稻米蒸煮特性QTL定位及與感官食味品質的相關性分析

徐偉清 王小雷 劉 楊 歐陽林娟 李煒星 歐陽清蘭 賀浩華 朱昌蘭,*

(1江西農業(yè)大學 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室/江西省超級稻工程技術研究中心，江西 南昌 330045; 2贛州市農業(yè)農村局，江西 贛州 341000)

水稻(OryzasativaL.)是一種重要的谷物作物，為世界一半以上的人口提供主食。雜交稻生產技術的成功應用，使水稻產量得到了極大提高，但對稻米品質的改良仍不盡人意，稻米品質仍有較大的提升空間[1]。稻米的品質性狀包括外觀品質、加工品質、蒸煮食味品質、營養(yǎng)品質和特殊品質，其中廣大消費者最關心的是稻米的蒸煮與感官食味品質。已有研究表明，稻米的蒸煮和感官食味品質遺傳較復雜，受多種因素影響[1-2]。淀粉是稻米的主要組成成分，約占稻米物質組分的90%[3-6]。前人對稻米淀粉理化特性與食味品質之間的關系進行了大量研究，認為直鏈淀粉含量(amylose content，AC)是影響稻米食味品質的最主要因素，凝膠稠度(gel consistency，GC)和糊化溫度(gelatinization temperature，GT)也是重要影響因素[7]。參與淀粉生物合成的基因對稻米食味品質起著重要的調控作用[8]，目前有20多個調控稻米淀粉生物合成的基因已經鑒定和克隆，包括Wx[9]、ALK[10-13]、BEIIb[14]、RAG2[15]、SSG4[16]、Du1[17]、SSI[18]、SSII[19]、SSIII[11-12]、ISA[19]、AGPlar[19]、AGPiso[13]、PUL[19]等。

鑒于淀粉理化特性與稻米食味品質性狀的關系，以往對稻米食味品質的遺傳調控研究主要集中在直鏈淀粉含量、糊化溫度、凝膠稠度等間接理化指標，對于稻米吸水率(water absorption，WA)、延伸率(cooked rice elongation，CRE)和膨脹率(volume expansion，VE)等蒸煮特性的遺傳調控研究較少。研究發(fā)現在煮熟的稻米中，高品質的水稻品種具有更大的延伸長度、更小的膨脹體積和吸水率[20]。已利用不同遺傳群體在1～12號染色體上定位到稻米吸水率、延伸率、膨脹率相關QTL(quantitative trait locus)[21-32]，多數QTL的效應較小，少數效應較大的QTL能在不同群體中重復檢測到，如姜樹坤等[29]利用粳粳交構建的F2:3群體對稻米的延伸性進行研究，共定位到8個與稻米延伸性相關的QTL，其中分布在第1、第2、第6和第11號染色體上的QTL與Tian等[21]、沈圣泉等[22]、張光恒等[23]、何予卿等[30]報道的QTL位置相同，這些研究為了解稻米蒸煮特性的遺傳特性提供了一定依據，但關于其分子調控機制仍有待研究。因此，挖掘不同遺傳資源中的稻米蒸煮特性相關QTL，不僅有助于深入了解稻米蒸煮特性的遺傳機制，也可為遺傳育種提供更多的優(yōu)異基因資源。本試驗利用秈稻昌恢121和優(yōu)質粳稻越光構建的56個染色體片段置換系(chromosome segment substitute lines，CSSL)，對稻米蒸煮特性相關QTL定位及感官食味品質相關性進行研究，旨在進一步挖掘控制稻米蒸煮特性的優(yōu)異等位基因，了解稻米蒸煮特性與感官食味品質之間的相互關系，為稻米品質的遺傳改良提供一定的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究前期以秈稻品種昌恢121為受體親本，以優(yōu)質粳稻品種越光為供體親本，經3～5次回交和7～9次自交構建了一套CSSL[33]，包含56個BC3F9、BC4F8和BC5F7株系，各株系遺傳穩(wěn)定，結實灌漿正常。其中受體親本昌恢121為江西農業(yè)大學水稻育種課題組選育的強優(yōu)勢秈稻恢復系，培育出農業(yè)部超級稻淦鑫688等一系列強優(yōu)勢雜交稻組合[34]；供體親本越光為日本優(yōu)質粳稻品種，其口感柔軟富彈性，味道上佳。所有材料于2018年夏季在南昌江西農業(yè)大學試驗田種植。每個株系種植3個重復，每個小區(qū)種植3行，每行10株，株行間距分別為17和20 cm，田間管理遵循正常的水稻生產程序。

1.2 56個置換系的圖示標記基因型

利用135個兩親本間有多態(tài)性的分子標記對56個CSSL進行基因分型，56個株系的基因分型結果見圖1。共135個有多態(tài)的分子標記，包含99個簡單序列重復標記(simple sequence repeats，SSR)和36個序列標簽位點(sequence - tagged site，STS)，均勻覆蓋在12條染色體上，覆蓋水稻全基因組的1 427.7 cM，平均間距為10.5 cM，最大間距為35.8 cM。

1.3 稻米蒸煮特性的測定

稻米蒸煮特性的測定參照劉宜柏等[35]和Tian等[21]的方法，并做適當的修改。每個株系隨機挑選15粒整精米，首先用游標卡尺測量其長、寬、厚，用電子分析天平稱重，取其平均值作為該株系米粒的粒長、粒寬、粒厚和粒重，蒸煮前米粒體積=蒸煮前米粒長×米粒寬×米粒厚。然后將這15粒整精米轉移到試管中，加滿水后靜置30 min，于沸水浴中煮10 min，將米飯取出，用吸水紙吸干表面水分，轉移到墊有干濾紙的培養(yǎng)皿中，放入恒溫干燥箱(19℃)中干燥30 min使吸附在米飯表面的水分被完全吸干，分別測量米飯的長、寬和厚，稱重，取平均值作為該株系蒸煮后米粒的粒長、粒寬、粒厚和粒重，蒸煮后米粒體積=粒長×粒寬×粒厚。按下列公式計算稻米的吸水率、延伸率和膨脹率：

吸水率=(蒸煮后米粒重-蒸煮前米粒重)/蒸煮前米粒重×100%

(1)

延伸率=(蒸煮后米粒長-蒸煮前米粒長)/蒸煮前米粒長×100%

(2)

膨脹率=(蒸煮后米粒體積-蒸煮前米粒體積)/蒸煮前米粒體積×100%

(3)。

1.4 稻米蒸煮工藝流程及感官食味品質的評定

稻米蒸煮工藝流程：稱取大米樣品300 g→淘洗2次除去雜質和異味→注水量(米水比1∶1.2)→浸泡30 min→電飯煲蒸煮(電飯煲型號：CFXB-35A，生產商：中山市金美譽電器有限公司)→保溫15 min。感官食味品質的評定主要按照GB/T 15682-2008糧油檢驗稻谷、大米蒸煮食用品質感官評價方法[36]的評分方法二進行，同時結合該套CSSL材料特點進行適當修改。感官評分值參照張亞東等[37]的方法，對米飯的外觀、香味、味道、口感及感官綜合評分與參照樣品(亙古絲苗)進行比較，然后得出各株系的評價分。評價分為7個等級，分別為“相當好、好、略好、相同、略差、差、相當差”，記作3、2、1、0、-1、-2、-3分。感官評分值=70+平均得分×10，滿分為100分。

1.5 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2003進行數據錄入、處理與作圖；顯著性使用SPSS 16.0進行t檢驗分析(P<0.01具有極顯著性差異，0.010.05不具有顯著性差異)。遺傳連鎖圖使用MapChart[38]軟件進行繪制。利用QTL IciMapping 4.1軟件中的CSL程序(ICIM-CSL)[39-40]對稻米蒸煮特性進行QTL檢測，將QTL的似然函數比值的對數(likelihood of odds，LOD)閾值設定為2.5，若LOD≥2.5，則認為對應區(qū)間存在目標性狀的一個QTL。QTL的命名遵循McCouch[41]的原則。

2 結果與分析

2.1 親本與CSSL感官食味品質的比較

對親本與CSSL的感官食味品質進行比較(表1)，結果表明，除米飯外觀性狀在兩親本間未達到顯著性差異，其他感官食味品質性狀在兩親本間均達到極顯著差異，尤其味道和口感在兩親本間存在較大差異，其中味道在昌恢121和越光的分值分別為-0.77和0.54，相差1.31。CSSL的感官食味品質性狀均出現超親現象，變異系數(coefficient of variation，CV)在0.29%～4.09%之間，其中外觀、香味和味道的CV均大于1。

注：黑色方塊表示越光標記基因型，白色方塊表示昌恢121標記基因型，灰色方塊表示雜合標記基因型，圖中左側表示56個 CSSL株系的名稱，圖中上側表示水稻12條染色體號及12條染色體上包含的99個SSR標記和36個STS標記。Note: The black, white and gray areas represenTThe marker genotype of Koshihikari, Changhui121 and heterozygote, respectively,the left side of the figure shows the names of 56 CSSL lines, and the upper side of the figure shows the 12 chromosome numbers of rice and 99 SSR markers and 36 STS markers contained on the 12 chromosomes.圖1 56個CSSL株系的圖示標記基因型Fig.1 Graphic marker genotype of 56 CSSL

表1 親本及CSSL的稻米感官食味品質比較Table 1 Comparison of rice sensory eating quality between parents and CSSL

2.2 稻米蒸煮特性在CSSL和親本中的表現

由圖2可知，稻米的吸水率、延伸率和膨脹率在兩親本間具有明顯的差異，其中吸水率在兩親本之間的差異最大，并且其表型變異幅度也最大。吸水率、延伸率和膨脹率在56個CSSL中均存在廣泛的分離和超親變異。

2.3 稻米蒸煮特性與感官食味品質性狀的相關性分析

對稻米蒸煮特性與感官食味品質性狀間進行相關性分析(表2)，發(fā)現稻米蒸煮特性與感官食味品質性狀之間無相關性，但蒸煮特性中的米飯吸水率、延伸率和膨脹率之間兩兩呈極顯著正相關，其中延伸率與膨脹率之間的相關系數最大，為0.79，表明吸水較多的稻米一般具有良好的延伸性；感官食味品質中的米飯外觀、香味、味道、口感和感官評分之間兩兩呈極顯著正相關，其中口感和感官評分之間的相關系數最大，為0.96，表明口感對感官評分的影響較大。

注：C: 昌恢121，K: 越光。Note: C: Changhui 121. K: Koshihikari.圖2 稻米吸水率、延伸率和膨脹率在CSSL的分布Fig.2 Distribution of the water absorption, cooked rice elongation and volume expansion in the CSSL

表2 稻米蒸煮特性與感官食味品質性狀的相關性分析Table 2 Correlation analysis between cooked quality and sensory evaluation related traits of rice

2.4 稻米蒸煮特性的QTL定位

利用56個CSSL對米飯吸水率(WA)、延伸率(CRE)和膨脹率(VE)3個稻米蒸煮特性性狀進行QTL定位，共檢測到4個QTL，分布于第8和第11號染色體上。其中qWA-8和qCRE-8位于第8號染色體RM5767標記附近，表型貢獻率(contribution to the phenotypic variance，PVE)和加性效應值(additive effect，Add)分別為25.05%、25.94%和-25.68、-8.00，兩者的增效等位基因均來自昌恢121；qCRE-11和qVE-11位于第11號染色體RM287標記附近，表型貢獻率和加性效應值分別為27.95%、41.16%和8.30、30.31，兩者的增效等位基因均來自越光，其中qVE-11的LOD值和貢獻率均為最大，分別為6.33和41.16%，由此推測該位點可能為1個主效位點(表3)。

表3 利用56個CSSL檢測到的稻米蒸煮特性QTLTable 3 QTL for cookinGCharacteristics of rice detected by 56 CSSL

圖3 稻米蒸煮特性QTL在染色體上的位置Fig.3 Locations of the identified QTL for rice cooking quality on chromosome

2.5 親本及置換株系的稻米蒸煮特性比較

根據稻米蒸煮特性的QTL定位結果可知，qWA-8和qCRE-8定位于8號染色體RM5767標記附近，由圖1中的56個CSSL基因分型圖譜可以發(fā)現，置換系X137在該區(qū)段插入了越光的染色體片段。觀察測定該株系的米粒長度、米飯光澤度和米飯蒸煮特性，發(fā)現其米粒長度比昌恢121短，米粒蒸煮前后的光澤度高于昌恢121(圖4)，其米飯的延伸率小于昌恢121，差異達極顯著水平(P<0.01)，而米飯的吸水率與昌恢121間未達到顯著性差異，可能是其他代換片段的影響；qCRE-11和qVE-11定位于11號染色體RM287標記附近，置換系X107該區(qū)段插入了越光的染色體片段。其米粒長度比昌恢121短，而蒸煮后的米粒長度比昌恢121長，其米飯的延伸率和膨脹率與昌恢121間均存在極顯著差異(P<0.01)(圖4)。

注: A、B：置換株系X137的吸水率和延伸率；C、D：置換株系X107的延伸率和膨脹率。E、F：稻米蒸煮前和蒸煮后，坐標紙每一個 小格的長寬為1 cm；G：米粒外觀。E、F、G：從左至右分別表示為昌恢121、越光、置換系X137和X107；**表示差異極顯著(P<0.01)。Note: A、B: The water absorption rate and elongation rate of the replacement strain X137, respectively. C、D: The elongation and expansion rates of the replacement strain X107, respectively. E、F: Rice quality traits before and after cooking respectively, the length and width of each small grid on the coordinate paper is 1 cm. G: Grain appearance. E、F、G: Changhui121, Koshihikari, X137 and X107 respectively from lefTTo right. ** mean significant differences at 0.01 level.圖4 置換株系X137、X107與昌恢121之間的蒸煮特性表型比較Fig.4 Differences of phenotypic values of rice cookinGTraits between the strains of X137、X107 and Changhui121

3 討論

稻米蒸煮特性與感官食味品質作為稻米品質的綜合評價標準，越來越受到育種家的關注，但是關于稻米蒸煮特性與感官食味品質的評價標準還不夠完全。稻米蒸煮特性遺傳較為復雜，是由多個基因控制的復雜性狀[3, 42]。

本研究利用前期構建的一套以秈稻昌恢121為受體親本和優(yōu)質粳稻越光為供體親本構建的CSSL，對稻米的吸水率(WA)、延伸率(CRE)和膨脹率(VE)進行檢測，共檢測到4個QTL(qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11)。與前人的研究結果進行比較分析，發(fā)現8號染色體上檢測到的qCRE-8與fgr[43]基因緊密連鎖，該結果與Amarawath等[44]的研究結果一致。位于第11號染色體RM287標記處的qCRE-11和qVE-11此前還未被報道過，為新鑒定的QTL，其中qVE-11的LOD值、貢獻率和加性效應分別高達6.33、41.16%和30.31，推測該位點可能為1個主效位點，該位點的增效等位基因來自越光。本研究定位到的QTL位點的穩(wěn)定性仍需進行多年多點的穩(wěn)定性鑒定。之后可利用X137和X107分別與昌恢121雜交構建F2分離群體對其進行驗證和精細定位。

利用56個CSSL，共檢測到4個QTL，分布于第8號和第11號染色體上，其中8號染色體RM5767標記附近同時檢測到控制米飯吸水率和延伸率的QTL(qWA-8和qCRE-8)；11號染色體RM287標記附近同時檢測到控制米飯延伸率和膨脹率的QTL(qCRE-11和qVE-11)，這些QTL成簇分布可能由一因多效或基因連鎖引起，仍需進一步確認。通過對親本昌恢121與置換株系的蒸煮特性表型值進行分析，發(fā)現除置換qWA-8株系X137與親本昌恢121未出現顯著性差異，可能是受到其他代換片段的影響，qCRE-8、qCRE-11和qVE-11這3個位點被置換的株系均與昌恢121有顯著性差異(圖4)。通過分析親本昌恢121與置換株系的蒸煮特性表型值發(fā)現，置換了qWA-8和qCRE-8的X137株系的米粒長度比昌恢121短，米粒蒸煮前后的光澤度高于昌恢121；而置換了qCRE-11和qVE-11的X107株系的米粒長度比昌恢121短，蒸煮后的米粒長度比昌恢121長(圖3)。以上結果表明qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11的置換的確對親本昌恢121的蒸煮特性進行了改良，利用這些位點對品種進行改良有利于培育優(yōu)質水稻品種。

稻米品質性狀之間存在不同程度的相關性，某一性狀的改變可能導致其他性狀受到影響。Sood等[45]利用大量Basmati類型品種研究品質性狀間的相關性，結果表明延伸性除與吸水性表現為顯著正相關外，與米粒大小、直鏈淀粉含量、糊化溫度及粗蛋白含量這些理化性狀無相關性。本研究與上述結果相似，CRE與WA表現為顯著正相關，此外與VE呈極顯著正相關。同樣，本研究利用該套CSSL對WA、CRE和VE 3個稻米蒸煮特性與理化性狀進行相關分析，發(fā)現三者之間無相關性[46]。根據稻米蒸煮特性與感官食味品質性狀之間的相關性分析，發(fā)現感官食味品質與蒸煮特性之間無相關性，但稻米蒸煮特性WA、CRE與VE之間兩兩呈極顯著正相關；稻米感官食味品質性狀AP、ARM、TA、TE和EQ之間兩兩呈極顯著正相關。因此，在今后的品種改良和優(yōu)質品種培育中，可以結合稻米品質性狀之間的相關性，對稻米品質的目標性狀進行改良。

4 結論

本研究利用秈稻昌恢121為受體親本和優(yōu)質粳稻越光為供體親本構建的56個CSSL株系對WA、CRE和VE 3個稻米蒸煮特性進行QTL定位及感官食味品質相關性進行研究。共檢測到4個蒸煮特性QTL，分別為qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11，其中qCRE-11與qVE-11為新鑒定的QTL。qVE-11的LOD值和貢獻率最高分別為6.33和41.16%，推測可能為1個主效位點。對感官食味品質性狀與蒸煮特性進行相關性分析發(fā)現，感官食味品質與蒸煮特性之間無相關性，稻米蒸煮特性WA、CRE與VE之間兩兩呈極顯著正相關；稻米感官食味品質性狀AP、ARM、TA、TE和EQ之間兩兩呈極顯著正相關。本研究利用一套秈粳雜交置換系分析稻米蒸煮特性與感官食味品質之間的關系，定位稻米蒸煮特性QTL，以期為揭示稻米蒸煮特性與感官食味品質的遺傳調控機制和遺傳改良提供理論依據。