赵全志教授团队在粮饲结合新型再生稻稻米品质与淀粉分子结构方面取得新进展

2023-10-16 浏览次数： 2237

近日，Carbohydrate Polymers（中科院1区，Top，IF=11.2）在线发表了1066vip威尼斯水稻产业技术研究院赵全志教授团队题为：Starch molecular structures in relation to properties of ratoon rice produced by different ratooning practices的研究论文。该研究阐明“淀粉分子结构-理化性质-稻米品质”的构效关系，研究结果有助于揭示该新型再生稻品质的形成机理，探讨其适宜的栽培模式，为其推广和应用提供重要理论依据。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121459

研究背景

水稻是我国第一大口粮作物，全国有65%以上的人口以稻米为主食。实现水稻高产、优质对保障国家粮食安全、口粮绝对安全意义重大。为充分利用我国亚热带向暖温带过渡地带“两季不足、一季有余”地区的温光资源，提高水稻产量，我国早在1700多年前就发明创造了“一种两收”的再生稻种植模式。但由于两季积温不够，头季稻提早播种导致高温灌浆，稻米外观品质差；再生季普遍采用高留桩生产方式，再生腋芽萌发节位多、抽穗灌浆期短且不整齐，导致籽粒充实度差异较大，虽然再生季的稻米外观和食味品质明显优于头季稻，但再生稻的整精米率较低、碎米多，商品性差。同时，随着社会经济的不断发展，南方地区草食性动物肉牛、羊的需求量不断增加，饲草的缺口较大。为此，本团队创新了一种粮饲结合新型再生稻的种植模式，头季水稻提前刈割生产优质饲草，延长再生季的生育期生产优质再生稻。但粮饲结合新型再生稻的稻米品质形成机理尚不清楚。本研究以3个籼稻品种为材料，研究不同刈割时期收获饲草对粮饲结合型再生稻的淀粉分子结构和食用品质的影响规律，阐明“淀粉分子结构-理化性质-稻米品质”的构效关系。

研究结果

1.不同刈割时期再生稻主要组分的变化

丰两优香1号（FLY 1）、两优6326（LY 6326）和天两优616（TLY 616）在不同饲草刈割时期：抽穗期（HS）、乳熟期（MS）、蜡熟期（WS）和完熟期（FRS）稻米中的蛋白质、总淀粉和脂肪含量的变化如表1所示。蛋白质含量随着刈割时期从HS向FRS的延长而下降，FLY 1、LY 6326和TLY 616的蛋白质含量分别下降11.60%、23.29%和27.66%。总淀粉含量在82.54% ~ 88.74%之间变化，从抽穗到完熟期呈上升趋势，增加4.53% ~ 6.64%，脂肪含量也呈上升趋势，增加16.73% ~ 35.83%。3种主要组分的变化可能导致再生稻理化特性和品质的变化。

表1 不同刈割时期再生稻稻米主要组分的变化

Rice varieties		Protein content (db, %)	Total starch (db, %)	Lipid (db, %)
FLY 1	HS	9.22±0.04^a	83.20±0.06^d	2.51±0.07^c
	MS	8.80±0.16^b	84.62±0.13^c	2.84±0.01^b
	WS	8.09±0.11^c	86.45±0.42^b	2.92±0.07^ab
	FRS	8.15±0.19^c	88.21±0.46^a	3.15±0.31^a
LY 6326	HS	10.69±0.14^a	82.54±0.13^d	2.57±0.11^b
	MS	9.21±0.21^b	83.82±0.13^c	2.64±0.10^b
	WS	8.04±0.11^c	88.74±0.43^b	2.71±0.18^b
	FRS	8.20±0.15^c	88.02±0.06^a	3.00±0.02^a
TLY 616	HS	11.75±0.04^a	82.63±0.40^c	2.40±0.16^c
	MS	10.27±0.22^b	85.42±0.42^ab	2.60±0.31^bc
	WS	9.09±0.24^c	85.05±0.44^b	2.98±0.09^ab
	FRS	8.50±0.21^d	86.37±0.06^a	3.26±0.27^a

2.不同刈割时期再生稻籽粒强度和质构特性的变化

采用质构仪测定不同刈割时期再生稻的籽粒强度和质构特性，如表2所示。在3个水稻品种中，籽粒强度表现出从抽穗到乳熟期略有增加，然后从乳熟到完熟期略有下降。蒸煮之后，稻米的硬度呈现显著增加趋势。

表2 不同刈割时期再生稻的质构特性和淀粉粒径分布

Rice varieties		Grain strength	Textural properties of cooked ratoon rice				Starch granule size distributions (μm)
Rice varieties		Grain strength	Hardness (N)	Springiness	Chewiness (N)	Resilience	D₅₀	D₉₀	D_av
FLY 1	HS	0.65±0.14^a	27.87±1.70^b	0.76±0.08^a	10.27±1.02^ab	0.32±0.02^a	3.38±0.15^a	6.51±0.81^a	4.05±0.37^a
	MS	0.67±0.06^a	26.03±0.91^c	0.75±0.06^a	8.77±1.23^b	0.27±0.02^b	2.70±0.19^b	5.83±0.09^ab	3.76±0.05^ab
	WS	0.53±0.14^ab	30.40±1.36^a	0.72±0.07^a	9.86±1.48^ab	0.31±0.01^a	3.16±0.06^a	5.72±0.14^ab	3.64±0.06^b
	FRS	0.43±0.04^b	30.52±0.33^a	0.69±0.08^a	10.72±1.22^a	0.33±0.02^a	2.89±0.05^b	5.44±0.32^b	3.55±0.12^b
LY 6326	HS	0.61±007^a	26.13±0.94^c	0.71±0.05^c	8.19±0.83^c	0.27±0.01^c	3.76±0.08^a	7.58±0.54^a	4.43±0.15^a
	MS	0.64±0.04^a	28.14±1.17^b	0.72±0.02^bc	9.71±0.87^bc	0.29±0.01^bc	3.01±0.03^b	6.36±0.93^ab	3.96±0.36^b
	WS	0.50±0.04^b	28.81±1.15^b	0.82±0.08^a	11.30±2.00^ab	0.28±0.02^ab	3.10±0.09^b	5.95±0.98^b	3.66±0.27^b
	FRS	0.47±0.12^b	30.45±1.35^a	0.79±0.05^ab	11.97±1.14^a	0.32±0.03^a	2.87±0.01^c	4.55±0.03^c	3.14±0.01^c
TLY 616	HS	0.61±0.06^b	21.85±0.62^b	0.78±0.06^b	7.67±0.42^c	0.26±0.01^c	3.46±0.06^a	7.20±1.01^a	4.21±0.17^a
	MS	0.70±0.05^a	20.20±1.03^c	0.87±0.06^a	8.94±0.75^b	0.30±0.03^b	3.08±0.06^b	6.63±0.69^ab	3.89±0.16^b
	WS	0.51±0.07^c	22.65±0.83^ab	0.87±0.05^a	10.33±1.16^a	0.35±0.03^a	3.21±0.04^b	6.37±0.03^ab	3.87±0.09^b
	FRS	0.47±0.04^c	23.84±1.29^a	0.82±0.06^ab	10.49±0.97^a	0.37±0.01^a	3.21±0.15^b	5.87±0.34^b	3.59±0.12^c

3.不同刈割时期再生稻胚乳微观结构的变化

通过扫描电镜观察不同刈割时期再生稻胚乳中淀粉的形态结构，如图1所示。3个品种的淀粉颗粒均表现出典型的多面体形态。此外，水稻胚乳具有致密的微观结构，这使得米粒具有较高的机械强度。与抽穗和乳熟期的再生稻相比，完熟期胚乳淀粉颗粒发育不完善，淀粉颗粒呈圆形，尺寸较小，使得胚乳微观结构较为疏松。

(A)

(B)

(C)

图1 不同刈割时期再生稻胚乳的SEM照片（A, FLY 1的HS、MS和FRS时期刈割； B-F，LY 6326的HS、MS和FRS时期刈割；C，TLY 616的HS、MS和FRS时期刈割)

4.不同刈割时期再生稻淀粉理化性质的变化

随着刈割时间的推迟，3个籼稻品种的峰值黏度（PKV）从抽穗到完熟期均显著降低（p < 0.05），而冷浆黏度（CPV）和消减值（SBV）随刈割时期的推迟而增加。糊化温度（T_o, T_p和T_c）和热焓值（ΔH_gel）均随刈割时期的推迟而降低（图2）。较低的糊化温度归因于再生稻淀粉中相对结晶度的减少。不同刈割时期的再生稻显著提高了表观直链淀粉含量（AAC），从而降低了淀粉的热力学特性。

(A) RVA pasting profiles

(B) DSC graphs

图2 不同刈割时期再生稻淀粉理化性质的变化

5.不同刈割时期再生稻淀粉分子结构的变化

采用荧光辅助毛细管电泳（FACE）和体积排阻色谱（SEC）测定不同刈割时期再生稻淀粉的分子结构，如图3所示。随着刈割时期从抽穗到完熟期，再生稻支链淀粉中短链fa（DP 6–12）的比例显著提高，而长链fb₃（DP ≥ 37）降低，最终导致平均链长（AVECL）减小（p < 0.05）。由SEC图看出，随着刈割时期的推迟，直链淀粉含量显著增加。四个刈割时期直链淀粉的链长分布存在显著差异，短链100≤X<1000增加，而长链2000≤X<20,000 减少。

图3 不同刈割时期再生稻淀粉分子结构的变化

结论

以3个籼稻品种为材料，研究了不同刈割时期对淀粉分子结构及再生稻品质的影响规律。结果表明，随着刈割时期的推迟，显著提高了总淀粉、直链淀粉和脂肪含量，降低了蛋白质含量。再生稻中支链淀粉fa链比例增加，而fb₃链和平均链长减小，淀粉分子结构发生变化。AAC和淀粉精细结构的变化导致了再生稻淀粉的糊化性质、热力学性质、相对结晶度和体外消化性能等的显著差异。与抽穗、蜡熟和完熟期相比，乳熟期刈割的再生稻具有较高的籽粒强度和适中的质构特性。本研究为新型粮饲结合型再生稻栽培条件的选择及推广提供了重要的理论依据。

1066vip威尼斯赵全志教授和酿酒与食品工程学院宋晓燕教授为该论文通讯作者，硕士研究生杨汐为该论文第一作者。河南农业大学彭廷教授团队参与了部分研究工作。该项目得到贵州省高等学校功能农业重点实验室项目（黔教技[2023]007号）和贵州省粮油作物分子育种重点实验室项目（黔科合中引地[2023]008）的资助。

团队或作者（第一作者和通讯作者）简介：

团队负责人：赵全志，博士，1066vip威尼斯二级教授、博士生导师，1066vip威尼斯水稻产业技术研究院院长。国务院学科评议组成员（作物学），全国模范教师，国家级人才，农业农村部水稻专家指导组成员。主持国家自然科学基金面上项目4项、国家重点研发计划项目子课题1项。第一完成人获省科技进步一等奖2项、二等奖1项。先后发表学术论文140余篇，其中SCI论文40余篇；获授权国际发明专利1件、国家发明专利9件。

宋晓燕，博士，教授，博导，河南省教育厅学术技术带头人。主持国家自然科学基金3项、中国博士后基金1项，参与“十二五”、“十三五”国家重点研发计划、河南省重大公益项目、河南省重大科技专项等。在Food Hydrocolloids、Carbohydrate Polymers、Food Chemistry等国内外期刊发表论文60余篇。

图文：赵全志教授团队

编审：赵路玥

二审：王明

三审：杨刚

友情链接：

1066vip威尼斯

贵州省科学技术厅

贵州省农业农村厅

中华人民共和国教育部

中华人民共和国科学技术部

中华人民共和国农业农村部