大气CO2浓度升高对稻米蛋白质营养品质的影响

论文总字数：19022字

目 录

摘要： 1

Abstract： 2

引言 3

1 材料与方法 4

1.1 试验平台 4

1.2材料培育 4

1.3 测定内容和方法 4

1.3.1成熟期取样 5

1.3.2 稻米蛋白质含量测定和氨基酸含量 5

1.4 数据处理 6

2 结果与分析 6

2.1 精米蛋白质含量 6

2.2氨基酸含量绝对值 7

2.2.1 必需氨基酸含量绝对值 7

2.2.2 对孩子而言的必需氨基酸含量绝对值 7

2.2.3 半必需氨基酸含量绝对值 8

2.2.4 非必需氨基酸含量绝对值 8

2.3氨基酸含量相对值 9

2.3.1 必需氨基酸含量相对值 9

2.3.2 对孩子而言的必需氨基酸含量相对值 10

2.3.3 半必需氨基酸含量相对值 10

2.3.4 非必需氨基酸含量相对值 10

2.4 必需氨基酸组分/组合评价分数及必需氨基酸指数 11

3 讨论 12

4 结论 13

参考文献 14

致 谢 15

大气CO₂浓度升高对稻米蛋白质营养品质的影响

覃弼勇

, China

Abstract：In this experiment, Yongyou 2640 and Y liangyou900, Wuyunjing 23 as tested varieties, using FACE system platform, we observed the influence of elevated atmospheric CO₂ concentration on protein nutritional quality. The experiment showed that the content of protein inthree varieties decreased by 14.9% meanly, which reached a significant level with the increase of atmospheric CO₂ concentration. The decline of protein content of Y liangyou900 and Yongyou 2640 reached a significant level, while the decline of Wuyunjing 23 was not significant. The absolute value of threonine, methionine, phenylalanine, lysine, tyrosine, histidine, aspartic acid, serine and glutamic acid in the tested varieties decreased with the CO₂ concentration enrichment. Elevated CO₂ concentration increased the relative value of threonine, leucine, lysine, aspartic acid, serine, glutamic acid and glycine in milled rice. Elevated CO₂ concentration significantly improved the score of threonine, lysine, leucine and essential amino acid index.

Keyword：rice; CO₂ concentration; protein quality; amino acids

引言

全球气候变化在近几十年来一直是全人类最关注的话题，由温室气体引起的温室效应是全球气候变化最显著的特征之一，温室效应^[1-3]对人类的生存和发展已经构成了严重威胁，导致温室效应最主要的原因就是大气中CO₂浓度的急剧升高。据相关研究报道^[4-6]，地球大气中的CO₂浓度在工业革命前很长一段时间都维持在280μmol/mol左右，现在已经增加到约400μmol/mol，而且升高的速度也在加快，预测在本世纪中期大气CO₂浓度将至少增至550μmol/ mol，如果不加以严格把控和治理，到本世纪末期将上升至940μmol/mol。人口的大幅度增长和人类进行的社会活动是导致大气CO₂浓度上升的直接原因，如今全世界都在倡导节能减排（减少碳排放量），但是收效甚微，我们并没有掌握有效控制CO₂浓度升高的技术和方法。

水稻是全球50%以上人口的食物，更是我国的第一大粮食作物。稻米的营养价值非常高，加工之后用途十分广泛，所以我国半数以上的人口以稻米为主食。近几十年来，水稻的种植一直是我国农业生产的重中之重，由于人口数量不断突破新高，而耕地面积不断减少，人们对稻米的需求在未来将会持续增加。

稻米品质的好坏决定于水稻的生长环境和它的遗传特性，而CO₂是水稻生长环境中不可忽略的重要因素。CO₂在作物光合反应过程中的作用是其它底料无法替代的，光合作用会因大气CO₂浓度的快速增长而产生一系列变化，作物本身的干物质积累主要通过光合作用进行，所以CO₂浓度对水稻的稻米品质会产生深远的影响。因此，关于大气CO₂浓度升高对稻米品质影响的相关试验成果一直备受关注。

近年来，国内、外在研究高浓度CO₂对稻米品质的影响中，主要利用的研究方法有三种：开顶式气室（Open-Top Chambers, OTC）、半开放式梯度系统（CO₂-Temperature Gradient Chambers, CTGC）、开放式实验系统（Free-air CO₂ enrichment, FACE）。相较于前两种方法，FACE试验的精度相对较高^[14]，因为FACE试验克服了人为因素的干扰，系统内的各项环境指标与自然环境相差甚微，与外界自然环境更为相似，并且提供了与作物未来生长环境十分接近的真实模拟。

稻米品质一直是人们关心的话题，所以关于大气CO₂浓度升高对稻米品质的影响，国内外均有过相关研究，并取得了一些成果。Taub等^[7]的研究分析表明，CO₂浓度升高至540-958 μmol/mol会导致水稻籽粒蛋白质含量平均降低10%，周晓冬等^[8]的FACE研究也有相似的研究结果；Seneweera和Conroy^[9]、Terao等^[10]的相关研究显示，未来大气CO₂浓度升高不会引起稻米蛋白质产量的变化，Yang等^[11]的研究则显示稻米蛋白质产量会增加，因为虽然高浓度的CO₂会导致水稻籽粒蛋白质含量明显降低，但是籽粒的产量却显著增加; Kimball等^[12]通过FACE实验发现，供试品种水稻的产量在大气CO₂浓度升高至850μmol/ mol条件下会相对增加40%。这些研究成果显示，大气中CO₂浓度的升高会使水稻的蛋白质产量不变或增长，但水稻籽粒的蛋白质含量会明显降低。

一般情况下，衡量稻米营养品质有两个重要指标：1.蛋白质含量；2.蛋白质的氨基酸组成。Zhang等^[13]通过气室研究发现，高浓度CO₂使特三矮2号氨基酸总量平均下降30%，除胱氨酸和精氨酸外，其他所有15种氨基酸平均下降30-40%。周晓冬等^[8]通过FACE研究发现，稻米中必需氨基酸占氨基酸总量百分比和非必需氨基酸占氨基酸总量百分比在大气CO₂浓度升高的条件下，变化量均达到显著水平；但必需氨基酸和非必需氨基酸的含量相对值没有明显影响；从氨基酸组分看，供试品种精米中的必需氨基酸和非必需氨基酸的含量出现不同程度下降，降幅均达到显著水平，个别氨基酸达到极显著水平。

综上所述，国内、外在关于CO₂浓度升高对稻米产量和品质的影响方面的研究已取得多项研究成果。本研究利用FACE研究平台，以甬优2640、Y两优900、武运粳23为供试品种，研究大气CO₂浓度升高对水稻精米中蛋白质营养品质的影响，为客观评价在未来大气CO₂浓度升高的自然环境条件下稻米蛋白质营养品质会出现何种变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验平台

本试验以江苏省扬州市江都区小纪镇良种场中的试验田（119°42′0″E，32°35′5″N）作为FACE系统平台，年降水量约为980nm，年平均温度约为14.9℃，年日照时间大于2000h，年无霜期日数大于230d。

试验以环境CO₂浓度(AC：Ambient CO₂约380μmol·mol^-1)为对照，设CO₂浓度增加处理（EC：Elevated CO₂比AC高200μmol·mol^-1)。2015年7月1日开始CO₂熏蒸处理，2015年10月30日停止CO₂熏蒸处理。试验温度与环境温度一致。

试验设3个重复，即3个EC试验圈和3个对照（AC）圈。为减少CO₂释放对其它处理的影响，EC圈之间以及EC圈与对照圈之间的间隔均gt;90m。EC圈的形状设计为正八角形，外接圆直径为12m，平台运行时可以通过EC圈四周的管道向中心喷射纯CO₂气体，利用计算机网络对平台上CO₂浓度进行监测与控制，并根据大气中CO₂浓度、风向、风速、作物冠层高度的CO₂浓度自动调节CO₂气体的释放速度和方向，使EC圈内水稻主要生育期的CO₂浓度稳定地比大气环境高200μmol·mol^-1，其余环境条件与自然状态保持一致。

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