氮素管理通过改变淀粉结构和蛋白质组成来调控再生稻作物的谷物品质

《Carbohydrate Polymers》：Nitrogen management regulates grain quality of rice ratoon crop by altering starch structure and protein composition

本研究探讨氮肥管理对再生稻米品质的影响，发现施氮显著改变淀粉结构、蛋白质组成及理化性质，提升加工与外观品质，但蛋白质增加导致烹饪和食用品质下降，需优化氮肥管理以平衡两者。

　　稻米作为全球重要的主食作物，为世界超过一半的人口提供日常所需的热量，尤其在亚洲地区占据举足轻重的地位。随着全球人口的持续增长和生活水平的提高，提升稻米的产量和品质已成为农业发展的关键目标。然而，稻米生产正面临耕地面积减少和农业劳动力短缺等挑战，这使得传统的单季或双季稻种植模式难以满足日益增长的需求。在此背景下，再生稻（ratoon rice）系统作为一种能够实现单次种植收获两次的高效种植方式，逐渐受到重视。再生稻不仅能够提高稻米总产量，还因其在提高经济效益和减少劳动力投入方面的优势，在中国得到了广泛应用，成为可持续农业体系的重要组成部分。

尽管再生稻在产量方面表现出色，但其品质仍面临诸多挑战。特别是在市场对高品质稻米需求不断上升的今天，如何在不影响产量的前提下，优化稻米的品质成为研究的重点。目前，关于再生稻品质的研究主要集中在整体质量评估和农业性状上，而对氮肥管理如何具体影响稻米的淀粉结构、蛋白质组成及其对品质的调控机制尚不明确。因此，深入探讨氮肥管理在再生稻生产中的作用，尤其是针对再生稻的芽期和分蘖期施氮（N_bud和N_tiller）对淀粉结构和蛋白质含量的影响，对于实现高品质再生稻的生产具有重要意义。

本研究聚焦于氮肥管理对再生稻品质的调控作用，特别是对淀粉的精细结构、蛋白质积累及其与稻米品质之间的关系。研究发现，与不施氮（N₀）相比，施氮能够显著改善稻米的品质，主要体现在对直链淀粉含量、淀粉结构以及理化性质的调节上。其中，N_bud?+?N_tiller的施用方式在改善稻米外观质量和碾米质量方面表现出显著优势，如减少了淀粉中的蜂窝状结构、体积加权平均粒径、表面积加权平均粒径，以及相对结晶度，这些变化有助于提高稻米的外观质量和脱壳率。然而，这种施氮方式也对稻米的食用质量（Cooking and Eating Quality, CEQ）产生负面影响，表现为粘度升高、糊化温度增加、热焓变化加大以及硬度上升，同时伴随着粘度下降、平衡性、口感、外观及整体评分的降低。

上述不利影响主要归因于N_bud?+?N_tiller施用方式导致的稻米蛋白质含量显著上升，特别是谷蛋白含量的增加。这些变化不仅影响了稻米的蛋白质组成，还进一步改变了淀粉的理化性质，从而对稻米的食用质量产生不利影响。因此，如何在保持高产的同时，优化氮肥管理以平衡淀粉结构和蛋白质组成，是实现高品质再生稻生产的关键所在。

为了弥补这一知识空白，本研究旨在揭示N_bud、N_tiller以及它们的联合施用（N_bud?+?N_tiller）对再生稻淀粉结构、蛋白质积累及其与稻米品质关系的影响。具体研究内容包括：（1）N_bud、N_tiller和N_bud?+?N_tiller对直链淀粉含量和淀粉精细结构的调控作用；（2）N_bud、N_tiller和N_bud?+?N_tiller对蛋白质含量和组成的影响；（3）这些变化与稻米品质之间的相互关系。通过深入研究氮肥施用对稻米理化性质和结构特征的影响机制，本研究不仅有助于提高再生稻的品质，还为再生稻在食品工业中的应用提供了科学依据。

实验地点位于中国安徽省合肥市庐江县，该地区土壤为砂壤土，实验地为之前休耕的地块。为了评估土壤的基本理化性质，研究人员采集了表层20厘米的土壤样本，测定结果表明：土壤pH值为6.25，有机质含量为35.4克/千克，总氮含量为2.22克/千克，有效磷含量为8.1毫克/千克，有效钾含量为95.0毫克/千克。这些数据为后续实验提供了重要的土壤背景信息，有助于更准确地分析氮肥施用对稻米品质的影响。

在实验过程中，研究人员观察到，N_bud、N_tiller和N_bud?+?N_tiller的施用显著提高了再生稻的产量。此外，与不施氮相比，施氮不仅提升了产量，还改善了稻米的碾米质量和外观质量。例如，施氮能够提高头米率，降低垩白粒率和垩白度，这表明施氮对稻米的外观和加工性能具有积极作用。然而，这种施氮方式对稻米的食用质量产生了负面影响，如粘度和硬度的增加，以及糊化温度和热焓的变化。这些变化表明，虽然施氮有助于提高产量和外观质量，但对食用质量的调控仍需进一步研究。

淀粉的结构特征在决定稻米品质方面起着至关重要的作用。直链淀粉含量的高低直接影响稻米的硬度和粘性，而淀粉的精细结构，如支链淀粉的链长分布、结晶度和颗粒形态，则对稻米的理化性质和食用质量产生深远影响。研究表明，较高的短链比例（DP 6–12）和较低的体积和表面积加权平均粒径有助于提高稻米的外观质量和降低糊化温度，而较高的结晶度则会增强颗粒结构，从而增加糊化所需能量。此外，蛋白质的存在会影响淀粉颗粒的结构，物理上阻碍水分渗透和颗粒膨胀，进而增加硬度并降低粘度。这些因素并非孤立存在，而是相互关联，共同决定了稻米的品质，特别是食用质量。

在再生稻生产中，氮肥的施用方式对稻米品质的影响尤为显著。传统的单季或双季稻系统中，氮肥的管理通常以提高产量为主要目标，而再生稻系统则需要更加精细的氮肥管理策略。由于再生稻的生长周期较短，且对环境条件的依赖性较强，因此氮肥的施用时间和方式需要根据稻米的生长发育阶段进行调整。例如，在芽期施氮（N_bud）可以促进再生稻芽的萌发，提高再生芽的成活率；而在分蘖期施氮（N_tiller）则有助于促进分蘖生长，提高单位面积的穗数和每穗的粒数。这两种施氮方式在提高再生稻产量方面具有协同效应，但对稻米品质的影响却存在差异。

本研究发现，N_bud?+?N_tiller的联合施用方式在改善稻米外观和碾米质量方面效果显著，但同时也对食用质量产生负面影响。这一结果表明，氮肥的施用不仅影响稻米的产量，还对稻米的理化性质和结构特征产生深远影响。因此，在实际生产中，如何平衡氮肥的施用以兼顾产量和品质，成为农业实践中的重要课题。

为了实现这一目标，本研究不仅关注氮肥施用对稻米产量的影响，还深入探讨其对稻米品质的调控机制。通过系统分析不同氮肥施用方式对淀粉结构、蛋白质积累以及稻米理化性质的影响，研究人员希望为再生稻的生产提供科学依据，帮助农民优化氮肥管理策略，从而提高稻米的综合品质。此外，本研究还强调了氮肥施用对再生稻品质的多方面影响，为未来的研究提供了新的方向。通过进一步研究氮肥施用对稻米品质的调控机制，可以为再生稻的生产提供更加精准的施肥建议，从而提高其市场竞争力和经济效益。