优良食味米胚乳淀粉粒显微结构初步研究

殷春渊，王书玉*，刘贺梅，孙建权，胡秀明，王和乐，张金霞，张倩倩，田芳慧，马朝阳，刘经纬，张瑞平，李习军，张 栩

（新乡市农业科学院，河南 新乡 453002）

淀粉是水稻籽粒中含量最多的物质，也是影响稻米品质的重要因素。淀粉颗粒的形态结构以及其中各种物质成分的累积分布特点和形态是食味米品质形成的基础。通过解剖显微镜观察胚乳淀粉颗粒的结构将有可能了解稻米品质差异的直接原因。关于稻米胚乳的显微结构观察国内外学者很早就做过相关研究，长户一雄等[1，2],范燕萍等[3，4]曾先后用光学显微镜方法研究了稻米胚乳细胞与垩白的关系；陆彦等[5]研究了稻米透明度与胚乳淀粉粒排列紧密度的关系；梁敬焜、瞿波等[6-8]借助扫描电子显微镜技术，从结构上对稻米品质研究表明，胚乳细胞的大小、数量以及细胞断裂所显露的状态等与稻米品质性状(如垩白)密切相关，胚乳中的淀粉粒形态和大小在不同品质水平的品种间存在较大差异[9]。胡群[10]对不同氮素穗肥施用时期对稻米淀粉结构的影响研究表明，穗肥施用时期越早，大颗粒越多，随着穗肥施用时期的推迟，淀粉小颗粒和中等颗粒的淀粉含量呈上升趋势，大颗粒淀粉含量逐渐下降，大小颗粒含量不同进而影响稻米直链淀粉含量。综上研究表明，关于稻米淀粉结构与品质的关系研究大多涉及稻米外观品质的垩白、透明度等相关品质性状，而关于稻米食味品质与淀粉解剖性状的关系研究则鲜见报道。本研究以食味品质相对优良的常规粳稻品种为材料，在籽粒灌浆不同时段，采用生物显微镜技术观察籽粒胚乳淀粉粒结构的动态变化，研究不同食味值稻米淀粉粒的结构差异，旨在探索不同食味米食味品质差异的物理基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用近几年培育的优良食味米品种新稻89、新科稻31 为试验材料。

1.2 试验设计

试验于2020 年在河南省新乡市农业科学院试验研发基地进行，试验设4 个氮肥水平，即0、180、225、270 kg/hm2（分别用N0、N1、N2、N3 表示），采用裂区试验设计,以施氮水平为主区,品种为副区，重复2 次，小区间用包膜的泥田埂隔离防串水串肥。试验于5 月6 日育秧，6 月12 日插秧，栽插密度22.2 万穴/hm2（行株距为30 cm×15 cm），2～3 本苗/穴栽插。肥料运筹为氮素基肥∶分蘖肥∶穗肥=2.5∶2.5∶5，基肥于整地时施入，分蘖肥于移栽后7 d 施入，穗肥于倒4、倒2 叶露尖时两次等量施入，磷肥（五氧化二磷）和钾肥（氧化钾）各120 kg/hm2作基肥一次性施入。水分管理及病虫害防治等相关栽培措施均按照高产栽培要求进行。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 淀粉颗粒解剖结构观察 于籽粒灌浆初期、灌浆中期和灌浆末期进行不同处理稻穗取样，每个样品分别取强弱势粒2 粒，剥去颖壳，混在一起。前期籽粒较嫩用手挤出胚乳，捣碎，灌浆中后期籽粒较硬用研钵磨成粉末状，将捣碎或磨碎的胚乳淀粉置于载玻片上，滴入1～2 滴番红指示剂，刚好浸没淀粉，染色约5 min，盖上盖玻片，置于生物显微镜上进行观察。

1.3.2 稻米食味品质的测定 用JSWL 200 米粒食味计（北京东孚久恒仪器技术有限公司）测定稻米的食味品质。先把整精米装入测定杯中，体积为250 mL；把杯中米倒入测量盒测定稻米直链淀粉含量、蛋白质含量和食味值，一个样品重复测定3次取平均值。

2 结果与分析

2.1 优良食味米品种在不同氮肥处理下的食味值

表1 表明，两品种在不同氮肥处理下食味值变化规律基本相同，均表现为随着施氮量的增加稻米食味值下降。不施氮处理稻米食味值最高，其中新稻89 在N0 处理下高达87 分，其他三处理值相对较低；新科稻31 在N0 处理下食味值为81分，其他三处理则在80 分以下。说明随着氮肥施用量的增加稻米食味有降低的趋势。

表1 水稻不同处理下稻米食味值

2.2 优良食味米胚乳淀粉颗粒显微结构动态变化

对水稻籽粒灌浆过程中籽粒胚乳淀粉结构进行动态显微解剖结构观察，明确不同灌浆时期淀粉粒结构的动态变化。由于同一灌浆时期各处理下淀粉颗粒形态结构大致相同，以N1 处理为例观察两品种在不同灌浆时段淀粉颗粒的动态变化，结果见图1～3。从图1～3 中可以看出，籽粒灌浆初期，胚乳淀粉颗粒普遍较小，中小颗粒占较大比例，形态大多呈圆球形或多边体形，颗粒间排列较紧密，零星的大颗粒多以不规则的多边体形或梭形呈现，颗粒间分布较稀疏，且大小颗粒基本均以单粒形式存在。灌浆中期，大颗粒比例明显增多，呈不规则形状分布，体积逐渐增大，大小颗粒有明显分层现象。成熟期，淀粉颗粒大小逐渐趋于一致，无明显分层现象，颗粒大小整体表现较均匀一致，大多呈多边体形或球形分布，颗粒间排列不规则，疏密兼有，颗粒以单粒和团状复粒形式存在。说明籽粒成熟的过程也是淀粉颗粒逐渐增大和大小颗粒排列分布不断优化的过程。

图1 灌浆初期籽粒胚乳淀粉颗粒结构

图2 灌浆中期籽粒胚乳淀粉颗粒结构

图3 成熟期籽粒胚乳淀粉颗粒结构

2.3 不同食味值大米胚乳淀粉颗粒显微结构差异

图4 为两品种成熟期不同食味值下水稻籽粒淀粉颗粒解剖显微结构，从淀粉粒形态结构可以看出，食味值高的籽粒淀粉颗粒多以团状复粒形式存在，且其复粒中的单粒呈多棱角多面体，淀粉颗粒排列较为紧密；而食味值相对低的籽粒淀粉颗粒多以单粒形式存在，籽粒淀粉颗粒大小不均，且其单粒大多为近圆形，单粒淀粉粒间排列较疏松，有明显的空隙，复粒相对较少。这说明，食味值较高，口感较好的大米，籽粒淀粉粒颗粒分布较紧密，颗粒大多以团状的复粒存在，这可能是食味值高口感好的大米粘性高的原因之一。

图4 不同食味值水稻胚乳淀粉粒结构差异

3 结论

近年来随着人民物质生活水平的提高，人们对于稻米食味品质的追求也越来越高。如何有效地改良稻米品质，已经成为水稻育种和栽培生产的一个重要课题[11-14]。水稻主要成分是胚乳，胚乳主要成分是淀粉，淀粉除了其类型和含量不同影响稻米品质外，其内部淀粉粒的结构形态是否影响稻米品质亦有相关研究[5-7]，但由于水稻胚乳淀粉粒较小，其外部形态已有大量研究，内部结构由于解剖困难而研究相对较少。有先后利用共焦激光扫描显微镜对淀粉粒进行整体光学切片成像观察和采用透射电镜制样技术制成半薄切片进行扫描电镜观察等[15]，这对研究水稻淀粉粒的内部结构有极大的帮助，但操作方法和技术难度较高，成本也较高，难以普遍应用。而且通过这种技术对淀粉粒的研究只是局限于淀粉粒内部结构形态观察研究，而这些形态结构与稻米品质关系的研究则相对较少[1-4]。本研究是利用生物显微技术，进行鲜样采集来观察胚乳淀粉粒结构，操作相对简单，观察比较直观。在观察淀粉粒形态结构的基础上，明确了淀粉粒结构的动态变化及其与稻米食味品质的关系。结果表明，在籽粒灌浆期，籽粒胚乳淀粉粒结构是不断变化的，随着灌浆时期的延长，淀粉颗粒逐渐由小增大，中间有明显分层现象，直到成熟期大小颗粒基本均匀一致，无明显分层现象。相对于低食味值大米，高食味值大米淀粉颗粒多以复粒形态存在，颗粒间分布较紧密，空隙小，这可能是高食味值大米口感好粘性大的原因之一。由于本研究只是初步探索淀粉粒显微结构与食味品质的关系，仅局限于胚乳淀粉粒结构简单的定性观察，关于稻米胚乳淀粉颗粒性状与米质性状是否存在量的关系？具体衡量标准是什么？在对淀粉颗粒进行观察时是否存在非淀粉物质的干扰等等，都有待于进一步深入研究。