高抗性淀粉含量粳稻新品种‘优糖稻3号’的选育

杨瑞芳,白建江,万常照,汤剑豪,龚长春,朴钟泽

(上海市农业科学院作物育种栽培研究所,上海农产品保鲜加工工程技术研究中心,上海 201403)

随着社会发展,人类疾病谱中与膳食营养相关的慢性疾病(糖尿病、心血管疾病、肥胖症、高血脂症等)比例不断攀升,目前已成为全球性重大的公共卫生问题。我国是糖尿病高发国家,根据糖尿病联盟(IDF)发布的统计结果显示,至2017年,我国糖尿病患者已达1.1亿人,预计到2040年,我国糖尿病患者数量将达1.51亿。目前除了临床用药,慢性病的治疗还与膳食营养密切相关,通过饮食调节,从源头上预防慢性疾病的发生和发展,是对糖尿病等慢性病防治最重要的手段[1]。

随着大健康产业与现代农业融合发展的日趋紧密,农业不断向着现代化、健康化升级。能调节人体代谢、满足各种特殊消费人群的功能型水稻受到国内外育种家越来越多的关注,包括高抗性淀粉水稻、低谷蛋白含量水稻、富含必需微量元素水稻等[2-3]。近年来,国内外学者对抗性淀粉的生理机制和保健功能研究相对较多。抗性淀粉(Resistant starch,RS)是膳食纤维(Dietary fiber,DF)的一种,是在健康者小肠中不被吸收发酵的淀粉及其降解产物的总称。抗性淀粉具有降血糖、降血脂、促进肠道健康及促进矿物质消化吸收等重要生理功能[2-5]。

‘降糖稻1号’是上海市农业科学院选育的首个籽粒内抗性淀粉高于普通大米20倍以上的功能性粳稻新品种,由于该品种产量低、出米率低,生产成本高,限制了其推广利用。利用分子标记辅助选择育种体系,以‘降糖稻1号’为供体亲本,获得了产量和质量兼顾的高抗性淀粉水稻新品系,‘优糖稻2号’2019年通过上海市农作物品种审定[6],‘优糖稻3号’株高相较于‘优糖稻2号’高,产量更高,2020年通过上海市农作物品种审定。

1 材料与方法

1.1 亲本材料

‘优糖稻3号’是上海市农业科学院作物育种栽培研究所于2011在海南用该所高抗性淀粉水稻资源11JD64(‘降糖稻1号’)为母本与该所培育的品种‘沪稻55’为父本杂交,利用系谱法选育而成。

1.2 分子标记检测

取水稻幼嫩叶片,采用CTAB方法提取基因组总DNA,参考杨瑞芳等[7]报道的抗性淀粉基因型CAPS/SpeI分子标记检测方法。PCR扩增后,经过SpeI酶切电泳分析,高抗性淀粉基因型单株PCR产物不能被酶切,只有1条571 bp特征带,常规水稻品种PCR产物可以被SpeI酶切,产生375 bp和196 bp 2条特征带,杂合单株则具有571 bp、375 bp和196 bp共3条特征带。

1.3 稻瘟病鉴定

稻米品种稻瘟病抗性检测,委托湖南省放华稻瘟病鉴定防治服务中心在桃江基地进行。桃江病圃位于长江中下游生态区,该地区昼夜温差大,水稻叶片结露时间为12—14 h,具有稻瘟病浸染繁殖、扩展流行的较好条件,是我国抗稻瘟病水稻品种的鉴定基地,每年为全国科研以及生产单位鉴定大量水稻育种材料和生产品种。

1.4 抗性淀粉含量测定

RS含量采用爱尔兰Megazyme抗性淀粉检测试剂盒检测,具体步骤为:准确称取100 mg样品,小心放入带螺旋盖的塑料试管中,依次加入α-胰淀粉酶反应液和淀粉葡萄糖苷酶(AGM),37℃振荡孵育16 h,非RS被溶解,水解成D-葡萄糖;孵育结束后加入99%乙醇终止反应;离心上述溶液,弃上清,底部残留絮状团即为样品中的RS,再用50%乙醇洗涤沉淀;倒置离心管,沉淀干燥后,用2 mol/L氢氧化钾溶解沉淀,并加入AGM,置于50℃水浴中孵育20 min,最后用D-葡萄糖用葡糖氧化酶/过氧化物酶试剂(GOPOD)试剂测定葡萄糖含量,并计算RS含量。

1.5 米质测定

糙米率、精密率、垩白粒率、垩白度、透明度和碱消值,参照NY/T 83—2017规定测定;整精米率依据GB/T 21719—2008检测;胶稠度依据BG/T 22294—2008检测;直链淀粉含量检测依据BG/T 15683—2008;粒长依据GB/T 34535—2009检测;长宽比依据NY/T 2334—2013检测。

2 结果与分析

2.1 基因型鉴定

利用针对SBE3突变基因sbe3-rs突变位点设计的CAPS分子标记检测杂交亲本‘降糖稻1号’‘亲本沪稻55’及‘优糖稻3号’抽样单株。检测结果如图1所示,‘沪稻55’分子标记检测有375 bp和196 bp 2条带,‘降糖稻1号’分子标记检测只有1条571 bp条带,‘优糖稻3号’稳定品种抽样调查单株分子标记检测结果与供体亲本‘降糖稻1号’一致,均只有1条571 bp条带(图1)。

图1 ‘优糖稻3号’及其杂交亲本sbe3-rs基因型分子标记检测Fig.1 Genotype detection of sbe3-rs in‘Youtangdao 3’and its parents

2.2 选育过程

2011年冬季在海南,用高抗性淀粉水稻资源11JD64(‘降糖稻1号’)为母本、‘沪稻55’为父本杂交,2012年夏季种植F1代(田间编号为121238)。秋季混收后,在室内加工成糙米,再根据高抗性淀粉籽粒外观特点挑选垩白度高的籽粒(籽粒垩白面积50%以上),2012年冬在海南,种植F2代(田间编号为12冬凡152),挑选籽粒垩白率60%以上单株。2013年夏按株系种植F3代(田间编号为137330),挑选优株并用分子标记技术鉴定对应高垩白率单株的抗性淀粉基因型。2013冬在海南,对抗性淀粉基因型纯合F4单株加代,加速遗传稳定(田间编号为13冬凡156)。2014年夏在上海,种植综合性状好的优良F5株系(田间编号为RS14-176),选择优良单株收获。2014年冬在海南,将选择的优良单株F6加代,加速遗传稳定(田间编号为14冬凡148)。2015年夏在上海,从综合农艺性状稳定的优良株系继续选择单株F7,并进行抗性淀粉含量检测。2015年冬在海南,繁种获得足够多的种子量(田间编号为15冬凡24)。2016年夏季参加上海市农业科学院单晚粳品比试验,每667 m2产量为464.1 kg,比对照‘降糖稻1号’增产57%(田间编号为DF29)。2016年冬在海南,继续纯化,扩大繁殖(田间编号为DF29)。2017年上海参加品种生产试验,并测定抗性淀粉含量,每667 m2产量为512.9 kg(田间编号为DF29)。在上海市农业科学院庄行综合试验站基地、光明长江农场、金山、松江、奉贤等地展示示范,2018年平均每667 m2产量为495.3 kg(田间编号为沪稻RS3号),2019年平均每667 m2产量为503.5 kg。2020年6月通过上海市品种审定委员会审定,定品种名‘优糖稻3号’(审定编号:沪审稻2020012)。

2.3 功能特性

‘优糖稻3号’富含抗性淀粉,含量为13.2%,是普通大米的20倍以上。抗性淀粉是一种新型的膳食纤维,具有重要的生理功能:1)能减少胰岛素反应,尤其对非胰岛素依赖型病人,通过摄入高抗性淀粉含量的食物,能有效抑制餐后血糖升高,从而控制糖尿病病情;2)降低血清中胆固醇和甘油三酸酯;3)预防肠道疾病;4)抗性淀粉几乎不含热量,可有效控制体重;5)促进维生素和矿物质的吸收。

2.4 主要农艺性状及米质表现

‘优糖稻3号’株高101.9 cm,较‘优糖稻2号’(株高88.5 cm)高,直链淀粉含量30.9%,垩白度67.5%,垩白粒率87%,糙米率79.7%,精米率67.8%。田间生长整齐,种性稳定,全生育期160.0 d,较‘优糖稻2号’(生育期147 d)长10 d左右,穗长17.5 cm,每穗实粒数159.0粒,分蘖力中等,成穗率高,结实率90%以上,熟期转色好,在安徽、浙江、湖南等地进行田间调查,稻瘟病抗性强。经分子标记辅助检测,抗性淀粉基因型稳定。

2.5 产量分析

2018年,功能水稻新品系‘优糖稻3号’在上海(奉贤、金山、崇明、松江)多点试验,每667 m2平均产量为495.3 kg,较对照‘秀水134’(每667 m2平均产量为572.3 kg)减产13.4%,产量比‘优糖稻2号’(每667 m2平均产量为428.3 kg)增产15.6%。2019年,‘优糖稻3号’在上海(奉贤、金山、崇明)继续多点试验,每667 m2平均产量为503.5 kg,较对照‘秀水134’(每667 m2平均产量为586.9 kg)减产16.6%,产量比‘优糖稻2号’(每667 m2平均产量为448.5 kg)增产12.2%。

2.6 稻瘟病抗性分析

‘优糖稻3号’稻瘟病抗性鉴定结果显示,苗叶瘟2级,穗瘟3级,穗瘟损失率1级,综合抗性指数1.75,综合病级1级,抗性评价为抗稻瘟病。

2.7 栽培要点及适宜种植地区

2.7.1 栽培技术要点

1)适时、适量播种、培育壮苗。每667 m2大田用种量为4—5 kg,移栽稻可于5月中旬播种,秧龄25—30 d为宜,移栽种植密度控制在20 cm×13 cm,每穴3—5根苗;直播每667 m2用种量为5—6 kg,可于5月底至6月上旬播种。

2)合理施肥。每667 m2总纯氮施用量控制在18 kg左右,注重肥料运筹、适当增施磷钾肥施用量,提高植株抗逆性,提高千粒重和籽粒结实率。掌握前重、中稳、后补的原则,重施基、苗肥,稳施当家肥,后补孕穗肥和粒肥。适当增加粒肥(氮素)比例,有利于提高抗性淀粉的含量。

3)做好病、虫、草防治。要注意做好整个生长期间的虫害控制,尤其是稻纵卷叶螟以及稻飞虱等迁飞性害虫的适时防治。在稻瘟病重发年份,要注意在孕穗期和齐穗期对稻瘟病的适时防治。中前期主要防治纹枯病。

4)加强水浆管理、切忌断水过早。幼苗期注意促进根的生长,此时应注意短期脱水处理;进入分蘖期后,浅水勤灌,促进分蘖,当田间基数达到计划基数80%时,进行晒田控制晚生无效分蘖,同时壮根充氧;在灌浆中后期对水分要求较高,后期切忌断水过早,应做干湿交替管理至成熟,提高根系活力,以利养根保叶,防止早衰。

2.7.2 适宜种植地区

适宜在上海及其周边地区种植。

3 结论与讨论

本研究在前期工作的基础上,培育获得综合农艺性状优良的‘优糖稻3号’,该品种田间生长整齐,种性稳定,成穗率高,结实率高,整齐度较好,熟期转色好,田间病害发生轻,于2020年通过上海市农作物品种审定。上海市农业科学院选育的高抗性淀粉水稻品种‘降糖稻1号’熟期晚、不抗病、易倒伏,出糙率和出米率低,667 m2产量为300 kg左右,严重限制了其推广利用。研究团队以‘降糖稻1号’为研究对象,利用正向遗传学手段,首次定位了控制抗性淀粉合成的基因sbe3-rs,获得授权发明专利(专利号:ZL201210266 649.9),并开发了功能标记,建立了分子标记辅助选择育种技术体系[7-8]。团队利用分子育种技术结合传统育种技术,培育获得‘优糖稻2号’‘优糖稻3号’等一批高产优质的新高抗性淀粉水稻新品种(系)。‘优糖稻2号’2019年通过上海市品种审定,‘优糖稻3号’产量比‘优糖稻2号’增产10%以上,且综合抗病性强,目前优糖稻已经在上海浦东、松江、崇明等周边地区推广种植,累计种植总面积超过66.7 hm2,这将为大健康产业注入更多助力。