張麗麗, 趙一洲, 李 鑫, 劉 研, 毛 艇, 張 戰(zhàn), 倪善君, 劉福才
(遼寧省鹽堿地利用研究所,遼寧 盤錦 124010)
水稻(OryzasativaL.)是我國重要的糧食作物之一,稻谷總產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)的40%左右.隨著國內(nèi)外水稻生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,社會(huì)消費(fèi)對稻米品質(zhì)提出了更高要求,如何培育出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的新品種是育種工作所面臨的首要問題.水稻育種的進(jìn)步和突破依賴于技術(shù)改進(jìn)和育種材料種質(zhì)的創(chuàng)新.隨著航天科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,將航天技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)相結(jié)合,利用空間誘變變異頻率高、幅度大、有益變異多、穩(wěn)定性強(qiáng)、生理損傷輕和育種周期短等優(yōu)點(diǎn)[1],開展航天誘變育種,已育成一批作物新品種和新種質(zhì),取得了豐碩成果[2-4].實(shí)踐表明,空間誘變技術(shù)是誘導(dǎo)作物發(fā)生變異,豐富種質(zhì)資源及選育作物新品種的重要途徑[5-6].國內(nèi)外有關(guān)誘變育種技術(shù)用于北方粳稻品質(zhì)改良的研究尚未見報(bào)道.本試驗(yàn)以鹽粳188空間誘變后代為材料,研究空間誘變對北方粳稻品質(zhì)的影響,旨在揭示空間誘變下北方粳稻品質(zhì)的變異特點(diǎn),為北方粳稻空間誘變育種提供參考.
試驗(yàn)材料為遼寧省鹽堿地利用研究所選育的粳稻品種鹽粳188.將種子分成2份,1份由返回式衛(wèi)星搭載,1份作為對照(CK).種子回收后各世代誘變材料及CK均單株種植于遼寧省鹽堿地利用研究所試驗(yàn)基地,行株距30.0 cm×13.3 cm.回收后經(jīng)系譜法10代選育得到穩(wěn)定株系60份.
種子于2005年8月2日由我國第21顆返回式衛(wèi)星搭載升空,衛(wèi)星起飛質(zhì)量3 900 kg.衛(wèi)星軌跡距地球近地點(diǎn)169 km,遠(yuǎn)地點(diǎn)547 km,繞地球飛行周期91.7 min,斜角63.0°,太空運(yùn)行27 d,于2005年8月29日回收.
試驗(yàn)于2015年在遼寧省鹽堿地利用研究所進(jìn)行.田間種植鹽粳188空間誘變穩(wěn)定材料及CK,共61份,小區(qū)面積為1.5 m×15 m,行株距30.0 cm×13.3 cm.成熟期收獲種子,低溫保存,備用.
本試驗(yàn)測定的稻米品質(zhì)指標(biāo)包括稻米的直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量,米飯的食味值、硬度、粘度、平衡度和彈性,稻米淀粉的峰值粘度、熱漿粘度、冷膠粘度、崩解值、消減值和回復(fù)值.
采用日本佐竹公司生產(chǎn)的新型RCTA-11A米粒食味計(jì)測定稻米的直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量,設(shè)3次重復(fù).采用日本佐竹公司生產(chǎn)的STA1A型米飯食味計(jì)和RHS1A型硬度粘度儀測定米飯的食味值、硬度、粘度、平衡度和彈性,共設(shè)重復(fù)3次.具體操作如下:稱取30.0 g 精米置于專用容器中淘洗至水清,按米∶水為1∶1.35的比例量取蒸餾水,淘米與浸泡共30 min,上鍋蒸煮30 min,燜10 min,開蓋攪拌米飯,將米飯置于冷卻器中冷卻20 min,靜置2 h(25 ℃);稱取8.0 g米飯裝入專用金屬環(huán)內(nèi),正反面壓10 s成飯餅,用黑白板校儀器將飯餅插入食味計(jì)進(jìn)行測定,儀器自動(dòng)顯示食味值、硬度、粘度、平衡度和彈性,設(shè)3次重復(fù).
采用澳大利亞 Newport Scientific儀器公司生產(chǎn)的Super3型快速粘度分析(rapid viscosity analyzer, RVA)儀快速測定稻米淀粉粘滯譜特性,用TCW配套軟件測定并進(jìn)行RVA譜特征參數(shù)分析,設(shè)3次重復(fù).具體操作如下:根據(jù)美國谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)(AACC)的操作規(guī)程,將試驗(yàn)樣品磨成過100目篩的米粉,將水分含量設(shè)定為14%,取米粉3.0 g,加蒸餾水25.0 mL.粘滯性值以RVU為單位,特征參數(shù)有峰值粘度、熱漿粘度和冷膠粘度,由這3個(gè)基本粘度產(chǎn)生崩解值(峰值粘度/熱漿粘度)、消減值(冷膠粘度/峰值粘度)和回復(fù)值(冷膠粘度/熱漿粘度)等指標(biāo).
運(yùn)用DPS 7.05分析軟件計(jì)算稻米品質(zhì)性狀的變異系數(shù)并進(jìn)行聚類和主成分分析;采用Excel軟件繪制頻率分布圖;運(yùn)用Statistica 6.0軟件進(jìn)行t測驗(yàn).
鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀的變異特點(diǎn)如圖1所示.從圖1可見:食味值頻率分布集中在65.00%~70.00%區(qū)間,占總樣本比例為50.82%,誘變育成株系的食味值峰值大于CK平均值;蛋白質(zhì)和直鏈淀粉含量頻率分布分別集中在8.05%~8.27%和19.48%~19.66%區(qū)間,占總樣本比例分別為21.31% 和22.95%,誘變育成株系的蛋白質(zhì)含量峰值在CK平均值附近,而直鏈淀粉含量峰值小于CK平均值;粘度、彈性、硬度和平衡度頻率分布分別集中在0.29~0.35、0.746~0.754、6.00~6.48和0.055~0.071區(qū)間,占總樣本比例分別為29.51%、27.87%、29.51%和29.51%,誘變育成株系的粘度峰值大于CK平均值,彈性和平衡度峰值小于CK平均值,而硬度峰值在CK平均值附近;峰值粘度、冷膠粘度和熱漿粘度頻率分布分別集中在351.42~385.89、435.33~474.08和109.64~129.75 RVU區(qū)間,占總樣本比例分別為54.10%、49.18%和55.74%,誘變育成株系的峰值粘度峰值大于CK平均值,冷膠粘度和熱漿粘度峰值在CK平均值附近;崩解值、回復(fù)值和消減值頻率分布分別集中在228.61~254.19、312.53~327.45和87.60~98.76 RVU區(qū)間,占總樣本比例分別為55.74%、55.46%和65.57%,誘變育成株系的崩解值峰值大于CK平均值,回復(fù)值峰值在CK平均值附近,而消減值峰值略小于CK平均值.可見,誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀發(fā)生分離,且性狀間的分離方向存在差異.
圖1 鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀頻率分布Fig.1 Frequency distribution of rice quality traits of aeronautical mutagenic bred lines of Yanjing 188
表1顯示,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀與CK間存在較大差異,其中,平衡度的變異系數(shù)最大,蛋白質(zhì)含量、食味值和直鏈淀粉含量的變異系數(shù)最小.進(jìn)一步對稻米品質(zhì)性狀的變異系數(shù)進(jìn)行聚類分析,可將稻米品質(zhì)13個(gè)性狀劃為3類(圖2):第一類性狀包括直鏈淀粉含量、彈性、蛋白質(zhì)含量和食味值,其變異系數(shù)較小,為1.91%~5.99%;第二類性狀包括硬度、熱漿粘度、峰值粘度、回復(fù)值、冷膠粘度、崩解值和消減值,其變異系數(shù)居中間水平,為9.76%~14.00%;第三類性狀包括粘度和平衡度,其變異系數(shù)最大,為28.25%~37.48%.對稻米品質(zhì)性狀進(jìn)行t檢測,結(jié)果表明,誘變育成株系的粘度、崩解值和消減值與CK間的差異達(dá)到顯著或極顯著水平,其中,崩解值和粘度顯著或極顯著高于CK,而消減值顯著低于CK.表明空間誘變株系的稻米品質(zhì)性狀發(fā)生變異,各性狀變異程度不同,部分性狀與CK間的差異達(dá)顯著或極顯著水平.
表1 鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀的比較1)Table 1 Comparative analysis on rice quality trait of aeronautical mutagenic bred lines of Yanjing 188
1)**表示差異極顯著(P<0.01),*表示差異顯著(P<0.05).
圖2 鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀變異系數(shù)的聚類樹形圖Fig.2 Dendrogram of rice quality traits with variation coefficient of aeronautical mutagenic bred lines of Yanjing 188
主成分分析是將多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)可以代表原來多個(gè)變量的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法,這些綜合因子既可以反映原來變量的信息量,且彼此間互不影響,從而起到降維簡化的作用.為了反映鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀的綜合表現(xiàn),對直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、硬度、粘度、平衡度和彈性等性狀進(jìn)行主成分分析.由表2可見,第1、2、3、4和5主成分特征值累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.08%,因此,這5個(gè)主成分可以較好地代表13個(gè)稻米品質(zhì)性狀信息.
表2 鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀的主成分特征及貢獻(xiàn)率Table 2 Eigenvalues of principal components and their contribution to aeronautical mutagenic bred lines of Yanjing 188
由表3可知:第1主成分特征向量絕對值以冷膠粘度最大,其次是峰值粘度;第2主成分特征向量絕對值以平衡度最大,其次是彈性;第3主成分特征向量絕對值以蛋白質(zhì)含量最大,其次是直鏈淀粉含量;第4主成分特征向量絕對值以硬度最大;第5主成分特征向量絕對值以消減值最大,食味值次之.因此,第1、2、3、4和5主成分可分別稱為冷膠粘度因子、平衡度因子、蛋白質(zhì)含量因子、米飯硬度因子和消減值因子.
表3 鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀的特征向量Table 3 Eigenvectors of aeronautical mutagenic bred lines of Yanjing 188
選取鹽粳188空間誘變育成株系中食味值較高的5個(gè)品系與CK進(jìn)行稻米品質(zhì)性狀比較,結(jié)果如表4和圖3所示.鹽粳188經(jīng)空間誘變后,部分品系的食味值較CK有較大幅度提高,其蛋白質(zhì)含量均低于CK,而直鏈淀粉含量變化不大.從圖3可以看出,5個(gè)品系的RVA譜特征值與CK間存在一定差異.5個(gè)品系的峰值粘度均大于CK,熱漿粘度較大.表明鹽粳188空間誘變育成部分株系表現(xiàn)出直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量降低,食味值升高的趨勢,為北方優(yōu)質(zhì)稻米選育和種質(zhì)的創(chuàng)制和發(fā)掘提供基礎(chǔ).
空間環(huán)境具有強(qiáng)輻射、微重力、弱磁場、超真空和超潔凈等特點(diǎn),是一種利用價(jià)值極高的新資源[2],這些特殊條件對進(jìn)入其中的植物材料具有誘變效應(yīng),引起后代性狀發(fā)生變異分離,多數(shù)變異性狀能穩(wěn)定遺傳,且穩(wěn)定速度快[7-10].方金梁等[11]研究表明,空間誘變育種是高蛋白和高產(chǎn)水稻育種的有效途徑.本試驗(yàn)結(jié)果表明,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀發(fā)生變異,部分性狀變幅較大,表現(xiàn)出方向性分離,且能穩(wěn)定遺傳.其中,食味值、粘度、峰值粘度和崩解值等性狀偏正向分離;直鏈淀粉含量、彈性、消減值和平衡度等性狀偏負(fù)向分離;蛋白質(zhì)含量向正、負(fù)兩個(gè)方向分離;硬度、冷膠粘度、熱膠粘度和回復(fù)值的峰值則在CK平均值附近.由此可知,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀與CK相比,表現(xiàn)出食味值提高,粘度增大,峰值粘度和崩解值增大,平衡度降低,彈性減小,直鏈淀粉含量減少等特點(diǎn),這與黃永相等[12]的研究結(jié)果相似.
1~5為5個(gè)優(yōu)良品系.圖3 5個(gè)優(yōu)良品系稻米淀粉RVA譜特征值Fig.3 RVA profiles of 5 fine strains
變異系數(shù)表示某性狀變異程度大小的相對值,是顯示各性狀變異程度的指標(biāo),其數(shù)值大的性狀表示群體中該性狀的變異豐富.大量研究表明,空間誘變將導(dǎo)致生物遺傳物質(zhì)發(fā)生變異[13-16].有益基因變異為作物育種提供豐富的變異來源和選擇空間[17-18].本試驗(yàn)結(jié)果表明,鹽粳188空間誘變育成株系稻米品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為1.94%~37.48%.其中,硬度、粘度、平衡度、峰值粘度、熱漿粘度、回復(fù)值、崩解值和消減值的變異系數(shù)大于10%,而冷膠粘度的變異系數(shù)在10%左右,直鏈淀粉含量和彈性的變異系數(shù)在2%左右.t檢測表明,誘變育成株系的粘度、崩解值和消減值等性狀與CK間的差異達(dá)到顯著或極顯著水平.可見,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)部分性狀變異較大,變異類型也較豐富,為種質(zhì)資源的發(fā)掘、鑒定與利用提供基礎(chǔ)[19].主成分分析是在不損失過多遺傳信息基礎(chǔ)上的一種降維方法.本試驗(yàn)結(jié)果表明,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀可以分為冷膠粘度因子、平衡度因子、蛋白質(zhì)因子、硬度因子和消減值因子5個(gè)主成分因子,各個(gè)性狀在各成分中的權(quán)重系數(shù)決定其在主成分中的影響度.在水稻空間誘變育種的實(shí)踐中,誘變后代材料應(yīng)依據(jù)主成分的排序,具體分析與全面評價(jià)每個(gè)材料綜合指標(biāo)的優(yōu)劣,根據(jù)育種目標(biāo)合理選擇,以便盡快育成理想的水稻新品種或品系.
眾所周知,常規(guī)育種難以解決高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)結(jié)合的矛盾,而空間環(huán)境誘變是修飾性基因變異,是質(zhì)變而非量變,有些變異朝著利于優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)相結(jié)合的方向發(fā)展,能選到符合育種目標(biāo)的優(yōu)良株系[11].本試驗(yàn)中,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀與CK相比發(fā)生較大變異,且存在分離,依據(jù)育種目標(biāo)進(jìn)行選擇得到5個(gè)食味值較高的株系,表現(xiàn)出直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和硬度較CK下降,粘度增大,峰值粘度和熱漿粘度較大等特點(diǎn),且能穩(wěn)定遺傳,表明航天誘變育種可以成為稻米品質(zhì)育種及改良的有效途徑.稻米R(shí)VA譜特征值與外觀品質(zhì)、蒸煮理化指標(biāo)呈顯著相關(guān),可以作為優(yōu)質(zhì)稻米的輔助選擇指標(biāo)[20-23].本試驗(yàn)對鹽粳188空間誘變育成株系中食味值較高的株系的稻米品質(zhì)性狀和RVA譜特征值進(jìn)行比較分析的結(jié)果表明,其食味值較高,峰值粘度和熱漿粘度較大,這與陳書強(qiáng)等[24]的研究結(jié)果一致,可以作為水稻空間誘變育種優(yōu)良食味水稻選擇的輔助指標(biāo).
綜上所述,鹽粳188空間誘變育成株系的稻米品質(zhì)性狀與CK相比發(fā)生變異,部分性狀變幅較大,表現(xiàn)出方向性分離,且穩(wěn)定遺傳,發(fā)現(xiàn)有益變異,這為北方粳稻品質(zhì)育種提供豐富的種質(zhì)資源,開拓了北方粳稻品質(zhì)育種新途徑.
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