广西水稻地方品种核心种质矿质元素含量差异及相关分析

夏秀忠 张宗琼 农保选 杨行海 曾宇 荘洁 刘开强 李丹婷

摘  要： 以419份廣西水稻地方品种核心种质的糙米为材料，分别于2014和2015年测定了Ca、Fe、Zn和Se 4种矿质元素含量，同时利用34个SSR标记对两年矿质元素含量进行Pearson相关分析。结果表明：4种矿质元素在两年间的鉴定结果存在极显著差异，呈显著正相关。籼稻的Ca、Se平均含量高于粳稻，Ca（2014）、Se（2014）在籼粳稻间呈显著性差异;粳稻的Fe、Zn平均含量高于籼稻，Fe（2015）、Zn（2014，2015）在籼粳间呈显著性差异。矿质元素含量与稻作区经纬度、海拔等因素相关，Fe平均含量在桂南稻作区最高，Zn平均含量在桂中稻作区最高;Ca、Fe、Zn平均含量在黑米中含量最高，Se在红米中含量最高;Ca和Zn平均含量在黑米与红米、黑米与白米之间存在显著差异，Fe无显著差异。4种矿质元素含量在2年间的相关系数范围为0.159～0.557，均呈极显著正相关。2014年4种元素含量间无显著性相关;2015年Se和Fe、Zn之间呈显著正相关（P<0.05），Zn和Fe之间显著正相关（P<0.01），Zn和Ca之间极显著正相关（P<0.001）。SSR标记共检测到167个等位基因，平均4.91个，遗传多样性指数为0.574，遗传信息量为0.522。经Pearson相关分析，4种矿质元素共关联到18个相关位点，其中8个位点与前人的研究结果不相同。

关键词： 广西水稻;地方品种;核心种质;矿质元素;相关分析

中图分类号： S511      文献标识码： A

Abstract： The content of Ca， Fe， Zn and Se in brown rice of 419 core collection accessions of Guangxi landrace was analyzed in 2014 and 2015. A total of 34 SSR markers were used to identify the content of four mineral elements by Pearson correlation analysis in the two years. The content of the four mineral elements in the two years was significantly different and positively correlated. The content of Ca and Se in indica was higher than that in japonica with significant difference. The content of Fe and Zn in japonica was higher than that in indica with significant difference. The content of mineral elements was associated with longitude， latitude and altitude of the rice cropping regions. The content of Fe was the highest in southern Guangxi， that of Zn was the highest in central Guangxi， that of Ca， Fe， Zn was the highest in black rice， that of Se was the highest in red rice， that of Ca and Zn of black rice was significantly higher than that of red and white rice， and that of Fe was not significantly among three pericarp colors. The range of correlation coefficient of the content of the four mineral elements between the two years from 0.159 to 0.557， 2014 was significantly positively associated with 2015. There was no obvious difference among the content of the four elements in 2014. In 2015， the content of Se was significantly positively correlated with that of Fe and Zn （P<0.05）， the content of Zn was significantly positively associated with that of Fe （P<0.01） and Ca （P<0.001）. A total of 167 alleles were detected by SSR markers， with genetic diversity index 0.574 and genetic information 0.522. Pearson correlation analysis showed that 18 loci were associated to the content of the four mineral elements， among them， eight loci weree different from the previous studies. The study would provide a theoretical basis and material foundation for related gene mining and rice breeding with high mineral element content.

Keywords： Guangxi rice; landraces; core collection; mineral content; correlation analysis

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.014

水稻是我国主要粮食作物之一，稻米富含大量人体所必需的矿质元素[1]。我国居民食物中70%的热量和 65% 的蛋白质及大部分矿质元素来自稻米[2]。随着人们饮食和生活习惯的改变，营养失衡日渐明显，微量矿质营养元素摄入过低，影响人们的健康。从水稻中摄入矿质元素，成为改善人们营养的有效途径之一。可通过培育高矿质元素含量的水稻品种，满足人体营养和健康需求。

筛选出高矿质元素含量的水稻种质资源是开展相关研究的前提和基础。许多学者通过对稻种资源的研究认为，由于地理差异、遗传进化和人工选择的原因，水稻的矿质元素含量因品种类型不同，产生较大的遗传差异。水稻籽粒矿质元素含量变异与农艺性状、品质性状、品种类型以及品种来源地之间，存在显著的相关性[3-5]。Huang等[6]经2 a的对比实验研究认为Ca、Na和K主要受基因型的影响，而Fe、Zn和Cu主要受环境的影响，并鉴定出多个与矿质元素含量相关的SNP位点。柏鹤等[7]研究认为水稻单一特殊性状或2～3个特殊性状的聚合对Fe、Ca和Zn含量的提高方面具有增加效应。张名位等[8]研究认为水稻矿质元素含量受不同地区、不同年份的影响，产生较大的遗传变异，体现了不同基因型与环境互作的差异。

近年来，随着分子生物技术的快速发展，在水稻中鉴定出多个与矿质元素相关基因及位点[4， 9-13]。而广西可能为栽培稻的起源中心[14]，拥有丰富的稻种资源，遗传多样性高，为筛选出高矿质元素含量的稻种资源、培育高矿质元素含量的特种资源提供良好的前提条件。本研究将通过对广西栽培稻核心种质的Ca、Fe、Zn和Se 4种矿质元素含量进行测定，分析矿质元素含量在不同种植年份、种皮色、不同稻作区之间的差异，利用SSR分子标记和矿质元素含量之间进行相关分析，获得显著关联的分子标记，为选育高矿质元素含量水稻品种的亲本选择、挖掘与矿质元素含量相关基因提供材料基础和理论依据。

1  材料与方法

1.1  材料

试验材料来源于广西水稻地方品种初级核心种质419份如表1。

1.2  方法

1.2.1  矿质元素含量测定方法  所有试验材料于2014、2015年晚造种植于广西农业科学院水稻研究所实验田，属双季稻区。稻田土壤主要营养成分为交换性Ca： 6.4 cmol/kg;有效Fe： 137.9 mg/kg;有效Zn： 1.47 mg/kg;全Se： 0.39 mg/kg。收获后种子经自然干燥，砻谷机脱壳成糙米，再经粉碎机研磨成粉。矿质元素含量测定以糙米为材料进行测定，由广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所进行Ca、Fe、Zn和Se元素含量測定。Ca、Fe、Zn按照LY/T 1270?1999的规定方法检测，全Se按照GB 5009.93?2010规定的方法检测。

1.2.2  SSR标记相关分析  利用均匀分布水稻染色体的34对SSR引物进行PCR分析，每条染色体上取2～4对。采用CTAB法提取水稻叶片DNA，用1%琼脂糖凝胶和BioSpec nano检测质量和浓度，工作液浓度稀释至20 ng/μL，20 ℃保存备用。PCR反应程序为： 95 ℃预变性4 min;95 ℃变性35 s，55 ℃退火35 s，72 ℃延伸45 s，32个循环，最后72 ℃延伸5 min，5 ℃保存。扩增产物用6%非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测，0.1% AgNO3染色及显影。采用Pearson相关分析法确定与矿质元素含量相关基因连锁的分子标记。当2 a的P<0.05时，认为该标记与基因连锁。

1.3  数据处理

采用SPSS Statistics 24软件进行描述统计、t检验、Pearson相关分析和方差分析;Origin 8.0软件进行图形绘制;Powermarker V3.25软件分析等位基因数量、遗传多样性指数和遗传信息量。

2  结果与分析

2.1  核心种质矿质元素含量分析

419份核心种质糙米2014、2015年的Ca、Fe、Zn和Se 4种矿质元素平均含量、标准差（SD）、变异幅度和变异系数（CV）如表2。对供试材料进行两年间的差异显著性检测，结果表明，4种元素2014、2015年之间分析结果均呈现极显著差异。

2014年Ca、Fe、Zn和Se含量分别为183.62、16.61、24.77和0.0178 mg/kg;2015年含量分别为160.04、17.76、25.32和0.0196 mg/kg，Ca（2015）比Ca（2014）平均含量降低，而Fe、Zn和Se平均含量升高。2014年CV和Max/Min大小依次为： Se>Ca>Fe>Zn;2015年CV和Max/Min大小依次为： Se>Fe>Zn>Ca，Se（2014、2015）的CV值和Max/Min值最大，CV值分别为60.08%和46.42%，Max/Min值分别为66和54，说明水稻Se在4种矿质元素中的基因型差异最大，遗传多样性最为丰富。

本研究从供试材料中筛选出矿质元素含量较高的种质，如C85、C136、C52、C278和C172钙含量较高;C353、C321、C333、C332和C313铁含量较高;C2、C192、C195、C310和C383等种质Se含量较高;C29、C206、C355、C362和C360锌含量较高;2 a的检测结果含量稳定，矿质元素含量受环境影响较小。

2.2  水稻的矿质元素含量在类型间的差异分析

419份核心种质材料中有330份籼稻和89份粳稻，两年的统计结果表明，Ca和Se的平均含量籼稻高于粳稻，Ca（2014）、Se（2014）在籼粳稻之间呈显著性差异;Fe和Zn的平均含量粳稻高于籼稻，Fe（2015）、Zn（2014，2015）在籼粳稻之间呈显著性差异（图1）。

2.3  矿质元素含量的地域性差异分析

广西水稻地方品种核心种质来源于4个稻作区，糙米矿质元素含量的地域性差异如图2。Ca（2014）含量最高为桂南稻作区188.12 mg/kg，Ca（2015）含量最高为高寒山区166.68 mg/kg，Ca含量最低均为桂中稻作区，分别为175.78、156.95 mg/kg;Fe、Zn和Se的平均含量2015年

比2014年均表现升高。Fe含量在2014、2015年最高均为桂南稻作区，分别为16.78、18.12 mg/kg;Zn含量在2014、2015年最高为桂中稻作区，分别为25.77、26.31 mg/kg;最低为桂南稻作区，分别为24.34、24.97 mg/kg;Se（2014）含量最高为桂南稻作区的0.0197 mg/kg，Se（2015）含量最高为桂中稻作区的0.0201 mg/kg;最低均为桂北稻作区，分别为0.0136、0.0176 mg/kg。

方差分析结果表明：Ca（2014）桂南稻作区与高寒稻作区呈显著性差异，Ca（2015）中高寒稻作区与桂中稻作区呈显著性差异;Fe（2014、2015）在4个稻作区之间无显著性差异;Zn（2014、2015）在桂中稻作区与桂南稻作区呈显著性差异;Se（2014）在桂南稻作区与其它3个稻作区呈显著性差异，Se（2015）在4个稻作区之间无显著性差异。

2.4  矿质元素含量在种皮色间差异及相关分析

矿质元素含量以糙米种皮色进行分组，3种皮色的矿质元素平均含量之间存在较大的差异。在2014、2015年，Ca、Fe、Zn在黑米中含量最高。Ca含量分别为210.43、187.62 mg/kg，Fe含量分别为17.33、18.35 mg/kg，Zn含量分别为27.43、28.47 mg/kg。方差分析结果表明，Ca和Zn（2014、2015）含量在黑米与红米、黑米与白米之间呈显著性差异，红米与白米之间差异不显著;而Fe（2014、2015）含量在黑米、红米、白米之间均无显著性差异。Se在红米中含量最高，2014年和2015年分别为0.0202、0.0216 mg/kg，显著高于黑米和白米（2015年，红米与黑米间差异不显著除外）;2014年Se含量白米高于黑米，2015年Se含量白米低于黑米，但差异均不显著（图3）。

2.5  4种矿质元素之间的相关分析

419份核心种质材料矿质元素配对相关分析结果如表3。Ca、Fe、Zn、Se在两年间的相关系数范围为0.159～0.557，均呈极显著正相关（P< 0.001）。2014年4种元素含量间无显著性相关;2015年Se和Fe、Zn之间呈显著正相关（P<0.05），其中Se和Fe的正相关性与孙明茂等[15]的研究结果相反，可能与使用材料的群体类型有关;Zn和Fe之间显著正相关（P<0.01），Zn和Ca之间极显著正相关（P<0.001）。

2.6  4种矿质元素与SSR分子标记间的Pearson相关分析

用34对SSR标记对419份核心种质进行分子检测，共扩增167个有效等位基因，每个标记数量范围2～9个，平均4.91个，遗传多样性指数为0.574，遗传信息量为0.522。以2014、2015两年的鉴定结果进行比较，经Pearson相关分析，选择2 a均达P<0.05显著相关为连锁相关区域。结果如表4。

Ca在第5、10染色体有显著关联位点，其中RM274标记显著关联，与刘杰[16]定位的qCa5位点一致;RM8201尚未发现定位QTL位点。

Fe与第7染色体RM134标记显著相关，其附近区域OsNAS3（烟酰胺全成酶）基因已经被克隆，激活烟草胺合成酶OsNAS3能增加水稻幼苗根部和地上部以及谷粒中的矿物质含量，增强对Fe和Zn缺乏的耐受力[17]。

Zn在第3、5、6、7、8、9、10、11、12染色体上均有关联位点。其中位于第3染色体RM16与沈希宏等[2]定位的QTL-qZNCN-3区域接近;第5染色体RM169与Garcia-Oliveira等[18]定位QTL-qZN5-1接近;第6染色体的RM314和RM30尚未发现定位QTL位点;第7染色体RM234与Anuradha等[19]定位qZN7.1区域接近;第8染色体上RM408标记与Garcia-Oliveira等[18]定位QTL-qZN8区域一致;第9染色体RM434与黄莹莹等[13]定位的QTL-qZN-9区域接近，RM201与Du等[20]定位的QTL-qZN-9区域一致;第10染色体RM216和RM8201呈极显著负相关，尚未发现相关QTL位点;第11染色体RM206与Norton等[21]定位的QTL-qZN*11区域接近;第12染色体上RM19与Swamy等[22]定位的QTL-qZN12.1區域接近。

相关分析结果表明，Ca（RM8201）;Zn（RM314、RM30、RM284、RM205、RM216、RM8201）;Se（RM9）8 个关联位点与其他研究学者研究结果不一致。

3  讨论

前人研究结果表明，水稻籽粒矿质元素含量受基因型[24]、环境[5]等因素的影响。本研究通过分析419份广西水稻地方品种核心种质材料两年的矿质元素含量表明，Ca、Se含量籼稻高于粳稻、Fe、Zn含量粳稻高于籼稻。4种矿质元素受不同年份的环境因素影响较大，均表现为极显著差异，这与Huang等[6]的研究结果一致。Ca在2015年的鉴定结果中出现不同程度的下降，而Fe、Se、Zn的积累反而升高。

水稻矿质元素含量存在纬度的差异[1，5] ，广西依据纬度和海拔进行稻作区划分，且桂南稻作区的隆安县可能为栽培稻的起源中心[14]。本研究结果表明，高Ca含量种质材料主要分布于桂南稻作区和高寒山区，高Fe含量种质材料主要分布于桂南稻作区;高Zn含量种质材料主要分布于桂中稻作区;高Se含量种质材料来源于桂南和桂中稻作区。与曾亚文等[25]的研究结果提出生物多样性中心的糙米矿质元素Ca和Fe的含量最高的研究结果一致。广西地方稻种资源核心种质Ca、Fe、Zn含量平均值低于云南稻核心种质[3]和其它不同地区稻种资源的矿质元素含量[26-28]。但广西的栽培稻地方品种资源中存在矿质元素含量较高的特异性种质，2 a检测结果重复性好，糙米中含量高且稳定，受环境的影响小。如C210和C362富含Ca、Fe、Zn 3种矿质元素;C29和C206富含Zn、Se两种矿质元素;C250富含Fe、Se两种矿质元素等，可作为选育高富矿质元素水稻品种和基因定位群体构建的亲本材料。

相关研究结果表明，矿质元素含量与水稻种皮色之间存在显著的相关性[29-31]，本研究结果也证实了这一观点。黑米中的Ca、Fe、Zn含量最高，红米中Se含量最高，其中Ca（2015）和Se（2015）与种皮色呈显著正相关关系。

前人鉴定出多个与矿质元素相关QTLs，部分位点已被克隆[2，13，16，18-23，32]。本研究发现多个与矿质元素相关联的位点，部分位点与前人定位的QTL位点区域一致或者相似，有8个关联位点未发现相似位点，可进一步研究验证，挖掘相关基因。培育高矿质元素含量水稻品种的目标是要获得高矿质元素含量、稳定性强、适应性广的品种。本研究通过对种质资源鉴定和筛选，获得高矿质元素含量的创新种质，以这些特殊材料作为育种亲本，通过系谱选择等方法，进行聚合育种[30]，获得2个或以上特殊性状的聚合种质材料，创制高富营养保健功能的特种稻种质。

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