辐射诱导水稻粒色突变体的农艺性状及营养品质分析

黄艺宁，陈凌华，程祖锌，黄昕颖，许 明，郑金贵

（1. 福建农林大学福建省特种作物育种与利用工程技术研究中心，福建 福州 350002；2. 漳州职业技术学院，福建 漳州 363000；3. 福建农林大学金山学院，福建 福州 350002）

0 引言

【研究意义】有色稻是糙米带有颜色的栽培稻，由于含有花色苷、原花青素等黄酮类的活性物质，因而具有抗氧化、降血脂、消炎和抑制癌细胞等生理功能[1-2]，有很高的营养保健价值。我国种植的有色稻以黑稻和红稻居多，但它们的原始品种存在产量低、抗病性弱等问题。经过多年的种质创新研究，既育出了黑珍米、 晚籼紫宝等常规品种[3-4]，也利用杂种优势选育出了血黑A、香血粳A、186A等黑米水稻三系不育系[5]。然而，育种材料少、农艺性状差、基因连锁导致无法同时改良多个数量性状等因素始终限制着有色稻的种质创新[6]。辐射诱变是获得色稻材料的一种有效方法。辐射诱变技术已成功应用于水稻的种质创新[7]，通过辐射诱变农艺性状好的常规稻以获得优良的有色稻种质资源有助于解决杂交育种中亲本农艺性状差、优良性状难以集中改良等问题。因此，研究利用辐射诱变将产量高、农艺性状好的常规稻直接转化以获得优质的有色稻种质资源具有重要的意义。【前人研究进展】辐射诱变育种具有变异频率高、变异范围大、后代稳定快、育种年限短等特点[8]。诱变技术的应用可产生自然界不存在或极为罕见的新性状新个体，是创造新种质、培育新品种的有效途径[9-10]。据国际原子能机构统计，到目前为止全世界通过辐射诱变已经获得超过3 200个突变品种，其中水稻832个品种（http://mvd.iaea.org）。我国在水稻辐射诱变育种研究工作方面取得了很大成就，辐射诱导育种的主要方向是叶形、粒形、穗形、株高等农艺性状的改良[7]。γ射线是植物诱变育种中最常用的诱变剂，会诱发单核苷酸突变、插入缺失突变。在李珊的γ诱变试验中，水稻种子接受辐射后的突变概率达到2.00×10-6～2.21×10-6[11]，即只要有足够的突变样本就可能获得特定的突变。【本研究切入点】诱导水稻籽粒颜色变黑、花色苷含量增加的研究较少，沈圣泉等曾利用γ射线辐射得到黑稻与红稻突变体，但未对其营养的变化进行研究[12]。9311具有产量高、品质优良、适应性强等优点，是重要的推广品种。其配合力好，也是水稻杂交的优良材料（如以其为亲本育成了两优培九、广两优6号等品种）[13]。此外，9311的全基因组测序工作于2002年已经完成[14]，所以它不仅是种植的主要品种，也是水稻基因功能研究的模式品种[15]。以9311作为亲本进行辐射以获得优质的有色稻种植资源未见报道。通过辐射诱变获得有色籽粒同时又保留9311原有的农艺性状的水稻品种，可丰富有色稻育种及遗传研究材料。【拟解决的关键问题】本研究通过辐射9311进行诱变获得有色稻，考察突变体在农艺性状以及营养品质的变化，为有色稻育种提供优良的种质资源，也为利用辐照突变技术进行有色稻育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为9311（扬稻6号）干种子，由福建农林大学农产品品质研究所提供。将经过钴源辐射（300 Gy，50 min）的9311（扬稻6号）种子M0种植于稻田中，成熟时单株收获并鉴定糙米颜色，保留果皮为黑色或红色的突变体。从M1代起采用系谱法，自交选育并保留果皮颜色红色或黑色的理想单株。经过连续5代选育的红米与黑米突变体的性状已经稳定。选取 M6代农艺性状好的黑稻突变体与红稻突变体各1个，分别命名为R9311-01和R9311-02。具体育种经过如表1所示。

表1 有色稻突变体选育过程Table1 Breeding process of colored rice mutants

1.2 试验方法

1.2.1 突变体农艺性状测定 R9311-01、R9311-02以及突变体原始亲本9311-CK于2019年3月种植于福建福州，按区组排列种植，不同株系按区分开，每个株系3个小区。小区内秧苗按8×8进行排列，株行距20 cm×20 cm，单本插秧。按照常规田间管理。考察糙米色、播抽历期、株高、有效穗、总穗数、平均穗长、实粒数、每穗实粒数、空粒数、总粒穗、结实率、千粒重、单株重等主要农艺性状。

1.2.2 突变体营养指标测定 取R9311-01、R9311-02以及9311-CK的干糙米各3份，研细混匀。采用双波长比色法测定直链淀粉、支链淀粉含量[16]；采用分光光度法测定黄酮含量[17]；采用示差法测定花色苷含量[18]；采用GB 5009.5-2016测定粗蛋白；采用GB5009.6-2016测定脂肪；采用GB5009.124-2016测定氨基酸含量。

2 结果与分析

2.1 水稻辐射突变及突变体农艺性状

对突变获得的R9311-01、R9311-02以及9311-CK的主要农艺性状进行比较。R9311-01的糙米色为黑色，平均穗长显著低于9311-CK（P＜0.05）。R9311-02的糙米色为红褐色，其千粒重显著高于9311-CK（P＜0.05）。R9311-01、R9311-02的其他农艺性状与9311-CK均未达到显著差异（表2）。

表2 突变体R9311-01、R9311-02和原始亲本9311-CK的主要农艺性状表现Table2 Main agronomic traits of grains from R9311-01, R9311-02, and their parent 9311-CK

2.2 一般营养成分、花色苷及黄酮含量

R9311-01的粗蛋白含量与9311-CK差异不显著，而脂肪、直链淀粉、支链淀粉、黄酮、花色苷等营养成分含量均极显著高于9311-CK（P＜0.01），其中R9311-01的黄酮含量和花色苷含量分别是9311的2.19倍、40.87倍。R9311-02的粗蛋白、直链淀粉含量与对照9311差异不显著，而脂肪、支链淀粉、黄酮、花色苷等营养成分含量均极显著高于对照9311（P＜0.01），其中黄酮含量和花色苷含量分别是9311的1.7倍、8.95倍。通过对比发现，突变体R9311-01、R9311-02的一般营养成分、花色苷及黄酮含量优于对照9311-CK（表3）。

2.3 氨基酸组成及含量比较

2.3.1 氨基酸组成 从R9311-01、R9311-02及9311-CK分别检测到16种氨基酸，总量分别为：44.60 mg·g-1、40.56 mg·g-1、41.32 mg·g-1，两者的氨基酸总量均与9311-CK差异不显著。从R9311-01、R9311-02及9311-CK均是谷氨酸Glu含量最高，其次为亮氨算Leu，蛋氨酸Met含量最低（表4）。

2.3.2 必需氨基酸 利用氨基酸分析仪在3个样品中分别检测到7种必需氨基酸Lys、Phe、Met、Thr、Ile、Leu、Val，2种儿童必需氨基酸His和Arg。R9311-01的7种必需氨基酸除了苏氨酸Thr外，其余6种均高于9311-CK，其中稻米的第一限制性氨基酸赖氨酸Lys的含量与9311-CK达到了显著差异（P＜0.05）。R9311-01的儿童必需氨基酸His、Arg含量比9311-CK也有一定程度的提高。R9311-02的必需氨基酸除了Met比9311-CK高以外，其他的均比9311-CK低。

表3 R9311-01、R9311-02及9311-CK的一般营养成分、黄酮及花色苷含量Table3 Contents of nutrients, flavonoids, and anthocyanins in grains from R9311-01, R9311-02, and 9311-CK

表4 R9311-01、R9311-02及9311-CK的氨基酸种类及含量Table4 Types and contents of amino acids in grains from R9311-01, R9311-02, and 9311-CK （单位：mg·g-1）

2.3.3 风味氨基酸含量与组成 R9311-01、R9311-02和9311-CK的风味氨基酸含量如表5所示，R9311-01的苦味氨基酸含量高于9311-CK且差异显著（P＜0.05），其余的风味氨基酸均与9311-CK无显著差异。R9311-02的所有的风味氨基酸与9311-CK均无显著差异。

2.3.4 不同结构氨基酸比较 R9311-01含硫氨基酸与芳香族氨基酸均高于对照9311-CK，差异显著（P＜0.05）。R9311-02的含硫氨基酸ΣSAA、支链氨基酸ΣBCAA、芳香族氨基酸ΣAAA与9311-CK均无显著差异（表6）。

表5 R9311-01、R9311-02及9311-CK风味氨基酸含量Table5 Contents of flavor amino acid in grains from R9311-01, R9311-02, and 9311-CK

表6 R9311-01、R9311-02及9311-CK不同结构氨基酸含量Table6 Contents of amino acids of differed configurations in grains from R9311-01, R9311-02, and 9311-CK

3 讨论与结论

本研究探讨了经γ射线辐射诱变后的有色稻突变体的农艺性状以及营养品质的变化。本试验用了500 g9311种子进行辐射，按照李珊对γ射线辐射的产生突变的试验结果[11]，近20 000粒种子的突变位点合集变异密度大，相当于在水稻基因组中每100 bp就有一个突变，平均每个基因都会有好几个突变位点，在如此多的突变基数下导致果皮颜色改变是可能的。由于诱变的种子多，工作量巨大，所以并未统计突变概率。除了9311外，本研究还对闽恢3301、蜀恢527、明恢86、CDR22进行了辐射诱变。其中CDR22同时得到了红米与黑米，其余的3个品种则是获得诱变红米或者诱变黑米。

在农艺性状方面，突变体R9311-01、R9311-02与原始亲本9311-CK在播抽历期、株高、有效穗、结实率、单株重等无显著差异，说明突变体继承了9311优良的农艺性状。这可能是有两个方面的原因，一方面是γ射线辐射导致的突变是随机的且没有热点[11]，突变体影响糙米色的基因发生改变而影响其他性状的基因变异少。另一方面，经过多代的自交以及定向筛选后也使得一些杂合的不良变异基因被剔除。除了果皮颜色改变外，突变体的平均穗长与千粒重与野生型9311存在差异，这是由于辐射突变并非只引起一个位置发生突变，而是有大量的突变位点[19]。这些突变位点除了可能改变水稻的农艺性状外，还可能改变生物进程，使各基因的表达时间与表达量发生变化，进而改变水稻的其他农艺性状。

在营养品质方面，突变体的脂肪含量、支链淀粉含量、黄酮含量以及花色苷含量均有显著提升，其中R9311-01和R9311-02的黄酮含量分别是9311-CK的2.19倍和1.7倍，花色苷含量分别是40.87倍和8.95倍，黄酮与花色苷的大量累积是突变体糙米皮颜色发生改变的根本原因[20-21]。有色稻突变体的脂肪含量与支链淀粉含量高于对照CK-9311，粗蛋白与总氨基酸含量则无显著差异，与张威毅等的研究结果不一致[22]。这可能是由于张威毅等对比的有色稻与白米亲缘关系较远，而本研究所用的有色稻是直接由对照白米辐射得到的原因。此外，R9311-01的赖氨酸显著高于9311-CK，作为水稻的第一限制性氨基酸[23]，赖氨酸的提高说明R9311-01的营养品质有所改善。R9311-01的含硫氨基酸也有显著提高，此类氨基酸与动物营养、免疫相关[24]。

综上，利用辐射诱变对农艺性状好的9311进行诱变、筛选，以培育出具有生产价值的有色稻新品种是可行的。