蒸煮营养品质性状在水稻籼粳交DH 群体中的表现及其相关性分析

叶胜海 季芝娟 刘丙新 马良勇 李西明 张小明 杨长登

(水稻生物学国家重点实验室中国水稻研究所1,杭州 310006)

(作物与核技术利用研究所浙江省农业科学院2,杭州 310021)

蒸煮营养品质性状在水稻籼粳交DH 群体中的表现及其相关性分析

叶胜海1,2季芝娟1刘丙新1马良勇1李西明1张小明2杨长登1

(水稻生物学国家重点实验室中国水稻研究所1,杭州 310006)

(作物与核技术利用研究所浙江省农业科学院2,杭州 310021)

利用以粳稻中花 11和籼稻中组 14为亲本构建的加倍单倍体 (DH)群体,对稻米直链淀粉含量(AC)、胶稠度 (GC)、碱消值 (ASV)、蛋白质含量 (PC)和氨基酸含量等 21个品质性状进行了相关性分析。结果表明,21个品质性状在DH群体中均为连续变异,大部分性状存在着超亲现象。相关性分析结果表明,AC、GC和 ASV等 3个蒸煮理化指标间呈显著负相关;PC与 GC显著负相关,与 ASV显著正相关;AC、GC和 ASV等 3个蒸煮理化指标与氨基酸含量的相关性分析表明,17个氨基酸中有 10个氨基酸的含量与 AC显著负相关,12个氨基酸的含量与 GC显著负相关,除半胱氨酸外其它 16个氨基酸的含量与 ASV呈显著正相关。PC与 17个氨基酸含量都显著正相关,除蛋氨酸和半胱氨酸外,相关系数都达 0.5以上。氨基酸之间的相关性分析表明,除蛋氨酸和半胱氨酸、蛋氨酸和酪氨酸之间相关性不显著,其它氨基酸之间都达极显著正相关。本文还对DH群体在优质育种中的应用价值进行了讨论。

水稻 DH群体 直链淀粉 胶稠度 碱消值 蛋白质 氨基酸 相关性

稻米是我国 60%以上人口的主食,随着人们生活水平的日益提高,对稻米的适口性和营养品质要求也越来越高,市场上迫切需要口感好且营养丰富的稻米。影响稻米口感和营养品质的性状主要有直链淀粉含量 (Amylose content,AC)、胶稠度 (Gel con2 sistence,GC)、糊化温度 (Gelatinization temperature,GT)、蛋白质含量 (Protein Content,PC)等[1]。

直链淀粉含量、胶稠度和碱消值 (Alkaline spreading value,ASV)是目前普遍用来评价稻米蒸煮食味品质差异的 3个重要理化指标。蛋白质含量则是评价稻米营养品质的一个主要指标。稻米蛋白质是谷类作物中最好的,其氨基酸配比较为平衡,易为人体消化吸收,生物价、消化率和净利用率均比较高。但 PC过高会影响稻米的口感,因此在降低稻米中 PC的基础上,适当提高必需氨基酸含量成为水稻育种家和广大科技工作者的关注热点之一。

有关稻米品质性状的相关性研究已有报道。韦朝领等[2]发现早籼稻米的蛋白质含量与蒸煮品质(直链淀粉含量、胶稠度和糊化温度)显著相关,粳稻的蛋白质含量与外观品质、碾磨品质和蒸煮品质达极显著相关,而中籼稻的蛋白质含量与外观品质、碾磨品质和蒸煮品质的典型相关程度皆未达到显著水平。朱满山等[3]分析了 3个粳粳交 DH群体的RVA谱特征值和蒸煮理化指标,发现变异广泛且存在着超亲现象,但 3个 DH群体的大小都在 80个株系以下。刘传雪等[4]分析了 6个粳粳交 DH群体PC的遗传变异,测算了遗传率、超亲率,检测了 PC的基因对数及基因互作方式,6个DH群体除一个群体达 129株系,其它的群体偏小,最小的仅为 36个株系的DH群体。

DH(Double Haploid)群体是一个未经人工选择的自然重组群体,利用 DH群体可以提高性状相关分析的可靠性,并能在遗传学分析时避免杂合位点的显性、上位效应等,但由于花药培养时培养基可能对籼粳性的选择,使 DH群体出现较大的偏分离而影响结果。本研究选用实验室已获得的中花 11/中组 14籼粳交 DH群体,通过测量群体 GC、AC、ASV、PC以及 17种氨基酸的含量,分析各指标在群体中的分布以及各指标之间的相互关系,为稻米相关品质性状的QTL定位和优质稻育种提供信息。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

材料:粳稻 (O ryza sativaL.ssp.japonica)中花 11为母本,与籼稻 (O ryza SativaL.ssp.indica)中组 14配制杂交组合,构建了 112个加倍单倍体单株的DH群体。

试验仪器:ST50砻谷机:日本 YANMARN株式会社;试验用小型精米机:日本 Kett株式会社;JXFM110锤式旋风磨:上海嘉定粮油仪器有限公司;N I RSystems 5000型近红外分析仪:美国马里萨斯州FOSS公司。

1.2 试验方法

2008年 5月 28日在中国水稻所试验农场播种,6月 20日单本移栽,行株距 20 cm ×26 cm,每小区 24株,3次重复。成熟时收获DH群体单株样品,从每个试验小区中间随机收获 1个单株,每个株系共 3个单株,整个 DH群体 3个重复共 336个单株。用砻谷机脱壳成糙米,再用小型精米机碾成精米,用锤式旋风磨磨成粉,过 100目筛,分别装于小塑料袋中存放在干燥器中待用。采用近红外分析仪,精米粉样本 (约 2.5 g)直接盛于直径为 35 mm的石英窗圆形小盒内,在波长为 1 100～2 498 nm的范围内,采用吴建国等[5]建立的近红外仪测定方程和陆艳婷等[6]的方法,测定 AC、PC、GC、ASV和氨基酸含量,每样品测定 3次,取平均值。

数据用Microsoft Excel 2003软件和DPS数据处理系统分析。

2 结果与分析

2.1 蒸煮营养品质性状在 DH群体中的表现

蒸煮营养品质性状在DH群体中超亲现象明显(表 1)。除 PC、赖氨酸、组氨酸和蛋氨酸含量的群体平均值介于双亲之间外,AC小于低亲值,其他性状的群体平均值均大于高亲值。就双亲而言,仅AC的低值来自中花 11,其他性状指标的低值均来自中组 14。双亲间显著性差异分析表明,GC、AC和蛋氨酸含量双亲间差异不显著,甘氨酸含量在双亲间差异显著,其他性状指标则在双亲间差异达极显著水平。

表 1 AC、GC、ASV、PC和 17种氨基酸含量在 DH群体的表现

GC、AC、ASV和 PC在DH群体中的频率分布见图 1a～图 1d,由此可知这些性状都呈连续的单峰分布,属于数量性状遗传。天冬氨酸等 17种氨基酸含量的频率分布也表现为正态分布 (图未列出)。

图 1 3个蒸煮理化指标和 PC在中花 11/中组14的DH群体的频率分布

2.2 蒸煮理化指标与 PC、氨基酸含量的相关性分析

从表 2可知,3个蒸煮理化指标间的相关性都表现为显著或极显著负相关,其中 AC与 GC的相关系数为 -0.6439、AC与 ASV的相关系数为 -0.2235、GC与 ASV的相关系数为 -0.2250。

表 2 21个蒸煮营养品质性状之间的相关性分析

表 3 17个氨基酸性状之间的相关性分析

蒸煮理化指标与 PC、氨基酸含量的相关性分析结果表明,PC与 GC极显著负相关、与 ASV极显著正相关、与 AC相关性未达显著水平 (表 2)。3个蒸煮理化指标与 17种氨基酸的相关性分析结果表明,AC与 17种氨基酸中的苏氨酸、谷氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、组氨酸、精氨酸和半胱氨酸呈显著负相关,与丝氨酸和蛋氨酸极显著负相关;GC与17种氨基酸中的苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、酪氨酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸呈显著负相关,与天冬氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸极显著负相关;而 ASV则除了与半胱氨酸外,与其他 16种氨基酸都呈显著或极显著正相关。PC和氨基酸含量的相关性分析结果表明,PC与 17种氨基酸都呈极显著正相关。其中 PC除了与蛋氨酸含量和半胱氨酸含量的相关系数较低以外,与其他氨基酸含量的相关系数都达 0.5以上。另外,氨基酸之间的相关性分析结果 (表 3)表明 ,除 Met和 Cys、Met和 Tyr之间相关性不显著,其他氨基酸之间都达极显著正相关。

3 讨论与结论

直链淀粉含量是稻米优质育种中权衡米饭蒸煮品质的重要指标,也是决定稻米综合评价中最关键的因素。稻米的AC一般分为 4个等级:极低 (<9%)、低 (9% ～20%)、中 (20% ～25%)和高 (>25%)[7]。稻米中 AC过高或过低,米饭品质均较差[8-9]。本研究所用 DH群体以粳稻中花 11和籼稻中组 14为亲本而构建,分析结果表明中花 11的AC为 20.52%,比中组 14略低,两亲本间的 AC差异不显著,且都为中等 AC的水平。在 DH群体中,AC超亲现象明显,群体平均 AC比低亲值还低。说明用中等含量直链淀粉的亲本杂交,其后代可以选到中低 AC的优良品种。

众多的报道认为 AC与 GC呈显著负相关[10-12]。因为直链淀粉是由W x基因编码的颗粒结合淀粉合成酶 (granule-bound starch synthase)催化合成[13]。稻米 AC即由该 Wx基因控制并受一些微效基因的影响[8,14-15],而 GC也是由 W x基因或与其紧密连锁的基因位点控制[16]。因此,AC和GC必然会存在一定的相关性。

稻米 GT和 AC间的相关性在不同的研究报道中呈现不同的结果。有些研究报道认为 GT与 AC呈显著正相关[17-18];也有研究认为 GT与 AC呈显著负相关[19-20];试验结果表明反映糊化温度高低的碱消值 (ASV)与 AC呈显著负相关,即 GT与 AC显著正相关。孙业盈等[16]对 60个品种的研究发现,GT与 AC和 Wx基因型均无明显相关性,推断控制 GT的基因位点不是 Wx基因位点。包劲松等[21]认为,位于第 6染色体短臂靠近 Wx基因的ALK基因是控制 GT的主效基因。高振宇等[22]分离并克隆了 ALK基因。因此,可能不同的基因分别控制 GT和 AC的表达,所以两者之间的相关性没有一定的规律。

汤圣祥[10]在研究 GT和 GC之间的相关性时发现,籼型或粳型杂交稻米 GT与 GC的相关性都未达显著水平,而对所有籼型、粳型杂交稻米的相关分析则表明 GT与 GC呈显著正相关;而包劲松[23]发现 GT与 GC之间关系不显著。本结果发现 ASV与 GC呈显著负相关,即 GT与 GC显著正相关。

在不同的研究中,GT和 AC、GT和 GC之间的相关性有不同的分析结果,这可能因为 GT主要受ALK基因控制,而AC和 GC则主要受Wx基因或与其紧密连锁的基因位点控制。在这两类性状之间的关系是正相关、负相关还是没有关系由所用材料决定[24]。

很多研究报道,稻米 PC与蒸煮品质性状之间有密切的负相关。吴长明等[25]对 Asominori/IR24的 71个 N I Ls的稻米品质分析发现,PC与 AC存在极显著负相关,与 ASV显著负相关,而与 GC相关性不显著。陈能等[26]对 5 000多份籼、粳稻品种进行蒸煮营养品质的分析,发现 PC与 GC、AC呈极显著负相关;并且认为,一般 PC高的品种,GC较短、AC较低。此种趋势在籼稻和粳稻品种中都一样,在粳稻品种中更为明显。而本研究发现,PC与 AC相关性不显著,而与 GC存在显著负相关,与 ASV显著正相关。因此,可能研究对象的不同导致结论的不尽相同。降低 PC有助于改善稻米的食味品质[11,27-28]。从本研究结果可以得出,PC和 AC不相关,能够选育到低 AC且低 PC的优质稻米。

籼粳间性状差异大,SSR多态性标记丰富,DH群体内类型多。用籼粳交构建的 DH群体既可以用作性状的相关性分析,同时对无异常偏分离的DH群体中符合正态分布的性状进行后续的分子定位。本研究采用的籼粳交 DH群体的两亲本中花11和中组 14都是通过花药培养育成,减少了因为基因型等原因导致花培力下降不易构建 DH群体的可能性。同时利用亲本间多态性 SSR分子标记对该群体的植株进行了纯合性鉴定和群体的基因型偏离分析,表明所得再生植株都来自花粉母细胞的纯合植株,且该群体未发生异常的基因型偏态分离[29]。本研究的结果还表明 ,GC、AC、ASV、PC以及 17种氨基酸含量在 DH群体中的分布均呈连续的正态分布。因此,可以利用该群体对水稻蒸煮营养品质的 QTL进行定位分析。

方宣钧等[30]认为,选择构建遗传群体的杂交亲本时尽量使用与育种直接有关的材料,从而缩短基因 (QTL)定位研究与育种应用的距离,提高育种效率。本研究选用的籼稻亲本中组 14为米质达国标3级的优质晚籼稻,而且兼含抗虫抗病等优良特性,已于 2006年通过浙江省农作物品种审定委员会审定。

[1]张小明,王仪春,石春海,等.稻米蒸煮营养品质性状的遗传研究进展[J].植物遗传资源科学,2002,3(2):51-55

[2]韦朝领,刘敏华,陈多璞,等.江淮地区稻米品质性状典型相关分析及其与气象因子关系的研究[J].安徽农业大学学报,2003,28(4):345-349

[3]朱满山,顾铭洪,汤述翥.不同粳稻品种和 DH群体稻米淀粉 RVA谱特征与蒸煮理化指标及相关分析 [J].作物学报,2007,33(3):411-418

[4]刘传雪,邹德堂,张兰民,等.寒地粳稻蛋白质含量在 DH群体中的遗传变异研究[J].东北农业大学学报,2008,39(9):10-15

[5]吴建国,石春海,张小明,等.用近红外反射光谱法分析稻米 3种必需氨基酸含量的研究[J].作物学报,2003,29,5:688-690

[6]陆艳婷,金庆生,叶胜海,等.应用近红外光谱技术快速测定粳稻品种的直链淀粉含量 [J].中国粮油学报,2007,22,3:149-153

[7]莫惠栋.我国稻米品质的改良[J].中国农业科学,1993,26(4):8-14

[8]申岳正.稻米直链淀粉的研究综述[J].水稻文摘,1988,(5):5-6

[9]赵镛洛,张云江.北方早粳稻米品质因子分析[J].作物学报,2001,27(4):538-541

[10]汤圣祥.我国杂交水稻蒸煮与食味品质的研究[J].中国农业科学,1987,20(5):17-22

[11]刘宜柏,黄英金.稻米食味品质的相关性研究 [J].江西农业大学学报,1989,11(4):1-5

[12]李贤勇,王元凯,王楚桃.稻米蒸煮品质与营养品质的相关性分析[J].西南农业学报,2001,14(3):21-24

[13]舒庆尧,吴殿星,夏英武,等.籼稻和粳稻中蜡质基因座位上微卫星标记的多态性及其与直链淀粉含量的关系[J].遗传学报,1999,26(4):350-358

[14]陈业坚,舒庆尧,张增勤,等.稻米表观直链淀粉含量由两对非等位基因控制[J].中国水稻科学,2002,16(4):369-371

[15]He P,Li S G,Qian Q,et al.Genetic analysis of rice grain quality[J].Theoretical and Applied Genetics,1999,98:502-508

[16]孙业盈,吕彦,董春林,等.水稻 Wx基因与稻米 AC、GC和 GT的遗传关系[J].作物学报,2005,31(5):535-539

[17]HussainA.A.,MauryaD.M.,Vaish C.P.,Studyon quality status of indigenous upland rice(Oryza sativa L.)[J].In2 dian Journal of Genetics,1987,47(2):145-150

[18]Sood B.C.,and Siddiq E.A.,Possible physico-chemical attributes of kernel influencing kernel elongation in rice[J].Indian Journal of Genetics,1986,46(3):456-460

[19]郭益全,刘清,张德梅,等.籼稻烹调与食用品质及谷粒性状之遗传[J].中华农业研究,1985,34(3):243-257

[20]朱碧岩,贾志宽.水稻品质性状遗传参数的分析 [J].西北农业大学学报,1990,18(3):69-73

[21]包劲松,Harold Corke,何平,等.利用一个水稻 R I L群体定位控制淀粉特性的 QTL[J].植物学报,2003,45(8):986-994

[22]高振宇,曾大力,崔霞,等.水稻稻米糊化温度控制基因ALK的图位克隆及其序列分析 [J].中国科学:C辑,2003,33(6):481-487

[23]包劲松.食用籼米淀粉品质遗传与改良研究.[D]杭州:浙江大学.1999:1-21

[24]Bao J.S.,SunM.,and Corke H.Genetic diversity of starch physiochemical properties in waxy rice(Oryza sativa L.)[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2004,84(11):1299-1306

[25]吴长明,孙传清,付秀林,等.稻米品质性状与产量性状及籼粳分化度的相互关系研究[J].作物学报,2003,29,6:822-828

[26]陈能,罗玉坤,谢黎虹,等.我国水稻品种的蛋白质含量及与米质的相关性研究[J],作物学报,2006,32,8:1193-1196

[27]李成荃,孙明,许克农,等.杂交粳稻品质性状的遗传研究[J].杂交水稻,1988(4,6):32-35

[28]吴长明.稻米品质遗传研究进展与改良策略探讨[J].中国农学通报,2002,18(6):66-72

[29]季芝娟,叶胜海,马良勇,等.水稻籼粳交 DH群体的构建及其基因型偏态分离分析 [J].农业生物技术学报,2008,16(2):315-319

[30]方宣钧,吴为人,唐纪良主编.作物 DNA标记辅助育种[M].北京:科学出版社,2001:1-37.

Characters and Correlation of Cooking and NutrientQualities forDH Population Obtained fromJaponica/Indica

Ye Shenghai1,2Ji Zhijuan1Liu Bingxin1Ma Liangyong1Li Ximing1Zhang Xiaoming2Yang Changdeng1
(State KeyLaboratory of Rice Biology,China National Rice Research Institute1,Hangzhou 310006)
(Institute of Crop and Nuclear technologyUtilization,ZhejiangAcademy ofAgricultural Sciences2,Hangzhou 310021)

Rice amylose content(AC),gel consistence(GC),alkaline spreading value(ASV),protein content(PC)and contents of 17 amino acids of a DH population constructed fromjaponicafemale parent Zhonghua 11 and indicamale parent Zhongzu 14 were measured,and correlations among these quality traitswere analyzed statistically.Results:Continuous variances are revealed for the 21 parameters and transgressive are showed formost of the parame2 ters.Any t wo of the three cooking parameters(AC,GC and ASV)are significantly negative correlative.No signifi2 cant correlation exists between PC and AC,but positive correlation exists between PC and ASV,and negative correla2 tion exists between PC and GC.Correlations exist between certain cooking parameter and certain amino acid content,such as negative correlations between AC and 10 amino acid contents,negative correlations bet ween GC and 12 amino acid contents,positive correlations between ASV and all amino acid contents except Cys.Positive correlations exist between PC and 17 amino acid contents andwith correlation coefficien above 0.5 except those bet ween PC andMetor Cys.Further more,extremely significant positive correlations between any t wo of the 17 amino acid contents exist ex2 cept those betweenMet and Cysor betweenMet and Tyr.The application of the DH population for quality breeding is further evaluated in this paper.

rice,DH population,amylose,gel consistence,alkaline spreading value,protein,amino acid,corre2 lation

S5

A

1003-0174(2011)01-0025-06

浙江省重大科技专项重点资助项目(2006C12091),农业部超级稻专项资助项目(200606),水稻生物学国家重点实验室开放课题(08-02-05)

2010-02-21

叶胜海,男,1978年出生,助理研究员,水稻育种

杨长登,男,1962年出生,研究员,水稻新技术育种