蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)性狀在水稻秈粳交DH 群體中的表現(xiàn)及其相關性分析

葉勝海 季芝娟 劉丙新 馬良勇 李西明 張小明 楊長登

(水稻生物學國家重點實驗室中國水稻研究所1,杭州 310006)

(作物與核技術利用研究所浙江省農(nóng)業(yè)科學院2,杭州 310021)

蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)性狀在水稻秈粳交DH 群體中的表現(xiàn)及其相關性分析

葉勝海1,2季芝娟1劉丙新1馬良勇1李西明1張小明2楊長登1

(水稻生物學國家重點實驗室中國水稻研究所1,杭州 310006)

(作物與核技術利用研究所浙江省農(nóng)業(yè)科學院2,杭州 310021)

利用以粳稻中花 11和秈稻中組 14為親本構建的加倍單倍體 (DH)群體,對稻米直鏈淀粉含量(AC)、膠稠度 (GC)、堿消值 (ASV)、蛋白質(zhì)含量 (PC)和氨基酸含量等 21個品質(zhì)性狀進行了相關性分析。結果表明,21個品質(zhì)性狀在DH群體中均為連續(xù)變異,大部分性狀存在著超親現(xiàn)象。相關性分析結果表明,AC、GC和 ASV等 3個蒸煮理化指標間呈顯著負相關;PC與 GC顯著負相關,與 ASV顯著正相關;AC、GC和 ASV等 3個蒸煮理化指標與氨基酸含量的相關性分析表明,17個氨基酸中有 10個氨基酸的含量與 AC顯著負相關,12個氨基酸的含量與 GC顯著負相關,除半胱氨酸外其它 16個氨基酸的含量與 ASV呈顯著正相關。PC與 17個氨基酸含量都顯著正相關,除蛋氨酸和半胱氨酸外,相關系數(shù)都達 0.5以上。氨基酸之間的相關性分析表明,除蛋氨酸和半胱氨酸、蛋氨酸和酪氨酸之間相關性不顯著,其它氨基酸之間都達極顯著正相關。本文還對DH群體在優(yōu)質(zhì)育種中的應用價值進行了討論。

水稻 DH群體 直鏈淀粉 膠稠度 堿消值 蛋白質(zhì) 氨基酸 相關性

稻米是我國 60%以上人口的主食,隨著人們生活水平的日益提高,對稻米的適口性和營養(yǎng)品質(zhì)要求也越來越高,市場上迫切需要口感好且營養(yǎng)豐富的稻米。影響稻米口感和營養(yǎng)品質(zhì)的性狀主要有直鏈淀粉含量 (Amylose content,AC)、膠稠度 (Gel con2 sistence,GC)、糊化溫度 (Gelatinization temperature,GT)、蛋白質(zhì)含量 (Protein Content,PC)等[1]。

直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值 (Alkaline spreading value,ASV)是目前普遍用來評價稻米蒸煮食味品質(zhì)差異的 3個重要理化指標。蛋白質(zhì)含量則是評價稻米營養(yǎng)品質(zhì)的一個主要指標。稻米蛋白質(zhì)是谷類作物中最好的,其氨基酸配比較為平衡,易為人體消化吸收,生物價、消化率和凈利用率均比較高。但 PC過高會影響稻米的口感,因此在降低稻米中 PC的基礎上,適當提高必需氨基酸含量成為水稻育種家和廣大科技工作者的關注熱點之一。

有關稻米品質(zhì)性狀的相關性研究已有報道。韋朝領等[2]發(fā)現(xiàn)早秈稻米的蛋白質(zhì)含量與蒸煮品質(zhì)(直鏈淀粉含量、膠稠度和糊化溫度)顯著相關,粳稻的蛋白質(zhì)含量與外觀品質(zhì)、碾磨品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)達極顯著相關,而中秈稻的蛋白質(zhì)含量與外觀品質(zhì)、碾磨品質(zhì)和蒸煮品質(zhì)的典型相關程度皆未達到顯著水平。朱滿山等[3]分析了 3個粳粳交 DH群體的RVA譜特征值和蒸煮理化指標,發(fā)現(xiàn)變異廣泛且存在著超親現(xiàn)象,但 3個 DH群體的大小都在 80個株系以下。劉傳雪等[4]分析了 6個粳粳交 DH群體PC的遺傳變異,測算了遺傳率、超親率,檢測了 PC的基因?qū)?shù)及基因互作方式,6個DH群體除一個群體達 129株系,其它的群體偏小,最小的僅為 36個株系的DH群體。

DH(Double Haploid)群體是一個未經(jīng)人工選擇的自然重組群體,利用 DH群體可以提高性狀相關分析的可靠性,并能在遺傳學分析時避免雜合位點的顯性、上位效應等,但由于花藥培養(yǎng)時培養(yǎng)基可能對秈粳性的選擇,使 DH群體出現(xiàn)較大的偏分離而影響結果。本研究選用實驗室已獲得的中花 11/中組 14秈粳交 DH群體,通過測量群體 GC、AC、ASV、PC以及 17種氨基酸的含量,分析各指標在群體中的分布以及各指標之間的相互關系,為稻米相關品質(zhì)性狀的QTL定位和優(yōu)質(zhì)稻育種提供信息。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

材料:粳稻 (O ryza sativaL.ssp.japonica)中花 11為母本,與秈稻 (O ryza SativaL.ssp.indica)中組 14配制雜交組合,構建了 112個加倍單倍體單株的DH群體。

試驗儀器:ST50礱谷機:日本 YANMARN株式會社;試驗用小型精米機:日本 Kett株式會社;JXFM110錘式旋風磨:上海嘉定糧油儀器有限公司;N I RSystems 5000型近紅外分析儀:美國馬里薩斯州FOSS公司。

1.2 試驗方法

2008年 5月 28日在中國水稻所試驗農(nóng)場播種,6月 20日單本移栽,行株距 20 cm ×26 cm,每小區(qū) 24株,3次重復。成熟時收獲DH群體單株樣品,從每個試驗小區(qū)中間隨機收獲 1個單株,每個株系共 3個單株,整個 DH群體 3個重復共 336個單株。用礱谷機脫殼成糙米,再用小型精米機碾成精米,用錘式旋風磨磨成粉,過 100目篩,分別裝于小塑料袋中存放在干燥器中待用。采用近紅外分析儀,精米粉樣本 (約 2.5 g)直接盛于直徑為 35 mm的石英窗圓形小盒內(nèi),在波長為 1 100～2 498 nm的范圍內(nèi),采用吳建國等[5]建立的近紅外儀測定方程和陸艷婷等[6]的方法,測定 AC、PC、GC、ASV和氨基酸含量,每樣品測定 3次,取平均值。

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2003軟件和DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析。

2 結果與分析

2.1 蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)性狀在 DH群體中的表現(xiàn)

蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)性狀在DH群體中超親現(xiàn)象明顯(表 1)。除 PC、賴氨酸、組氨酸和蛋氨酸含量的群體平均值介于雙親之間外,AC小于低親值,其他性狀的群體平均值均大于高親值。就雙親而言,僅AC的低值來自中花 11,其他性狀指標的低值均來自中組 14。雙親間顯著性差異分析表明,GC、AC和蛋氨酸含量雙親間差異不顯著,甘氨酸含量在雙親間差異顯著,其他性狀指標則在雙親間差異達極顯著水平。

表 1 AC、GC、ASV、PC和 17種氨基酸含量在 DH群體的表現(xiàn)

GC、AC、ASV和 PC在DH群體中的頻率分布見圖 1a～圖 1d,由此可知這些性狀都呈連續(xù)的單峰分布,屬于數(shù)量性狀遺傳。天冬氨酸等 17種氨基酸含量的頻率分布也表現(xiàn)為正態(tài)分布 (圖未列出)。

圖 1 3個蒸煮理化指標和 PC在中花 11/中組14的DH群體的頻率分布

2.2 蒸煮理化指標與 PC、氨基酸含量的相關性分析

從表 2可知,3個蒸煮理化指標間的相關性都表現(xiàn)為顯著或極顯著負相關,其中 AC與 GC的相關系數(shù)為 -0.6439、AC與 ASV的相關系數(shù)為 -0.2235、GC與 ASV的相關系數(shù)為 -0.2250。

表 2 21個蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)性狀之間的相關性分析

表 3 17個氨基酸性狀之間的相關性分析

蒸煮理化指標與 PC、氨基酸含量的相關性分析結果表明,PC與 GC極顯著負相關、與 ASV極顯著正相關、與 AC相關性未達顯著水平 (表 2)。3個蒸煮理化指標與 17種氨基酸的相關性分析結果表明,AC與 17種氨基酸中的蘇氨酸、谷氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、組氨酸、精氨酸和半胱氨酸呈顯著負相關,與絲氨酸和蛋氨酸極顯著負相關;GC與17種氨基酸中的蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸、酪氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸呈顯著負相關,與天冬氨酸、絲氨酸、甘氨酸、丙氨酸和脯氨酸極顯著負相關;而 ASV則除了與半胱氨酸外,與其他 16種氨基酸都呈顯著或極顯著正相關。PC和氨基酸含量的相關性分析結果表明,PC與 17種氨基酸都呈極顯著正相關。其中 PC除了與蛋氨酸含量和半胱氨酸含量的相關系數(shù)較低以外,與其他氨基酸含量的相關系數(shù)都達 0.5以上。另外,氨基酸之間的相關性分析結果 (表 3)表明 ,除 Met和 Cys、Met和 Tyr之間相關性不顯著,其他氨基酸之間都達極顯著正相關。

3 討論與結論

直鏈淀粉含量是稻米優(yōu)質(zhì)育種中權衡米飯蒸煮品質(zhì)的重要指標,也是決定稻米綜合評價中最關鍵的因素。稻米的AC一般分為 4個等級:極低 (<9%)、低 (9% ～20%)、中 (20% ～25%)和高 (>25%)[7]。稻米中 AC過高或過低,米飯品質(zhì)均較差[8-9]。本研究所用 DH群體以粳稻中花 11和秈稻中組 14為親本而構建,分析結果表明中花 11的AC為 20.52%,比中組 14略低,兩親本間的 AC差異不顯著,且都為中等 AC的水平。在 DH群體中,AC超親現(xiàn)象明顯,群體平均 AC比低親值還低。說明用中等含量直鏈淀粉的親本雜交,其后代可以選到中低 AC的優(yōu)良品種。

眾多的報道認為 AC與 GC呈顯著負相關[10-12]。因為直鏈淀粉是由W x基因編碼的顆粒結合淀粉合成酶 (granule-bound starch synthase)催化合成[13]。稻米 AC即由該 Wx基因控制并受一些微效基因的影響[8,14-15],而 GC也是由 W x基因或與其緊密連鎖的基因位點控制[16]。因此,AC和GC必然會存在一定的相關性。

稻米 GT和 AC間的相關性在不同的研究報道中呈現(xiàn)不同的結果。有些研究報道認為 GT與 AC呈顯著正相關[17-18];也有研究認為 GT與 AC呈顯著負相關[19-20];試驗結果表明反映糊化溫度高低的堿消值 (ASV)與 AC呈顯著負相關,即 GT與 AC顯著正相關。孫業(yè)盈等[16]對 60個品種的研究發(fā)現(xiàn),GT與 AC和 Wx基因型均無明顯相關性,推斷控制 GT的基因位點不是 Wx基因位點。包勁松等[21]認為,位于第 6染色體短臂靠近 Wx基因的ALK基因是控制 GT的主效基因。高振宇等[22]分離并克隆了 ALK基因。因此,可能不同的基因分別控制 GT和 AC的表達,所以兩者之間的相關性沒有一定的規(guī)律。

湯圣祥[10]在研究 GT和 GC之間的相關性時發(fā)現(xiàn),秈型或粳型雜交稻米 GT與 GC的相關性都未達顯著水平,而對所有秈型、粳型雜交稻米的相關分析則表明 GT與 GC呈顯著正相關;而包勁松[23]發(fā)現(xiàn) GT與 GC之間關系不顯著。本結果發(fā)現(xiàn) ASV與 GC呈顯著負相關,即 GT與 GC顯著正相關。

在不同的研究中,GT和 AC、GT和 GC之間的相關性有不同的分析結果,這可能因為 GT主要受ALK基因控制,而AC和 GC則主要受Wx基因或與其緊密連鎖的基因位點控制。在這兩類性狀之間的關系是正相關、負相關還是沒有關系由所用材料決定[24]。

很多研究報道,稻米 PC與蒸煮品質(zhì)性狀之間有密切的負相關。吳長明等[25]對 Asominori/IR24的 71個 N I Ls的稻米品質(zhì)分析發(fā)現(xiàn),PC與 AC存在極顯著負相關,與 ASV顯著負相關,而與 GC相關性不顯著。陳能等[26]對 5 000多份秈、粳稻品種進行蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)的分析,發(fā)現(xiàn) PC與 GC、AC呈極顯著負相關;并且認為,一般 PC高的品種,GC較短、AC較低。此種趨勢在秈稻和粳稻品種中都一樣,在粳稻品種中更為明顯。而本研究發(fā)現(xiàn),PC與 AC相關性不顯著,而與 GC存在顯著負相關,與 ASV顯著正相關。因此,可能研究對象的不同導致結論的不盡相同。降低 PC有助于改善稻米的食味品質(zhì)[11,27-28]。從本研究結果可以得出,PC和 AC不相關,能夠選育到低 AC且低 PC的優(yōu)質(zhì)稻米。

秈粳間性狀差異大,SSR多態(tài)性標記豐富,DH群體內(nèi)類型多。用秈粳交構建的 DH群體既可以用作性狀的相關性分析,同時對無異常偏分離的DH群體中符合正態(tài)分布的性狀進行后續(xù)的分子定位。本研究采用的秈粳交 DH群體的兩親本中花11和中組 14都是通過花藥培養(yǎng)育成,減少了因為基因型等原因?qū)е禄ㄅ嗔ο陆挡灰讟嫿?DH群體的可能性。同時利用親本間多態(tài)性 SSR分子標記對該群體的植株進行了純合性鑒定和群體的基因型偏離分析,表明所得再生植株都來自花粉母細胞的純合植株,且該群體未發(fā)生異常的基因型偏態(tài)分離[29]。本研究的結果還表明 ,GC、AC、ASV、PC以及 17種氨基酸含量在 DH群體中的分布均呈連續(xù)的正態(tài)分布。因此,可以利用該群體對水稻蒸煮營養(yǎng)品質(zhì)的 QTL進行定位分析。

方宣鈞等[30]認為,選擇構建遺傳群體的雜交親本時盡量使用與育種直接有關的材料,從而縮短基因 (QTL)定位研究與育種應用的距離,提高育種效率。本研究選用的秈稻親本中組 14為米質(zhì)達國標3級的優(yōu)質(zhì)晚秈稻,而且兼含抗蟲抗病等優(yōu)良特性,已于 2006年通過浙江省農(nóng)作物品種審定委員會審定。

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Characters and Correlation of Cooking and NutrientQualities forDH Population Obtained fromJaponica/Indica

Ye Shenghai1,2Ji Zhijuan1Liu Bingxin1Ma Liangyong1Li Ximing1Zhang Xiaoming2Yang Changdeng1
(State KeyLaboratory of Rice Biology,China National Rice Research Institute1,Hangzhou 310006)
(Institute of Crop and Nuclear technologyUtilization,ZhejiangAcademy ofAgricultural Sciences2,Hangzhou 310021)

Rice amylose content(AC),gel consistence(GC),alkaline spreading value(ASV),protein content(PC)and contents of 17 amino acids of a DH population constructed fromjaponicafemale parent Zhonghua 11 and indicamale parent Zhongzu 14 were measured,and correlations among these quality traitswere analyzed statistically.Results:Continuous variances are revealed for the 21 parameters and transgressive are showed formost of the parame2 ters.Any t wo of the three cooking parameters(AC,GC and ASV)are significantly negative correlative.No signifi2 cant correlation exists between PC and AC,but positive correlation exists between PC and ASV,and negative correla2 tion exists between PC and GC.Correlations exist between certain cooking parameter and certain amino acid content,such as negative correlations between AC and 10 amino acid contents,negative correlations bet ween GC and 12 amino acid contents,positive correlations between ASV and all amino acid contents except Cys.Positive correlations exist between PC and 17 amino acid contents andwith correlation coefficien above 0.5 except those bet ween PC andMetor Cys.Further more,extremely significant positive correlations between any t wo of the 17 amino acid contents exist ex2 cept those betweenMet and Cysor betweenMet and Tyr.The application of the DH population for quality breeding is further evaluated in this paper.

rice,DH population,amylose,gel consistence,alkaline spreading value,protein,amino acid,corre2 lation

S5

A

1003-0174(2011)01-0025-06

浙江省重大科技專項重點資助項目(2006C12091),農(nóng)業(yè)部超級稻專項資助項目(200606),水稻生物學國家重點實驗室開放課題(08-02-05)

2010-02-21

葉勝海,男,1978年出生,助理研究員,水稻育種

楊長登,男,1962年出生,研究員,水稻新技術育種