日本寒冷地帶北海道優(yōu)良食味粳稻育種研究

丹野 久

（北海道農(nóng)產(chǎn)協(xié)會，日本 北海道札幌，060-0004）

在日本，北海道稻米產(chǎn)量與新潟縣不相上下，全國排名不分伯仲。但由于北海道地處日本最北端，氣候條件惡劣，與日本東北以南地區(qū)相比，水稻種植史較短，過去很長時(shí)間并未出現(xiàn)“越光”水準(zhǔn)的全國知名優(yōu)良食味品種，并且，在東京都、神奈川縣、愛知縣等大消費(fèi)地區(qū)，北海道產(chǎn)大米的口碑也一般，外加1975—1980年間日本整體稻米產(chǎn)量過剩，更加導(dǎo)致了北海道產(chǎn)大米消費(fèi)量下降。

如上篇文章[1-2]所述，培育優(yōu)質(zhì)水稻品種及相關(guān)技術(shù)是生產(chǎn)優(yōu)良食味大米的必要條件。為解決以上問題，從1980年開始?xì)v時(shí)28年，負(fù)責(zé)水稻育種研究工作的北海道立中央、上川、道南、北見農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)場（現(xiàn)稱北海道立綜合研究機(jī)構(gòu)農(nóng)業(yè)研究本部）共實(shí)施了四期優(yōu)質(zhì)稻米快速研究項(xiàng)目（以下簡稱優(yōu)質(zhì)稻米快速研究項(xiàng)目），由此培育出了21個(gè)優(yōu)良食味粳稻品種，以下列出主要品種和代表性品種的育種方法及食味等特性情況（表1、圖 1）。

表1 1980年后培育的21個(gè)優(yōu)良食味粳稻品種中主要品種及代表品種是否進(jìn)行了縮短育種年限方法試驗(yàn)，以及食味等各項(xiàng)特性[3]

圖1 1980年以來北海道粳稻播種比率變化[3]

最終，北海道產(chǎn)大米的食味得到大幅提升，絲毫不遜色于日本東北以南地區(qū)的知名品種[4-5]。在該研究項(xiàng)目中，盡管實(shí)施時(shí)期不同，但主要通過縮短育種年限、擴(kuò)大育種規(guī)模、分析與食味相關(guān)的數(shù)值來進(jìn)行食味選拔[6-7]（圖2）。本文將以該研究項(xiàng)目為中心，著重介紹北海道地區(qū)提高大米食味的相關(guān)育種經(jīng)驗(yàn)。

圖2 1980年開始的北海道立農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場（現(xiàn)稱北海道立綜合研究機(jī)構(gòu) 農(nóng)業(yè)研究本部）優(yōu)良食味稻米品種開發(fā)項(xiàng)目試驗(yàn)構(gòu)成示例[6-7]

1 培育優(yōu)良食味品種的育種戰(zhàn)略

1.1 縮短育種年限

水稻品種育種成功的條件之一，就是該品種在實(shí)際種植過程中能保持穩(wěn)定性。通過雜交所培育的品種，在初期不穩(wěn)定的個(gè)體較多，相關(guān)特性也很難統(tǒng)一，但伴隨著培育代數(shù)的增加，出現(xiàn)特性穩(wěn)定的個(gè)體幾率也隨之提高。因此，按照過去一年一熟的栽培方法，從初期雜交到育種成功一般需要 10年時(shí)間。為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展要求，縮短水稻育種年限，采取了世代促進(jìn)栽培法和花藥培養(yǎng)法。

1.1.1 世代促進(jìn)栽培法

在優(yōu)質(zhì)稻米快速研究項(xiàng)目開始之前，雜交第1代（F1）是在冬季溫室內(nèi)培育的，但從 F2代培育開始，只有中央農(nóng)試在溫暖地帶（鹿兒島縣）利用世代促進(jìn)栽培法（以下簡稱世促）。之后參與該項(xiàng)目的所有試驗(yàn)場都從春季到秋季在鹿兒島縣對F2和F3代實(shí)施了世促法，另外又拿出一部分繼續(xù)在冬季時(shí)節(jié)放到?jīng)_繩縣進(jìn)行F4代的栽培。這樣一來，包括已實(shí)施世促法的F4代在內(nèi)，盡管育種年限沒有變化，但育種材料的穩(wěn)定性得以提高。原本通過雜交至少需要 10年時(shí)間才能最終培育出的優(yōu)良品種，通過上述世促法，其中也包括了F1溫室培育法在內(nèi)，將總需時(shí)長壓縮到了8年（表2）。自2001年開始，在道南農(nóng)試，由溫暖地區(qū)世促法調(diào)整為在大型溫室中培育F2、F3代的世促法，而現(xiàn)在不再實(shí)施F4參試的1年3次加代的世促法。

表2 標(biāo)準(zhǔn)方法、世代促進(jìn)栽培法以及花藥培養(yǎng)法從雜交到成功培育出新品種的各需年數(shù)[8]

1.1.2 花藥培養(yǎng)法

花藥培養(yǎng)法是指將夏季收獲的雜交種子在冬季播種，以培養(yǎng)F1個(gè)體的花藥。由此獲得來自花粉的單倍體，通過自然倍增盡快實(shí)現(xiàn)種系穩(wěn)定。之后，在第2年夏季采種，冬季進(jìn)行種系選育；后續(xù)在第3年進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)實(shí)驗(yàn)。如此，從雜交開始到培育出優(yōu)良品種只需7年時(shí)間（表2）。該培養(yǎng)法在中央農(nóng)試開展了一段時(shí)間，大部分時(shí)間僅在上川農(nóng)試進(jìn)行，每年從 100～120組中選取最有可能成功的 3～5組參與實(shí)驗(yàn)。但由于該實(shí)驗(yàn)需要相當(dāng)大的成本和精力，難以持續(xù)，所以目前已中止。

通過以上縮短育種年限的方法，成功培育了優(yōu)良稻米快速研究項(xiàng)目中的21個(gè)品種。其中通過花藥培育法培育了5個(gè)品種，其余16個(gè)品種中，F(xiàn)1為冬季溫室培育法、F2和 F3代為世促法的共13個(gè)品種，經(jīng)歷F4代世促法的有3個(gè)品種（表1）。

1.2 優(yōu)良食味種系選育

1.2.1 擴(kuò)大育種規(guī)模

當(dāng)初，很難培育出兼?zhèn)鋬?yōu)良食味、早熟性和耐寒性的水稻品種，為了實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，通過擴(kuò)大個(gè)體和種系（包括將一根稻穗作為下一年的 1個(gè)種系）選育試驗(yàn)的參試規(guī)模，來提高培育成功的概率。

1.2.2 加強(qiáng)有效基因的應(yīng)用

應(yīng)用內(nèi)外部的有效基因與優(yōu)良食味相關(guān)的低直鏈淀粉以及抗寒性等基因，來加大基因變異，從而培育出具備重要特性的優(yōu)良種系，當(dāng)然，需要同時(shí)采取擴(kuò)大育種規(guī)模的方式。

1.3 食味鑒定

1.3.1 食味特性分析

優(yōu)良食味品種選育須經(jīng)食味選拔環(huán)節(jié)。但是直接通過品嘗米飯方法進(jìn)行選評，參試大米數(shù)量會受到限制。尤其是參與個(gè)體選育測試以及種系選育測試的初代樣品，由于參試數(shù)量過多，同時(shí)單一個(gè)體和單一種系的糙米樣品量很少。

在優(yōu)質(zhì)稻米快速研究項(xiàng)目實(shí)施之前，就有專家指出，北海道稻米中與食味相關(guān)的淀粉成分之一的直鏈淀粉含量以及大米蛋白質(zhì)含量（表 3）均高于日本東北以南的優(yōu)良食味稻米（圖 3、圖4），必須對兩者進(jìn)行改良[9]。因此，在進(jìn)行個(gè)體選育以及種系選育的時(shí)候，選拔了上述兩種物質(zhì)含量較低的個(gè)體和種系[11]（表4）。在進(jìn)行種系選育之后，作為選拔的參考指標(biāo)，還會通過物性分析儀和色彩色差儀對米飯的質(zhì)構(gòu)變化及外觀等進(jìn)行測定。

表3 北海道與日本東北以南主要品種大米的食味相關(guān)特性與直鏈淀粉含量和大米蛋白質(zhì)含量的相關(guān)系數(shù)（1969—1971，1980，1983年生產(chǎn)）[9]

圖3 北海道與日本東北以南產(chǎn)大米中直鏈淀粉含量的頻率分布比較（1969—1971，1980，1983年生產(chǎn)）[9]

圖4 北海道與日本東北以南產(chǎn)大米的蛋白質(zhì)含量比較（1991—1996年生產(chǎn)）[10]

為了對多個(gè)樣品進(jìn)行快速測定，在全國范圍內(nèi)率先使用分析直鏈淀粉的連續(xù)流動(dòng)化學(xué)分析儀和分析蛋白質(zhì)的近紅外分析儀。以上兩種分析，實(shí)際操作過程均需約10 g糙米樣品。從具體實(shí)例來看，2007年上川農(nóng)試，一共對5 500份樣品進(jìn)行以上兩種物質(zhì)的分析，而在同期進(jìn)行的種系選拔試驗(yàn)中，通過10～100 g少量大米的煮飯進(jìn)行了350份樣品的食味選拔[12]。

1.3.2 食味綜合評價(jià)

在生產(chǎn)能力（產(chǎn)量）試驗(yàn)之后，因參試的種系數(shù)量有限，糙米樣品量也較充足，所以拿出200～750 g大米用于食味感官試驗(yàn)，因此為主進(jìn)行食味綜合評價(jià)。在此基礎(chǔ)上，又通過快速粘度分析儀（RVA）的糊化特性測定其老化特性（表4）。在品種培育最后的推薦品種決定試驗(yàn)中，還聽取了大米經(jīng)銷商等相關(guān)用戶的評價(jià)意見。

表4 北海道水稻育種試驗(yàn)中的食味選拔·評價(jià)方法（◎?yàn)橹攸c(diǎn)使用，○為補(bǔ)充使用，道總研上川農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場實(shí)施）[8]

2 從引進(jìn)優(yōu)良食味遺傳基因角度分析育種過程

2.1 集聚北海道內(nèi)優(yōu)良食味遺傳基因

在開展優(yōu)質(zhì)稻米快速研究項(xiàng)目之前，與日本東北以南地區(qū)大米相比，北海道產(chǎn)大米的食味明顯處于劣勢。為提高品質(zhì)，通過降低直鏈淀粉含量進(jìn)行選育的方式，不僅提高了大米粘度，食味也得到大幅提升。同時(shí)，由于蛋白質(zhì)含量也會影響食味，所以挑選了蛋白含量低的種系。以“巴勝”等北海道內(nèi)優(yōu)良食味品種為基礎(chǔ)，經(jīng)改良后培育而成的“雪光”等品種[13]于1984年成功問世（圖5、圖6）。

圖5 吸收了北海道品種優(yōu)良食味遺傳基因培育而成的「雪光」的譜系[13]

圖6 北海道優(yōu)良食味品種引入的優(yōu)良食味遺傳基因[3]

2.2 引進(jìn)“越光”優(yōu)良食味遺傳基因

1981年，實(shí)驗(yàn)人員以擁有“越光”血統(tǒng)的“越譽(yù)”為母本成功培育出“島光”。之后，又以“島光”為母本，于1988年培育出的“閃光397”[14]（圖6、圖7）在優(yōu)秀的營銷戰(zhàn)略支撐下，北海道產(chǎn)大米因其前所未有的優(yōu)良食味，首次成為日本知名的優(yōu)良食味稻米品牌。發(fā)展至今，雖在抗寒性能方面稍差，但得益于其穩(wěn)定的高產(chǎn)特點(diǎn)，該品種在北海道地區(qū)仍被長期廣泛種植。而為了提高“閃光 397”的抗寒性，以擁有“越光”血統(tǒng)的日本東北品種“秋田小町”為母本，于1996年成功培育出了“星之夢”[15]（圖6、圖7）。

圖7 通過北海道品種「島光」引入「越光」的優(yōu)良食味遺傳基因培育而成的「閃光397」以及引入「秋田小町」的優(yōu)良食味遺傳基因培育而成的「星之夢」譜系[14-15]

雖然直鏈淀粉含量與水稻成熟溫度成正比，但因年份不同數(shù)據(jù)變化較大，很難顯示準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。不過，研究發(fā)現(xiàn)“雪光”之前的多肥多產(chǎn)品種“石狩”等的直鏈淀粉含量為22%，而“閃光397”和“星之夢”的含量為 20%，普遍下降約2%（圖8）。由于與日本東北以南地區(qū)相比，北海道的水稻成熟溫度更低，所以“閃光397”和“星之夢”的直鏈淀粉含量仍然偏高。也有研究表明，在成熟溫度相同的條件下，北海道自有的優(yōu)良食味品種與日本東北以南的優(yōu)良食味品種之間，直鏈淀粉含量并不存在差異[16]（表5）。因此即便以日本東北以南地區(qū)的優(yōu)良食味品種為母本進(jìn)行培育，也很難進(jìn)一步降低其直鏈淀粉含量。

圖8 北海道的新舊品種和日本東北以南的優(yōu)良食味品牌米品種的大米蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量之間的關(guān)系（道總研 上川農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場提供）[3]

表5 在農(nóng)田及人工氣象箱的溫度條件一致前提下成熟時(shí)，以往的北海道優(yōu)良食味品種與日本東北以南的優(yōu)良食味品牌米品種的食味特性[16]

2.3 有效利用低直鏈淀粉遺傳基因

為了進(jìn)一步降低直鏈淀粉含量，還嘗試引進(jìn)日本原生粳稻品種中所不具備的低直鏈淀粉遺傳基因——低直鏈淀粉種系“NM391”的遺傳基因，該種系是通過伽馬射線對“日本勝”進(jìn)行照射研發(fā)而成的。最終，分別于1991年和2001年培育出了品種“彩”[16]和“彩姬”[18]（圖 9）。由于其直鏈淀粉含量約為10%～12%，是“閃光397”等一般粳稻品種的一半左右，同時(shí)具有口感軟糯特征，所以更多被用于與一般粳米的配米。

圖9 引入「NM391」的低直鏈淀粉突變基因培育而成的「彩」和「彩姬」的譜系[17-18]

2001年和 2003年還以融合“國寶玫瑰”的優(yōu)良食味特性的北海道培育種系為母本，分別研發(fā)了“七星”[19]和“松軟”[20]（圖 10）。與“閃光397”和“星之夢”相比，“七星”的直鏈淀粉含量又降低約 1%（圖 8），同時(shí)，其蛋白含量雖未得到大幅度改觀，但與原有品種相比，“松軟”的蛋白含量也略有降低。以上新品種的問世，讓經(jīng)銷商和消費(fèi)者對北海道產(chǎn)大米的食味給予了更高評價(jià)。

圖10 引入「國寶玫瑰」的優(yōu)良食味遺傳基因培育而成的「七星」和「松軟」的譜系[19-20]

后來又以“閃光 397”變異研發(fā)的低直鏈淀粉種系“北海287號”為母本，于2003年成功培育出了“朧月”[21]（圖6、圖11），不過這并不屬于優(yōu)質(zhì)稻米快速研發(fā)項(xiàng)目的成果，“朧月”的直鏈淀粉含量為14%～15%，可作為低直鏈淀粉含量品種單獨(dú)使用。而 2008年培育成功的“夢美”[22]（圖6、圖11），與同樣引入了“北海287號”基因的“朧月”相比，直鏈淀粉含量雖然要高 1%左右，但栽培性能方面得到大幅提升。以上兩個(gè)品種在“光澤”“粘度”“柔軟度”方面表現(xiàn)極佳，且食味方面也與“越光”保持同等水準(zhǔn)。

圖11 引入基因突變種系「北海287號」的低直鏈淀粉遺傳基因后培育成功的「朧月」和「夢美」[21-22]

綜上所述，引進(jìn)北海道、日本東北以南地區(qū)以及美國“國寶玫瑰”的優(yōu)良食味遺傳基因和突然變異的低直鏈淀粉遺傳基因，通過米飯的粘度和柔軟度，提高了相關(guān)品種的食味（表6）。但是，“北海道 287號”以及具備低直鏈淀粉基因的“NM391”品種，雖然在食味感官試驗(yàn)中，其“粘度”和“柔軟度”得到較高的評價(jià)，但“綜合評價(jià)”并不高（表 6、圖12），由此看來，“粘度”和“柔軟度”過高未必能提高食味。成熟期間的平均氣溫每上升1 ℃，與其他品種相比，兩種低直鏈淀粉遺傳基因品種的直鏈淀粉含量降低幅度更大[22-23]（表 7）。

表6 選育的優(yōu)良食味品種其食味感官試驗(yàn)時(shí)的「粘度」、「柔軟度」與「綜合評價(jià)」值比較（食味基準(zhǔn)品種均為一般粳稻品種）[13-14,17-22]

圖12 直鏈淀粉含量與食味感官試驗(yàn)中的「粘度」，「柔軟度」與「綜合評價(jià)」差值之間的關(guān)系[13-15,17-22]

表7 成熟期間的日平均氣溫每變化1 ℃導(dǎo)致直鏈淀粉含量的變動(dòng)（ΔAM，%/℃）[22]

3 未來的優(yōu)良食味育種戰(zhàn)略

總結(jié)以上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，1980年以來，北海道產(chǎn)大米直鏈淀粉含量大幅降低（圖 13），而新品種的培育并未降低大米的蛋白質(zhì)含量（圖14）。當(dāng)然，大米的食味評價(jià)有了較大提升，可與日本東北以南地區(qū)的優(yōu)良食味品種相媲美[4-5,25-26]（圖15）。

圖13 北海道新舊品種的培育成功年度和直鏈淀粉含量的關(guān)系[10,24-25]

圖14 北海道新舊品種的培育成功年度和大米蛋白質(zhì)含量的關(guān)系[10,24-25]

圖15 北海道新舊品種以及日本東北以南優(yōu)良食味品牌品種的食味感官試驗(yàn)綜合值比較[26]

圖16 直鏈淀粉含量，大米蛋白質(zhì)含量以及食味感官綜合値之間的關(guān)系[4]

降低蛋白和直鏈淀粉含量（圖16）是進(jìn)一步提升食味的非常重要的因素。在直鏈淀粉方面需要考慮恰當(dāng)?shù)摹罢扯取焙汀叭彳浂取?，不能一味追求低直鏈淀粉含量，而是?yīng)該努力培育其含量為“七星”和“夢美”的中間值（圖 8）且受產(chǎn)地和年份影響較小的品種[12,23]，因此，目前可考慮利用來自“國寶玫瑰”的種系繼續(xù)研發(fā)新品種。在蛋白質(zhì)方面，上川農(nóng)試正嘗試將從“國寶玫瑰”培育的種系等作為基因資源，從而將蛋白質(zhì)含量降低 0.5%～1%左右[8,12]。為了改善“外觀”、“光澤”以及冷飯也好吃的“米飯老化特性”，需要開發(fā)在育種過程中能高效準(zhǔn)確測定以上特性的方法。同時(shí)，有必要加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)研究，以期實(shí)現(xiàn)大米“色香味”的儀器分析。

備注：

1. 參考文獻(xiàn)中，除注明國家的期刊外，其余均為日語期刊。

2. 本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網(wǎng)、萬方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫下載獲取。