劉海天 王峰 王強(qiáng) 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(yíng)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(zhǎng)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(duì)于弱勢(shì)籽粒的淀粉品質(zhì)研究較少，對(duì)灌漿期間強(qiáng)、弱勢(shì)籽粒形成對(duì)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(shì)籽粒淀粉生物學(xué)特性

通常情況，水稻弱勢(shì)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(shí)度好、籽粒質(zhì)量較大、淀粉品質(zhì)較好，被稱為強(qiáng)勢(shì)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(duì)較慢、灌漿充實(shí)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(shì)粒[6-8]。借助顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，相比強(qiáng)勢(shì)粒，弱勢(shì)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(shì)籽粒中中淀粉粒所占比例最高，并對(duì)水稻弱勢(shì)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(duì)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(shì)籽粒中的淀粉粒相比強(qiáng)勢(shì)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(zhǎng)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(huì)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(gè)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(qiáng)勢(shì)籽粒，弱勢(shì)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(shì)籽粒淀粉品質(zhì)的生理機(jī)制

2.1 水稻光合產(chǎn)物對(duì)弱勢(shì)籽粒淀粉形成的影響

水稻弱勢(shì)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(shí)也對(duì)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(duì)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(qiáng)、弱勢(shì)籽粒淀粉品質(zhì)形成的差異是因?yàn)楣夂袭a(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(duì)后期灌漿的弱勢(shì)粒影響巨大。早衰越嚴(yán)重的品種其弱勢(shì)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(shí)率偏低的生理原因時(shí)，通過減去部分葉片和穎花來調(diào)控其營(yíng)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(shí)率。因此，探明水稻強(qiáng)、弱勢(shì)籽粒光合產(chǎn)物的形成差異，尋求提高水稻弱勢(shì)籽粒光合產(chǎn)物的方法和途徑對(duì)水稻籽粒淀粉品質(zhì)形成具有重要意義。

2.2 水稻籽粒庫(kù)容對(duì)弱勢(shì)籽粒淀粉形成的影響

部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)，水稻籽粒庫(kù)容大小與水稻籽粒灌漿以及水稻強(qiáng)弱勢(shì)籽粒淀粉品質(zhì)形成正相關(guān)。通過對(duì)稻穗中上部穎花進(jìn)行剪除（剪除水稻強(qiáng)勢(shì)粒），然后觀察記錄稻穗底部其余弱勢(shì)籽粒的灌漿情況和不同時(shí)期的籽粒淀粉品質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，去除部分強(qiáng)勢(shì)花弱勢(shì)籽粒其灌漿時(shí)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(kù)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(kù)容的運(yùn)輸速率和庫(kù)中分配比例低是限制淀粉品質(zhì)形成的主要原因。因此，庫(kù)容大小是影響水稻強(qiáng)弱勢(shì)籽粒灌漿的限制因素，確保光合產(chǎn)物的供應(yīng)，平衡強(qiáng)、弱勢(shì)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(yùn)輸對(duì)弱勢(shì)籽粒淀粉形成的影響

水稻光合產(chǎn)物運(yùn)輸主要是通過維管束系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。稻穗不同部位穎花的分化時(shí)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(gè)伴胞（促進(jìn)同化物向篩管的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸）面積也較大[27]。弱勢(shì)籽粒輸導(dǎo)組織活性差，灌漿起步晚、速率小、充實(shí)度低。但是強(qiáng)勢(shì)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(shí)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(qiáng)，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(shì)籽粒的灌漿充實(shí)，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?shì)籽粒淀粉形成的影響

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(duì)于植物生長(zhǎng)的調(diào)控作用一直是熱點(diǎn)研究問題。目前，對(duì)生長(zhǎng)素（IAA）、赤霉素（GA）和脫落酸（ABA）在強(qiáng)、弱勢(shì)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(qiáng)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(qiáng)勢(shì)粒灌漿啟動(dòng)早，等其灌漿狀態(tài)下降后，弱勢(shì)粒才開始灌漿，且強(qiáng)勢(shì)粒的灌漿勢(shì)峰值高于弱勢(shì)粒，呈現(xiàn)“粒間頂端優(yōu)勢(shì)”，這種優(yōu)勢(shì)與其內(nèi)源IAA含量一致，是強(qiáng)勢(shì)粒對(duì)弱勢(shì)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(shì)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(zhǎng)還可以改變淀粉的分支頻率[32]，而強(qiáng)勢(shì)籽粒中SSS活性均高于同穗上的弱勢(shì)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(shì)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(gè)同工酶）參與弱勢(shì)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(shì)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(huì)進(jìn)一步阻礙水稻弱勢(shì)籽粒淀粉的合成和積累[36]。通過外施GA發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)、弱勢(shì)粒二者的粒質(zhì)量和膠稠度均有一定程度的降低，同時(shí)進(jìn)一步增加弱勢(shì)籽粒的堊白度[37]。WANG等[38]通過對(duì)不同水稻品種的研究發(fā)現(xiàn)，弱勢(shì)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(qiáng)、弱勢(shì)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(gè)基因?qū)?qiáng)、弱勢(shì)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(duì)此還需進(jìn)一步研究強(qiáng)、弱勢(shì)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(qiáng)勢(shì)籽粒的ABA含量顯著高于弱勢(shì)籽粒。另外，ABA含量較低還使弱勢(shì)籽粒在灌漿速率上明顯低于同穗的強(qiáng)勢(shì)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(duì)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(huì)造成對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)弱勢(shì)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(duì)籽粒淀粉形成進(jìn)行調(diào)控。然而，內(nèi)源激素對(duì)于水稻強(qiáng)、弱勢(shì)籽粒的作用機(jī)制差異尚未有深入的探究，與弱勢(shì)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(duì)弱勢(shì)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(duì)弱勢(shì)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(qiáng)、弱勢(shì)籽粒品質(zhì)都與其密切相關(guān)。研究表明，一定時(shí)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(shì)籽粒中的表觀直鏈淀粉含量較強(qiáng)勢(shì)籽粒會(huì)有一定的提升[53]。通過外施氮肥，可以直接影響弱勢(shì)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(duì)合理的施氮量可以提高弱勢(shì)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(shí)期增加施氮量，會(huì)造成弱勢(shì)籽粒中支鏈淀粉含量的顯著下降[55-56]。因此，對(duì)水稻施用氮肥應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)施用量，氮肥對(duì)于籽粒品質(zhì)的兩面性會(huì)影響弱勢(shì)籽粒品質(zhì)的改善程度，對(duì)水稻產(chǎn)量和品質(zhì)造成顯著影響。

除氮肥外，單獨(dú)外施鉀肥或者單獨(dú)外施鋅肥也會(huì)造成弱勢(shì)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(huì)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(shì)籽粒淀粉中直鏈、支鏈淀粉的相對(duì)數(shù)量[58-59]。

3 展望

隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)于稻米的要求也逐漸由數(shù)量轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量。盡管對(duì)稻米的產(chǎn)量和品質(zhì)已有較多研究，而對(duì)于占稻米相當(dāng)數(shù)量并對(duì)品質(zhì)有重要影響的弱勢(shì)籽粒的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道。基于以上分析，對(duì)于提升稻米品質(zhì)研究可以從生理和遺傳水平改善弱勢(shì)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(shì)籽粒淀粉形成的相關(guān)生物學(xué)特性，明確不同因素對(duì)水稻不同粒位（強(qiáng)、弱勢(shì)）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(qiáng)、弱勢(shì)籽粒淀粉形成內(nèi)在機(jī)制與差別，尤其針對(duì)水稻弱勢(shì)籽粒灌漿時(shí)期，需明確不同環(huán)境信號(hào)（尤其是不同養(yǎng)分水平）對(duì)淀粉合成相關(guān)基因的影響和調(diào)控的方式和途徑。