江蘇和東北粳稻稻米理化特性及Wx和OsSSIIa基因序列分析

趙春芳 岳紅亮 田 錚 顧明超 趙 凌 趙慶勇 朱 鎮(zhèn) 陳 濤 周麗慧 姚 姝 梁文化 路 凱 張亞東 王才林

江蘇和東北粳稻稻米理化特性及和基因序列分析

趙春芳 岳紅亮 田 錚 顧明超 趙 凌 趙慶勇 朱 鎮(zhèn) 陳 濤 周麗慧 姚 姝 梁文化 路 凱 張亞東 王才林*

江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/ 江蘇省優(yōu)質(zhì)水稻工程技術(shù)研究中心/ 國家水稻改良中心南京分中心, 江蘇南京 210014

依據(jù)地理來源和直鏈淀粉含量將87份供試粳稻品種(系)劃分為江蘇普通粳稻、東北粳稻和江蘇半糯粳稻3種類型, 系統(tǒng)比較了稻米理化性狀及淀粉合成主效基因和序列的差異, 以探究其食味品質(zhì)特征及其形成的分子基礎(chǔ)。與東北粳稻相比, 江蘇普通粳稻的直鏈淀粉含量偏低, 蛋白質(zhì)含量和糊化溫度偏高, 而膠稠度和RVA譜特征值相當(dāng)。與江蘇普通粳稻和東北粳稻相比, 江蘇半糯粳稻具有較低的直鏈淀粉含量、較大的膠稠度及獨(dú)特的RVA譜特征。大多數(shù)性狀變異系數(shù)在3種類型粳稻中均較小, 僅消減值變異系數(shù)較大, 說明品種(系)間的稻米回生性存在較大差異而其他性狀較為一致。各性狀間的相關(guān)性在3種類型粳稻中表現(xiàn)不盡相同, 說明地理來源和品種特性影響食味品質(zhì)性狀間的相關(guān)程度。聚類分析將87份粳稻分為4個(gè)類群, 江蘇普通粳稻與東北粳稻主要分布于類群I和II, 且品種間相互交錯(cuò); 類群III由2個(gè)江蘇普通粳稻品系和1個(gè)江蘇半糯粳稻(徐稻9號(hào))組成, 多數(shù)性狀值位于普通粳稻與半糯粳稻之間; 類群IV中均為江蘇半糯粳稻。序列分析表明江蘇普通粳稻和東北粳稻中Wx基因無序列差異, 而江蘇半糯粳稻在Wx第4外顯子上發(fā)生G/A替換, 屬Wx等位基因型; 江蘇省部分粳稻品種(系)攜帶()等位基因, 從而導(dǎo)致高糊化溫度。

粳稻; 食味品質(zhì); 低直鏈淀粉含量;;

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平提高, 人們對(duì)主食稻米的需求正由溫飽型向食味型和品質(zhì)型轉(zhuǎn)變, 食味品質(zhì)成為決定稻米品質(zhì)的核心因素[1]。目前我國稻米食味品質(zhì)主要依據(jù)人工品嘗直接評(píng)價(jià), 或者通過直鏈淀粉含量(amylose content, AC)、膠稠度(gel consistence, GC)、糊化溫度(gelatinization temperature, GT)等理化指標(biāo)間接判定。前者需要組織經(jīng)過培訓(xùn)的很多人員進(jìn)行感官試驗(yàn), 操作復(fù)雜并存在主觀性, 不適用于對(duì)批量樣品的分析。長期以來一直將后者作為衡量稻米食味品質(zhì)的重要指標(biāo)和育種材料品質(zhì)篩選的主要手段[2]。除了AC、GC、GT等理化指標(biāo), RVA譜特征值反映淀粉在水中因加熱和冷卻而發(fā)生的黏度變化, 模擬了米飯的蒸煮過程[3], 測(cè)定的峰值黏度、崩解值及消減值與感官品嘗值有極高的相關(guān)性[4-5], 能夠區(qū)分不同水稻品種蒸煮食味品質(zhì)的優(yōu)劣[6]。

淀粉占精米胚乳干重的90%以上, 其組成與結(jié)構(gòu)是決定稻米食味品質(zhì)的最重要因素。由蠟質(zhì)基因(,)編碼的顆粒結(jié)合型淀粉合酶I (gra-nule-bound starch synthase, GBSSI), 主要負(fù)責(zé)直鏈淀粉的合成, 該基因的不同等位變異型決定了稻米的直鏈淀粉含量[7-8]。水稻支鏈淀粉的合成由可溶性淀粉合酶SSS催化合成, 主要有8種同工型[9], 其中同工型SSIIa在水稻胚乳中特異表達(dá), 對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)影響最大?？扇苄缘矸酆厦窱I基因, 亦被稱為糊化溫度控制基因[10], 主要負(fù)責(zé)將支鏈淀粉的短支鏈(A+B1)合成至中等長度的分支鏈(B2+B3)。該基因也存在多種等位變異型, 依據(jù)酶活性, 可分為高酶活型和低酶活型, 高酶活型主要存在于秈稻中, 能合成較多的中等長度分支鏈, 表現(xiàn)為高糊化溫度; 低酶活或酶活喪失型主要存在于粳稻中, 表現(xiàn)為低糊化溫度[9]。和被認(rèn)為是影響稻米蒸煮食味品質(zhì)最重要的2個(gè)基因[11]。

黑龍江、江蘇、吉林、遼寧、云南、浙江、安徽是我國七大粳稻主產(chǎn)省, 東北地區(qū)粳稻生產(chǎn)享有灌漿期溫度較低、晝夜溫差大等良好的自然條件, 產(chǎn)出的稻米具有產(chǎn)量高、商品性好、食味品質(zhì)優(yōu)等優(yōu)勢(shì)[12], 而江蘇省粳稻主要受高溫影響, 稻米外觀品質(zhì)及食味品質(zhì)均較低[13-14]。近年來江蘇省水稻育種家們利用突變型基因資源培育了一批直鏈淀粉含量介于粳稻和糯稻之間的粳稻品種(被稱為半糯型粳稻)[15-18], 研究證實(shí)它們具有良好的食味品質(zhì)特性[19-20], 但半糯粳稻與江蘇普通粳稻及東北粳稻之間的食味品質(zhì)性狀差異尚不清楚, 同時(shí)比較3種類型粳稻的研究不多。本研究比較分析了3種類型粳稻間的稻米食味品質(zhì)理化指標(biāo)與RVA譜特征值的差異, 研究了各性狀值間的相關(guān)性及相似程度, 并探討了AC和GT差異的分子基礎(chǔ), 旨在為江蘇省粳稻的食味品質(zhì)改良提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用常規(guī)粳稻品種(系) 87份, 按地理來源分為江蘇省粳稻和東北粳稻(黑龍江、吉林、遼寧三省培育), 其中依據(jù)直鏈淀粉含量將江蘇省粳稻分為江蘇普通粳稻和江蘇半糯粳稻。因此, 87份供試粳稻材料分為3種類型, 34份江蘇普通粳稻品種(系), 32份東北粳稻品種, 21份江蘇半糯粳稻品種(系), 材料名稱見表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

江蘇省粳稻品種(系)(普通粳稻和半糯粳稻) 2017年正季于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所育種基地種植, 每份材料5行, 每行12株, 株行距為16 cm × 16 cm。試驗(yàn)田平整、土壤肥力中等均勻, 采用水育秧、人工移栽, 肥水管理同常規(guī)大田。同年由黑龍江、吉林、遼寧各培育單位當(dāng)?shù)胤N植東北粳稻材料, 收獲后提供稻谷。將試驗(yàn)材料于室溫貯藏3個(gè)月, 待水分含量穩(wěn)定至14%~15%時(shí)研磨至精米。

表1 供試材料信息

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品前處理 稻谷經(jīng)礱谷機(jī)(SY88-TH, 韓國雙龍)去殼出糙, 糙米經(jīng)小型精米機(jī)(BLH-3120, 臺(tái)州伯利恒)出精。用旋風(fēng)式磨粉儀(CT193, FOSS, 瑞典)研磨成米粉, 過100目篩去除雜質(zhì), 獲得的精米米粉用于理化品質(zhì)相關(guān)性狀的測(cè)定。

1.3.2 稻米理化指標(biāo) 分別按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15683-2008《大米直鏈淀粉含量的測(cè)定》和GB/T 22294-2008《糧油檢驗(yàn)大米膠稠度的測(cè)定》測(cè)定直鏈淀粉含量(amylose content, AC)和膠稠度(gel consistency, GC)。米粉經(jīng)H2SO4-H2O2消煮, 用全自動(dòng)流動(dòng)分析儀上測(cè)定含氮量, 再乘以換算系數(shù)5.95得到蛋白質(zhì)含量(protein content, PC)。選用RVA儀測(cè)定糊化溫度(gelatinization temperature, GT)。AC、GC每個(gè)樣品測(cè)定3次重復(fù), GT每個(gè)樣品測(cè)定2次重復(fù), 取平均值為性狀值。

1.3.3 RVA譜特征值 利用谷物黏度快速分析儀(Perten, 瑞典)測(cè)定RVA譜黏滯特性, 用配套軟件TWC分析。參照美國谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)AACC61-01和61-02操作規(guī)程設(shè)置參數(shù)。儀器測(cè)出的RVA參數(shù)包括峰值黏度(peak viscosity, PV)、熱漿黏度(though viscosity, TV)、最終黏度(final viscosity, FV)、峰值時(shí)間(peak time, Pet)、崩解值(breakdown viscosity, BDV)和消減值(setback viscosity, SBV)。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)定2次, 取平均值為性狀值。

1.3.4 淀粉合酶基因和序列分析 分別在基因上設(shè)計(jì)4對(duì)、在基因上設(shè)計(jì)3對(duì)有100 bp左右重疊區(qū)域的測(cè)序引物, 以選定品種的基因組DNA為模板, 進(jìn)行PCR擴(kuò)增、序列分析及基因全長序列拼接。利用Oligo7.0軟件設(shè)計(jì)測(cè)序引物, 利用SeqMan軟件執(zhí)行序列拼接及多序列比對(duì)。等位基因第4外顯子變異位點(diǎn)用陳濤等[21]開發(fā)的受阻突變體系PCR擴(kuò)增四引物檢測(cè), 通過測(cè)序分析第5外顯子變異位點(diǎn), 并以已報(bào)道的Milky queen中的Wx序列為對(duì)照。所用的引物序列及PCR擴(kuò)增片段長度見表2。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Microsoft Excel 2016處理數(shù)據(jù)和繪制圖表, 用SPSS17.0軟件進(jìn)行3種類型粳稻間性狀值的多重比較、差異顯著性分析、相關(guān)性分析及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型粳稻稻米理化性狀間的差異

表3表明, 3種類型粳稻中東北粳稻的AC最大, 江蘇普通粳稻次之, 江蘇半糯粳稻最小。PC在3種類型粳稻中的表現(xiàn)與AC相反, 東北粳稻最小, 江蘇半糯粳稻最大。江蘇半糯粳稻GC顯著大于其余兩種類型粳稻, 后兩者間GT差異不顯著, 江蘇普通粳稻和江蘇半糯粳稻的GT無顯著差異, 但均顯著高于東北粳稻。3種類型粳稻在AC、PC、GC、GT上的變異系數(shù)均較小。在RVA譜特征值上, 峰值黏度PV在3種類型粳稻中無顯著差異, 江蘇半糯粳稻的TV、FV、SBV、Pet特征值均顯著低于其余2種類型粳稻, BDV值則顯著高于其余兩種類型粳稻, 6個(gè)RVA特征值在江蘇普通粳稻和東北粳稻之間均無顯著差異; 各RVA特征值中SBV的變異系數(shù)最大, 其余各特征值均較小, 其中Pet最小。圖1為6個(gè)理化性狀(AC、GC、GT、BDV、SBV和Pet)在3種類型粳稻中的頻率分布圖。

表2 試驗(yàn)所用引物的序列信息

表3 3種類型粳稻稻米理化性狀比較

AC: 直鏈淀粉含量; PC: 蛋白質(zhì)含量; GC: 膠稠度; GT: 糊化溫度; PV: 峰值黏度; TV: 熱漿黏度; FV: 最終黏度; BDV: 崩解值; SBV: 消減值; Pet: 峰值時(shí)間。不同類型粳稻平均值后不同字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。

AC: amylose content; PC: protein content; GC: gel consistency; GT: gelatinization temperature; PV: peak viscosity; TV: though viscosity; FV: final viscosity; BDV: Breakdown viscosity; SBV: setback viscosity; Pet: peak time. Means within a column followed by different letters are significantly different at= 0.05.

圖1 3種類型粳稻理化性狀的頻率分布

a: 直鏈淀粉含量; b: 膠稠度; c: 糊化溫度; d: 崩解值; e: 消減值; f: 峰值時(shí)間。

a: amylose content; b: gel consistency; c: gelatinization temperature; d: breakdown viscosity; e: setback viscosity; f: peak time.

2.2 RVA譜曲線的差異

從3種類型粳稻中分別選取2個(gè)代表性品種(RVA黏度值在平均值附近), 分析RVA譜特征值的變化趨勢(shì)。如圖2所示, 江蘇普通粳稻(淮稻5號(hào)和泗稻212)與東北粳稻(松粳34和吉粳528)的RVA曲線相似, FV與PV近似或高于PV, 而江蘇半糯粳稻(蘇香粳100和南粳2728)的RVA曲線顯著異于其他二者, 具體表現(xiàn)為Pet提前, TV較低, FV顯著低于PV、介于PV和TV中間, 因而具有較高的BDV和較低的SBV (表3; 圖1-d, e)。

2.3 稻米理化性狀間的相關(guān)性

AC與BDV、SBV、Pet呈顯著負(fù)或正相關(guān)性, 且僅表現(xiàn)在江蘇半糯粳稻和東北粳稻間, 在江蘇普通粳稻中相關(guān)性不顯著(表4)。主要在江蘇普通粳稻中檢測(cè)到PC與GC、GT、PV、HV、FV間的相關(guān)性。GC與所有性狀均無相關(guān)性。GT與RVA各特征值均有相關(guān)性, 其中僅在江蘇普通粳稻和東北粳稻中GT與PV、TV、FV呈顯著正相關(guān)性, 在江蘇普通粳稻和半糯粳稻中GT與BDV和SBV分別呈正和負(fù)相關(guān)性。GT與Pet在半糯粳稻中呈顯著負(fù)相關(guān)而在東北粳稻中呈顯著正相關(guān)。RVA譜特征值兩兩性狀間相關(guān), 其中3種類型粳稻中PV、TV、FV兩兩之間均呈正相關(guān), BDV與SBV呈負(fù)相關(guān), Pet與TV、FV、SBV均呈正相關(guān)。僅在江蘇普通粳稻和江蘇半糯粳稻中PV與BDV呈正相關(guān)、與SBV呈負(fù)相關(guān), PV與Pet呈正相關(guān)、TV與BDV呈負(fù)相關(guān), 僅在東北粳稻中SBV與TV及FV呈正相關(guān)。

圖2 3種類型粳稻的RVA譜曲線

2.4 聚類分析

基于稻米理化性狀, 87個(gè)粳稻品種(系)可聚為4類群。第I類群包含54個(gè)品種(系), 由東北粳稻和江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育粳稻品系組成; 第II類群含10個(gè)品種, 主要為江蘇省主栽粳稻品種, 還包括3個(gè)東北粳稻品種吉粳81、五優(yōu)稻1號(hào)和遼粳399; 第III類群包含3個(gè)品種(系), 由2個(gè)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的粳稻品系和1個(gè)半糯粳稻(徐稻9號(hào))組成; 第IV類群包含20個(gè)品種, 均為江蘇半糯粳稻品種(系)(圖3)。

表4 3種類型粳稻稻米理化性狀間的相關(guān)系數(shù)

第1行表示性狀在江蘇普通粳稻中的相關(guān)系數(shù), 第2行表示在東北粳稻中的相關(guān)系數(shù), 第3行表示在江蘇半糯粳稻中的相關(guān)系數(shù)。*和**分別表示在0.05和0.01水平上的相關(guān)顯著性。

The first row represents the correlation coefficient between traits in Jiangsu commonrice, the second row represents the correlation coefficient of Northeast, and the third row represents the correlation coefficient in Jiangsu semi-waxyrice.*and**show the significant correlations at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. AC: amylose content; PC: protein content; GC: gel consistency; GT: gelatinization temperature; PV: peak viscosity; TV: though viscosity; FV: final viscosity; BDV: Breakdown viscosity; SBV: setback viscosity; Pet: peak time.

2.5 Wx和OsSSIIa基因序列差異分析

選取東北粳稻中吉粳512 (AC: 22.57%)和松粳34 (AC: 21.81%)、江蘇普通粳稻中的泗稻212 (AC: 18.21%)和淮稻5號(hào)(AC: 15.03%)、江蘇半糯粳稻中的徐稻9號(hào)(AC: 10.71%)和寧粳8號(hào)(AC: 8.68%)等高、中、低AC的3組樣品。經(jīng)基因擴(kuò)增和序列分析表明, 2個(gè)東北粳稻品種和2個(gè)江蘇普通粳稻品種的基因序列完全一致, 而2個(gè)江蘇半糯粳稻品種在第4外顯子上存在G/A單堿基變異(圖4-a), 與江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的南粳系列品種中基因序列變異位點(diǎn)一致?；蛐蜋z測(cè)表明21個(gè)江蘇半糯粳稻品種(系)均表現(xiàn)為突變基因型(圖4-b)。以含Wx基因型的Milky Queen序列為對(duì)照, 對(duì)部分江蘇半糯粳稻的第5外顯子進(jìn)行序列分析, 其序列完全一致、不存在Milky Queen中的堿基變異(圖4-c),說明江蘇半糯粳稻品種均為Wx等位基因型。

圖3 87份粳稻品種(系)的聚類分析

可溶性淀粉合酶基因是稻米GT的主效控制基因, 分別選取高、低GT材料進(jìn)行了序列分析, 與低GT品種南粳46和松粳34相比, 4個(gè)高GT材料(南粳505、南粳2728、JD7021和JD7027)在基因第8外顯子上均發(fā)生了TT/GC替換(圖5)。

3 討論

由于光、溫及栽培條件不同, 我國不同地區(qū)培育的粳稻稻米品質(zhì)存在較大差異, 一般東北地區(qū)優(yōu)于江蘇省, 但是近年來江蘇省選育的南粳46、南粳9108等半糯型粳稻的食味品質(zhì)已趕超東北大米, 說明食味品質(zhì)受環(huán)境和遺傳的雙重影響。本研究根據(jù)地理來源和直鏈淀粉含量, 將江蘇和黑龍江、吉林、遼寧培育的87份粳稻品種劃分為江蘇普通粳稻、江蘇半糯粳稻和東北粳稻3種類型。選取在品種原產(chǎn)地種植的水稻材料為研究對(duì)象, 而非將不同地域品種同地點(diǎn)種植, 避免了南北方粳稻對(duì)光、溫變化、土壤性質(zhì)等方面的差異, 可如實(shí)反映品種自身的品質(zhì)特性, 體現(xiàn)不同地域品種間稻米品質(zhì)的真實(shí)差異。通過對(duì)比分析AC、PC、GC、GT及RVA特征值等理化性狀差異, 表明與東北粳稻相比, 江蘇普通粳稻的AC較低而PC和GT較高, 其他理化性狀無顯著差異。稻米成分中AC和PC是影響稻米食味的2個(gè)主要因素, 一般PC越低、食味越好, AC在一定范圍內(nèi)也是越低食味越好[22-23]。根據(jù)基因序列分析, 東北粳稻和江蘇普通粳稻品種(系)中無堿基變異, 均為Wx基因型, 江蘇普通粳稻中AC降低可能是通過降低基因表達(dá)或降低GBSSI酶活而形成的。相關(guān)研究表明[24-25], 籽粒灌漿期高溫可以降低粳稻基因表達(dá)水平和相應(yīng)酶活, 從而減少淀粉中直鏈淀粉含量。江蘇省粳稻灌漿期主要處于8月中旬至9月中旬的高溫時(shí)間段, 形成高溫脅迫, 而東北地區(qū)適宜的氣候條件利于稻米灌漿和淀粉形成, 因此灌漿期高溫可能是導(dǎo)致江蘇普通粳稻AC降低的原因。水稻栽培措施及管理對(duì)稻米PC起重要作用[26], 目前我國除東北地區(qū)外, 其他大部分地區(qū)的氮肥施用量均較高, 一般為東北地區(qū)的兩倍以上, 特別是江蘇省氮肥用量多年位居全國前列, 因此造成江蘇省粳稻的PC普遍偏高。江蘇省粳稻的GT總體上高于東北粳稻, 通過對(duì)不同品種的序列分析, 發(fā)現(xiàn)高GT的品種(系)均含有秈稻型等位基因[10], 因此認(rèn)為江蘇省粳稻的高GT主要由其自身遺傳背景決定。與東北粳稻和江蘇普通粳稻相比, 江蘇半糯粳稻具有最低的AC, 最大的GC及獨(dú)特的RVA譜曲線, RVA特征值具體表現(xiàn)為最大的BDV, 最小的TV、FV、SBV和Pet, 說明半糯粳稻是一種理化性狀異于普通粳稻的特殊類型, 低AC是其形成的原因, 這與已有研究結(jié)果一致[19-20,27]。另外, 從性狀的變異系數(shù)上看, 大多數(shù)性狀值的變異系數(shù)在3種類型粳稻中均較小, 僅SBV的變異系數(shù)大, 特別是在江蘇普通粳稻中SBV變異系數(shù)高達(dá)105.9%, 在東北粳稻中也很高(86.5%)。SBV是RVA譜二級(jí)參數(shù), 由FV與PV相減得到, 可以反映米糊冷后的穩(wěn)定性和回生趨勢(shì), 一般SBV越大, 淀粉冷糊穩(wěn)定性差、易回生[28]。SBV變異系數(shù)大, 說明粳稻品種間的稻米回生特性存在較大差異, 主要由品種自身基因型決定, 同時(shí)受AC、PC和GT影響。

圖4 Wx基因等位變異(a、c)及Wxmp基因型檢測(cè)(b)

圖5 OsSSIIa在不同糊化溫度粳稻品種(系)中的序列分析

粳稻中AC與SBV存在顯著正相關(guān)性, 而與PV和BDV存在顯著負(fù)相關(guān)性[4,29], AC越低與RVA譜的關(guān)系越密切[30]。本研究在江蘇半糯粳稻和東北粳稻中也檢測(cè)到AC與SBV的正相關(guān)性、與BDV的負(fù)相關(guān)性, 但未在江蘇普通粳稻中檢測(cè)到。這可能由于江蘇普通粳稻品種間的AC變異幅度較小而弱化了與SBV、BDV間的關(guān)系。稻米糊化特性與食味品質(zhì)密切相關(guān), 稻米食味品質(zhì)可以由RVA譜BDV和SBV反映, 因此一般食味品質(zhì)好的稻米, BDV較大、SBV和GT較小, GT與BDV呈負(fù)相關(guān)、與SBV呈正相關(guān)。本研究在江蘇普通粳稻和江蘇半糯粳稻中檢測(cè)到GT、BDV、SBV的相關(guān)性, 但在東北粳稻中未檢測(cè)到。原因可能是江蘇普通粳稻和半糯粳稻中存在一些GT高值的品種(系), 大大提高了相關(guān)系數(shù)。RVA譜特征值之間存在較高相關(guān)性, 這與以往的研究報(bào)道一致, 是由RVA譜各特征值間的相互關(guān)系決定的[6,30-31]。通過聚類分析, 87份粳稻品種(系)分為4個(gè)類群, 多數(shù)東北粳稻品種與江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院培育的粳稻品系聚為類群I, 江蘇普通粳稻主栽品種與少數(shù)東北粳稻品種聚為類群II, 說明江蘇普通粳稻與東北粳稻品種間有相互滲透, 可能與親本材料的相互借鑒利用有關(guān)。按聚類結(jié)果對(duì)類群間理化性狀進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)類群I比類群II具有更高的食味品質(zhì), 表現(xiàn)為BDV較大, FV、SBV和Pet較小。第III類群中僅含3個(gè)材料: 兩個(gè)江蘇普通粳稻品系(JD7021和JD7027)和半糯品種徐稻9號(hào), 其RVA譜特征值位于普通粳稻(類群I/II)和半糯粳稻(IV類群)之間, 說明JD7021和JD7027的食味品質(zhì)與半糯粳稻更接近, 具有較好的食味品質(zhì), 但是它們同時(shí)是高GT材料。因此后續(xù)研究中應(yīng)以RVA譜為依據(jù)對(duì)粳稻類型材料進(jìn)行食味品質(zhì)篩選, 同時(shí)考慮等位基因型的選擇, 避免高GT。

Wx和Wx是在Wx基因上發(fā)生突變的兩個(gè)等位基因型,Wx最初是在低AC突變品種Milky Queen中發(fā)現(xiàn)的, 與Wx序列相比, 在第4外顯子53 bp處發(fā)生G/A單堿基替換、第5外顯子52 bp處發(fā)生T/C單堿基替換[8,32]。Wx是在日本低AC粳稻品種Milky Princess (即關(guān)東194)中發(fā)現(xiàn)的, 與Wx序列相比, 僅在第4外顯子53 bp處發(fā)生G/A單堿基替換[8,33]。研究已證實(shí)江蘇半糯粳稻存在第4外顯子的G/A堿基變異[21], 但是對(duì)第5外顯子處堿基變異未知,為明確江蘇半糯粳稻為何種等位基因型(Wx或Wx), 本研究測(cè)序分析了第5外顯子序列, 發(fā)現(xiàn)所有江蘇半糯粳稻品種(系)中不存在Milky Queen中的堿基變異, 均與關(guān)東194序列一致, 因此研究所試江蘇半糯粳稻品種(系)均為Wx等位基因型。根據(jù)文獻(xiàn)資料,基因第8外顯子上的2個(gè)等位變異G/A和GC/TT被認(rèn)為是決定水稻GT高低的關(guān)鍵位點(diǎn), 其中A變異型會(huì)使OsSSIIa酶失活。一般高GT的水稻為G-GC單倍型, 而低GT的水稻為G-TT或A-GC單倍型[10,34]。通過對(duì)基因的測(cè)序分析, 發(fā)現(xiàn)測(cè)序材料的第1個(gè)變異位點(diǎn)(G/A)均為G型, 4個(gè)高GT粳稻材料的基因均為G-GC單倍型, 而其余低GT材料均為G-TT單倍型。后續(xù)研究中應(yīng)根據(jù)基因的G/A和GC/TT等位變異對(duì)粳稻育種材料的糊化溫度進(jìn)行標(biāo)記輔助選擇。

4 結(jié)論

與東北粳稻相比, 江蘇普通粳稻的AC較低, PC和GT較高, GC和RVA譜特征值相當(dāng), 高PC和GT是江蘇普通粳稻食味品質(zhì)提高的主要限制因素, 可通過減少氮肥用量降低PC, 同時(shí)重視等位基因的標(biāo)記輔助選擇降低GT。相比江蘇普通粳稻和東北粳稻, 江蘇半糯粳稻具有低AC、高GC、高BDV和低SBV, 表現(xiàn)優(yōu)良食味稻米特性, 攜帶Wx等位基因是其理化特性形成的主要原因。RVA譜可作為育種材料食味品質(zhì)初步篩選的依據(jù), 其應(yīng)用可輔助水稻食味提升。

[1] 崔晶, 楠谷彰人, 松江勇次, 森田茂紀(jì). 中日合作水稻品質(zhì)·食味研究的現(xiàn)狀和展望. 北方水稻, 2011, 41(4): 1–6. Cui J, Akihito K, Yuji M, Shigenori M. Present situation and expectation of the rice quality and eating under Sino-Japanese cooperation., 2011, 41(4): 1–6 (in Chinese with English abstract).

[2] 熊善柏, 趙思明, 李建林, 譚汝成. 米飯理化指標(biāo)與感官品質(zhì)的相關(guān)性研究. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 21(1): 83–87. Xiong S B, Zhao S M, Li J L, Tan R C. Study on the correlations between physicochemical properties and sensory qualities of cooked rice., 2002, 21(1): 83–87 (in Chinese with English abstract).

[3] 朱滿山, 湯述翥, 顧銘洪. RVA譜在稻米蒸煮食味品質(zhì)評(píng)價(jià)及遺傳育種方面的研究進(jìn)展. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2005, 21(8): 59–64. Zhu M S, Tang S Z, Gu M H. Progress in the study on the assessing, genetic and breeding of the rice starch RVA profile in rice eating quality., 2005, 21(8): 59–64 (in Chinese with English abstract).

[4] 鄭英杰, 于亞輝, 李振宇, 陳廣紅, 夏明, 闕補(bǔ)超. 北方兩系雜交粳稻淀粉RVA譜特征與食味品質(zhì)的關(guān)系. 中國稻米, 2018, 24(3): 49–54. Zheng Y J, Yu Y H, Li Z Y, Chen G H, Xia M, Que B C. Relationship between RVA profile characteristics and eating value oftwo line hybrid rice in northern China., 2018, 24(3): 49–54 (in Chinese with English abstract).

[5] 張麗霞, 余飛宇, 閆影, 王冬蘭, 李瑞清, 曹黎明, 萬常照, 吳書俊. 長三角地區(qū)54份粳稻種質(zhì)食味指標(biāo)的相關(guān)性分析. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 34(5): 37–43. Zhang L X, Yu F Y, Yan Y, Wang D L, Li R Q, Cao L M, Wan C Z, Wu S J. Association analysis of eating quality traits in 54rice germplasms in Yangtze River Delta region., 2018, 34(5): 37–43 (in Chinese with English abstract).

[6] 賈良, 丁雪云, 王平榮, 鄧曉建. 稻米淀粉RVA譜特征及其與理化品質(zhì)性狀相關(guān)性的研究. 作物學(xué)報(bào), 2008, 34: 790–794. Jia L, Ding X Y, Wang P R, Deng X J. Rice RVA profile characteristics and correlation with the physical/chemical quality., 2008, 34: 790–794 (in Chinese with English abstract).

[7] 張昌泉, 趙冬生, 李錢峰, 顧銘洪, 劉喬泉. 稻米品質(zhì)性狀基因的克隆與功能研究進(jìn)展. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2016, 49: 4267–4283. Zhang C Q, Zhao D S, Li Q F, Gu M H, Liu Q Q. Progresses in research on cloning and functional analysis of key genes involving in rice grain quality., 2016, 49: 4267–4283 (in Chinese with English abstract).

[8] 朱霽暉, 張昌泉, 顧銘洪, 劉巧泉. 水稻基因的等位變異及育種利用研究進(jìn)展. 中國水稻科學(xué), 2015, 29: 431–438. Zhu J H, Zhang C Q, Gu M H, Liu Q Q. Progress in the allelic variation ofgene and its application in rice breeding., 2015, 29: 431–438 (in Chinese with English abstract).

[9] Jeon J S, Ryoo N, Hahn T R, Walia H, Nakamura Y. Starch biosynthesis in cereal endosperm., 2010, 48: 383–392.

[10] Gao Z Y, Zeng D L, Cheng F M, Tian Z X, Guo L B, Su Y, Yan M X, Jiang H, Dong G J, Huang Y C, Han B, Li J Y, Qian Q., the key gene for gelatinization temperature is a modi?er gene for gel consistency in rice., 2011, 53: 756–765.

[11] Tian Z X, Qian Q, Liu Q Q, Yan M X, Liu X F, Yan C J, Liu G F, Gao Z Y, Tang S Z, Zeng D L, Wang Y H, Yu J M, Gu M H, Li J Y. Allelic diversities in rice starch biosynthesis lead to a diverse array of rice eating and cooking qualities., 2009, 106: 21760–21765.

[12] 陳溫福, 潘文博, 徐正進(jìn). 我國粳稻生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 37: 801–805. Chen W F, Pan W B, Xu Z J. Current situation and trends in production ofrice in China., 2006, 37: 801–805 (in Chinese with English abstract).

[13] 王小虎, 鐘衛(wèi)國, 李標(biāo), 潘斌清, 端木李玲, 俞良, 胡江, 端木銀熙, 梁國華, 錢前. 江蘇省雜交粳稻與常規(guī)粳稻新品種主要性狀比較. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 33: 729–738. Wang X H, Zhong W G, Li B, Pan B Q, Duan-Mu L L, Yu L, Hu J, Duanmu Y X, Liang G H, Qian Q. Comparative analysis of major traits of new varieties betweenhybrid rice and conventionalrice in Jiangsu province., 2017, 33: 729–738 (in Chinese with English abstract).

[14] 陳培峰, 顧俊榮, 喬中英, 趙步洪, 季紅娟, 董明輝. 江蘇省主要粳稻品種稻米品質(zhì)研究. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 31: 877–883. Chen P F, Gu J R, Qiao Z Y, Zhao B H, Ji H J, Dong M H. Study on rice quality of mainrice varieties in Jiangsu province., 2018, 31: 877–883 (in Chinese with English abstract).

[15] 王才林, 張亞東, 朱鎮(zhèn), 趙凌, 陳濤, 林靜. 優(yōu)質(zhì)水稻新品種南粳46的選育與應(yīng)用. 中國稻米, 2008, (3): 38–40.Wang c l, zhang y d, zhu z, zhao l, chen t, lin j. Breeding and application of a new high quality rice variety Nanjing 46., 2008, (3): 38–40 (in Chinese with English abstract).

[16] 王才林, 張亞東, 朱鎮(zhèn), 姚姝, 趙慶勇, 陳濤, 周麗慧, 趙凌. 優(yōu)良食味粳稻新品種南粳9108的選育與利用. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 41(9): 86–88.Wang c l, zhang y d, zhu z, yao s, zhao q y, chen t, zhou l h, zhao l. Development of a newrice variety Nanjing 9108 with good eating quality., 2013, 41(9): 86–88 (in Chinese with English abstract).

[17] 王才林, 張亞東, 朱鎮(zhèn), 陳濤, 趙慶勇, 趙凌, 周麗慧, 姚姝. 優(yōu)良食味粳稻新品種南粳5055的選育及利用. 農(nóng)業(yè)科技通訊, 2012, (2): 84–87. Wang C l, zhang y d, zhu z, chen t, zhao q y, zhao l, zhou l h, yao s. Breeding and application of new good eating quality rice variety Nanjing 5055., 2012, (2): 84–87 (in Chinese).

[18] 陳培峰, 喬中英, 謝裕林, 朱勇良. 優(yōu)質(zhì)多抗香稻新品種‘蘇香粳100’的選育與應(yīng)用. 作物研究, 2017, 31(1): 15–17. Chen P F, Qiao Z Y, Xie Y L, Zhu Y L. Breeding and application of new high-quality, multi-resistant and fragrant rice variety ‘Suxiangjing 100’., 2017, 31(1): 15–17 (in Chinese).

[19] 趙春芳, 岳紅亮, 黃雙杰, 周麗慧, 趙凌, 張亞東, 陳濤, 朱鎮(zhèn), 趙慶勇, 姚姝, 梁文化, 路凱, 王才林. 南粳系列品種的食味品質(zhì)及理化特性. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2019, 52: 909–920. Zhao C F, Yue H L, Huang S J, Zhou L H, Zhao L, Zhang Y D, Chen T, Zhu Z, Zhao Q Y, Yao S, Liang W H, Lu K, Wang C L. Eating quality and physicochemical properties in Nanjing rice varieties., 2019, 52: 909–920 (in Chinese with English abstract).

[20] 朱盈, 徐棟, 胡蕾, 花辰, 陳志峰, 張振振, 周年兵, 劉國棟, 張洪程, 魏海燕. 江淮優(yōu)良食味高產(chǎn)中熟常規(guī)粳稻品種的特征. 作物學(xué)報(bào), 2019, 45: 578–588. Zhu Y, Xu D, Hu L, Hua C, Chen Z F, Zhang Z Z, Zhou N B, Liu G D , Zhang H C, Wei H Y. Characteristics of medium- maturity conventionalrice with good taste and high yield in Jianghuai area., 2019, 45: 578–588 (in Chinese with English abstract).

[21] 陳濤, 駱名瑞, 張亞東, 朱鎮(zhèn), 趙凌, 趙慶勇, 周麗慧, 姚姝, 于新, 王才林. 利用四引物擴(kuò)增受阻突變體系PCR技術(shù)檢測(cè)水稻低直鏈淀粉含量基因. 中國水稻科學(xué), 2013, 27: 529–534. Chen T, Luo M R, Zhang Y D, Zhu Z, Zhao L, Zhao Q Y, Zhou L H, Yao S, Yu X, Wang C L. Detection ofgene for low amylose content by tetra-primer amplification refractory mutation system PCR in rice., 2013, 27: 529–534 (in Chinese with English abstract).

[22] 徐銓, 唐亮, 徐凡, 福嶌陽, 黃瑞冬, 陳溫福, 徐正進(jìn). 粳稻食味品質(zhì)改良研究現(xiàn)狀與展望. 作物學(xué)報(bào), 2013, 39: 961–968. Xu Q, Tang L, Xu F, Fukushima A, Huang R D, Chen W F, Xu Z J. Research advances and prospects of eating quality improvement inrice (L.)., 2013, 39: 961–968 (in Chinese with English abstract).

[23] Nakamura S, Cui J, Zhang X, Yang F, Xu X M, Sheng H, Ohtsubo K. Comparison of eating quality and physicochemical properties between Japanese and Chinese rice cultivars., 2016, 80: 2437–2449.

[24] Yamakawa H, Hirose T, Kuroda M, Yamaguchi T. Comprehensive expression profiling of rice grain filling-related genes under high temperature using DNA microarray., 2007, 144: 258–277.

[25] 查曼. 高溫影響水稻不同等位基因表達(dá)及品質(zhì)形成的研究. 揚(yáng)州大學(xué)碩士學(xué)位論文, 江蘇揚(yáng)州, 2017. Zha M. The Research of DifferentAlleles Expressions and Quality Formation Responding to High Temperature. MS Thesis of Yangzhou University, Yangzhou, Jiangsu, China, 2017 (in Chinese with English abstract).

[26] 王慧, 張從合, 陳金節(jié), 嚴(yán)志, 周桂香, 黃艷玲. 稻米品質(zhì)性狀影響因素及相關(guān)基因研究進(jìn)展. 中國稻米, 2018, 24(4): 16–21. Wang H, Zhang C H, Chen J J, Yan Z, Zhou G X, Huang Y L. Research advances in the influence factors and related genes of rice quality traits., 2018, 24(4): 16–21 (in Chinese with English abstract).

[27] 于新, 趙慶勇, 趙春芳, 張亞東, 朱鎮(zhèn), 趙凌, 陳濤, 周麗慧, 姚姝, 王才林. 攜帶基因的不同類型水稻新品種(系)直鏈淀粉含量分析. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 28: 1218–1222. Yu X, Zhao Q Y, Zhao C F, Zhang Y D, Zhu Z, Zhao L, Chen T, Zhou L H, Yao S, Wang C L. Analyses of amylose contents in different types of new rice varieties (lines) carryinggene., 2012, 28: 1218–1222 (in Chinese with English abstract).

[28] 蔡一霞, 劉春香, 王維, 張洪熙, 張祖建, 楊靜, 唐漢忠. 灌漿期表觀直鏈淀粉含量相似品種稻米膠稠度和RVA譜的動(dòng)態(tài)差異. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 44: 2439–2445. Cai Y X, Liu C X, Wang W, Zhang H X, Zhang Z J, Yang J, Tang H Z. Dynamic differences of the RVA profile and gel consistency in two rice varieties with similar apparent amylose content during grain filling., 2011, 44: 2439–2445 (in Chinese with English abstract).

[29] 胡培松, 翟虎渠, 唐邵清, 萬建民. 利用RVA 快速鑒定稻米蒸煮及食味品質(zhì)的研究. 作物學(xué)報(bào), 2004, 30: 519–524. Hu P S, Zhai H Q, Tang S Q, Wan J M. Rapid evaluation of rice cooking and palatability quality by RVA profile., 2004, 30: 519–524 (in Chinese with English abstract).

[30] 李剛, 鄧其明, 李雙成, 王世全, 李平. 稻米淀粉RVA譜特征與品質(zhì)性狀的相關(guān)性. 中國水稻科學(xué), 2009, 23: 99–102. Li G, Deng Q M, Li S C, Wang S Q, Li P. Correlation analysis between RVA profile characteristics and quality in rice., 2009, 23: 99–102 (in Chinese with English abstract).

[31] 隋炯明, 李欣, 嚴(yán)松, 嚴(yán)長杰, 張蓉, 湯述翥, 陸駒飛, 陳宗祥, 顧銘洪. 稻米淀粉RVA譜特征與品質(zhì)性狀相關(guān)性研究. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2005, 38: 657–663. Sui J M, Li X, Yan S, Yan C J, Zhang R, Tang S Z, Lu J F, Chen Z X, Gu M H. Studies on the rice RVA profile characteristics and its correlation with the quality., 2005, 38: 657–663 (in Chinese with English abstract).

[32] Sata H, Yasuhiro S, Sakai M, Imbe T. Molecular characterization of, a novel mutant gene for low-amylose content in endosperm of rice (L.)., 2002, 52: 131–135.

[33] Yang J, Wang J, Fan F J, Zhu J Y, Chen T, Wang C L, Zheng T Q, Zhang J, Zhong W G, Xu J L. Development of AS-PCR marker based on a key mutation confirmed by resequencing ofin Milky Princess and its application insoft rice (L.) breeding., 2013, 132: 595–603.

[34] Bao J S. Towards understanding of the genetic and molecular basis of eating and cooking quality of rice., 2012, 57: 148–156.

Physicochemical properties and sequence analysis ofandgenes inrice cultivars from Jiangsu province and northeast of China

ZHAO Chun-Fang, YUE Hong-Liang, TIAN Zheng, GU Ming-Chao, ZHAO Ling, ZHAO Qing-Yong, ZHU Zhen, CHEN Tao, ZHOU Li-Hui, YAO Shu, LIANG Wen-Hua, LU Kai, ZHANG Ya-Dong, and WANG Cai-Lin*

Institute of Food Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences / Jiangsu High Quality Rice Research and Development Center / Nanjing Branch of China National Center for Rice Improvement, Nanjing 210014, Jiangsu, China

According to geographic origin and amylose content, 87 investigatedrice cultivars were divided into three types: Jiangsu commonrice, Northeastrice and Jiangsu semi-waxyrice. In order to explore the eating quality characteristics of the three types ofrice and their molecular basis, the physicochemical properties and the sequence of major genesandfor starch synthesis were analyzed. Compared with Northeastrice, Jiangsu commonrice had lower amylose content, higher protein content and gelatinization temperature, and similar gel consistency and RVA profiles. Compared with Northeastrice and Jiangsu commonrice, Jiangsu semi-waxyrice contained the lowest amylose content, the highest gel consistency and unique RVA profile. Variation coefficients of all characters except for setback value were small in three types of rice varieties, indicating that there was a great range of retrogradation within all the cultivars. The correlation coefficients among traits were different among three types ofrice, which indicated that the correlations were affected by the ecological conditions of different regions and properties of varieties. By cluster analysis, 87rice varieties (lines) were divided into four groups. Jiangsu common and Northeastrice varieties (lines) were intersected in group I and group II. Group III was composed of two lines of Jiangsu commonrice and one semi-waxy variety (Xudao 9), and the most of their character values were ranged between those commonrice and semi-waxyrice. The Jiangsu semi-waxy rice varieties (lines) with unique physicochemical characteristics were clustered into group IV. By sequence analysis, there was no difference inWxgene between Jiangsu commonrice and Northeastrice, but in Jiangsu semi-waxyrice G/A substitution occurred in Exon 4 ofWx, which is theWxallele. The higher gelatinization temperature in some of Jiangsurice varieties (lines) was controlled by theallele of().

rice; eating quality; low amylose content;;

10.3724/SP.J.1006.2020.92043

本研究由江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20180302), 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金(CX[18]1001), 江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(BE2018357), 國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-01-62)和江蘇省重點(diǎn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(4911707Z201705)資助。

This study was supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20180302), the Jiangsu Agriculture Science and Technology Innovation Fund (CX[18]1001), the Key Research and Development Programs of Jiangsu Province (BE2018357), the China Agriculture Research System (CARS-01-62), and the Provincial Key Laboratory of Agrobiology Jiangsu Academy of Agricultural Sciences (4911707Z201705).

王才林, E-mail: clwang@jaas.ac.cn

E-mail: czhao@jaas.ac.cn

2019-08-13;

2020-01-15;

2020-01-23.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20200123.1453.008.html