空气水稻蛋白质含量的影响
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人类活动加剧导致了大气CO2浓度不断增长。西方工业革命前，大气CO2浓度仅为280μmol•mol－1，目前已上升到380μmol•mol－1；据最新模型估计，到2050年大气CO2浓度将达到550μmol•mol－1，至本世纪末将超过700μmol•mol－1[1]。CO2是作物光合作用的底物，其快速增长影响作物产量的同时对作物品质也产生深刻影响。稻米品质主要包括碾磨品质、外观品质、蒸煮/食味品质和营养品质4个方面，有关大气CO2浓度升高对水稻品质的影响，前人已有一些研究[2-8]。衡量稻米营养品质的指标主要是稻米中的蛋白质含量及其氨基酸组成[9]。在稻米蛋白质营养品质方面，现有的研究主要集中在蛋白质含量变化上，对稻米中各种氨基酸含量的变化鲜有报道[3，6]。Taub等[10]整合分析表明，CO2浓度由315~400μmol•mol－1上升至540~958μmol•mol－1使水稻籽粒蛋白质含量平均下降了9.9%（n=14），盆栽试验的响应（-15%，n=6）略大于大田试验的响应（-6%，n=8）。其后，Yang等[5]、吴健等[6]以及徐长亮等[7]的研究亦发现，大气CO2浓度升高使稻米蛋白质含量下降。但上述研究多是在封闭或半封闭条件下以单个品种为材料进行的，蛋白质含量对大气CO2浓度升高的响应是否存在品种间差异，各种氨基酸特别是重要的限制性氨基酸含量有何变化，鲜有报道[3，6-7]。本研究利用FACE平台，与封闭和半封闭研究不同，FACE（FreeAirCO2Enrichment）试验在空气自由流动的大田条件下进行，提供了研究未来作物响应的理想平台[11]，以3个常规粳稻品种作为供试材料，重点研究完全开放的稻田条件下不同粳稻品种稻米蛋白质和氨基酸含量对大气CO2浓度增加的响应，为未来大气CO2浓度升高对作物蛋白质营养品质的影响提供科学依据。
1材料与方法
1.1材料培育试验以武运粳21（常规中熟中粳稻，WYJ21）、扬辐粳8号（常规迟熟中粳稻，YFJ8）、武粳15（常规早熟晚粳稻，WJ15）3种常规粳稻为供试品种。试验于2009年在中国水稻FACE研究技术平本文作者：周晓冬、赖上坤、周 娟、王云霞、董桂春、朱建国、杨连新、王余龙 单位： 南京信息工程大学江苏省农业气象重点实验室、扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室/农业部长江中下作物生理生态与栽培重点开放实验室、中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验
室
台上进行。该平台位于江苏省江都市小纪镇良种场试验田（32°35.5′N，119°42′E）。土壤类型为青泥土，理化性质为：有机碳18.4g•kg－1，全N1.45g•kg－1，全P0.63g•kg－1，全K14.0g•kg－1，速效P10.1mg•kg－1，速效K70.5mg•kg－1，砂粒（2~0.02mm）578.4g•kg－1，粉砂粒（0.02~0.002mm）285.1g•kg－1，粘粒（<0.002mm）136.5g•kg－1，容重1.16g•cm-3，pH7.2。耕作方式为水稻－冬小麦轮作。大气CO2浓度设对照Ambient（370μmol•mol－1）和比对照高200μmol•mol－1的FACE处理（570μmol•mol－1）2个水平。平台共有3个FACE实验圈和3个对照圈。为减少CO2释放对其他圈的影响，FACE圈之间以及FACE圈与对照圈之间的间隔大于90m。FACE圈设计为正八角形，外圆直径为12.5m，通过FACE圈周围的管道向FACE圈中心喷射纯CO2气体，根据风向、风速及昼夜交替等因素的变化，由计算机网络系统自动调节FACE圈内CO2浓度，使其（全生育期）的CO2浓度保持在570μmol•mol－1左右，控制误差为10%。对照田块没有安装FACE管道，其余环境条件与自然状态一致（详见刘钢等[11]）。大田旱育秧，5月22日播种，6月17日人工移栽，行距25cm，株距16.7cm，24穴•m-2，每穴2苗。试验小区供肥水平相同，施氮量15gN•m-2，基肥和分蘖肥占施肥总量的60%，穗肥占施肥总量的40%。磷、钾肥作为基肥施用，施用量均为7g•m-2。水分管理按高产田管理进行。适时进行病虫草害防治，保证水稻正常生长。
1.2测定内容
1.2.1精米中氨基酸含量氨基酸含量测定采用AccQ•Tag高效液相色谱法测定。稻谷经出糙、出精后磨粉。准确称取米粉0.1000g（过100目筛）于10mL安碚瓶中，准确加入6mol•L－1HCL5mL，将安碚瓶封口，并用胶布包好（防止恒温消化时安碚瓶破裂），用注射器抽出安碚瓶中的空气，再向瓶中注入N2，将安碚瓶置于110℃恒温干燥箱中消化24h后取出冷却至室温，打开安碚瓶，过滤消化液（定量滤纸）至50mL，将其放置3~4h，再吸取2mL滤液至10mL试管中，在浓缩仪或旋转蒸发仪上减压蒸发去除HCl，残留物用2mL超纯水稀释，稀释液通过0.45μm孔径的滤膜后，即得到籽粒氨基酸水解液。取10μL水解液于衍生小管中，加入AccQ•Fluor缓冲液70μL，边混合边加入衍生剂（购自Waters，美国）20μL，置于55℃烘箱保温10min，转入微量进样小瓶，于HPLC（Waters2695，美国）检测。用2695分离单元、2487紫外检测器及Em－power色谱管理系统，反相AccQ•Tag分析柱为3.9mm×150mm，流动相A为140mmol•L－1乙酸钠－17mmol•L－1三乙胺（pH=4.95，磷酸调节），B为乙腈（色谱纯），C为超纯水。流速为1.0mL•min－1，柱温37℃，紫外检测波长为248nm，进样量为10μL。根据测定结果计算氨基酸含量。HPLC（Waters2695，美国）检测系统精确测定的15种氨基酸包括：赖氨酸（Lys）、缬氨酸（Val）、甲硫（蛋）氨酸（Met）、苏氨酸（Thr），异亮氨酸（Ile）、亮氨酸（Leu）、苯丙氨酸（Phe）7种必需氨基酸，天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、丝氨酸（Ser）、甘氨酸（Gly）、组氨酸（His）、脯氨酸（Pro）、精氨酸（Arg）、丙氨酸（Ala）8种非必需氨基酸。
1.2.2精米蛋白质含量参照国家标准GB/T17891—1999《优质稻谷》，用凯氏定氮法测定精米含氮量，乘以换算系数5.95。
1.3数据处理蛋白质含量为样品干基的百分数（%）。氨基酸绝对含量为样品干基的百分数（%），乘以换算系数10得到每克精米中氨基酸含量（mg）。氨基酸相对含量为每克蛋白质中氨基酸的含量（mg）=（氨基酸绝对含量/蛋白质含量）×1000。本试验为两因素随机裂区设计，其中CO2为主区，品种为裂区。试验重复3次。采用MicrosoftExcel进行数据处理和作图，SPSS13.0软件进行差异显著性分析，显著水平设P<0.01、P<0.05和P>0.05，分别用**、*和ns表示。数据表示为平均值±标准误。
2结果与分析
2.1精米蛋白质含量大气CO2浓度增加对精米蛋白质含量的影响示于图1。供试品种精米蛋白质含量存在显著差异，运粳21平均精米蛋白质含量（7.5%）显著大于扬辐粳8号（6.4%），两者平均蛋白质含量显著大于武粳15（6.0%）；大气CO2浓度增加使供试品种精米蛋白质含量平均下降5.6%，达到极显著水平，不同品种下降程度存在差异，武运粳21精米蛋白质含量下降幅度较大（11.0%），达显著水平，扬辐粳8号和武粳15下降幅度小（2.0%~3.0%），未达显著水平。方差分析表明，CO2处理与品种对精米蛋白质含量存在较弱的互作效应（P=0.10）。
2.2精米氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量大气CO2浓度增加对水稻精米氨基酸总量、必需氨基酸总量、非必需氨基酸总量的影响如图2所示。大气CO2浓度增加使供试品种精米氨基酸总量平均下降7.6%，达到极显著水平；不同品种下降程度存在差异，武运粳21下降程度较大（12.0%），达到极显著水平，扬辐粳8号和武粳15下降程度小（5%~6%），未达0.05显著水平（P<0.25）。供试品种精米中必需氨基酸和非必需氨基酸总量对大气CO2浓度增加的响应趋势与氨基酸总量的响应趋势一致，必需氨基酸总量降幅略小于非必需氨基酸。方差分析表明，CO2处理与品种的互作对精米氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量均有一定影响（P≈0.2），但未达0.05显著水平。大气CO2浓度增加对必需氨基酸占氨基酸总量百分比的影响如图3所示。大气CO2浓度增加使水稻精米必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著增加，使非必需氨基酸占氨基酸总量百分比显著下降（P=0.03）。武运粳21必需氨基酸占氨基酸总量百分比由38.4%增加至38.8%，达显著水平，扬辐粳8号和武粳15必需氨基酸占氨基酸总量百分比无显著变化。方差分析表明，CO2处理与品种的互作对必需或非必需氨基酸占氨基酸总量百分比均未达到显著水平。
2.3精米必需和非必需氨基酸相对含量氨基酸相对含量是指每克（g）蛋白质中氨基酸的含量（mg），表示氨基酸的平衡。图4表明，CO2处理及其与品种的互作对这两个参数的影响均未达显著水平。2.4必需氨基酸含量大气CO2浓度增加对水稻精米中7种必需氨基酸含量的影响如表1所示。这7种必需氨基酸含量的品种间差异均达极显著水平（P<0.01）。大气CO2浓度增加使水稻精米中各必需氨基酸含量平均下降4%~8%，达显著或极显著水平。从不同品种差异看，武运粳21平均降幅为5.8%~12.9%，达极显著水平，扬辐粳8号和武粳15平均降幅分别为3.2%~5.2%、2.9%~6.7%，未达显著水平。从不同必需氨基酸看，亮氨酸和苯丙氨酸含量的平均降幅最大（8%），其次是苏氨酸、异亮氨酸和缬氨酸，重要限制性氨基酸赖氨酸和甲硫氨酸的降幅较小（平均下降4%~5%），品种趋势一致。方差分析表明，CO2处理与品种对精米苏氨酸、赖氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸有一定的互作效应（P<0.20）。2.5非必需氨基酸含量大气CO2浓度增加对水稻精米中8种非必需氨基酸含量的影响如表2所示。这8种非必需氨基酸含量品种间均存在极显著差异（P<0.01）。大气CO2浓度增加使水稻8种非必需氨基酸含量下降均达显著或极显著水平。从不同品种差异看，武运粳21非必需氨基酸含量降幅为10%~14%，达到显著或极显著水平，扬辐粳8号和武粳15降幅分别为2%~7%和5%~8%，未达0.05显著水平。方差分析表明，CO2处理与品种对精米中丝氨酸、谷氨酸、丙氨酸和脯氨酸有一定互作效应（P<0.20）。
3讨论
蛋白质含量不仅是衡量作物籽粒营养品质的重要指标，对米饭的食味品质也有很大影响。蛋白质含量由品种的遗传特性决定，但外界环境条件对蛋白质含量也会产生重要影响[12-14]。前人报道，无论是气室研究还是FACE研究，大气CO2浓度升高均使稻米蛋白质浓度一致下降[2-8]。本研究在FACE条件下，以目前生产中蛋白质含量存在显著差异的3个常规高产粳稻为供试材料（图1），研究表明大气CO2浓度增加200μmol•mol－1使供试品种精米蛋白质含量平均下降5.6%，达极显著水平（图1），该结果略小于Taub等[10]整合分析的结果（-9.9%），与同一FACE平台对粳稻武香粳14多年的试验结果接近[5]。关于水稻品种蛋白质含量对高浓度CO2的响应差异，徐长亮等[7]研究数据表明大气CO2浓度使粳稻Asominori和籼稻IR24蛋白质含量比对照分别下降了8.6%和13.5%（见文献[17]表3），达到显著水平。本研究尽管只检测到CO2与品种间较弱的互作效应（P=0.10），但还是可以明显看出稻米蛋白质含量对高浓度CO2响应存在着品种间差异。氨基酸组成及其含量决定了蛋白质的质量。吴健等[6]OTC试验发现大气CO2浓度升高使杂交稻汕优63氨基酸总量、8种必需氨基酸总量呈下降趋势，必需氨基酸占氨基酸百分比呈增加趋势。本文首次开展了自由空气中CO2浓度升高对不同粳稻品种精米中氨基酸含量的研究，结果表明大气CO2浓度增加使供试品种精米氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量平均下降7%~8%，使精米必需氨基酸占氨基酸总量的百分比平均增加0.3%，均达显著水平，这与吴健等[6]的结果趋势一致。本研究还表明，CO2与品种对氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量均有一定的互作效应（图2），但未达0.05显著水平。稻米蛋白质的质量还取决于必需氨基酸的相对含量。本研究结果表明，大气CO2浓度增加对水稻精米必需氨基酸和非必需氨基酸相对含量均无显著影响，不同品种趋势一致，说明高浓度CO2环境条件下稻米氨基酸平衡未发生明显变化。关于大气CO2浓度增加对稻米各种氨基酸组分的影响目前已有两例报道[3，6]，其中张旭等[3]报道600μmol•mol－1CO2浓度使籼稻特三矮2号17种氨基酸含量平均下降了30%~40%，吴健等[6]报道550μmol•mol－1CO2处理使杂交稻汕优63的氨基酸组分下降1%~15%，不同氨基酸含量下降程度不同。本研究发现大气CO2浓度增加使粳稻各种氨基酸含量下降达到显著水平，降幅因品种和氨基酸种类不同而不同，大气CO2浓度升高使得不同品种精米中蛋白质含量和氨基酸含量下降，大气CO2浓度升高影响稻米蛋白质营养品质的过程可能与植株体内的碳氮代谢关系密切[12，15-16]，其影响机理有待进一步研究。
4结论
大气CO2浓度增加使供试品种精米蛋白质含量，氨基酸总量、必需和非必需氨基酸总量、测定的7种必需氨基酸和8种非必需氨基酸的含量均显著或极显著下降，使供试品种精米必需和非必需氨基酸占氨基酸总量的百分比变化较小，仍达显著水平。与此不同，大气CO2浓度增加对精米中必需和非必需氨基酸的相对含量无显著影响。CO2处理与品种对精米蛋白质含量、氮基酸总量、必需和非必需氨基酸总量以及部分氨基酸有一定的互作效应。以上结果说明，本世纪中叶大气中CO2浓度的升高将使粳稻精米中的蛋白质与各种氨基酸含量下降，不同品种降幅存在一定差异。