贵州省粮油作物优质高效增产全省重点实验室在氮肥调控稻米品质形成机理方面取得新进展
2026-04-30 浏览次数： 10
近日，Carbohydrate Polymers（中科院1区，Top，IF=12.5）在线发表了贵州省粮油作物优质高效增产全省重点实验室赵全志教授和宋晓燕教授团队题为：“Physiological regulatory mechanisms of super hybrid indica rice on starch synthesis in response to different nitrogen fertilizer levels”的研究性论文。通过多组学联合分析，阐明了氮肥调控碳氮代谢及稻米品质形成的机制，为品质与产量的协同提升提供了重要理论依据。
https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2026.125353
贵州喀斯特山地生态系统脆弱，传统的水稻生产中，过量施氮是普遍问题，这不仅会降低氮肥利用效率，还会导致稻米品质下降和环境污染加剧。因此，精准合理的氮肥施用，是实现水稻高产、稳产、优质的核心技术。团队前期的研究发现，适量施氮能提高稻米品质，然而，氮肥如何调控籽粒碳氮代谢及稻米品质的形成？该问题的解析是水稻生产“量质协同提升”的关键。
该研究以两优培九和湘两优900为材料，设置0 kg N ha-1（0 N）、200 kg N ha-1（200 N）和400 kg N ha-1（400 N）三个氮肥处理，采用代谢组与转录组联合分析，结合灌浆期籽粒胚乳发育、淀粉合成酶与氮代谢酶的活性变化，解析稻米品质、淀粉理化性质及分子结构的差异，阐明氮肥调控稻米品质形成的机制。研究结果为喀斯特山地水稻“精准施氮”提供重要参考。
研究结果：
施氮量从0 N增加到400 N，稻米的表观直链淀粉含量（AAC）降低了15.70%~18.95%，总淀粉含量降低了9.94%~10.86%，而蛋白质含量则增加了35.73%~46.56%。在200 N处理下，稻米的垩白度最低，而400 N最高。随着施氮量的增加，稻米的峰值粘度（PKV）和崩解值（BDV）显著下降，而消减值（SBV）上升，400 N处理时PKV值最低，增加氮肥施用量促进了蛋白质含量的增加，限制了烹饪过程中淀粉颗粒的糊化，从而对蒸煮食味品质产生了不利影响。
图1 不同氮肥水平下稻米的外观品质、加工品质和糊化特性
2.氮肥调控胚乳发育
采用扫描电镜（SEM）和激光共聚焦显微镜（CLSM）观察氮肥对水稻胚乳发育的影响。发现随着施氮水平的增加，胚乳中蛋白体的量明显增加，而淀粉体的发育受到影响，增加了支链淀粉短链fa（DP 6–12）的比例，显著降低了淀粉的糊化温度。
图2 不同氮肥水平下水稻胚乳发育的SEM图
图3 不同氮肥水平下水稻胚乳发育的CLSM图（A. 花后10天；B. 花后20天；C. 花后30天）
图4 不同氮肥水平下支链淀粉的链长分布（A-D）支链链长分布；（E-F）200 N与0 N之间的链长分布差异；（G-H）400 N与200 N之间的链长分布差异
3.氮肥调控水稻籽粒碳氮代谢
氮肥处理改变了水稻籽粒中的碳代谢，在200 N条件下，淀粉合成关键酶AGPase、GBSS和SS的活性更高，促进了籽粒灌浆和淀粉合成，减少了垩白度；而400 N则抑制淀粉合成关键酶的活性，显著降低了AAC。同时，氮肥处理改变了籽粒中的氮代谢，较高的氮肥水平促进了NR和GS的活性，而GOGAT的活性上升后又下降，在200 N时达到最大值。碳氮代谢的平衡改变了稻米烹饪过程中淀粉与蛋白质之间的相互作用，从而改变了稻米的蒸煮食味品质。
4.多组学联合分析揭示稻米品质形成机制
采用转录组和代谢组联合分析发现，200 N使OsSUS1和OsSUS3基因表达量上调，淀粉合酶活性增加，从而增加SS和DBE酶的活性，促进支链淀粉的合成。然而，400 N使上述基因的表达量下调，从而降低淀粉合成酶的活性，延缓淀粉体发育，导致稻米品质下降。此外，200 N促进了GOGAT酶活性，增强了GS/GOGAT循环，促进了蛋白质合成。碳氮代谢之间的平衡改变了淀粉分子结构，改善了水稻的蒸煮食味品质。阐明氮肥调节碳氮平衡和稻米品质形成的内在机制，将为水稻“量质协同提升”提供重要的理论依据。
图5 不同氮肥水平下淀粉的合成途径
图6 不同氮肥水平下的稻米品质形成机理
博士研究生杨汐为该论文第一作者，贵州大学赵全志教授、宋晓燕教授为该论文通讯作者，秦建权副教授、方中明教授参与了研究工作。该研究得到国家重点研发计划课题（编号：2024YFD2300403）、贵州省粮油作物优质高效增产重点实验室（黔科合平台ZSYS037）、贵州省从江梯田湿地生态系统观测研究站（黔科合YWZ[2024]004）、贵州省喀斯特山区水稻作物科技创新人才团队（黔科合平台人才BQW[2024]001）、贵州省科技创新平台研究（黔科合平台CXPTXM[2025]005）等项目的资助。
图文：贵州省粮油作物优质高效增产全省重点实验室
编审：赵路玥
二审：王 明
三审：冉龙彪