播种期对豫南不同香稻品种胚乳垩白性状的影响

水稻(Oryza sativa)是我国主要的粮食作物之一，稻米产量约占粮食总产量的40%，我国有超过2/3的人口以稻米为主食[1-2]。随着人们生活水平不断提高，优质稻米越来越受到消费者的青睐[3-4]。然而，稻米品质是一个相对复杂的生物性状，一般认为稻米品质可分为外观品质、营养品质、研磨加工品质、蒸煮与食味品质4个方面[5-6]。其中，外观品质主要由垩白、粒型和透明度组成，而垩白性状主要由垩白率、垩白面积和垩白度来衡量[7-9]。稻米垩白是由于水稻在灌浆期间胚乳内的淀粉粒发育受到影响，导致淀粉颗粒的排列疏松且不规则进而形成的白色不透明部分[3,10-11]。已有研究表明，垩白性状与稻米胚乳内淀粉的含量与结构紧密相关[2,12]。垩白率越高、垩白面积越大的稻米，其胚乳中的直链淀粉含量和蛋白质含量往往越低，研磨品质越差，透明度和整精米率越低，进而稻米的产量与食味品质越低[9,13-16]。因此，稻米的垩白性状与其外观品质、食味品质以及水稻的产量性状密切相关[12,17-19]，垩白性状是稻米最重要的品质性状之一。

稻米垩白性状主要受基因控制，目前，在水稻中已经定位到一些影响稻米垩白性状的QTLs位点[11]，并将其中的重要功能基因进行了分离克隆与功能解析[20-24]。稻米垩白性状还受外界环境因素的影响，如土壤条件、温度、昼夜温差和日照等[17,25]。在这些环境因素中，气候条件对稻米垩白性状的影响最明显。目前，全球气候变暖将对稻米的品质及产量产生极大的影响[26-29]。因此，降低稻米垩白对提高稻米品质和产量具有重要的现实意义。

香稻因其稻米的气味醇香、口感绝佳、营养价值较高等诸多特点，被视为稻米中的珍品，深受广大消费者的青睐，市场上的高档稻米大多为香米[30-32]。香米具有较高的食味品质、营养品质和经济价值，目前香稻已引起国内外水稻遗传育种学家的高度关注[6,31,33]。国内外关于香稻的研究主要集中在香稻的遗传多样性及其香味的分子基础、遗传标记开发与分子育种以及香味基因的生化代谢途径等方面[21,28-33]，而不同播种期(对应不同的灌浆温度)对其垩白性状的影响研究还未见报道。豫南地区香稻资源丰富，以该地区香稻品种为试验材料，研究播种期对不同香稻品种胚乳垩白性状的影响，以期为优化豫南香稻栽培技术进而提高香米外观品质奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为豫南地区主栽的香稻品种，分别为香宝2号、矮秆香稻丸、农香粳4号、香糯62、香宝1号、农香粳、信香粳、香粳33和淮滨香稻。其中，来源于息县农科所的矮秆香稻丸为地方特有的香稻品种，来源于淮滨县农科所的淮滨香稻为杂交香稻，其余的为常规粳型香稻。对照粳稻品种是来源于河南省农业科学院的郑稻18(表1)。

1.2 试验设计

试验于2016，2017年进行。设计4个播种期，分别为4月10日、4月20日、5月2日、5月10日，每个播种期内安排3次重复。所有水稻品种均播种于信阳市农业科学院的同一试验大田内，每个水稻品种都采取相同的种植方式，均种植2行，每行12株，株、行间距分别为16.5，26.4 cm。采用大田常规管理，材料成熟后脱粒、自然晾干，室温下保存3个月之后再进行垩白性状测定、观察。

每日平均气温采用每日最低和最高气温的平均值。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 垩白性状的测定垩白率、垩白大小均采用国家统一标准(GB/T 17891-1999)进行测定[34]。

1.3.2 垩白性状的观察在每个水稻材料中随机选取有垩白的稻米，用刀片背部在稻米中部轻敲，使其自然断裂，然后制成约2～3 mm厚的样品。一部分用普通光学显微镜观察，另一部分用导电胶粘于铜样台上，采用HUS-5GB 型真空镀膜仪对断面镀金，然后置样品在扫描电镜(日立S-4800)下观察断面的不同部位并拍照[8,28]。

1.4 数据处理

所有试验数据均运用SPSS软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 2016,2017年水稻灌浆期日平均气温变化

2016，2017年7-10月日平均气温整体相差不大(图1)，但是2016年日平均气温整体上稍高于2017年。其中，2016年7月的月平均气温低于2017年7月，而8-10月的月平均温度高于2017年。本研究所选的10个水稻品种分别在4月10日、4月20日、5月2日、5月10日播种，对应的开花期分别集中在7月16日、7月26日、8月8日、8月20日。2 a的最高气温出现在7月底至8月初。

2.2 不同播种期条件下不同香稻品种垩白性状表现

2016年，调查了豫南香稻品种在4个播种期内的垩白率和垩白大小(表2)。由表2可知，不同香稻品种之间垩白性状差异很大，同一品种在不同播种期的垩白性状有的品种差异较大(如香宝1号和香宝2号)，有的品种差异较小(如矮秆香稻丸和淮滨香稻)。其中，最大垩白率从香宝2号的97.8%到香粳33的4.0%不等，最小垩白率从香粳33的3.1%到矮秆香稻丸的94.6%不等，平均垩白率从最小的3.6%(香粳33)到90.4%(矮秆香稻丸)不等，垩白率的变化量从香粳33的0.9百分点到香宝2号的35.2百分点不等；最大垩白大小从信长粳的8.1%到矮秆香稻丸的65.2%不等，最小垩白大小从信长粳的5.9%到矮秆香稻丸的47.9%不等，平均垩白大小从信长粳的7.0%到矮秆香稻丸的56.6%不等，垩白大小的变异量从信长粳的2.2百分点到香宝2号的23.7百分点不等。综合考虑垩白率和垩白大小的变化情况，将2016年的10个品种分为2组。其中，第Ⅰ组，包括3个品种，4个播种期中最大和最小垩白率之间的差值都在15百分点以上，垩白大小除郑稻18外也均在15百分点以上；第Ⅱ组，包括7个品种，最大和最小垩白率之间的差值都在10百分点以下，垩白大小除矮秆香稻丸和香糯62外也均在10百分点以下。综上，第Ⅰ组内的3个品种的垩白性状对灌浆期温度比较敏感，而第Ⅱ组内7个香稻品种对灌浆期温度相对不敏感。

为了进一步研究不同播种期对豫南香稻胚乳垩白性状的影响，2017年又调查了豫南香稻品种在4个播种期内的垩白性状(表3)。由表3可知，不同香稻品种之间的垩白率和垩白大小依然差异很大。其中，垩白率较大的是矮秆香稻丸、香糯62和香宝2号，均在50%以上，矮秆香稻丸的垩白率达到92.9%。在4个播种期内，垩白大小较大的是香糯62、香宝2号、香宝1号和矮秆香稻丸，均超过30%，矮秆香稻丸的垩白大小达到54.3%。与2016年的试验结果类似，在2017年第Ⅰ组内的3个品种，4个播种期中最大与最小垩白率之间的差值均超过15百分点，垩白大小除郑稻18外也均在15百分点以上，垩白性状对灌浆期温度比较敏感；第Ⅱ组内的7个品种，4个播种期中最大与最小垩白率之间的差值均在10百分点以下，垩白大小也均在10百分点以下，即这些香稻品种在不同播种期对应的不同灌浆期温度条件下其胚乳的垩白性状变化较小。

2.3 灌浆期气温与豫南香稻胚乳垩白性状的相关性分析

为了研究豫南香稻胚乳垩白性状与灌浆期气温之间的关系，将2016，2017年不同播种期香稻胚乳垩白性状与灌浆期日平均气温进行相关性分析(表4)。由表4可知，除矮秆香稻丸外，其余9个香稻品种的垩白率均与成熟期日平均气温呈显著或极显著相关；但将豫南香稻品种胚乳的垩白率与灌浆期日平均气温总体进行相关性分析发现，两者达到极显著水平。将2 a不同播种期香稻胚乳的垩白性状与成熟期的日平均气温进行相关性分析发现，淮滨香稻、香宝1号和香宝2号等9个香稻品种的垩白率与成熟期日平均气温的相关系数均在0.861及其以上，达到显著或极显著水平，即不同播种期对应的灌浆期温度越高，豫南香稻品种收获后胚乳的垩白率越高。在豫南香稻品种中，来源于息县的矮秆香稻丸的垩白性状与灌浆期日平均气温不存在显著的相关性。进一步分析发现，从豫南香稻开花到成熟，其胚乳的垩白率与日平均气温相关系数最大的是开花后14 d的温度，随后依次是开花后21 d、成熟期、开花后7 d。然而，豫南香稻胚乳的垩白大小与灌浆期日平均气温并无显著相关性。

Note：* means significant correlation at 0.05 level； ** means significant correlation at 0.01 level.

2.4 不同播种期香稻垩白性状的显微观察

2016，2017年分批播种试验结果显示，豫南香稻品种在不同播种期条件下，灌浆期温度越高，其胚乳的垩白率越大(表4)。为了进一步研究灌浆期不同温度对香稻品种胚乳垩白部位形态及结构的影响，从豫南香稻品种中选取具有代表性的精米，借助普通光学显微镜和扫描电子显微镜进行显微观察(图2)。由图2可知，当灌浆期温度在28 ℃左右(高温)时，香宝1号和香糯62的垩白性状有加重的趋势(图2-1A、2A、3A、4A)。在扫描电镜下，灌浆期高温时，香宝1号和香糯62胚乳垩白部位淀粉粒与淀粉粒之间的空隙变大，排列更加疏松，大小不一，发育较差(图2-2B、2C、4B、4C)。然而，对于无垩白或者低垩白的香稻品种(如香粳33)，不论灌浆期的温度是22 ℃左右(低温)，还是28 ℃左右(高温)，其胚乳中的淀粉大小相对一致，呈菱形或者多边形，有明显的棱角，并且淀粉粒与淀粉粒之间的空隙较小甚至无间隙，细胞排列紧密且具有一定的规则，淀粉发育良好(图2-5B、5C、6B、6C)。综上，灌浆期温度较高时，其香稻胚乳垩白部位的淀粉粒与淀粉粒之间的空隙增大，排列不规则，发育较差，垩白性状明显。

1和2.香宝1号；3和4.香糯62；5和6.香粳33；1，3，5对应的灌浆期温度为(22±0.5)℃；2，4，6对应的灌浆期温度为(28±0.5)℃；A.垩白部位横切面；B.垩白部位淀粉粒观察；C.对应B图的局部放大图像。Bars=12 μm。

1 and 2.Xiangbao 1；3 and 4.Xiangnuo 62；5 and 6.Xianggeng 33; The corresponding temperature during grain filling period of 1, 3 and 5 is(22±0.5)℃； and which of 2, 4 and 6 is(28±0.5)℃; A is cross section of chalkness；B is starch granule in chalkiness； C is the local enlarged image of corresponding B.Bars=12 μm.

图2 不同播种期条件下香稻胚乳垩白性状的观察
Fig.2 Observation of endosperm chalkiness characters of fragrant rice at different sowing dates

3 结论与讨论

3.1 不同播种期豫南香稻品种垩白性状差异

稻米胚乳的垩白性状是稻米最重要的品质性状之一，但垩白性状是一个复杂的数量性状，由多个QTLs或者基因共同控制[6,11,18-19,35]，同时易受环境因素的影响[29,36]。垩白率较高的稻米其品质往往较差，最终降低稻米的产量，并且不同的水稻品种的垩白性状差异较大[17,23,35,37]。在豫南香稻品种中，垩白率最大的可达到97.8%(香宝2号，2016年)，垩白率最小的仅有2.6%(香粳33，2017年)；垩白大小最大的达到65.2%(矮秆香稻丸，2016年)，而垩白大小最小的仅为5.2%(信长粳，2017年)。这与前人研究结果类似[23,35]，即香米胚乳垩白性状(包括垩白率和垩白大小)变异的范围十分广泛，也说明本研究所使用的试验材料具有较好的代表性。

虽然不同品种之间垩白率和垩白大小的变异较大，但同一香稻品种的垩白性状总体相对稳定。通过2 a的大田试验调查发现，2017年豫南香稻品种的平均垩白率与2016年相似，特别是第Ⅱ组内7个对灌浆期气温相对不敏感的香稻品种，其垩白率和垩白大小的差异均较小。值得注意的是，由于2016年不同播种期对应香稻灌浆期的气温高于2017年，所以2017年不同播种期豫南香稻胚乳的垩白率和垩白大小均稍微低于2016年。因此，结合前期研究结果[4,6,23,29,31]，表明稻米胚乳垩白性状虽然主要由遗传因素决定，但是外界环境因素对其也具有重要的影响 [4,23,29]。那么，针对那些在不同播种期都保持较低且较稳定的垩白性状的香稻品种(例如农香粳4号)，在今后香稻新品种的育种过程中可以考虑将其作为骨干亲本。

3.2 灌浆期气温对豫南香稻垩白性状的影响

全球气候变暖不仅影响水稻产量还严重降低稻米的品质，特别是水稻在灌浆期处于高温环境条件下将对稻米垩白性状产生重要的影响[13,27]。在水稻生产和种植地区，很多水稻品种都存在稻米垩白率偏高的问题，亟需改良[38-40]。本研究表明，香粳33和农香粳4号在2016，2017年不同播种期稻米的垩白率和垩白大小都比较低，可以考虑将这些材料用来培育具有较低垩白性状的香稻新品种，尤其在未来全球气候变暖这样的大背景下[26,28]，这样的育种策略尤为重要。对于灌浆期温度敏感的豫南香稻品种，香宝1号，在2016年不同播种期垩白率和垩白大小的变化量分别达到21.2，16.7百分点，2017年不同播种期垩白性状变化量也均在20.0百分点以上；香宝2号，在2 a不同播种期垩白率和垩白大小的变异量也较大，均超过22.0百分点。因此，不同播种期对这些香稻品种胚乳垩白性状的影响十分严重，针对这些香稻品种，在今后香稻生产实践过程中可以通过调整其播种期，降低灌浆期温度，进而降低胚乳的垩白率与垩白大小，最终改良香米的垩白性状及其外观品质。

3.3 灌浆期气温与垩白性状之间的相关性

以前研究结果表明，相比于水稻其他的生长阶段，籽粒灌浆期遇到高温将会增加水稻胚乳垩白的发生，特别是水稻开花后的20 d内，如果日平均气温高于27 ℃，水稻的垩白率就会明显增加；如果在开花期后4 d开始出现高温天气，那么稻米出现垩白的概率将会更高[13,39,41]。将不同播种期香稻胚乳的垩白性状与成熟期日平均气温进行相关性分析发现，除矮秆香稻丸外，其余9个香稻品种的垩白率均与成熟期日平均气温呈显著或极显著相关。豫南香稻开花到成熟期间其胚乳的垩白率与日平均气温相关系数最大的是开花后14 d，其次是开花后21 d、成熟期、开花后7 d。尽管矮秆香稻丸的垩白性状与灌浆期日平均气温并不存在显著的相关性，但是将豫南香稻品种胚乳的垩白率与灌浆期日平均气温总体进行相关性分析发现，两者达到极显著水平。总体上，不同播种期对应的灌浆期气温越高，胚乳的垩白率越高，胚乳垩白部位的淀粉粒与淀粉粒之间的空隙增大，排列不规则，发育较差，这与之前的研究结果比较吻合[6,11,13,24,42-43]。因此，在香稻的实际生产过程中可选取对温度不敏感的品种，同时合理选择播种期，进而降低香米的垩白性状，提高香米品质。

豫南香稻胚乳垩白性状的变化范围较宽，不同香稻品种胚乳垩白性状的表现差异较大。豫南香稻胚乳的垩白率与灌浆期气温整体呈正相关关系：灌浆期温度越高，稻米胚乳的垩白率越高，扫描电子显微镜下淀粉粒之间的空隙也越大。开花后14 d日平均气温与垩白率相关性最高，其次是开花后21 d。不同香稻品种的垩白性状对灌浆期气温的敏感性存在较大差别，在生产上可以通过选择合理的播种期，实现香米垩白性状的改良和香米品质的提高。

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