂肪酸合成[14]。水稻中由氨基酸合成的香味物質主要通過氨基酸的降解來完成，通過莽草酸/苯丙氨酸途徑形成脯氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸和色氨酸并進一步合成香味物質[15]。香稻中主要的香味物質2-AP有多種合成途徑，脯氨酸、谷氨酸和鳥氨酸都是合成2-AP的前體物質，分別在脯氨酸脫氫酶、吡咯啉-5-羧酸合成酶、鳥氨酸轉氨酶催化下形成吡咯啉-5-羧酸，而后脫羧轉化為1-吡咯啉，進而合成2-AP。其中，主要途徑是前體物質脯氨酸在脯氨酸脫氫酶的作用下形成1-吡咯啉，進而合成2-AP，鳥氨酸也可以在鳥氨酸脫氫酶的催化下形成腐胺，而后由二胺氧化酶催化形成γ-氨基丁醛，由于甜菜堿脫氫酶功能喪失導致γ-氨基丁醛大量積累，使γ-氨基丁醛轉化為1-吡咯啉，最終合成大量2-AP[16]。而在非香稻品種中γ-氨基丁醛在有活性的甜菜堿脫氫酶作用下形成γ-氨基丁酸(GABA)，從而不能合成2-AP。香稻中2-AP合成的另外一個重要途徑是糖酵解途徑，其中丙酮醛的合成與2-AP的含量呈顯著正相關[17]，合成途徑見圖1[13]。

2 稻米香味物質2-AP形成的遺傳機理

2.1 甜菜堿醛脫氫酶基因BADH2的多態(tài)性

2-AP是香稻中主要香味物質，甜菜堿醛脫氫酶活性喪失是導致2-AP積累的主要因素。是迄今為止唯一一個被克隆的與香味相關的基因，該基因的突變會導致甜菜堿脫氫酶活性喪失，具有甜菜堿脫氫酶活性的水稻則沒有香味[7, 18-20]?；蛭挥谒镜?染色體上，是控制水稻香味的隱性基因[21-24]，該基因全長1509 bp，其中含有15個外顯子、14個內含子，編碼503個氨基酸[22, 25]。基因除在水稻根中不表達外，在其他所有組織和器官中都有表達。近年來研究表明，水稻第3和4染色體上也定位到控制水稻香味的數量性狀基因座[26]。張江麗等通過對香稻品種測序發(fā)現，基因序列完整的水稻也具有香味，有些水稻不含有等位基因，卻具有較高的2-AP含量，這些現象說明水稻的香味還受其他基因或內含子的調控[26-27]。

研究表明，在水稻中基因有多種突變型，至少存在17個變異位點。比較常見的等位基因為，它在第7外顯子上存在8個堿基缺失以及3個單核苷酸的多態(tài)性[28]，著名的Basmati和Jasmine都屬于此種等位基因型。在某些香稻品種中，在第2外顯子上缺失7 bp，某些香稻品種則第4和第5外顯子之間缺失803 bp[19, 29-30]，并且在第1、8、10、12、13、14外顯子上也均存在變異[7, 19, 26, 29]。深入的研究發(fā)現，的第1外顯子、第1內含子的剪接點和啟動子及其5′UTR區(qū)也有插入、缺失或單核苷酸突變[20, 30-32]。目前研究認為現有栽培稻中的等位基因主要起源于原始粳稻群體，并逐漸滲透到秈稻品種中[33]。也有一些等位基因起源于秈稻品種，如。水稻香味的差異在很大程度上由的等位基因變異造成[33]。

圖1 2-AP可能的合成途徑

Fig. 1. 2-AP biosynthetic mechanism.

2.2 生長及環(huán)境因子對香稻2-AP合成途徑基因的調控

目前報道調控2-AP合成的主要基因有、吡咯啉-5-羧酸合成酶基因（）、脯氨酸脫氫酶基因（）、生長素氧化酶基因()、鳥氨酸δ-氨基轉移酶（）。水稻生長過程中2-AP的含量和合成過程中相關基因的表達隨生長時期不同而變化。Hinge等[17]的研究表明，在香稻中2-AP的含量從苗期到孕穗期呈增加趨勢，開花期下降，而到灌漿中期又開始上升，成熟種子中2-AP含量最高，而基因的表達量則與2-AP的含量顯著負相關?；虻谋磉_量在開花期達到最高，成熟種子中表達量最低，該基因的表達量與脯氨酸的含量呈顯著正相關。

外界環(huán)境因子的改變能夠調控2-AP的含量以及相關基因的表達。Bao等[34]在研究不同土壤水分含量對香稻香味物質合成的影響中發(fā)現，水分脅迫能夠顯著提高、、基因的表達量，顯著降低基因的表達，不同品種在水分脅迫下比對照降低2.39～4.8倍。Luo等[35]用不同濃度的鹽分處理香稻種子后發(fā)現，鹽分處理能夠誘導苗期香稻中、、的上調表達，但是對基因的表達無顯著影響。Luo等[36]于齊穗期葉面噴施不同濃度的鳥氨酸，發(fā)現能夠顯著降低香稻中基因的表達。另外，在齊穗期葉面噴施脯氨酸能夠顯著誘導基因的上調表達，降低基因的表達量，增加葉片中脯氨酸的含量[37]。Luo等[38]發(fā)現外源硒元素的應用也能調控、、、和基因的表達，提高籽粒中2-AP的含量。這些基因的變化能夠調控植株中合成2-AP前體物質的含量，從而增加香稻中2-AP的含量。

3 影響稻米香味物質2-AP形成的環(huán)境因素

雖然水稻香味的有無和香味類型是由基因控制的，但是眾多研究表明香味基因和環(huán)境因素之間存在相互作用。香味物質的種類和含量受到光照、水分、溫度、土壤肥力、礦質元素、外源增香化合物等的調控。研究者還針對這一特性，研制出針對某一水稻品種的保香栽培技術和專用肥料。歸納和總結各種環(huán)境因子和栽培措施對2-AP形成的影響，能夠對香稻品質的提升提供理論基礎。

3.1 氣候因子對2-AP形成的影響

氣候因子主要包括溫光條件，溫度和光照都能影響稻米的品質，尤其是食味品質。不同地區(qū)的溫光條件也能顯著影響稻米香味物質的合成。灌漿結實期的溫度是影響稻米品質的重要因子，較低的氣溫是稻米香味形成的必要條件。華南稻區(qū)日均溫23℃較利于香稻香味和品質的提升，溫度過高會造成稻米外觀和加工品質變差，食味值降低，香味得分降低[39]。Okpala等[40]發(fā)現灌漿結實期香稻籽粒中2-AP含量在不同溫度下表現為高溫（26℃～32℃）＜中等溫度（21℃～27℃）＜低溫（16℃～22℃）。但高溫環(huán)境中生長的香稻，籽粒中的2-AP在存儲過程中不易揮發(fā)更容易保持香味。

光照對水稻的產量和品質也有重要影響。研究表明，水稻在結實期遇到弱光逆境會降低結實率、產量和稻米加工品質。在透光率為自然光11.5%的弱光環(huán)境下，花后持續(xù)遮光15 d可以顯著提高香稻中2-AP和蛋白質含量，但是光照不足在一定程度上會降低香稻產量[41]。脯氨酸、谷氨酸和鳥氨酸是形成2-AP 的前體物質，在一定脅迫范圍內，脯氨酸的積累能夠提高植物對逆境的適應性。在水稻灌漿結實后期，遮光處理也能增加植株葉片中脯氨酸含量，增加籽粒中2-AP的含量[42]。弱光處理對于水稻是一種逆境環(huán)境，在一定程度上能夠誘導植株中脯氨酸的積累進而導致籽粒中2-AP含量的增加，對于增加稻米香味是有益的，但對于產量的提高是不利的，栽培過程中需要平衡各種因素設置合適的光照條件。

3.2 水分管理對2-AP形成的影響

水分是影響稻米產量和品質的重要因素之一。輕度的缺水或干濕交替灌溉有利于香稻香味物質的積累。Bao等[34]的研究表明，在水稻移栽后干濕交替灌溉的條件下更利于香稻香味物質的積累。在土壤水勢低于?15 kPa左右時恢復灌水至水面高于土層2～3 cm，直至收獲。這種干濕交替的灌溉方式既能提高香稻的產量也能促進香味物質中間代謝產物1-吡咯啉-5-羧酸、1-吡咯啉的積累，并提高PDH、P5CS和DAO的活性。更低水勢（―25 kPa）雖然能夠促進香味物質的合成，但會在一定程度上降低水稻的產量。田華等[43]的研究表明，灌漿期在田間土壤水勢維持在?5～20 kPa時，能夠顯著提高香稻的香味物質含量，但當水勢在?20 ～ ?40 kPa時，香味物質含量反而會低于對照。在孕穗期也有相似的結果，當孕穗期土壤水勢維持在0 ～ ?25 kPa時，香稻葉片和籽粒中的脯氨酸氧化酶活性顯著高于對照，游離脯氨酸含量增加，籽粒中2-AP含量增加；但當水勢維持在0 ～ ?50 kPa時，籽粒中脯氨酸氧化酶活性降低，香稻中香味物質合成受阻，含量顯著減少[44]。僅僅在分蘗期進行輕度水脅迫處理（0 ～ ?25 kPa）也能夠提高香稻中香味物質的合成，而重度水分脅迫（0 ～ ?50 kPa）則不利于香味物質的合成[45]。生產上選擇適當的干濕交替灌溉的方式能夠協調香稻產量和品質的關系，促進香味物質的合成。

3.3 氮肥對2-AP形成的影響

氮肥作為一種大量元素，對水稻的產量和品質的影響最為顯著。增施氮肥能夠顯著增加植株的氮素含量，增加氨基酸的合成，而氨基酸是合成香味物質的主要成分，因此增施氮肥能夠增加水稻香味物質的含量。鐘群等[46]的研究表明增施氮肥能夠增加香稻品種游離脯氨酸的含量，進而促進香味物質2-AP的合成，且不同品種對氮素的反應程度不同，對氮素反應敏感的品種增施氮肥能夠顯著增加香味，相對鈍感的品種可能需要氮肥更多。Mo等[47]的研究發(fā)現，在基肥為90 kg/hm2條件下，孕穗期分別增施30、60 kg/hm2的氮肥能夠顯著增加植株中脯氨酸的含量和2-AP的含量，其中增施60 kg/hm2香味物質增加最多。水分和氮素的互作也有利于籽粒中香味物質的合成，在孕穗期保持水勢在0～―25 kPa，在此期間增施氮肥60 kg/hm2能夠顯著增加籽粒中2-AP的含量，且P5C的含量、DAO的活力都與籽粒中2-AP的含量顯著正相關[48]。氮肥能夠顯著增加香稻籽粒中香味物質的含量，同時氮素也是影響稻米食味品質的重要因素，過量的氮肥使稻米食味品質顯著下降，因此，實際生產中需要合理施用氮肥，平衡氮素對稻米香味和品質的影響。

3.4 礦質元素對2-AP形成的影響

礦質元素對作物的生長也很重要。目前應用于水稻的礦質元素主要有鉀、硅、鋅、鐵、鑭、硒、鈉等，研究表明這些中微量元素均對稻米的香味有一定的調控作用。鉀元素作為三大元素之一，對作物的生長發(fā)育具有重要作用，對稻米品質也具有重要影響。羅一鳴等[49]發(fā)現鉀肥能夠改善稻米品質，增加稻米香味物質，但不同品種反應并不一致。常規(guī)香稻品種桂香占在112 kg/hm2鉀肥條件下，籽粒中游離脯氨酸含量、脯氨酸脫氫酶活性和2-AP含量均最高，香氣最濃郁，而農香18在187.5 kg/hm2鉀肥條件下香氣最濃郁。根據品種特性施用適宜的鉀肥能夠顯著提高香稻的香氣。硅肥是水稻生長的必需元素，對水稻的生長發(fā)育和稻米品質影響顯著。增施硅肥也能改善稻米的香味。Mo等[50]采用在土壤中基施15、30、40和60 mg/kg硅肥（以SiO2計）進行試驗，發(fā)現適量（30～40 mg/kg）增施硅肥能夠顯著增加籽粒中2-AP的含量，但過量（60 mg/kg）施硅對香稻香味物質的積累不利。同時，適量增加硅肥也能顯著提高稻谷產量和品質。鋅在水稻植株的含量低于氮、磷、鉀的含量，但對水稻生長發(fā)育的影響也很大。黃錦霞等[51-52]采用盆栽實驗發(fā)現，基施氯化鋅能夠顯著促進脯氨酸的合成，增加香稻中香味物質的含量，但是用量超過120 mg/kg時，稻米中香味不再增加，不同品種香味增強幅度因品種而異，香稻最佳氯化鋅基肥施用量為80～120 mg/kg。另外，采用葉面噴施氯化鋅的方法也能提高香稻的香味。Luo等[53]發(fā)現噴施氯化鋅能夠促進2-AP的合成，提高PDH、P5CS、DAO等酶的活性，增加1-吡咯啉，P5C的含量。鐵元素能在一定程度上提高香稻劍葉中脯氨酸的含量，但對于增加籽粒中2-AP含量的效果不顯著[54]。唐湘如等[54]采用土壤基施和葉面噴施的方法研究鑭元素對香稻香味物質的影響，發(fā)現施用氯化鑭能顯著提高香稻劍葉脯氨酸的含量和香氣含量，而葉面噴施雖然能夠增加香味物質的含量，但與對照沒有顯著差異。硒作為一種稀土元素，常應用于作物中提高作物品質，形成富硒農產品。Luo等[55]采用10、20、30、40、50 μmol/L硒元素于齊穗期噴施香稻葉面，發(fā)現硒肥(10～40 μmol/L)能夠顯著增加籽粒中2-AP、1-吡咯啉和P5C的含量，并提高PDH、OAT的活性。同時，Luo等[38]比較了土壤施硒肥和葉面噴施硒肥對香稻籽粒中2-AP合成的影響，發(fā)現葉面噴施的效果要好于土壤施硒肥。李夢興等[56]的研究表明，在齊穗期噴施亞硒酸鈉能夠顯著提高香稻的香味物質含量，增加葉片和籽粒中2-AP的含量，亞硒酸鈉的使用濃度為10～20 mg/kg。適量的鹽處理能夠提高香稻2-AP的含量。Luo等采用0.01、0.02、0.05、0.10 mmol/L的氯化鈉溶液處理香稻種子，發(fā)現鈉離子能夠顯著增加苗期香稻植株中2-AP的含量、脯氨酸的含量、GABA、P5C、1-吡咯啉的含量，增加P5CS、PDH的活性，但對BADH的活性無顯著影響[35]。

3.5 其他增香物質對2-AP形成的影響

鳥氨酸和脯氨酸是香稻合成2-AP的前體物質，外源增加這些前體物質也能增加2-AP的合成。研究發(fā)現在齊穗期葉面噴施0.5、1.0、2.0 g/L濃度的鳥氨酸溶液，能夠顯著增加籽粒中2-AP的含量，降低的表達量，其中采用1.0 g/L濃度效果最好[36]。在抽穗期噴施0.1～0.5 g/L的脯氨酸，能夠顯著增加香稻籽粒中脯氨酸的含量、P5C含量、1-吡咯啉含量，降低γ-氨基丁酸的含量，提高脯氨酸脫氫酶的活性和基因表達量，降低BADH活性和基因表達量，增加籽粒中2-AP的含量[37]。GABA是植物中重要的信號分子，能夠提高植物的耐逆能力，在孕穗期噴施250 mg/L GABA溶液能夠顯著增加籽粒中2-AP的含量，并增加了抽穗后15 d的PDH、OAT的活性以及成熟期籽粒中DAO的活力[57]。另外，植物生長調節(jié)劑6-BA對香稻籽粒中2-AP的積累也有提升作用，王抄抄等[58]的研究表明，在抽穗期噴施15 mg /L 的 6-BA 溶液能夠提高香稻成熟期劍葉和籽粒的脯氨酸含量，成熟期劍葉脯氨酸氧化酶活性從而顯著提高籽粒2-AP的含量，而過高濃度的6-BA溶液卻會對香稻籽粒中2-AP的積累有抑制作用。

4 小結和展望

香稻作為一種優(yōu)異種質資源受到全球喜愛，世界各國對于香稻的育種和開發(fā)也越來越重視?，F代基因編輯工具和分子標記的開發(fā)，大大加快了香稻的培育進程，但目前可利用的香稻基因較少，新的基因仍有待開發(fā)，且香稻的香味不僅受遺傳控制，環(huán)境因素對其影響也較大。從前人研究中可看出，外界的光照、溫度、水分、肥料、礦質元素等都能夠調節(jié)香味物質的合成。目前對環(huán)境影響香味方面的研究仍不夠深入和系統(tǒng)，還有大量工作需要開展：1）香味基因的發(fā)掘和對香味形成調控機理的研究不夠。我國稻種資源豐富，目前廣泛利用的香味基因主要是，對其他香稻資源香味基因的發(fā)掘利用和香味調控機理與功能研究尚不夠深入。2）關于各種環(huán)境因素對香稻香味物質合成的影響已有大量研究，但主要研究的香味成分為2-AP，其他香味成分對環(huán)境的響應沒有涉及。3）對不同品種類型的歸納總結不夠。我國香稻資源相對豐富，目前研究的品種類型多為華南稻區(qū)的水稻品種，其他類型的水稻品種是如何響應環(huán)境的變化的則涉及較少。4）關于稻米香味和品質共同提升的作用機理研究不多。稻米的食味品質受環(huán)境因素調控，諸多環(huán)境因子對香味物質的合成有益，目前雖有部分研究涉及香味和品質的共同提升，但對其中的生理生化及其遺傳調控機制研究還需加強。

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Research Progress in Biosynthesis and Influencing Factors of 2-acetyl-1-pyrroline in Fragrant Rice

WEI Xiaodong, ZHANG Yadong, ZHAO Ling, LU Kai, SONG Xuemei, WANG Cailin*

(Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/Jiangsu High Quality Rice Research and Development Center/Nanjing Branch of China National Center for Rice Improvement, Nanjing 210014, China;*Corresponding author, E-mail: clwang@jaas.ac.cn)

The formation of rice fragrance is a complex and changeable physiological process, and affected by genetic and environmental changes. The fragrance is mainly controlled by the fragrance gene. Climate, soil and cultivation conditions also directly affect the synthesis of fragrance compounds in rice. In order to further accelerate the breeding process and improve the quality of fragrant rice. We reviewed recent research progresses in the genetic and physiological mechanisms of the formation of fragrance compounds in rice and the effects of environmental factors on its formation in this manuscript. The effects of light, water, temperature, fertilizer and mineral elements on rice fragrance synthesis were particularly summarized. Meanwhile, the future research directions were pointed out to provide a reference for improving the cultivation techniques and quality of fragrant rice in China.

rice; fragrance; 2-acetyl-1-pyrroline; fragrant rice

10.16819/j.1001-7216.2022.201214

2020-12-21；

2021-07-20。

江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新基金資助項目(CX[20]2001); 現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金資助項目。