肥料类型及施用方式对香稻香气2-乙酰-1-吡咯啉含量的影响

莫钊文,范平珊,潘圣刚,王在满,田 华,段美洋,唐湘如

(1.华南农业大学 农学院,广东 广州 510642;2.农业部华南地区作物栽培科学观测实验站,广东 广州 510642;3.华南农业大学 工程学院,广东 广州 510642)



肥料类型及施用方式对香稻香气2-乙酰-1-吡咯啉含量的影响

莫钊文1,2,范平珊1,潘圣刚1,2,王在满3,田 华1,2,段美洋1,2,唐湘如1,2

(1.华南农业大学 农学院,广东 广州 510642;2.农业部华南地区作物栽培科学观测实验站,广东 广州 510642;3.华南农业大学 工程学院,广东 广州 510642)

为了探明肥料类型及施用方式对香稻香气2-乙酰-1-吡咯啉的影响及其生理基础的影响,以大面积推广应用的香稻品种玉香油占为研究材料开展大田试验。试验设置深施肥和常规手撒施肥2种施肥方式处理,施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理和复合肥处理2种肥料类型处理,各肥料处理均含有等质量的氮磷钾养分。研究了香稻成熟期籽粒香气2AP的含量,分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期香稻叶片的脯氨酸含量、脯氨酸脱氢酶活性、吡咯啉-5-羧酸合成酶活性、鸟氨酸转氨酶活性和吡咯啉-5-羧酸含量。结果表明,肥料类型、肥料施用方式和两者互作均显著影响香稻籽粒香气2AP含量,其中常规手撒施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾肥料处理利于香稻籽粒积累显著较高的香气2AP含量,达59.86 ng/g;香稻籽粒香气2AP含量和成熟期叶片的吡咯啉-5-羧酸含量呈显著正相关关系(r=0.957 1*)。该研究可为制定香稻浓香施肥技术提供理论参考依据。

肥料类型;施肥方式;香稻;2-乙酰-1-吡咯啉;生理基础

香稻是稻中珍品,香稻因其具有浓郁香味而深受青睐[1-2]。米香作为衡量水稻稻米品质的一个重要经济评价指标[3],米香浓郁与否对香米价值影响较大[4]。香米销售价格和消费量在逐年提高[2],科研人员也越来越重视香稻的资源、育种和栽培技术等多方面的研究,以致力于提高香米香味和产量[5-18]。

香稻稻米香味是衡量香稻稻米品质的1个重要经济评价指标,大量的研究表明,2-乙酰-1-吡咯啉(2AP)是香稻米香的主要特征物质[19-26]。研究表明,香稻香气特征物质(2-乙酰基-1-吡咯啉)的可能合成途径为:以脯氨酸、谷氨酸和鸟氨酸为前体物质,分别在脯氨酸脱氢酶、吡咯啉-5-羧酸合成酶和鸟氨酸转氨酶的催化作用下形成吡咯啉-5-羧酸,最后形成2AP[13,26-30]。香稻香气2AP的形成响应不同的环境影响表现复杂[31-32]。已有的研究分析对香稻香气2AP积累的影响因素及其生理基础,主要从温度[33-35]、水分[36-39]、氮[39-42]、钾[43]、微量元素[40,44-51]、光照[35,52]、生长调节物质[53-55]、栽植密度和收获时期[31]等方面开展。目前,肥料类型和施肥方式对香稻香气2AP含量及其形成生理基础的影响研究鲜有报道。为了探明肥料类型及施用方式对香稻香气2-乙酰-1-吡咯啉的影响及其生理基础,本试验设置深施肥和常规手撒施肥2种施肥方式处理,施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理和复合肥处理2种肥料类型处理,各肥料处理均含有等质量的氮磷钾养分。研究了香稻成熟期籽粒香气2AP的含量,分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期香稻叶片的脯氨酸含量、脯氨酸脱氢酶活性、吡咯啉-5-羧酸合成酶活性、鸟氨酸转氨酶活性和吡咯啉-5-羧酸含量。

1 材料和方法

1.1 试验概况与设置

以大面积推广种植的香稻品种玉香油占为试材,试验于2014年在华南农业大学农学院教学实验农场进行,试验田的土壤理化性质为:有机质21.6 g/kg,全氮为1.11 g/kg,全磷1.18 g/kg,全钾20.96 g/kg,碱解氮145.38 mg/kg,有效磷74.37 mg/kg,有效钾81.58 mg/kg,pH值5.44。

香稻种植采用机械穴播方式,水稻穴播机具由华南农业大学研制,播种量为15 kg/hm2,穴播的密度为宽行∶窄行∶株距=35∶15∶15。供试肥料为挪威复合肥(N∶P∶K=15%∶15%∶15%),碳酸氢铵(N 16.7%)、过磷酸钙(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)。试验设置2种肥料类型即碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾(F1)和复合肥(F2),各施肥处理的肥料量均为纯氮150 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2。2种施肥方式即深施肥和常规手撒施肥;常规手撒施肥方式处理(M1)为香稻齐苗后采用人工手撒表面施肥法施肥;深施肥处理(M2)的肥料随水稻播种1次性施入,为水稻植株根旁侧位施肥法,施肥深度约为10 cm。小区面积为5×11 m2,3次重复,小区间设置保护行,于3月23日播种,7月9日收获,施用化学农药除草剂进行病虫草防治,大田管理措施均保持一致。

1.2 测定指标与方法

1.2.1 样品采集 于分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期选取生长一致的代表性植株4蔸带回实验室。剪下水稻植株上3片完全展开叶,用液氮固定后保存于-80 ℃用以测定生理指标(脯氨酸含量、脯氨酸脱氢酶、吡咯啉-5-羧酸合成酶、鸟氨酸转氨酶、吡咯啉-5-羧酸);成熟期取籽粒储存于-20 ℃用以测定香气2AP含量。

1.2.2 香稻籽粒香气2AP含量的测定 称取约10 g籽粒样品进行2AP的提取,测定前籽粒用研钵磨碎待测。参考黄忠林等[5]的方法,利用同时蒸馏萃取仪进行蒸馏萃取;采用岛津GC-MS QP 2010 plus进行2AP含量测定,GCMS条件:色谱柱为RESTEK Rxi-5ms 长度30 m,内径0.32 mm,膜厚0.25 μm,进样口温度220 ℃,载气为He 2 mL/min,扫描质量为30～160 m/z,升温程序为40 ℃保持1 min,以2 ℃/min升温到65 ℃保持1 min,以10 ℃/min升温到220 ℃保持10 min。

1.2.3 香稻香气2AP形成生理特性的测定 脯氨酸含量的测定参考Bates等[56]的方法,脯氨酸含量单位为μg/g(以鲜质量计) 。脯氨酸脱氢酶活性的测定参考Ncube 等[57]的方法,酶活性单位为U/g(以鲜质量计)。吡咯啉-5-羧酸合成酶活性的测定参考Sánchez等[58]的方法,酶活性单位为U/g(以鲜质量计)。鸟氨酸转氨酶活性的测定参考Chen等[59]的方法,酶活性单位为U/g(以鲜质量计)。吡咯啉-5-羧酸含量的测定参考Wu等[60]的方法,吡咯啉-5-羧酸含量单位为μmol/g(以鲜质量计)。

1.3 数据处理和统计分析

使用Microsoft Office 2010 进行数据整理,并采用Statistic Version 8对数据进行方差分析和相关性分析,多重比较采用最小极显著差异法(LSD)进行,使用SigmaPlot进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式和肥料类型对香稻籽粒香气2AP含量的影响

图1表明,肥料类型(F)、肥料施用方式(M)和两者互作(F×M)均极显著影响香稻籽粒香气2AP含量。对于手撒施肥而言,碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理较复合肥有显著较高的籽粒香气2AP含量为59.86 ng/g;对于深施肥而言,2种肥料类型的籽粒香气2AP含量无显著差异。

2.2 不同施肥方式和肥料类型对香稻叶片香气形成生理特性的影响

2.2.1 叶片脯氨酸含量 表1表明,在常规手撒施肥方式下,2种类型肥料处理对香稻叶片脯氨酸含量均无显著影响;在深施肥条件下,施用复合肥料利

于香稻分蘖期和孕穗期提高叶片脯氨酸含量,对扬花期和成熟期对香稻叶片脯氨酸含量均无显著影响。就均值而言,2种肥料施用方式下各时期的香稻叶片脯氨酸含量均无显著影响。

**.F值达P<0.01显著水平;不同小写字母表示不同施肥方式和肥料类型处理间差异达P<0.05水平。

**.Fvalue atP<0.01 level;Different low case letters represent significant difference atP<0.05 between different fertilizer types and fertilization methods treatments.

图1 不同肥料类型和施肥方式对香稻籽粒香气2AP含量的影响

注:同一列数据不同小写字母表示不同施肥方式和肥料类型处理间差异达P<0.05水平。表2-5同。

Note:Different lowercase letters within the same column represent significant difference atP<0.05 between different fertilizer types and fertilization methods treatments.The same as Tab.2-5.

2.2.2 叶片脯氨酸脱氢酶活性 由表2可知,在常规手撒施肥方式下,复合肥处理显著提高孕穗期和扬花期香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性,对分蘖期和成熟期香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性无显著影响;在深施肥条件下,复合肥处理则显著降低了孕穗期香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性,对分蘖期、扬花期和成熟期香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性无显著影响。就均值而言,2种肥料施用方式下各时期的香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性均无显著影响。

表2 不同肥料类型和施肥方式对香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性的影响

Tab.2 Effect of fertilizer types and fertilization methods on proline dehydrogenase activity in leaves of aromatic rice

U/g

2.2.3 叶片吡咯啉-5-羧酸合成酶活性 表3表明,在常规手撒施肥方式或深施肥方式下,2种类型肥料处理对香稻叶片吡咯啉-5-羧酸合成酶活性均无显著影响;就均值而言,常规手撒施肥方式较深施肥方式显著提高了孕穗期香稻叶片吡咯啉-5-羧酸合成酶活性。

表3 不同肥料类型和施肥方式对香稻叶片吡咯啉5羧酸合成酶活性的影响

注：不同施肥方式均值间标*号表示差异达P<0.05水平。表5同。

Note:*represent significant difference atP<0.05 between different fertilization methods treatments.The same as Tab.5.

2.2.4 叶片吡咯啉-5-羧酸含量 表4表明,在常规手撒施肥方式或深施肥方式下,2种类型肥料处理对香稻叶片吡咯啉-5-羧酸合成酶活性均无显著影响;就均值而言,2种肥料施用方式下各时期的香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性均无显著影响。

表4 不同肥料类型和施肥方式对香稻叶片吡咯啉-5-羧酸含量的影响

2.2.5 叶片鸟氨酸转氨酶活性 由表5可见,在常规手撒施肥方式下,2种类型肥料处理对香稻叶片鸟氨酸转氨酶活性均无显著影响;在深施肥条件下,碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理显著提高了孕穗期香稻叶片鸟氨酸转氨酶活性,对其余时期的叶片鸟氨酸转氨酶活性均无显著影响。就均值而言,常规手撒施肥方式较深施肥方式显著降低了孕穗期和扬花期香稻叶片鸟氨酸转氨酶活性。

表5 不同肥料类型和施肥方式对香稻叶片鸟氨酸转氨酶活性的影响

2.3 相关性分析

对籽粒香气2AP含量和叶片各时期香气形成生理特性进行相关性分析,结果表明,仅成熟期叶片吡咯啉-5-羧酸含量(以鲜质量计)和籽粒香气2AP含量呈显著正相关关系(图2)。

*.P<0.05显著水平。

3 讨论与结论

本试验中,香稻籽粒香气对2种肥料类型的响应在2种肥料施用方式下表现具有差异,具体表现为香稻籽粒香气2AP含量受肥料类型(F)、肥料施用方式(M)和两者互作(F×M)的极显著影响；肥料类型和肥料施用方式互作处理中以常规手撒施肥方式施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理的2AP含量显著最高，达59.86 ng/g；其他3种肥料类型和肥料施用方式互作处理的香稻籽粒香气2AP含量相当。

为了探明肥料类型和肥料施用方式处理下香稻香气特征物质(2-乙酰基-1-吡咯啉)的可能合成途径，针对香气2AP形成以脯氨酸、谷氨酸、鸟氨酸和吡咯啉-5-羧酸为前体物质，以脯氨酸脱氢酶、吡咯啉-5-羧酸合成酶和鸟氨酸转氨酶为催化作用的关键酶的观点[13,26-30]，分析并明确肥料类型和肥料施用方式处理下2AP形成关键的生理因素。本试验对香稻香气2AP形成生理特性(分蘖期、孕穗期、扬花期和成熟期香稻叶片的脯氨酸含量、脯氨酸脱氢酶活性、吡咯啉-5-羧酸合成酶活性、鸟氨酸转氨酶活性和吡咯啉-5-羧酸含量)进行研究。①就常规手撒施肥方式而言,复合肥处理显著提高孕穗期和扬花期香稻叶片脯氨酸脱氢酶活性,推测采用常规手撒施肥方式施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理具有显著较高的2AP含量的原因是:香稻叶片各时期的吡咯啉-5-羧酸合成酶活性、鸟氨酸转氨酶活性和吡咯啉-5-羧酸含量维持较高水平。②就深施肥方式而言,施用复合肥料处理利于香稻分蘖期和孕穗期提高叶片脯氨酸含量,施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理显著提高了孕穗期香稻叶片的脯氨酸脱氢酶活性和鸟氨酸转氨酶活性,推测认为,在深施肥方式下,施用复合肥料处理主要通过维持叶片较高的脯氨酸含量、吡咯啉-5-羧酸合成酶活性和吡咯啉-5-羧酸含量,保证了籽粒较高的2AP含量;而施用碳酸氢铵+过磷酸钙+氯化钾处理则通过维持叶片较高的脯氨酸脱氢酶活性、吡咯啉-5-羧酸合成酶活性、鸟氨酸转氨酶活性和吡咯啉-5-羧酸含量;保证了籽粒较高的2AP含量。③就2个施肥方式比较而言,常规手撒施肥方式较深施肥方式显著提高了孕穗期香稻叶片的吡咯啉-5-羧酸合成酶活性,显著降低了孕穗期和扬花期香稻叶片的鸟氨酸转氨酶活性,并且,成熟期籽粒2AP含量和成熟期叶片吡咯啉-5-羧酸含量呈显著正相关关系,表明,香稻叶片较高的脯氨酸脱氢酶活性、吡咯啉-5-羧酸合成酶活性促使了较高的吡咯啉-5-羧酸含量的形成积累,最终促使了香稻成熟籽粒积累较高的2AP含量。有研究表明,脯氨酸是2AP形成的重要前体物质[27-28,61-63];Schieberle[1]研究发现,增加脯氨酸和鸟氨酸均能提高2AP,表明2AP形成源于脯氨酸和鸟氨酸;Yoshihashi 等[64]研究表明，2AP的氮源来自脯氨酸和谷氨酸,并认为脯氨酸是2AP合成的主要前体物质,其次为谷氨酸和鸟氨酸;再者,控制脯氨酸代谢的关键酶脯氨酸脱氢酶、吡咯啉-5-羧酸合成酶和鸟氨酸转氨酶活性的变化[65];并且上调吡咯啉-5-羧酸合成酶水平促进吡咯啉-5-羧酸含量的增加,可以提高香气2AP的含量,因此,吡咯啉-5-羧酸含量水平与吡咯啉-5-羧酸脱氢酶活性直接相关,吡咯啉-5-羧酸是2AP的主要前体物质[28]。综合本试验的分析及前人的研究结果,笔者认为肥料类型及其施用方式对香稻籽粒香气2AP积累影响是以谷氨酸在吡咯啉-5-羧酸合成酶催化作用下形成吡咯啉-5-羧酸进而形成2AP为基本保证,在不同的处理通过脯氨酸含量、脯氨酸脱氢酶活性和鸟氨酸转氨酶活性的变化来维持吡咯啉-5-羧酸含量在系统中的动态平衡。

本试验条件下,肥料类型、肥料施用方式和两者互作均显著影响香稻籽粒香气2AP含量,手撒碳酸氢铵肥料利于机械穴直播香稻成熟籽粒积累较高的2AP含量。但是,由于施肥量也有可能影响香稻香气2AP的积累,因此,不同肥料类型、施肥技术以及施肥量均需综合考虑,这样对于施肥技术和肥料类型的选择及其应用才具有更现实的指导作用,这也是未来需要讨论和研究的内容。

综上表明,肥料类型、肥料施用方式和两者互作均显著影响香稻籽粒香气2AP含量,其中手撒施用碳铵肥料利于香稻籽粒积累显著较高的香气2AP含量;香稻籽粒香气2AP含量和成熟期叶片的吡咯啉-5-羧酸含量呈显著正相关关系。进一步结合肥料类型、施肥技术以及施肥量来开展研究,对于香稻的增香施肥具有重要的现实意义。

致谢:华南农业大学农学院翁健聪和牟之健等同学参加了本研究的部分工作,在此一并致谢。

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Effect of Fertilizer Types and Fertilization Methods on 2-acetyl-1-pyrroline Content in Aromatic Rice

MO Zhaowen1,2,FAN Pingshan1,PAN Shenggang1,2,WANG Zaiman3,TIAN Hua1,2,DUAN Meiyang1,2,TANG Xiangru1,2

(1.College of Agriculture,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Scientific Observing and Experimental Station of Crop Cultivation in South China,Ministry of Agriculture,P.R.China,Guangzhou 510642,China;3.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

In order to explore the impact of fertilizer types and fertilization methods on 2-acetyl-1-pyrroline(2AP) content in aromatic rice and its physiological characters,the widely used and popular aromatic rice cultivar,Yuxiangyouzhan was used as material in the field trials.The experiment consisted of two fertilization methods i.e.deep application of fertilizer and manual application of fertilizer,and two fertilizer types i.e.the chemical fertilizer ammonium bicarbonate+calciumsuperphosphate+potassium chloride and the compound fertilizer,the nutrient(NPK) content in each treatment with equal quality.The 2AP content in mature grain as well as the proline content,proline dehydrogenase activity,pyrroline-5-carboxylate synthetase activity,ornithine aminotransferase activity and pyrroline-5-carboxylate acid content in leaves at tillering stage,booting stage,flowering stage and maturity were measured.The results showed that fertilizer types,fertilization methods and their interaction significantly affected the 2AP content in mature grains.The manual application of ammonium bicarbonate+calciumsuperphosphate+potassium chloride had the highest 2AP content in mature grains(59.86 ng/g).And the 2AP content in mature grains was in positive correlation with pyrroline-5-carboxylate acid content in leaves at maturity significantly(r=0.957 1*).The results provide theoretical reference for the development of scented rice fertilization technology.

Fertilizers type;Fertilization methods;Aromatic rice;2-acetyl-1-pyrroline;Physiological basis

2016-06-20

国家自然科学基金项目(31271646)

莫钊文(1986-),男,广东怀集人,博士,主要从事作物栽培与生理研究。莫钊文、范平珊为同等贡献作者。

唐湘如(1964-),男,湖南宁乡人,博士,教授,博士生导师,主要从事作物栽培与生理研究。

S511;S223

A

1000-7091(2016)05-0152-07

10.7668/hbnxb.2016.05.023