灌浆期不同时段高温对稻米淀粉理化特性的影响

沈泓 姚栋萍, 吴俊 罗秋红 吴志鹏 雷东阳 邓启云 柏斌, *

灌浆期不同时段高温对稻米淀粉理化特性的影响

沈泓1, #姚栋萍1, 2, #吴俊1罗秋红2吴志鹏3雷东阳2邓启云1柏斌1, *

(1湖南杂交水稻研究中心 杂交水稻国家重点实验室，长沙 410125；2湖南农业大学 农学院，长沙 410128；3东安县农业农村局，湖南 永州 425900；#共同第一作者；*通信联系人，E-mail: baibin87@163.com)

【目的】研究灌浆期不同时段高温对稻米淀粉组成、结构和理化特性的影响，揭示高温对稻米淀粉理化特性影响的时段效应，阐明高温、结构和功能之间的关系。【方法】以耐热水稻品种黄华占和热敏感的9311近等位基因系为实验材料，利用人工气候箱设置高温[38℃(昼)/30℃(夜)]和对照[28℃(昼)/22℃(夜)]，研究灌浆前期(齐穗期后1－15 d)和后期(齐穗期后16 d至成熟)高温对稻米的加工品质、外观品质、淀粉组成、支链淀粉链长分布、粒度分布、胶稠度、黏度特性、糊化特性、结晶特性和颗粒形态的影响。【结果】灌浆期高温使糙米率、精米率、整精米率显著下降，使垩白粒率和垩白度显著升高，导致加工品质和外观品质变差。灌浆期高温使总淀粉含量、直链淀粉含量、短支链淀粉含量、大淀粉粒占比、直/支链淀粉比显著下降，而中等支链淀粉含量、小中淀粉粒占比、糊化温度和糊化焓显著上升，黏度特性显著改变，结晶类型不变但结晶度显著改变，淀粉颗粒表面出现小孔，表面变得凹凸不平，导致淀粉颗粒更加碎片化和蒸煮食味品质变劣。灌浆期不同时段高温对稻米品质的影响不同，灌浆前期高温对稻米淀粉的影响大于灌浆后期，耐热品种受影响小于热敏感品种。灌浆前期高温处理下供试材料具有较高的消减值和较低的崩解值，黏度特性变差；灌浆后期高温处理下供试材料具有较低的消减值和较高的崩解值，黏度特性变好。【结论】灌浆前期高温对淀粉理化特性的影响最大，进而导致稻米的加工品质、外观品质和蒸煮食味品质变劣，灌浆后期高温提升了黏度特性。

水稻；灌浆期；高温；淀粉组成；理化特性

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，全球一半以上的人口以稻米作为主要粮食。淀粉是稻米的主要成分，占胚乳干质量的90%以上，稻米淀粉的组成和理化特性是决定稻米品质，尤其是蒸煮食味品质的主要因素[1]。全球气候变暖导致水稻生长季温度升高，水稻生长过程中的抽穗期和灌浆结实期对温度最为敏感，灌浆期遭受过高的温度将严重影响稻米淀粉的理化特性，进而影响稻米品质[2-3]。水稻灌浆期一般都在30 d以上，但遭受高温胁迫可能是其中的一段时间。开展灌浆期不同时段高温对稻米淀粉理化特性差异性影响的研究，更有助于指导水稻在实际生产上如何避开高温胁迫，保持稳产和优质特性。

灌浆结实期是稻米品质形成的关键时期。多数研究表明灌浆期高温可以导致稻米垩白增加、透明度降低、长宽比变小、整精米率下降，使得淀粉结构疏松、颗粒间空隙变大、直链淀粉含量显著变化，耐热品种的受影响程度小于热敏感品种[4-5]。另外，灌浆期高温使稻米淀粉RVA谱特征值的最终黏度、消减值和糊化温度升高，崩解值降低，峰值时间延长[6-7]，晶体结构改变，并且进一步研究发现这种变化可能与直链淀粉含量的变化密切相关[8-10]。Jiang等[11]指出高温主要影响淀粉的积累和结构，而不会影响淀粉颗粒的数量[12]。直链淀粉含量是影响稻米品质的最主要因素，目前关于高温对直链淀粉含量的影响，有三种观点：1）高温使稻米直链淀粉含量降低[13-14]；2）高温导致直链淀粉含量升高[15]；3）高温对直链淀粉的影响因品种而异，灌浆期高温导致高直链淀粉含量的品种直链淀粉含量增加，而低直链淀粉含量的品种直链淀粉含量降低[16]。灌浆期不同时段高温对稻米品质的影响可能存在差异，这更有利于不同水稻品种在生产上通过微调播种期以有效减轻高温对稻米品质的影响，但当前的研究并无清晰的结论。徐富贤等[17]分析齐穗后不同时段高温对稻米品质的影响，发现水稻齐穗后的前20 d是稻米品质对温度最敏感的阶段。程方民等[18]研究指出水稻抽穗后的前20 d是温度对直链淀粉含量影响的关键阶段。而Ambardekar和Lanning等[19-20]通过选用多个不同类型的品种在不同纬度进行多年种植，得出了不同的观点，认为蜡质化时期(R7)与强势粒成熟期(R8)这两个属于灌浆中后期的阶段是高温对稻米品质指标影响最为关键的阶段。

目前针对灌浆期高温影响稻米品质的研究已有一定进展，但是多数研究集中在加工、外观等指标上，而忽略了蒸煮食味指标特别是淀粉理化性质方面的深入探究，而且多数研究是针对整个灌浆期，而对于灌浆期不同时段高温对于稻米淀粉理化特性的研究较少。本研究以稻米淀粉理化指标为研究点，探索灌浆期不同时段高温对稻米淀粉理化性质的影响规律，全面系统解析灌浆期高温对淀粉理化性质的影响机理及时段效应，为实际生产上水稻如何应对气候变化进而保持其稳产和优质提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

选用耐热水稻品种黄华占(简写HHZ)和热敏感水稻9311近等基因系(简写9311N)作为试材，其中9311近等基因系是以超级杂交中稻父本9311为轮回亲本，以马来西亚普通野生稻()为供体亲本导入增产QTL和所得到的[21]。试验所用的种子均由湖南杂交水稻研究中心提供。由于9311N比黄华占生育期长7 d左右，为了使两者同时抽穗，将黄华占于2020年4月26日播种，9311N于4月19日播种。高温处理时段为灌浆期前期(齐穗期后1－15 d，简称为QD)和灌浆期后期(齐穗期后16 d至成熟，简称HD)，利用Percival人工气候箱设置高温处理与常温对照(CT)，分别为38℃ (7:00－19:00)/30℃ (19:00－次日7：00)，28℃ (7:00－19:00)/22℃ (19:00－次日7：00)，相对湿度设定为70%，植株冠层光密度设定为850 µmol/(m2·s)。处理前15 d，将生长发育基本一致的材料带泥移入盆钵(钵体内径为266 mm，高为190 mm)，每个处理20盆，每盆1株。为保证所取样品的生长发育进程和处理条件一致，于高温处理和对照处理的当天对发育进程基本一致的稻穗进行标记，然后灌浆前期材料首先置于高温处理培养箱内处理15 d后移入对照培养箱，直至成熟；灌浆后期材料首先放入对照培养箱培养至齐穗后16 d，后移入高温处理培养箱进行高温处理至成熟。常温对照材料整个灌浆期都放置在对照培养箱内。所有材料成熟后，对标记的稻穗进行收种，放置在室温、阴凉通风处储藏3个月以平衡水分后进行稻米淀粉的提取和淀粉理化特性的测定。

1.2 淀粉的提取

稻米淀粉的提取按照我们之前报道的方法并稍作修改[22]。将干燥的精米在含有0.14％的亚硫酸氢钠溶液水中浸泡过夜(固液比为1∶5)；加入足量的0.14％的亚硫酸氢钠，用匀浆机将精米研磨；将精米浆液过200目的尼龙网，精米过滤后的浆液收集到离心瓶内；尼龙网用超纯水冲洗两次，将滤液与精米过滤后的浆液混合；3000 r/min下离心20 min，倒掉上清液；用超纯水再次悬浮淀粉后，3000 r/min下离心20 min，倒掉上清液；重复上一步3次；将淀粉晾干，结块后取出，放在55℃烘箱中快速烘干；将淀粉块用粉碎机粉碎，过200目筛；置于干燥器中保存。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 加工品质与外观品质的测定

糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度、粒长、粒宽、长宽比等指标按照《中华人民共和国农业行业标准NY/T 83－2017》和《中华人民共和国农业行业标准NY/T 2334－2013》测定。

1.3.2 总淀粉含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量、胶稠度的测定

总淀粉含量利用淀粉总量检测试剂盒(Megazyme，K-TSTA)测得。直链淀粉含量的测定按照《中华人民共和国农业行业标准NY/T 2639》测定；支链淀粉含量利用总淀粉含量减去直链淀粉含量得到。胶稠度按照《中华人民共和国农业行业标准NY/T 83－2017》测定。

1.3.3 支链淀粉链长分布的测定

准确称取已纯化淀粉5 mg，置于5 mL双蒸水中沸水浴60 min，期间每隔10 min震荡混匀一次。取2.5 mL已糊化样品，分别加入125 μL醋酸钠(100 mmol/L, pH 4.4)，5 μL异淀粉酶(100 U/μL)和5 μL NaN3(2%/)，在38 ℃下放置24 h。取600 μL已处理样品，室温吹氮干燥后，溶于600 μL流动相中，12 000 r/min下离心5 min，取上清液进行离子色谱分析。Thermo ICS5000+离子色谱系统采用Dionex™ CarboPac™ PA10液相色谱柱，其进样量设为20 μL。流动相A相为200 mmol/L NaOH，B相为200 mmol/L NaOH+200 mmol/L NaAC，柱温为30℃，利用电化学检测器对单糖组分进行分析检测。

1.3.4 糊化特性的测定

精确称取米粉10 mg于氧化铝坩埚中，加入30 µL无菌水，密封氧化铝坩埚，室温平衡24 h后，利用差示热值扫描仪(DSC，Q2000, 美国TA 仪器公司)对样品进行糊化特性测试。设置仪器以10℃/min 的速度，由30℃升温至95℃，扫描热量变化。

1.3.5 黏度特性的测定

实验采用PerkinElmer仪器公司生产的快速黏度分析仪RVA4800进行黏度特性的测定。具体实验流程按照《中华人民共和国国家标准GB/T 24852－2010》测定。

1.3.6 晶体结构的测定

采用X射线衍射仪(X'Pert Pro PANalytical，Netherlands)进行分析。取100 mg淀粉样品平铺到载物台上，压紧后上机检测。测定条件：铜靶Cu Kα(λ=0.154 06 nm)，功率1600 W(40 kV×40 mA)，利用NaI晶体闪烁计数器测量X射线的强度，扫描范围为5°～60°，扫描速度4°/min。使用MDI Jade 5.0进行分析，并计算样品的相对结晶度。

1.3.7 淀粉颗粒形态结构和粒度分布的测定

取约100 mg淀粉样于载物台上，利用高分辨场发射扫描电子显微镜(Zeiss Merlin Compact)测定淀粉的颗粒形态结构。称取样品100～200 mg于干净EP管中，加入1 mL 75%酒精，涡旋混匀后超声混匀。将混匀后的样品加入到马尔文激光烈度仪(Mastersizer 3000，Malvern Instruments Ltd，UK)进行粒度分布测定，每样测定3次，收集数据。根据Xiong等[23]的方法将测定得到的淀粉颗粒体积、表面积和数量分布分成两类：小中淀粉粒(淀粉颗粒直径<10 μm)和大淀粉粒(>10 μm)。

1.4 统计分析

采用SPSS 24.0统计软件对所得结果进行方差分析，差异显著性分析采用Duncan法，<0.05表示差异显著。利用Microsoft Excel软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 对稻米加工品质和外观品质的影响

加工品质主要测定糙米率、精米率和整精米率，而外观品质主要考查精米长宽比、垩白度和垩白粒率。从表1可知，与对照相比，灌浆前期高温使稻米的糙米率、精米率显著下降，而灌浆后期高温不影响稻米的糙米率和精米率，两个品种的变化趋势一致。与热敏感9311近等基因系相比，耐热品种黄华占下降幅度小些。灌浆期高温对耐热品种黄华占的长宽比无影响，但灌浆前期高温处理使热敏感9311近等基因系的长宽比显著下降，而灌浆后期高温处理对其无显著影响。灌浆期高温对整精米率、垩白度、垩白粒率产生较大影响，灌浆前期和后期高温均使整精米率显著性下降，使垩白度显著增加，两个品种都表现为受灌浆前期高温影响程度大于灌浆后期高温。从表1中可以得到，黄华占和9311近等基因系在灌浆期前期受高温处理后整精米率分别下降54%和63%，垩白粒率均达到90%以上，垩白度比对照分别增加84倍和121倍。灌浆期前期高温处理对稻米的加工品质和外观品质影响更为严重，与热敏感9311近等基因系相比，耐热品种黄华占受影响程度更小。

2.2 对淀粉组成和胶稠度的影响

从表2可以得到，与对照相比，两个品种灌浆前期经高温处理后，总淀粉含量、直链淀粉含量、直/支链淀粉比显著下降。但耐高温品种黄华占受影响程度小于热敏感9311近等基因系，与对照相比，灌浆前期高温处理使耐热品种黄华占和热敏感9311近等基因系的总淀粉含量分别下降6.1%和4.5%，直链淀粉含量分别下降25.2%和37.4%，直/支链淀粉比分别下降24.1%和36.8%。直链淀粉含量对高温更敏感，受影响程度大于总淀粉含量。灌浆后期高温处理对于两个品种的淀粉组分的影响都小于灌浆前期高温。灌浆期前期和后期高温不影响耐热品种的支链淀粉含量，对于热敏感品种的影响不一致，灌浆前期高温使其显著上升，灌浆后期高温使其显著下降。灌浆期不同时段高温使胶稠度显著降低，耐热品种黄华占的灌浆前期和后期高温处理后胶稠度分别降低15.7%和14.5%，而热敏感9311近等基因系的灌浆前期和后期高温处理后胶稠度分别降低14.1%和15.2%，两个品种的灌浆前期和灌浆后期相比均没有显著性差异。

表1 灌浆期不同时段高温对稻米加工品质和外观品质的影响

表中数据为3次重复实验的平均值±标准差，标准差后面不同字母代表处理间差异达0.05显著水平。CT－常温对照; QD－灌浆前期（齐穗期后1－15 d）高温; HD－灌浆后期（齐穗期后16 d－成熟）高温。下同。

9311N, Near-isogenic lines derived from 9311. Data are shown as mean ± SD of triplicate measurements. Different letters mean significant difference (< 0.05). CT, Control temperature. QD, High temperature treatment at early grain-filling (1－15 d after full heading) . HD, High temperature at late grain-filling (16 d after full heading to maturity). The same below.

2.3 对支链淀粉链长分布的影响

从图1中可以看到灌浆前期和后期高温均使聚合度在DP 6～18范围的短支链淀粉含量下降，使DP 19～30范围的支链淀粉含量增加，DP 31～42的中长支链淀粉含量总体不变，而DP 42～76范围的长支链淀粉含量总体呈增加趋势。为进一步分析支链淀粉的精细结构，将支链淀粉的葡聚糖链根据聚合度的大小划分为四个离散类，分别为：A链(6≤DP≤12)、B1链(12＜DP≤24)、B2链(24＜DP≤36)和B3链(36＜DP≤76)，分别对应支链淀粉的A链和B链(包含短链B1链、中等链B2链、长链B3链)。从表3中可以看到，对于耐热品种黄华占，灌浆前期和后期高温都使其支链淀粉短链A链含量显著降低，分别降低8.1%和5.7%。而对于黄华占支链淀粉B链的影响，灌浆前期高温使短链B1含量降低3.1%，中长链B2、B3链分别增加10.9%和27.5%。灌浆后期高温使黄华占支链淀粉B1链降低1.2%，中长链B2、B3链分别增加7.2%和14.8%。对于热敏感9311近等基因系，灌浆前期高温处理使其支链淀粉A链降低12.5%，而使中长链B2和B3链分别增加6.1%和19.1%，灌浆后期高温处理，除使支链淀粉B1链显著降低外，基本不影响支链淀粉的链长分布。因此，在耐热品种和热敏感品种中都表现为灌浆前期高温处理对支链淀粉链长分布的影响大于灌浆后期，而热敏感品种支链淀粉短链A链的降幅大于耐热品种，但中长链的增幅小于耐热品种。

图1 灌浆期不同时段高温对黄华占(A)和9311近等基因系(B)支链淀粉链长分布的影响

Fig. 1. Effect of high temperature at different phases of grain filling on amylopectin chain distribution of heat tolerant variety Huanghuazhan(A) and heat sensitive near-isogenic lines derived from 9311 (B).

表2 灌浆期不同时段高温对淀粉组分和胶稠度的影响

表3 灌浆期不同时段高温对支链淀粉A、B1、B2、B3链含量的影响

表4 灌浆期不同时段高温对糊化特性的影响

图2 灌浆期不同时段高温对黄华占(A)和9311近等基因系(B)淀粉晶体结构的影响

Fig. 2. Effect of high temperature at different times of grain filling on starch crystal structure of heat tolerant variety Huanghuazhan(A) and heat sensitive near-isogenic lines derived from 9311N (B).

图3 灌浆期不同时段高温对黄华占(A)和9311N(B)近等基因系淀粉颗粒形态结构的影响

Fig. 3. Scanning electron photomicrographs of rice starch from heat tolerant variety Huanghuazhan(A) and heat sensitive near-isogenic lines derived from 9311N (B) as affected by high temperature at various parts of grain-filling.

2.4 对淀粉糊化特性的影响

从表4可以看到两个品种得到了相似的结果，与对照相比，灌浆前期、后期高温处理都使起始糊化温度、峰值糊化温度显著升高，但经灌浆前期高温处理的材料，其起始糊化温度和峰值糊化温度的变幅更大；终止糊化温度、糊化焓在灌浆前期高温处理后表现为显著升高，但经灌浆后期高温处理后没有明显的改变。

2.5 对淀粉黏度特性的影响

对于耐热品种，与对照相比，峰值黏度、谷值黏度和最终黏度均增加，但各指标增幅不同，且灌浆前期高温变化更为明显，灌浆后期高温对最终黏度无影响；对于热敏感品种，灌浆前期和后期受到高温都使峰值黏度增加，但谷值黏度和最终黏度变化不一致，表现为灌浆前期高温使谷值黏度和最终黏度增加，灌浆后期高温则相反。崩解值和消减值在两个品种间均显示相同的变化趋势，灌浆前期高温使崩解值下降，消减值增加，而灌浆后期高温使崩解值增加，消减值下降(表5)。

表5 灌浆期不同时段高温对黏度特性的影响

2.6 对淀粉结晶特性的影响

为了更清楚地观察结晶类型，分别将灌浆前期和灌浆后期各个扫描点相对结晶强度增加500和1000。结果发现两个品种都表现为灌浆期前期和后期高温胁迫对结晶类型无显著性影响，两个品种的所有处理都呈现A型结晶峰(图2)。但从结晶度来看，不同时段高温的处理显著影响了相对结晶度(表6)，灌浆后期高温结晶度降幅大于灌浆前期高温，与常温对照相比，热敏感材料灌浆经前期高温处理后其结晶度略有增加。

表6 灌浆期不同时段高温对淀粉结晶度和粒度分布的影响

2.7 对稻米颗粒形态的影响

用扫描电镜观察淀粉的颗粒形态，结果表明所有处理材料的淀粉颗粒形状相似，多为不规则的多面体。由图3可以看到，适温条件下的淀粉颗粒表面大多为光滑表面，而高温条件下，淀粉颗粒表面可以看到一些小孔，表面变得凹凸不平。灌浆前期高温处理使淀粉颗粒的表面受损程度大于灌浆后期高温处理的材料，与对照相比，灌浆前期高温对热敏感水稻9311近等基因系的影响大于耐热品种黄华占。灌浆后期高温处理使耐热品种黄华占的淀粉颗粒只出现少量的小孔，形状与对照处理无明显差异，而热敏感9311近等基因系的淀粉颗粒表面受影响大些。

2.8 对淀粉粒度分布的影响

从表6粒度分布结果来看，除黄华占经灌浆后期高温处理的材料外，灌浆前期和后期高温对两个品种的淀粉颗粒体积、表面积和数量分布影响趋势一致，表现为小中淀粉粒数量、表面积占比、体积占比增加，大淀粉粒数目、表面积占比、体积占比降低，但经灌浆前期高温处理的材料受影响程度大于灌浆后期。耐热品种黄华占经过灌浆前期高温处理后，小中淀粉粒的数量、体积和表面积分别增加17%、17%和23%，同时大淀粉粒的数量、体积和表面积分别降低27%、2.9%和8.6%。与耐热品种相比，热敏感9311近等基因系受灌浆前期高温影响更大，小中淀粉粒的数量、体积和表面积分别增加43%、143%和102%，而大淀粉粒的数量、体积和表面积分别降低45%、13%和24%。耐热品种黄华占受灌浆后期高温的影响最小，其表面积分布和数量分布都没有显著变化，体积分布显示小中淀粉粒降低，大淀粉粒增加。

3 讨论

灌浆结实期是稻米品质形成的关键时期，适宜的灌浆温度对稻米品质至关重要。水稻灌浆结实期是指水稻开花受精到谷粒成熟的时期，一般分为乳熟期(10～15 d)、蜡熟期(7～10 d)和完熟期(8 d左右)。开花后3～5 d进入乳熟期，这时已经有淀粉的积累，籽粒成乳白色液体状，此后籽粒颜色逐渐变浓，变成硬块，谷壳变黄进入蜡熟期，蜡熟期7～10 d后进入完熟期，整个过程大概持续30～40 d[24]。本研究从齐穗期开始温度处理，灌浆前期为灌浆前15 d，这个时期主要处于乳熟期，是淀粉合成的关键时期，灌浆后期主要处于蜡熟和完熟时期。

3.1 灌浆期不同时段高温对加工品质和外观品质的影响

灌浆期高温使糙米率、精米率、整精米率显著下降，垩白度和垩白粒率显著上升，使加工品质和外观品质变劣，这与我们之前的研究结果[22]基本一致。其中灌浆前期高温对稻米加工品质和外观品质的影响程度大于灌浆后期高温，耐热品种受影响程度小于热敏感品种。本研究发现灌浆前期高温对整精米率和垩白影响最为严重，这可能因为花后6～20 d是稻米垩白形成的关键时期，在此期间水稻受到高温将使淀粉粒间隙变大，导致垩白增加[25]。高温对乳熟期水稻的整精米率影响最大，原因可能是灌浆前期高温使谷粒的灌浆速率加快，灌浆时间缩短，导致籽粒充实度下降、米糠层厚度增加，进而降低了精米率和整精米率[23,26]。有研究报道，垩白与整精米率负相关，垩白度和垩白粒率的增加，使稻米在加工过程中易碎，导致整精米率下降[27-28]。

3.2 灌浆期不同时段高温对淀粉组成和结构的影响

灌浆不同时期淀粉合成关键酶活性不一致，且不同品种在同一时期酶活性达到最高的时间有显著差异[29]。一般，ADPG淀粉合成焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶(SSS)和颗粒结合型淀粉合成酶活性在乳熟期活性达到最大，灌浆期前期的高温抑制这3个酶的活性，不利于淀粉的积累，因此导致总淀粉含量、直链淀粉含量、直/支链淀粉比的显著下降[30]。另外，张彩霞等[31]研究表明灌浆期高温抑制稻米淀粉积累可能与高温下蔗糖分解受阻有关。高温可以提高可溶性淀粉分支酶(可溶性Q酶)的活性，而颗粒结合型分支酶(颗粒型Q酶)活性变化不大，淀粉脱分支酶(DBE)活性降低，因此灌浆期高温促进短支链淀粉合成中长支链淀粉[32-33]。而在灌浆后期，尤其在完熟期，淀粉的积累基本结束，淀粉合成相关酶的活性较小，高温对淀粉组分影响较小[29]。本研究中灌浆期高温，尤其灌浆前期高温显著降低短支链淀粉含量，增加中长链支链淀粉含量，促进结晶片层的形成，但粒度结果显示小中淀粉粒的数量、体积和表面积增加，大淀粉粒相应降低，说明虽然结晶片层在一定程度上增加，但淀粉粒依然表现为更加碎片化，与莫文伟等的[34]研究结果相似。与耐热品种相比，热敏感品种灌浆前期经高温处理后，其淀粉积累更少，淀粉粒碎片化更为严重，更利于结晶片层的形成，导致糊化温度和糊化焓上升更为显著，稻米更难以糊化。对于支链淀粉含量，耐热品种黄华占没有显著性改变，热敏感9311近等基因系在灌浆前期高温影响下表现为增加，在灌浆期后期影响下表现为下降，说明水稻在应对灌浆期高温胁迫时对支链淀粉在灌浆期前后两段的调控机制不同。

3.3 灌浆期不同时段高温对淀粉理化特性的影响

稻米淀粉的组成和结构主要受遗传和环境因素的影响，高温下淀粉的各组分和结构的变化，主要与淀粉合成相关酶有关。而淀粉的组分和结构的改变导致淀粉理化特性的变化[32]。我们的研究结果表明灌浆前期高温对水稻糊化特性的影响更大，水稻品种在灌浆前期遇高温后，糊化温度和糊化焓显著性升高，研究表明糊化特性与直链淀粉含量负相关，而与中长链支链淀粉含量正相关，因此糊化温度和糊化焓的增加可能是直链淀粉含量的降低和中长链支链淀粉含量增加所导致的[10, 27]。增加的糊化温度使米饭需要更高的温度才能煮熟，糊化焓升高说明米饭在蒸煮过程中需要吸收更多的热量，这些特性的改变使米饭蒸煮特性变差[22]。

RVA谱特征值与稻米的蒸煮食味品质密切相关，一般蒸煮食味品质好的稻米，其崩解值较大，而消减值较小[34]。本研究中灌浆前期高温处理具有较高的消减值和较低的崩解值，使黏度特性变差；灌浆后期高温处理具有较低的消减值和较高的崩解值，使黏度特性变好，这与前人研究结果相似[5,25]。前人研究表明，支链淀粉的分支结构主要影响糊化温度与结晶度，而直链淀粉是影响RVA谱黏度特征的主要因素[28]。而Bao、Tong和Peng等[35-37]认为是稻米黏度特性的主要控制基因，由编码合成的GBSSⅠ主要负责胚乳中的直链淀粉，以及支链淀粉中较长葡聚糖链的形成，因此直链淀粉和支链淀粉的分支结构，尤其长链和超长链与RVA谱特征值存在一定的相关性。本研究发现，灌浆前期高温使耐热水稻品种黄华占和热敏感水稻9311近等基因系的直链淀粉含量分别下降25.2%和37.4%。对于支链淀粉链长分布分析显示，灌浆期高温主要影响热敏感品种支链淀粉的短链A链和耐热品种的中长链B链。推测灌浆前期高温使耐热品种的支链淀粉中长链增幅大于热敏感品种对支链淀粉短链的降幅是导致耐热品种的黏度特性更差的原因。但是与热敏感品种相比，耐热品种稻米的加工品质和外观品质指标、直链淀粉含量、淀粉的颗粒形态、淀粉的粒径分布等指标经灌浆期高温处理后变幅更小，表现为耐热特性。本研究中，灌浆不同时段高温对黏度特性影响不一致，可能是因为选用品种的不同，也可能是灌浆前期和灌浆后期直链淀粉含量变幅不一引起的，有待于进一步验证。灌浆前期和后期高温都不改变淀粉颗粒的结晶类型，但是结晶度有显著变化，灌浆后期高温淀粉颗粒结晶度降幅大于灌浆前期高温，这可能与灌浆期前期高温短支链淀粉降幅大于灌浆后期有关，而热敏感品种的支链淀粉中长链含量增幅最为显著，因此其结晶度不降反而略有增加。灌浆期高温条件使淀粉颗粒表面变得凹凸不平，这是由于大淀粉颗粒减少，中小淀粉粒增加引起淀粉颗粒更加碎片化，热敏感品种受灌浆前期影响更为严重，淀粉颗粒更疏松[33,38]。

4 结论

灌浆期高温使稻米的糙米率、精米率、整精米率、总淀粉含量、直链淀粉含量、短支链淀粉含量、胶稠度、大淀粉粒的数目、体积和表面积占比等指标显著性下降，使垩白度、垩白粒率、中长链支链淀粉含量、糊化温度和糊化焓、小中淀粉粒的数量、体积和表面积占比等指标显著性上升，使黏度特性显著改变、结晶类型不变但结晶度显著改变，淀粉颗粒表面出现小孔，表面变得凹凸不平，最终导致加工品质、外观品质和蒸煮食味品质变劣。淀粉的糊化特性、黏度特性、结晶特性和颗粒形貌等理化特性的改变与淀粉的组分含量、支链淀粉链长分布和粒度分布等结构变化密切相关。灌浆期不同时段高温对稻米品质的影响程度不同，灌浆前期高温对稻米淀粉的影响大于灌浆后期，耐热品种受影响程度小于热敏感品种。灌浆前期高温引起稻米消减值升高和崩解值降低，使黏度特性变差；灌浆后期高温引起稻米消减值降低和崩解值升高，使黏度特性变好。

[1] 刘鑫燕, 李娟, 刘雪菊, 张昌泉, 顾铭洪, 刘巧泉. 可溶性淀粉合成酶与稻米淀粉精细结构关系的研究进展[J]. 植物生理学报, 2014, 50(10): 1453-1458.

Liu X Y, Li J, Liu X J, Zhang C Q, Gu M H, Liu Q Q. Progress in the relationship between soluble starch synthases and starch fine structure in rice[J]., 2014, 50 (10): 1453-1458. (in Chinese with English abstract)

[2] Thitisaksakul M, Jimenez R C, Arias M C, Beckles D M. Effects of environmental factors on cereal starch biosynthesis and composition[J]., 2012, 56(1): 67-80.

[3] Chun A, Lee H J, Hamaker B R, Janaswamy S. Effects of ripening temperature on starch structure and gelatinization, pasting, and cooking properties in rice ()[J]., 2015, 63(12): 3085-3093.

[4] Zhang C Q, Zhou L H, Zhu Z B, Lu H W, Zhou X Z, Qian Y T, Li Q F, Lu Y, Gu M H, Liu Q Q. Characterization of grain quality and starch fine structure of two japonica rice () cultivars with good sensory properties at different temperatures during the filling stage[J]., 2016, 64(20): 4048-4057.

[5] 张桂莲, 张顺堂, 王力, 肖应辉，唐文帮，陈光辉，陈立云. 抽穗结实期不同时段高温对稻米品质的影响[J]. 中国农业科学, 2013, 46(14): 2869-2879.

Zhang G L, Zhang S T, Wang L, Xiao Y H, Tang W B, Chen G H, Chen L Y. Effects of high temperature at different times during the heading and filling periods on rice quality[J]., 2013, 46(14): 2869-2879. (in Chinese with English abstract)

[6] Zhang G L, Liao B, Li B, Cai Z H. The effect of high temperature after anthesis on rice quality and starch granule structure of endosperm[J]., 2016, 7(3): 72-75.

[7] Dou Z, Tang S, Li G H, Ding C Q, Chen L, Wang S H, Ding Y F. Application of nitrogen fertilizer at heading stage improves rice quality under elevated temperature during grain-filling stage[J]., 2017, 57(4): 1-10.

[8] Mitsui T, Shiraya T, Kaneko K, Wada K. Proteomics of rice grain under high temperature stress [J]., 2013, 4: 36.

[9] Ahmed N, Tetlow I J, Nawaz S, Iqbal A, Mubin M, Rehman S, Butt A, Lightfoot D A, Maekawa M. Effect of high temperature on grain filling period, yield, amylose content and activity of starch biosynthesis enzymes in endosperm of basmati rice[J]., 2015, 95(11): 2237-2243.

[10] Kong X L, Zhu P, Sui Z Q, Bao J S. Physicochemical properties of starches from diverse rice cultivars varying in apparent amylose content and gelatinisation temperature combinations [J]., 2015, 172: 433-440.

[11] Jiang H, Dian W, Wu P. Effect of high temperature on fine structure of amylopectin in rice endosperm by reducing the activity of the starch branching enzyme [J]., 2003, 63(1): 53-59.

[12] Gunaratne A, Sirisena N, Ratnayaka U K, Ratnayaka J, Kong X L, Arachchi L P V, Corke H. Effect of fertiliser on functional properties of flour from four rice varieties grown in Sri Lanka [J]., 2011, 91(7): 1271-1276.

[13] Lin C J, Li C Y, Lin S K, Yang F H, Huang J J, Liu Y H, Lur H S. Influence of high temperature during grain filling on the accumulation of storage proteins and grain quality in rice (L.) [J]., 2010, 58(19): 10545-10552.

[14] Umemoto T, Terashima K. Research note: Activity of granule-bound starch synthase is an important determinant of amylose content in rice endosperm[J]., 2002, 29(9): 1121-1124.

[15] 张桂莲, 廖斌, 李博, 蔡志欢. 花后高温对稻米品质及胚乳淀粉粒结构的影响[J]. 中国农学通报, 2016, 32(9): 10-14.

Zhang G L, Liao B, Li B, Cai Z H. Effect of high temperature after anthesis on rice quality and starch granule structure of endosperm[J]., 2016, 32(9): 10-14. (in Chinese with English abstract)

[16] Zhong L J, Cheng F M, Wen X, Sun Z X, Zhang G P. The deterioration of eating and cooking quality caused by high temperature during grain filling in early-season indica rice cultivars [J]., 2005, 191(3): 218-225.

[17] 徐富贤, 郑家奎, 朱永川, 王贵雄. 灌浆期气象因子对杂交中籼稻米碾米品质和外观品质的影响[J]. 植物生态学报, 2003, 27(1): 73-77.

Xu F X, Zheng J K, Zhu Y C, Wang G X. Effect of atmospheric phenomena factors on the milling quality and the appearance quality of medium indica hybrid rice during the period from full heading to maturity[J]., 2003, 27(1): 73-77. (in Chinese with English abstract)

[18] 程方民, 丁元树, 朱碧岩. 稻米直链淀粉含量的形成及其与灌浆结实期温度的关系[J], 生态学报，2000，20(4): 646-652.

Cheng F M, Ding Y S, Zhu B Y. The formation of amylose content in rice grain and its relation with field temperature [J]., 2000，20(4): 646-652. (in Chinese with English abstract)

[19] Lanning S B, Siebenmorgen T J, Counce P A, Ambardekar A A. Extreme nighttime air temperatures in 2010 impact rice chalkiness and milling quality[J]., 2011, 124(1): 132-136.

[20] Ambardekar A A, Siebenmorgen T J, Counce P A, Lanning S B, Mauromoustakos A. Impact of field-scale nighttime air temperatures during kernel development on rice milling quality[J]., 2011, 122(3): 179-185.

[21] 邓化冰, 邓启云, 陈立云, 杨益善, 庄文, 熊跃东. 野生稻增产QTL导入9311之近等基因系的构建[J]. 杂交水稻, 2005, 20(6): 52-56.

Deng H B, Deng Q Y, Chen L Y, Yang Y S, Zhuang W, Xiong Y D. Development of Near-isogenic Lines with Yield-enhancing Genes fromby MAS in 9311[J]., 20(6): 52-56. (in Chinese with English abstract)

[22] Yao D P, Wu J, Luo Q H, Li J W, Zhuang W, Xiao G, Deng Q Y, Lei D Y, Bai B. Influence of high natural field temperature during grain filling stage on the morphological structure and physicochemical properties of rice (L.) starch[J]., 2020, 310: 125817. 1-125817.7.

[23] Xiong R Y, Xie J X, Chen L M, Yang T T, Tan X M, Zhou Y J, Pan X H, Zeng Y J, Shi Q H, Zhang J, Zeng Y H. Water irrigation management affects starch structure and physicochemical properties of indica rice with different grain quality[J]., 2021, 347(3): 129045.

[24] 李健陵, 张晓艳, 吴艳飞, 吴丽姬, 杜尧东, 胡飞. 灌浆结实期高温对早稻产量和品质的影响[J]. 中国稻米, 2013, 19(4)：50-55.

Li J L, Zhang X Y, Wu Y F, Wu L J, Du Y D, Hu F. Effects of high temperature during grain filling stage on yield and quality of early rice[J]., 2013, 19(4): 50-55. (in Chinese with English abstract)

[25] 盛婧, 陶红娟, 陈留根. 灌浆结实期不同时段温度对水稻结实与稻米品质的影响[J]. 中国水稻科学, 2007, 21(4): 396-402.

Sheng J, Tao H J, Chen L G. Response of seed setting and grain quality of rice to temperature at different time during grain filling period[J]., 2007, 21(4): 396-402. (in Chinese with English abstract)

[26] 沈鹏, 金正勋, 罗秋香, 金学泳孙艳丽. 水稻灌浆过程中籽粒淀粉合成关键酶活性与蒸煮食味品质的关系[J]. 中国水稻科学, 2006, 20(1): 58-64.

Shen P, Jin Z X, Luo Q X, Jin X Y, Sun Y L. Relationship between activity of key starch synthetic enzymes during grain filling and quality of eating and cooking in rice[J]., 2006, 20(1):58-64. (in Chinese with English abstract)

[27] Dou Z, Tang S, Chen W Z, Zhang H X, Li G H, Liu Z H, Ding C Q, Chen L, Wang S H, Zhang H C, Ding Y F. Effects of open-field warming during grain-filling stage on grain quality of two japonica rice cultivars in lower reaches of Yangtze River delta[J]., 2018, 81: 118-126.

[28] Rehmani M I A , Wei G B, Hussain N, Ding C Q, Li G H, Liu Z H, Wang S H, Ding Y F. Yield and quality responses of two indica rice hybrids to post-anthesis asymmetric day and night open-field warming in lower reaches of Yangtze River delta[J]., 2014, 156: 231-241.

[29] 王军可, 王亚梁, 陈惠哲, 向镜, 张义凯, 朱德峰, 张玉屏. 灌浆初期高温影响水稻籽粒碳氮代谢的机理[J]. 中国农业气象, 2020, 41(12): 774-784.

Wang J K , Wang Y L, Chen H Z, Xiang J, Zhang Y K, Zhu D F, Zhang Y P. Mechanism of high temperature affecting carbon and nitrogen metabolism of rice grain at the early stage of grain filling[J]., 2020, 41(12): 774-784. (in Chinese with English abstract)

[30] 李天. 温光对水稻籽粒碳水化合物代谢及品质的影响[D]. 雅安: 四川农业大学, 2005.

Li T. Effects of temperature and light on carbohydrate metabolism and quality in rice grain [D]. Ya’an: Sichuan Agricultural University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[31] 张彩霞. 高温影响水稻韧皮部同化物转运及代谢的作用机制及调控[D]. 北京: 中国农业科学院, 2018.

Zhang C X. The mechanism and regulation underlying the inhibition on the assimilates transport and metabolism in phloem of rice caused by heat stress[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2018. (in Chinese with English abstract)

[32] Bao J S, Ying Y, Zhou X, Xu Y, Wu P, Xu F, Pang Y. Relationships among starch biosynthesizing protein content, fine structure and functionality in rice., 2020, 237: 116118.

[33] 闫素辉, 王振林, 尹燕枰, 李文阳, 梁太波, 李勇, 邬云海, 王平, 耿庆辉, 戴忠民. 灌浆期高温对小麦籽粒淀粉的积累、粒度分布及相关酶活性的影响[J]. 作物学报, 2008, 34(6): 1092-1096.

Yan S H, Wang Z L,Yin Y P, Li W Y, Liang T B, Li Y, Wu Y H, Wang P, Geng Q H, Dai Z M. Effect of high temperature during grain filling on starch accumulation, starch granule distribution, and activities of related enzymes in wheat grains[J]., 2008, 34(6): 1092-1096. (in Chinese with English abstract)

[34] 莫文伟, 旷娜, 郑华斌, 王晓敏, 周蔚, 唐启源. 再生稻与晚稻常规米质及RVA谱特征的对比研究[J]. 湖南农业大学学报: 自然科学版, 2020, 46(3): 271-277.

Mo W W, Kuang N, Zheng H B, Wang X M, Zhou W, Tang Q Y. Comparative study on quality and RVA profile parameters of ratoon rice and late rice[J]., 2020, 46(3): 271-277. (in Chinese with English abstract)

[35] Bao J S. Towards understanding of the genetic and molecular basis of eating and cooking quality of rice[J]., 2012, 57: 148-156.

[36] Tong C, Chen Y L, Tang F F, Xu F F, Huang Y, Chen H, Bao J S. Genetic diversity of amylose content and RVA pasting parameters in 20 rice accessions grown in Hainan, China[J]., 2014, 161(11): 239-245.

[37] Peng Y, Mao B, Zhang C. Correlations between parental lines and indica hybrid rice in terms of eating quality traits[J]., 2021, 8: 663504.

[38] 成臣, 曾勇军, 程慧煌, 谭雪明, 商庆银, 曾研华, 石庆华. 齐穗至乳熟期不同温度对水稻南粳9108籽粒激素含量、淀粉积累及其合成关键酶活性的影响[J]. 中国水稻科学, 2019, 33(1): 57-67.

Cheng C, Zeng Y J, Cheng H H, Tan X M, Shang Q Y, Zeng Y H, Shi Q H. Effects of different temperature from full heading to milking on grain filling stage on grain hormones concentrations, activities of enzymes involved in starch synthesis and accumulation in rice Nanjing 9108[J]., 2019, 33(1): 57-67. (in Chinese with English abstract)

Effects of High Temperature in Various Phases of Grain Filling on Rice Starch Physicochemical Properties

SHEN Hong1, #, YAO Dongping1, 2, #, WU Jun1, LUO Qiuhong2, WU Zhipeng3, LEI Dongyang2, DENG Qiyun1, BAI Bin1, *

(State Key Laboratory of Hybrid Rice, Hunan Hybrid Rice Research Center, Changsha 410125, China; College of Agronomy, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; Agricultural and Rural Bureau of Dong'an County, Yongzhou 425900, China; These authors contributed equally to this work; Corresponding author, E-mail: baibin87@163.com)

【Objective】The effects of high temperature on the composition, structure and physicochemical properties of rice starch at different parts of grain filling were studied to reveal the effect of high temperature and the relationship among high temperature, structure and function.【Method】Heat-tolerant Huanghuazhan and heat-sensitive near-isogenic lines of 9311 were used as experimental materials. The experiment was conducted in artificial climate boxes at high temperature (38℃/30℃) and control temperature (28℃/22℃) to clarify the effects of high temperature during early (1－15 d after full heading) and late (from 16 d after full heading to maturity) grain-filling on rice processing quality, appearance quality, starch composition, amylopectin chain length distribution, particle size distribution, gel consistency, viscosity, gelatinization, crystalline properties and starch granule morphology. 【Result】High temperature at grain-filling stage significantly reduced brown rice rate, polished rice rate and head milled rice rate, but significantly increased chalky grain rate and chalkiness, resulting in poor processing and appearance quality. High temperature during grain filling obviously decreased total starch contents, amylose content, short chain amylopectin content, percentage of large granule, amylose/amylopectin ratio, while increased medium chain amylopectin content, percentage of small & medium granule and gelatinization temperature, gelatinization enthalpy and significantly affected viscosity properties, relative crystallinity with same crystalline type, as well as pitting and unevenness on the surface of the starch granules, making starch granules more fragmented and cooking and eating quality worse. The effects of high temperature at different times of grain filling stage on rice quality were different. The damage degree of high temperature at early grain filling stage was greater than that at late grain filling, and the effect on the heat-tolerant variety was less than that of the heat-sensitive variety. The high temperature at early grain filling stage led to the highest setback and the lowest breakdown, which degraded the viscosity properties. The high temperature at late grain filling had the lowest setback and the highest breakdown, which made the viscosity properties better. 【Conclusion】The starch structure and physicochemical properties were more affected by the high temperature during early grain filling as compared with late grain filling stage. The processing, appearance, cooking and eating quality of rice were worse due to the high temperature at early grain filling stage. The high temperature at late grain filling stage was helpful to improve the viscosity property of rice.

rice; filling stage; high temperature; starch composition; physicochemical property

10.16819/j.1001-7216.2022.210413

2021-04-22；

2021-08-24。

三亚崖州湾科技城管理局2020年度科技计划资助项目(SKJC-2020-02-006)；湖南省作物种质创新与资源利用重点实验室科学基金开放项目(19KFXM09)。