王玉杰 冷春旭 孫中義 王 珣 吳立成 張書利 徐振華

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所/黑龍江省作物與家畜分子育種重點實驗室 黑龍江哈爾濱 150028）

隨著消費水平的提高，人們對于稻米的風(fēng)味及營養(yǎng)價值有了更高的追求。以 五優(yōu)稻4號為代表的優(yōu)質(zhì)香稻因具有獨特的香味被俗稱為 “稻花香”，香稻的莖稈、葉片和谷粒均會散發(fā)香味，蒸煮后米飯清香可口，且富含多種氨基酸和蛋白質(zhì)，受到消費者的廣泛喜愛，其售價也是普通稻米的2～3倍，香味已成為優(yōu)質(zhì)大米重要的品質(zhì)指標(biāo)。然而香稻的地域選擇性很強，在不同地方種植香稻香味差別很大，甚至完全消失，即使同一地區(qū)經(jīng)連續(xù)多年種植后香氣含量也逐漸下降。研究表明，香氣的最主要成分是2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），2-AP的合成不僅受遺傳基因的控制，還易受環(huán)境因子和栽培措施等方面的調(diào)控，因此通過改進香稻栽培技術(shù)，可協(xié)同提高香稻的香氣、品質(zhì)和產(chǎn)量，滿足全社會對優(yōu)質(zhì)香米的需求。

1 影響稻米香味的遺傳因素

早在20世紀七八十年代，科學(xué)家們已開展了對稻米香味的研究，隨著色譜和質(zhì)譜技術(shù)的發(fā)展，已有500多種揮發(fā)性芳香物質(zhì)在水稻品種中被檢測到，主要包括醇類、醛類、酮類和酚類等物質(zhì)。根據(jù)化合物的種類和比例的不同，稻米的香氣分為苦味、堅果味、燒烤味、果香花香味和綠色香味五大類。1983年Buttery首次發(fā)現(xiàn)2-乙酰-1-吡咯啉（2-acetyl-1-pyrroline，2-AP）是形成香味的最重要化合物[1]。目前，已有大量關(guān)于2-AP代謝通路和分子機制的研究。

1.1 香味形成的代謝調(diào)控通路

香稻中的2-AP由多種途徑調(diào)控，它的前體物質(zhì)包括脯氨酸、谷氨酸和鳥氨酸。脯氨酸在脯氨酸脫氫酶的作用下形成吡咯啉-5-羧酸，經(jīng)脫羧轉(zhuǎn)化為1-吡咯啉，從而合成2-AP，是香味物質(zhì)2-AP合成的主要途徑。谷氨酸在吡咯啉-5-羧酸合成酶的作用下形成吡咯啉-5-羧酸，脫羧后形成1-吡咯啉，最后合成2-AP。鳥氨酸在鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶的催化下形成吡咯啉-5-羧酸，經(jīng)脫羧后最終形成2-AP；鳥氨酸也可在鳥氨酸脫氫酶的作用下形成腐胺，然后在二胺氧化酶的催化下形成γ-氨基丁醛，γ-氨基丁醛可轉(zhuǎn)化為1-吡咯啉，最終合成2-AP。糖酵解途徑是2-AP合成的另一個重要途徑，糖酵解產(chǎn)物丙酮醛也可生成2-AP[2]。

1.2 香味形成的分子機制

甜菜堿脫氫酶基因（Betaine Aldehyde Dehydrogenase，BADH2）是迄今僅有的1個被克隆的與香味相關(guān)的基因，BADH2基因突變后導(dǎo)致甜菜堿脫氫酶失活，鳥氨酸調(diào)控途徑中的γ-氨基丁醛不能被氧化成γ-氨基丁酸，從而導(dǎo)致γ-氨基丁醛的大量積累，最后形成2-AP。BADH2基因位于水稻第8號染色體上，全長1 509 bp，編碼503個氨基酸，含15個外顯子和14個內(nèi)含子，除了根以外，在水稻所有組織和器官中均有表達[3]。研究表明，BADH2基因存在17個變異位點，最常見的變異類型是在第7個外顯子上存在8個堿基的缺失和3個單核苷酸多態(tài)性[4]。

2 影響稻米香味的環(huán)境因素

稻米香氣物質(zhì)2-AP不但受遺傳基因控制，而且也會受環(huán)境因素如氣候條件、水分、礦質(zhì)元素、外源增香化合物等影響。歸納和總結(jié)環(huán)境因子對2-AP形成的影響，可為通過農(nóng)藝措施提升稻米香氣和品質(zhì)提供理論依據(jù)。

2.1 氣候條件對2-AP形成的影響

氣候條件包括光照和溫度兩個方面，都能夠顯著影響稻米品質(zhì)和香味的形成。莫釗文等[5]的研究表明，通過花后持續(xù)遮光15 d可顯著提高籽粒2-AP和蛋白質(zhì)含量，但千粒重、結(jié)實率、整精米率及產(chǎn)量均顯著降低。湯永堅等[6]的研究表明，灌漿后期收獲前15 d持續(xù)遮光亦可顯著提高香稻籽粒2-AP和蛋白質(zhì)含量，顯著降低結(jié)實率等產(chǎn)量性狀。原因在于弱光處理下形成一種逆境環(huán)境，一定程度上誘導(dǎo)脯氨酸的積累，從而提高2-AP含量。

溫度也是影響香稻品質(zhì)和香氣的重要氣候因子之一。陽樹英等[7]研究表明，在香稻灌漿初期和中期日均氣溫最低、日最高氣溫最低、日最低氣溫最低且氣溫日較差最大的地方香稻的香味最濃，香味物質(zhì)種類最多，這是因為日均氣溫低和氣溫日較差/晝夜溫差大有利于提高稻米游離氨基酸和不飽和脂肪酸的種類及含量。Okpala等[8]發(fā)現(xiàn)灌漿結(jié)實期香稻籽粒中 2-AP 含量依次為高溫（26～32℃）＜中溫（21～27℃）＜低溫（16～22℃）。 徐振江等[9]研究表明，灌漿結(jié)實期日均溫保持在較低的23℃時，香稻的香味最濃，產(chǎn)量和品質(zhì)也最佳，證實了灌漿期低溫有利于香味的形成。

2.2 水分對2-AP形成的影響

水分是影響稻米香味、品質(zhì)和產(chǎn)量的重要因素之一。大量研究表明，輕度的缺水或干濕交替灌溉有利于稻米香味物質(zhì)的積累。無論是分蘗期[10]、孕穗期[11]、齊穗期[12]還是灌漿期[13]適當(dāng)?shù)墓?jié)水灌溉模式均能有效提高香氣成分，增加香味前體物質(zhì)脯氨酸含量。Bao等[14]研究表明水稻移栽后水勢低于-15 kPa時恢復(fù)灌水至水面高于土層2～3 cm，這種干濕交替的灌溉方式能促進香味物質(zhì)的形成和產(chǎn)量的增加。

2.3 氮肥對2-AP形成的影響

氮肥作為大量元素，能顯著影響水稻品質(zhì)和產(chǎn)量。增施氮肥可增加香稻中氮素含量，促進香味物質(zhì)的主要成分氨基酸的合成，從而增加香味物質(zhì)的含量。鐘群等[15]和Mo等[16]研究了不同時期不同氮肥施用量對香稻含量的影響，發(fā)現(xiàn)增施氮肥后可增加游離脯氨酸含量，促進2-AP合成。水氮互作也顯著影響香稻糙米中香味物質(zhì)的含量，輕度控水灌溉高氮粒肥處理是濃香高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的最佳栽培措施[17]。陳春樺等研究表明適當(dāng)?shù)乃置{迫（輕度落干，低限土壤水勢為－20 kPa）和施用適量分蘗肥會顯著提高2-AP含量[18]。氮肥雖然能顯著增加香味物質(zhì)的含量，但是也影響稻米品質(zhì)，過量的氮肥使食味品質(zhì)顯著下降，因此需要合理的施用氮肥，平衡氮素對品質(zhì)和香味的影響。

2.4 礦質(zhì)元素對2-AP形成的影響

礦質(zhì)元素對水稻的生長非常重要，目前主要應(yīng)用的礦質(zhì)元素包括鉀、鋅、鐵、鑭、硒、硅等，大量研究表明這些微量元素均對稻米香味有一定的調(diào)節(jié)作用。適宜的鉀肥（112.5～187.5 kg/hm2）能改善稻米品質(zhì)，增加香味物質(zhì)2-AP含量[19]。適量增施硅肥（30～40 mg/kg）能顯著提高籽粒中2-AP含量，但過量施硅不利于香味物質(zhì)的積累[20]?；手惺┘?0～120 mg/kg的氯化鋅能促進脯氨酸的合成，增加香味物質(zhì)的含量，用量超過120 mg/kg時香味就不再增加，另外葉片噴施氯化鋅也能提高稻米香味[21]。鐵能增加香稻劍葉中脯氨酸的含量，但不能增加籽粒中2-AP的含量[22]。基施氯化鑭100 mg/kg能顯著提高香稻產(chǎn)量和糙米中香氣物質(zhì)2-AP含量[23]。齊穗期噴施硒肥（10～40 μmol/L）能顯著提高籽粒中2-AP含量，而且葉面噴施比土壤施硒肥效果好[24]，李夢興等在齊穗期噴施亞硒酸鈉（10～20 mg/kg）能夠顯著提高香味物質(zhì)含量，增加籽粒和葉片中2-AP的含量[25]。

2.5 外源化合物對2-AP形成的影響

脯氨酸和鳥氨酸是香味物質(zhì)2-AP的前體，外源增加脯氨酸和鳥氨酸也能增強2-AP的合成。研究表明抽穗期噴施0.1～0.5 g/L的脯氨酸[26]，齊穗期噴施1.0 g/L的鳥氨酸均能顯著增加籽粒中2-AP含量[27]。GABA是植物中重要的信號分子，孕穗期噴施250 mg/L GABA溶液也能顯著增加籽粒中2-AP含量[26]。另外，植物生長調(diào)節(jié)劑6-BA也能提升2-AP含量，研究表明抽穗期噴施15 mg/L的6-BA能提高成熟期劍葉和籽粒中脯氨酸含量，從而顯著提高糙米中 2-AP含量[28]。

3 增香調(diào)控措施

雖然基因?qū)ο愕静诿紫阄兜挠袩o及含量起重要作用，但是栽培環(huán)境和技術(shù)對稻米的香味也有十分重要的影響。通過播種時間、種植方式、肥料類型及施用方式、增香栽培等措施，可顯著增加稻米香味，提高香稻經(jīng)濟效益。

3.1 適宜的播種期可提高香稻香氣、品質(zhì)及產(chǎn)量

播種期決定水稻的生育進程，不同的播種時間水稻對光溫資源的利用存在差異，影響稻米品質(zhì)。楊曉娟等[29-30]分別研究了播種期對早季香稻和晚季香稻香氣形成、品質(zhì)及產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明早季香稻的播種期為3月5～10日、晚季香稻播種期為7月15～20日時產(chǎn)量和2-AP的含量均達到最高值。

3.2 合適的機械種植方式可提高香稻香氣、品質(zhì)及產(chǎn)量

不同機械種植方式對香稻在有機栽培下的香氣、產(chǎn)量和品質(zhì)也有影響。邢丕鵬等[31]在有機栽培條件下研究了旱插秧機旱插秧、水插秧機旱插秧、機械旱直播和常規(guī)水插秧4種種植方式對香稻品種產(chǎn)量、品質(zhì)和香氣的影響，結(jié)果表明旱插秧機旱插秧處理下水稻的產(chǎn)量與常規(guī)水插秧處理無明顯差異，而香氣物質(zhì)2-AP的含量明顯提高，適宜作為有機栽培條件下的機械種植方式。

3.3 合理的肥料類型及施用方式可提高香稻香氣、品質(zhì)及產(chǎn)量

肥料類型和施用方式對香稻香味物質(zhì)的含量及產(chǎn)量具有重要的影響。莫釗文等[32]設(shè)置碳酸氫銨+過磷酸鈣+氯化鉀和復(fù)合肥2種施肥類型，設(shè)置深施肥和常規(guī)手撒肥2種施肥方式，研究香稻成熟期籽粒中2-AP含量，結(jié)果表明常規(guī)手撒肥碳酸氫銨+過磷酸鈣+氯化鉀利于香稻籽粒香味物質(zhì)的積累，顯著提高2-AP含量。佟天一等[33]研究香稻專用固體肥和液體肥2種類型肥料對香稻產(chǎn)量、香氣和品質(zhì)的影響，結(jié)果表明香稻專用液體肥可使水稻產(chǎn)量提高10.88%，糙米率和整精米率顯著提高，香稻籽粒中2-AP含量平均提高12.59%，表明香稻液體肥能顯著增產(chǎn)提香，增產(chǎn)調(diào)優(yōu)效果最佳。

3.4 增香栽培可提高香稻香氣、品質(zhì)及產(chǎn)量

將單項的栽培技術(shù)如基肥施鋅肥、鑭肥，齊穗期葉面施硒肥和增香劑等栽培措施集成于一體的增香栽培技術(shù)可顯著提高香稻香氣、品質(zhì)及產(chǎn)量。黃忠林等[34]以常規(guī)栽培技術(shù)為對照，將香稻專用肥、葉面增香劑和少水灌溉集成為增香栽培技術(shù)，2種栽培條件下測定糙米香氣、產(chǎn)量及其構(gòu)成因素等指標(biāo)，結(jié)果表明增香栽培技術(shù)能顯著提高籽粒中2-AP含量和干物質(zhì)積累及群體光合能力，促進了有效穗數(shù)和收獲產(chǎn)量的增加。增香栽培技術(shù)可協(xié)同提高籽粒產(chǎn)量和香稻籽粒中2-AP的含量。

4 展望

優(yōu)質(zhì)香稻因其具有濃郁的香味和良好的口感，在國內(nèi)外稻米貿(mào)易中占有重要地位。然而，香稻的地域選擇性很強，且香味不易保持，多年種植香氣含量下降。香氣的最主要成分是2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP），2-AP的合成不僅受BADH2基因的控制，還易受環(huán)境因子和栽培措施等方面的調(diào)控。因此，合理運用水肥、調(diào)整礦質(zhì)元素配比、精準(zhǔn)施肥、科學(xué)栽培是香稻提質(zhì)增香的主要措施，整合上述措施探索出協(xié)同提高香稻產(chǎn)量、品質(zhì)和香氣的栽培技術(shù)，最大程度提高優(yōu)質(zhì)香米產(chǎn)量，滿足全社會對優(yōu)質(zhì)香米的需求。