低氮条件下液泡区室维持与松散排列的淀粉体共同导致高温诱导的水稻垩白形成

针对高温胁迫下水稻垩白粒(WBK/BWK)形成机制不明的问题，日本农业食品产业技术综合研究机构等团队通过田间试验结合显微观测，发现低氮条件下液泡区室(PSV)持续存在与淀粉体发育受阻是垩白形成的关键，而增施氮肥通过促进蛋白质合成(PBII/PBI)和淀粉积累显著改善籽粒透明度。该研究为气候变暖背景下水稻品质调控提供了细胞学依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，高温胁迫导致的水稻籽粒垩白化现象日益严重，直接影响稻米品质和市场价值。垩白粒（Chalky Kernel, CK）表现为胚乳细胞中淀粉体和蛋白质体排列松散形成的白色不透明区域，主要包括背白粒（White-back kernel, WBK）和基白粒（Basal-white kernel, BWK）两种类型。尽管前人发现高温会抑制淀粉合成相关基因表达并激活淀粉降解酶，但关于氮肥施用如何缓解垩白形成的细胞学机制尚不明确，特别是在田间实际生产条件下的动态变化规律仍有待揭示。

日本农业食品产业技术综合研究机构九州冲绳农业研究中心的Yuto Hatakeyama团队联合爱媛大学等机构，通过两年田间试验结合显微观测技术，系统解析了氮素调控高温下水稻籽粒垩白形成的细胞学机制。研究发现，低氮条件下液泡区室（Protein Storage Vacuole, PSV）的异常保留与蛋白质合成受阻是垩白形成的直接原因，而增施氮肥可通过促进蛋白质体（Protein Body, PB）发育显著改善籽粒透明度。该成果为气候智慧型水稻栽培提供了理论支撑，相关论文发表于植物学经典期刊《Planta》。

研究团队采用三种氮肥处理（0N/2N/4N）的田间试验设计，结合光镜与透射电镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）技术，动态观测了籽粒发育过程中胚乳细胞的形态变化。通过ImageJ软件定量分析淀粉体、蛋白质体及液泡的空间分布，并利用SDS-PAGE检测贮藏蛋白组成差异。

Main conclusion

高温早期液泡区室化与蛋白质合成的协同调控是决定水稻外观品质的关键。低氮条件下，发育中的胚乳细胞因PSV持续扩张和蛋白质合成抑制，导致淀粉体松散排列形成垩白；而氮肥施用通过促进PBII（含谷蛋白）的合成压缩液泡空间，显著降低垩白率（从25.0%降至10.7%）。

Abstract

显微观测显示，未施氮植株的胚乳细胞在成熟期（35 DAH）仍保留大量液泡样结构（占细胞面积22%），淀粉体和蛋白质体（PB）面积分别比施氮处理减少15%和40%。增施氮肥（4N）使PBII/PBI面积比提升5倍，尤其是促进PBII（含pro-glutelin和α-globulin）的积累，有效填充细胞间隙。

Materials and methods

田间试验选用品种"越光"，设置3个氮水平（0/2/4 g N m^-2），在籽粒发育关键期（12/18/35 DAH）取样。通过CBB-碘双染色光镜观察和TEM超微结构分析，结合单细胞代谢组学技术，阐明氮素对细胞器重排的影响机制。

Results

1. 1.

   垩白率差异：0N处理垩白粒达25.0%（含13.6% WBK），4N处理降至10.7%（4.3% WBK）

2. 2.

   细胞器动态：低氮条件下18 DAH时PSV体积增加300%，伴随淀粉体发育停滞；施氮处理促进PBII面积增加5倍

3. 3.

   蛋白组成：SDS-PAGE显示4N处理显著提高谷蛋白（pro-glutelin）和球蛋白（α-globulin）含量

Discussion

该研究首次在田间条件下证实，氮素通过双重机制改善高温胁迫下的稻米品质：

1. 1.

   促进PBII合成：增强谷蛋白转运系统（Golgi-PSV途径）效率，压缩液泡空间（从22%降至4%）

2. 2.

   维持氧化还原平衡：通过提高含半胱氨酸蛋白（CysR10P）比例（56.6%→47.9%）稳定蛋白质体结构

这一发现为"减垩白"栽培技术提供了新思路——通过优化氮肥运筹（如抽穗前20天和10天分次追施）调控胚乳细胞器发育，有望在气候变暖背景下稳定稻米品质。研究还提示，PBII（而非PBI）的发育程度可作为田间抗高温品种选育的重要指标。