香稻香气形成的生理特性初步研究

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1、香稻香气形成的生理特性初步研究段美洋，田华，钟克友，黎国喜，唐湘如*(华南农业大学 农学院, 广东 广州 510642)摘 要：以杂交香稻培杂软香、常规香稻桂香占、香气单片段代换系品14和品15以及其亲本受体华粳籼74为材料,采用大田试验,初步研究了不同基因型香稻糙米香气、籽粒脯氨酸含量、总游离氨基酸含量、脯氨酸氧化酶、鸟氨酸转氨酶活性。结果表明, 桂香占、培杂软香、品14和品15糙米的香气含量都显著高于对照(华粳籼74)；香稻品种(除品14外)籽粒的游离脯氨酸含量高于非香稻品种华粳籼74；香稻桂香占和培杂软香籽粒的总游离氨基酸也比华粳籼74高；香稻品种籽粒的脯氨酸氧化酶活性比非香稻华粳籼74

2、高；鸟氨酸转氨酶与香稻香气的形成无明显关系。关键词：香稻；香气；脯氨酸含量；总游离氨基酸；脯氨酸氧化酶；鸟氨酸转氨酶The Primary Research on the Physiological Characteristics of Aroma Formation in Aromatic RiceDUAN Mei-yang, TIAN Hua, ZHONG Ke-you, LI Guo-xi, TANG Xiang-ru* (College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou, Guangdong 5

3、10642, China)Abstract：The aroma content in brown rice，proline content, total free amino acid content , Proline oxidase activity and ornithine aminotransferase activity in grains were studied in fields by using a hybrid aromatic rice (Peizaruanxiang), a conventional aromatic rice (Guixiangzhan), two

4、aroma single segment substitution lines (Pin14 and Pin15) and their parents receptor Huajingxian74 for materials. The results showed that the aroma content in brown rice of Guixiangzhan, Peizaruanxiang, Pin14 and Pin15 were significantly higher than the control (Huajingxian74). The proline content i

5、n grains of aromatic rice was higher than that of non-scented rice Huajingxian74 except for Pin14, so was the total free amino acid content of Guixiangzhan and Peizaruanxiang. The proline oxidase activity of aromatic rice was higher than that of non-scented rice Huajingxian74 generally. The relation

6、ship between ornithine aminotransferase and the aroma of aromatic rice was not significant.Key words: aromatic rice；aroma；proline content；total free amino acid content；Proline oxidase；ornithine aminotransferase香稻以其清香可口的特色深受消费者喜爱和世界稻米市场的青睐1。经国内外许多学者的研究，证实这种香气物质主要是2-乙酰-1-吡咯啉(简称2-AP)2。而通过微生物培养产生的2-AP作为

7、氮源的前体物质是脯氨酸(Pro)3-4。通过微生物产生2-AP作为乙酰基碳源的前体物质为乙酰CoA5。Tadashi et al(2002)利用香稻的秧苗研究确定秧苗体内2-AP形成的最重要的前体物质为Pro6。Pro需经过脯氨酸氧化酶催化形成吡咯啉-5-羧酸，吡咯啉-5-羧酸在吡咯啉-5-羧酸脱羧酶催化作用下经脱羧反应形成吡咯啉，吡咯啉与乙酰CoA在乙酰基转移酶作用下形成2-AP7-8。然而，有关香稻香气2-AP在籽粒内是怎样积累的？影响香稻籽粒香气2-AP形成最重要的关键酶又是什么？鲜有报道，有待进一步研究。本实验以杂交香稻培杂软香、常规香稻桂香占、香气单片段代换系品14 (W9-11-7

8、-8-1-9)和品15(W15-5-9-6-4-2)以及其亲本受体华粳籼74为材料,侧重研究灌浆成熟期间香稻糙米的脯氨酸氧化酶、鸟氨酸转氨酶、总游离氨基酸、脯氨酸含量与2-AP含量的动态变化。找出指示香稻糙米高2-AP形成的生理生化指标，特别是调控香稻糙米香气2-AP形成最重要的关键酶，初步探索香稻糙米2-AP形成的生理生化机制，以便为进一步该酶基因的克隆，高香型香稻品种选育，以及香稻浓香栽培调控，提供理论依据。1 材料与方法1.1 材 料供试材料为常规优质香稻桂香占、杂交香稻培杂软香、香气单片段代换系品14和品15以及其亲本受体华粳籼74。试验于广州市华南农业大学农学分场进行,3月4日播种,

9、4月4日移栽,7月4日成熟收割。1.2 处 理五个供试品种为五个处理，对照(CK)为华粳籼74。每个处理3次重复，每次重复16 m2(4 m4 m)，常规香稻每穴3-4本种植，杂交香稻培杂软香每穴2本种植，移栽密度为20cm20cm。各处理其它栽培技术措施基本一致。1.3 测定项目与方法1.3.1糙米香气的测定 香气的测定参照唐湘如的测定方法9-10。3个水稻品种色谱图气体物质的峰基本一致，唯一不同之处是泰国香米和品14在27.13min有一个很明显得峰，而非香稻品种华粳籼74在27.13min没有峰，因此确定香稻香气物质出峰时间为27.13min。各处理糙米的香气含量以其气相色谱图中的27.

10、13min峰的峰高与内标峰高相比得到的相对百分数表示。1.3.2籽粒脯氨酸含量和酶测定 游离脯氨酸的含量测定方法参照邹崎 11；脯氨酸氧化酶和鸟氨酸转氨酶的提取方法参照Shashi Madan12，脯氨酸氧化酶活性的测定方法参照Strecker13，鸟氨酸转氨酶活性的测定方法参照Vogel and Kopac14。1.4 数据统计参照南京农业大学主编的田间试验和统计方法(第二版,1999),利用DPS V6.55数据处理系统软件进行数据统计分析。2 结果与分析2.1 不同基因型香稻糙米香气含量不同基因型香稻糙米香气含量的测定结果(图1)表明,与对照华粳籼74相比，桂香占、培杂软香、品14和品1

11、5糙米香气的含量都显著高于对照华粳籼74，其中品14糙米香气的含量最高，不但显著高于对照，也显著高于桂香占、培杂软香和品15这三个品种，而桂香占、培杂软香和品15三个品种之间差异不显著。2.2 不同基因型香稻籽粒的游离脯氨酸含量不同基因型香稻籽粒的脯氨酸含量测定结果(表1)表明，齐穗后10d，除品14籽粒的脯氨酸含量与对照华粳籼74相比无显著差异外，培杂软香、桂香占和品15籽粒的脯氨酸含量都较对照差异极显著，以培杂软香籽粒的脯氨酸含量最高；齐穗后20d，香稻籽粒的脯氨酸含量都明显下降，但培杂软香、桂香占和品15籽粒的脯氨酸含量仍然极显著的高于华粳籼74，品14籽粒的脯氨酸含量也达到显著差异水平

12、。由本试验可知，不论在齐穗后10d还是齐穗后20d，香稻籽粒的游离脯氨酸含量普遍高于非香稻华粳籼74。表1不同基因型香稻籽粒游离脯氨酸含量Table 1. The proline content in grains of different genotypes of rice gg-1处理Treatment齐穗后10d10d after heading齐穗后20d20d after heading桂香占20.31*4.50*培杂软香31.10*4.98*品1417.823.79*品15 20.92* 4.21*CK18.953.59注: *,*分别表示与CK比较差异达0.05,0.01显著水平

13、。后同。Note: *,* mean significanty different from CK at 5% and 1% level,respectively. The same below.表2不同基因型香稻籽粒的总游离氨基酸含量Table 2. The total free amino acid content in grains of different genotypes of rice mg.100g-1处理Treatment齐穗后10d10d after heading齐穗后20d20d after heading桂香占794.59*552.82*培杂软香991.56*569.

14、92*品14736.54*441.45品15663.38652.36*CK663.82494.282.3不同基因型香稻籽粒的总游离氨基酸含量不同基因型香稻籽粒的总游离氨基酸含量测定结果(表2)表明，齐穗后10d，培杂软香、桂香占和品14籽粒的总游离氨基酸都极显著的高于对照。齐穗后20d，各香稻籽粒的总游离氨基酸含量下降，除品14外，其它香稻籽粒的总游离氨基酸含量都极显著的高于对照。由此可知，籽粒总游离氨基酸含量的多少与水稻品种有着密切的关系，香稻品种籽粒的总游离氨基酸含量普遍高于非香稻华粳籼74。2.4不同基因型香稻籽粒的脯氨酸氧化酶活性香稻籽粒的脯氨酸氧化酶活性测定结果(表3)表明，与对照华

15、粳籼74籽粒的脯氨酸氧化酶活性相比，齐穗后10天，桂香占、培杂软香和品14籽粒的脯氨酸氧化酶活性差异极显著，尤以桂香占的脯氨酸氧化酶活性为最高；齐穗后20d，各品种籽粒的脯氨酸氧化酶活性下降，但桂香占籽粒的脯氨酸氧化酶活性仍然极显著的高于对照，培杂软香籽粒的脯氨酸氧化酶活性也达到显著差异水平。由此可见，不同基因型品种与籽粒脯氨酸氧化酶活性的大小有着密切的联系。表3 不同基因型香稻籽粒的酶活性Table 3. The enzyme activity in grains of different genotypes of rice (OD)处理Treatment脯氨酸氧化酶Proline oxid

16、ase鸟氨酸转氨酶ornithine aminotransferase齐穗后10d10d after heading齐穗后20d20d after heading齐穗后10d10d after heading齐穗后20d20d after heading桂香占0.031*0.017*0.352*0.028培杂软香0.022*0.007*0.431*0.014*品140.025*0.0060.6760.006*品150.0160.0060.6400.006*CK0.0150.0040.6610.0272.5不同基因型香稻籽粒的鸟氨酸转氨酶活性香稻籽粒的鸟氨酸转氨酶活性测定结果(表3)表明，齐穗后

17、10d，桂香占和培杂软香籽粒的鸟氨酸转氨酶活性都比对照低，前者达到极显著差异，后者达显著差异水平，品14、品15与华粳籼74之间无显著差异；齐穗后20d，品14和品15籽粒的鸟氨酸转氨酶活性极显著的低于对照，培杂软香鸟氨酸转氨酶活性仍然显著的低于对照。说明香稻的基因型不同，其籽粒的鸟氨酸转氨酶活性也不同，但从本次试验结果还无法找出鸟氨酸转氨酶与香稻香气形成的必然联系。本试验也未测得谷氨酸激酶的活性。2.6氨基酸含量和酶活性对香稻香气形成的贡献将各处理游离脯氨酸含量、总游离氨基酸含量、脯氨酸氧化酶和鸟氨酸转氨酶对香稻香气形成的贡献大小进行分析，筛选出与香稻香气形成有关的最重指标。游离脯氨酸含量为

18、X1, 总游离氨基酸含量为X2, 脯氨酸氧化酶活性为X3, 鸟氨酸转氨酶活性为X4。得到样品的特征值及累计贡献率(表4)。由表可知，齐穗后10d，前两个主分量的累计贡献率为总信息量的91.93，大于85.00%，所以主分量个数为2。齐穗后20d，前三个主分量的累计贡献率为总信息量的95.16，大于85.00%，所以主分量个数为3。表4 特征值及累计贡献率Table 4. The eigenvalue and total contribution rate变量(i)variables齐穗后10d10d after heading齐穗后20d20d after heading特征根(i)eigen

19、value贡献率contributionrate累计贡献率total contribution rate特征根(i)eigenvalue贡献率contributionrate累计贡献率total contributionrate12.4060.0160.012.3258.0058.0021.2831.9291.930.9122.6380.6330.184.6196.540.5814.5395.1640.143.47100.000.194.84100.00表5 相关系数数值Table 5. The value of correlation coefficientrate变量Xvariables齐

20、穗后10d10d after heading齐穗后20d20d after headingR（Z1，Xi）R（Z2，Xi）R（Z1，Xi）R（Z2，Xi）R（Z3，Xi）X10.710.660.63-0.610.48X20.900.320.600.680.40X30.56-0.790.890.17-0.29X4-0.880.350.88-0.20-0.32表5表示该主成分与该指标之间的相关系数，主成分用Z表示，相关系数用R表示，系数的绝对值越大，说明该主成分受该指标的影响也就越大。通过计算比较，齐穗后10d，各主成分相关系数R（Z1，X2）=0.90、R（Z2，X3）-0.79最大，说明决定第

21、一、二主成分的指标分别是总游离氨基酸X2、脯氨酸氧化酶活性X3。第一、第二主成分是香稻香气形成的2个主分量，所以决定齐穗后10d香稻香气形成的关键指标是总游离氨基酸含量和脯氨酸氧化酶活性。齐穗后20d，各主成分相关系数R（Z1，X3）=0.89、R（Z2，X2）=0.68、R（Z3，X1）0.48最大，说明决定第一、二、三主成分的指标分别是脯氨酸氧化酶活性X3、总游离氨基酸X2和游离脯氨酸含量X1。第一、二、三主成分是香稻香气形成的3个主分量，所以决定齐穗后20d香稻香气形成的关键指标分别是脯氨酸氧化酶活性、总游离氨基酸和游离脯氨酸含量。综上可知，游离脯氨酸、总游离氨基酸和脯氨酸氧化酶在香稻香

22、气的形成过程中起着至关重要的作用。3 讨 论本研究结果表明, 香稻桂香占、培杂软香以及香气单片段代换系品14和品15糙米香气含量显著高于华粳籼74，这主要由于受体亲本华粳籼74没有导入香气单片段代换系，不能够合成香气2-乙酰-1-吡咯啉，因此没有香气峰出现。香稻桂香占、培杂软香、品15在齐穗后10d以及品14在齐穗后20d籽粒的脯氨酸含量都高于非香稻华粳籼74；香稻籽粒的总游离氨基酸也高于或极显著的高于华粳籼74。而香稻香气的最重要成分2-AP合成的前体物质是脯氨酸3、6,即籽粒中脯氨酸含量的增加有利于香稻糙米的香气含量提高。籽粒中总游离氨基酸含量的增加也有利于香稻糙米香气含量的提高，可能是由

23、于较高的总游离氨基酸中含有较高的脯氨酸含量。香稻的基因型不同，其籽粒的酶活性不同。齐穗后10d，香稻桂香占、培杂软香、品14籽粒的脯氨酸氧化酶活性极显著的高于非香稻华稉籼74，即使在齐穗后20d，香稻桂香占和培杂软香籽粒的脯氨酸氧化酶仍然比对照高。其作用可能是在香稻香气的形成过程中，促进了香气的前提物质脯氨酸向香气物质2-AP的转化，从而提高香稻香气的含量。根据试验结果和主成分分析可知，香稻香气的形成过程中，游离脯氨酸、总游离氨基酸和脯氨酸氧化酶起着重要的作用，所以初步确定脯氨酸转化酶是香稻香气形成过程中的关键酶之一，并深入研究。至于鸟氨酸转氨酶，本次试验结果无法得出它与香稻香气形成具有一定的

24、联系，有待进一步验证，并对吡咯啉-5-羧酸脱羧酶和乙酰基转移酶展开研究，以便弄清香稻香气形成的机理。参考文献：1 Sugunya Wongpornchai， Kanchana Dumri， Sakda Jongkaewwattana，et al. Effects of drying methods and storage time on the aroma and milling quality of rice. Khao Dawk Mali 105. Food Chemistry，2004,87:407-4142 Buttery R G, Ling L C, Juliano B O, et

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