农学院赵全志教授团队在超级杂交稻产量品质协同提升理论方面取得新进展

近日，Carbohydrate Polymers（中科院1区，Top，IF=12.5）在线发表了贵州大学水稻产业技术研究院赵全志教授团队题为：Response of texture, rheological characteristics and starch molecular structure of super hybrid indica rice to different nitrogen fertilizer levels的研究性论文。该研究阐明“淀粉-蛋白互作”对超级杂交籼稻的质构特性和流变学特性的影响规律，从淀粉分子结构解析了不同氮肥水平对稻米品质的影响机理，研究结果对氮肥的高效利用具有重要意义。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2025.123927

研究背景：

水稻是全球重要的口粮作物，中国对全球水稻产量的贡献率为30 %左右。中国自1996年启动“中国超级稻育种”计划以来，培育了一大批具有较高产量潜力的“超级”杂交水稻品种，为保障国家粮食安全做出了巨大贡献。然而，这些“超级”杂交稻依赖于大量施用氮肥，水稻生产中出现稻米品质下降等问题。这些挑战凸显了调控氮肥施用平衡稻米产量和质量的重要性。如何达到高产优质均衡，在高产的基础上实现“高产优质”？这一矛盾成为本研究的关键出发点。

研究内容：

本研究选取不同产量潜力的中国超级稻代表性品种Y两优1号（YLY 1）、Y两优900（YLY 900）、两优培九（LYP 9）和湘两优900（XLY 900）为试验材料，设置0、200、260和 400 kg N ha^-1四个氮肥水平，探索稻米品质和淀粉分子结构对不同氮肥水平的响应及品种间的差异，为氮肥的合理施用提供参考。

研究结果：

  1.不同氮肥水平影响稻米主要组分含量及质构特性

随着氮水平的升高，四个品种的表观直链淀粉含量（AAC）降低10.68%~27.38%，总淀粉含量降低7.91%~11.13%，蛋白质含量增加10.11%~43.98%。与对照相比，200 kg N ha^-1氮肥水平时籽粒强度下降不显著，而260和400 kg N ha^-1时籽粒强度显著降低，可能是高氮碎米率提高的重要原因。高的氮肥施用导致煮熟后米饭的硬度和咀嚼性显著增加而弹性显著降低，食用品质劣变。

  2.不同氮肥处理影响淀粉-蛋白在胚乳中的分布

为了探究高氮肥为何导致稻米品质劣变，采用激光共聚焦显微镜研究蒸煮过程淀粉-蛋白互作。发现随着蒸煮过程进行，淀粉颗粒迅速吸水膨胀、破裂、糊化，而蛋白质仍保存颗粒状结构，分布于淀粉凝胶的网络中。随着氮肥水平的提高，胚乳中分布的蛋白质微粒增加，在400 kg N ha^-1的处理下达到最高，形成一个物理屏障，抑制淀粉的糊化，改变米饭的质构。

  3.不同氮肥水平影响淀粉的形态和发育

过量施氮为何导致籽粒强度下降？采用扫描电镜观察不同氮肥处理对超级杂交水稻胚乳发育的影响。在0和200 kg N ha^-1处理，淀粉均呈多边形，颗粒均匀，排列紧密；在260 kg N ha^-1时，淀粉颗粒分布不均匀，出现一些大颗粒和小颗粒；在400 kg N ha^-1时，观察到较多圆形淀粉颗粒，胚乳结构疏松。证明适当的氮肥水平促进淀粉颗粒发育，再进一步增施氮导致淀粉颗粒结构不均匀，过量氮肥则抑制淀粉颗粒发育。这可能是导致“高氮不高产”“高氮品质下降”的重要原因。

图1 不同氮肥水平稻米胚乳的扫描电镜图像 (A. YLY 1; B. YLY 900; C. LYP 9; D. XLY 900).

  4.不同氮肥水平影响米粉的流变学特性

流变学特性是影响稻米加工的重要特性。随着施氮量的增加，峰值黏度（PKV）显著下降，而崩解值和消减值（SBV）则上升。YLY 1、LYP 9和XLY 900的储能模量（G'）随施氮量的增加呈上升趋势，而损耗模量（G′′）变化不明显，最终导致tan δ (G′′/G′)低于对照组。碳氮平衡影响了AAC和蛋白质的含量，从而导致流变学特性的变化。

图2 不同氮肥水平对米粉RVA粘度和流变学特性的影响

  5.不同氮肥水平影响淀粉的理化性质和分子结构

探讨了不同氮肥水平对淀粉理化性质的影响，随着施氮量的增加，糊化温度（T_p）先增加后下降，在200 N处理时达到峰值，氮肥对四个品种T_o的影响表现出相同的趋势。高氮处理不改变淀粉的晶体类型而降低其相对结晶度和短程有序性。在200 N处理下支链淀粉中短链fa（DP 6-12）的比例显著降低，而长链fb₃（DP≥37）增加，最终导致平均链长减小。

图3 不同氮肥处理下淀粉理化性质的变化

图4 不同氮肥水平淀粉分子结构的变化

  结论：

适量的氮肥处理可以促进淀粉发育，增加支链淀粉fb₁、fb₃链的比例和平均长链，同时减少短fa链。AAC的下降和淀粉分子结构的变化导致显著不同的糊化、热力学、流变学和质构特性。淀粉-蛋白质互作改变了米粉胶体网络结构，从而影响米饭的蒸煮和质构特性。四个超级杂交籼稻对氮肥水平的响应存在差异，但趋势一致。合理的氮肥施用对改善稻米品质和氮高效利用至关重要，但需要更多的研究证明氮肥如何调控碳氮平衡，从而影响水稻产量和品质。

图5 不同氮肥水平调控淀粉理化性质与稻米品质

贵州大学农学院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，博士研究生杨汐为该论文第一作者。该研究得到国家重点研发计划项目课题（2022YFD2300700；2024YFD2300403）、贵州省高等学校功能农业重点实验室项目（黔教技[2023]007号）和贵州省喀斯特山区水稻作物科技创新人才团队(BQW [2024] 001)的资助。

通讯作者简介：

赵全志，博导，贵州大学二级教授，贵州省高等学校功能农业重点实验室主任、从江梯田湿地生态系统贵州省野外科学观测研究站站长、贵州省喀斯特山地水稻作物学科技创新团队负责人。国务院学科评议组成员、国家级人才、农业农村部水稻专家指导组成员、中国农学会耕作制度分会常务理事。主持国家自然科学基金面上项目5项，在SCI源期刊和国家级核心期刊上发表学术论文140余篇，出版专著教材10余部，主持获省部级科技进步一等奖2项、二等奖1项。

宋晓燕，博导，贵州大学三级教授，贵州省酒用原料品质与综合利用科技创新人才团队负责人。主持“十四五”国家重点研发课题1项、国家自然科学基金3项、贵州省自然科学基金重点项目1项、贵州省 “百校千企科技攻关揭榜挂帅”项目等。以第一和通讯作者在CarbohydratePolymers、FoodHydrocolloids等发表学术论文70余篇，出版国家规划教材6部，2023年主持获得贵州省自然科学奖二等奖1项。

图文：贵州大学水稻研究院

编审：赵路玥

二审：王  明

三审：冉龙彪