高抗性淀粉含量粳稻新品種‘優(yōu)糖稻3號’的選育

楊瑞芳,白建江,萬常照,湯劍豪,龔長春,樸鐘澤

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所,上海農(nóng)產(chǎn)品保鮮加工工程技術(shù)研究中心,上海 201403)

隨著社會發(fā)展,人類疾病譜中與膳食營養(yǎng)相關(guān)的慢性疾病(糖尿病、心血管疾病、肥胖癥、高血脂癥等)比例不斷攀升,目前已成為全球性重大的公共衛(wèi)生問題。我國是糖尿病高發(fā)國家,根據(jù)糖尿病聯(lián)盟(IDF)發(fā)布的統(tǒng)計結(jié)果顯示,至2017年,我國糖尿病患者已達(dá)1.1億人,預(yù)計到2040年,我國糖尿病患者數(shù)量將達(dá)1.51億。目前除了臨床用藥,慢性病的治療還與膳食營養(yǎng)密切相關(guān),通過飲食調(diào)節(jié),從源頭上預(yù)防慢性疾病的發(fā)生和發(fā)展,是對糖尿病等慢性病防治最重要的手段[1]。

隨著大健康產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)融合發(fā)展的日趨緊密,農(nóng)業(yè)不斷向著現(xiàn)代化、健康化升級。能調(diào)節(jié)人體代謝、滿足各種特殊消費人群的功能型水稻受到國內(nèi)外育種家越來越多的關(guān)注,包括高抗性淀粉水稻、低谷蛋白含量水稻、富含必需微量元素水稻等[2-3]。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對抗性淀粉的生理機(jī)制和保健功能研究相對較多?？剐缘矸?Resistant starch,RS)是膳食纖維(Dietary fiber,DF)的一種,是在健康者小腸中不被吸收發(fā)酵的淀粉及其降解產(chǎn)物的總稱?？剐缘矸劬哂薪笛?、降血脂、促進(jìn)腸道健康及促進(jìn)礦物質(zhì)消化吸收等重要生理功能[2-5]。

‘降糖稻1號’是上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的首個籽粒內(nèi)抗性淀粉高于普通大米20倍以上的功能性粳稻新品種,由于該品種產(chǎn)量低、出米率低,生產(chǎn)成本高,限制了其推廣利用。利用分子標(biāo)記輔助選擇育種體系,以‘降糖稻1號’為供體親本,獲得了產(chǎn)量和質(zhì)量兼顧的高抗性淀粉水稻新品系,‘優(yōu)糖稻2號’2019年通過上海市農(nóng)作物品種審定[6],‘優(yōu)糖稻3號’株高相較于‘優(yōu)糖稻2號’高,產(chǎn)量更高,2020年通過上海市農(nóng)作物品種審定。

1 材料與方法

1.1 親本材料

‘優(yōu)糖稻3號’是上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所于2011在海南用該所高抗性淀粉水稻資源11JD64(‘降糖稻1號’)為母本與該所培育的品種‘滬稻55’為父本雜交,利用系譜法選育而成。

1.2 分子標(biāo)記檢測

取水稻幼嫩葉片,采用CTAB方法提取基因組總DNA,參考楊瑞芳等[7]報道的抗性淀粉基因型CAPS/SpeI分子標(biāo)記檢測方法。PCR擴(kuò)增后,經(jīng)過SpeI酶切電泳分析,高抗性淀粉基因型單株P(guān)CR產(chǎn)物不能被酶切,只有1條571 bp特征帶,常規(guī)水稻品種PCR產(chǎn)物可以被SpeI酶切,產(chǎn)生375 bp和196 bp 2條特征帶,雜合單株則具有571 bp、375 bp和196 bp共3條特征帶。

1.3 稻瘟病鑒定

稻米品種稻瘟病抗性檢測,委托湖南省放華稻瘟病鑒定防治服務(wù)中心在桃江基地進(jìn)行。桃江病圃位于長江中下游生態(tài)區(qū),該地區(qū)晝夜溫差大,水稻葉片結(jié)露時間為12—14 h,具有稻瘟病浸染繁殖、擴(kuò)展流行的較好條件,是我國抗稻瘟病水稻品種的鑒定基地,每年為全國科研以及生產(chǎn)單位鑒定大量水稻育種材料和生產(chǎn)品種。

1.4 抗性淀粉含量測定

RS含量采用愛爾蘭Megazyme抗性淀粉檢測試劑盒檢測,具體步驟為:準(zhǔn)確稱取100 mg樣品,小心放入帶螺旋蓋的塑料試管中,依次加入α-胰淀粉酶反應(yīng)液和淀粉葡萄糖苷酶(AGM),37℃振蕩孵育16 h,非RS被溶解,水解成D-葡萄糖;孵育結(jié)束后加入99%乙醇終止反應(yīng);離心上述溶液,棄上清,底部殘留絮狀團(tuán)即為樣品中的RS,再用50%乙醇洗滌沉淀;倒置離心管,沉淀干燥后,用2 mol/L氫氧化鉀溶解沉淀,并加入AGM,置于50℃水浴中孵育20 min,最后用D-葡萄糖用葡糖氧化酶/過氧化物酶試劑(GOPOD)試劑測定葡萄糖含量,并計算RS含量。

1.5 米質(zhì)測定

糙米率、精密率、堊白粒率、堊白度、透明度和堿消值,參照NY/T 83—2017規(guī)定測定;整精米率依據(jù)GB/T 21719—2008檢測;膠稠度依據(jù)BG/T 22294—2008檢測;直鏈淀粉含量檢測依據(jù)BG/T 15683—2008;粒長依據(jù)GB/T 34535—2009檢測;長寬比依據(jù)NY/T 2334—2013檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 基因型鑒定

利用針對SBE3突變基因sbe3-rs突變位點設(shè)計的CAPS分子標(biāo)記檢測雜交親本‘降糖稻1號’‘親本滬稻55’及‘優(yōu)糖稻3號’抽樣單株。檢測結(jié)果如圖1所示,‘滬稻55’分子標(biāo)記檢測有375 bp和196 bp 2條帶,‘降糖稻1號’分子標(biāo)記檢測只有1條571 bp條帶,‘優(yōu)糖稻3號’穩(wěn)定品種抽樣調(diào)查單株分子標(biāo)記檢測結(jié)果與供體親本‘降糖稻1號’一致,均只有1條571 bp條帶(圖1)。

圖1 ‘優(yōu)糖稻3號’及其雜交親本sbe3-rs基因型分子標(biāo)記檢測Fig.1 Genotype detection of sbe3-rs in‘Youtangdao 3’and its parents

2.2 選育過程

2011年冬季在海南,用高抗性淀粉水稻資源11JD64(‘降糖稻1號’)為母本、‘滬稻55’為父本雜交,2012年夏季種植F1代(田間編號為121238)。秋季混收后,在室內(nèi)加工成糙米,再根據(jù)高抗性淀粉籽粒外觀特點挑選堊白度高的籽粒(籽粒堊白面積50%以上),2012年冬在海南,種植F2代(田間編號為12冬凡152),挑選籽粒堊白率60%以上單株。2013年夏按株系種植F3代(田間編號為137330),挑選優(yōu)株并用分子標(biāo)記技術(shù)鑒定對應(yīng)高堊白率單株的抗性淀粉基因型。2013冬在海南,對抗性淀粉基因型純合F4單株加代,加速遺傳穩(wěn)定(田間編號為13冬凡156)。2014年夏在上海,種植綜合性狀好的優(yōu)良F5株系(田間編號為RS14-176),選擇優(yōu)良單株收獲。2014年冬在海南,將選擇的優(yōu)良單株F6加代,加速遺傳穩(wěn)定(田間編號為14冬凡148)。2015年夏在上海,從綜合農(nóng)藝性狀穩(wěn)定的優(yōu)良株系繼續(xù)選擇單株F7,并進(jìn)行抗性淀粉含量檢測。2015年冬在海南,繁種獲得足夠多的種子量(田間編號為15冬凡24)。2016年夏季參加上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院單晚粳品比試驗,每667 m2產(chǎn)量為464.1 kg,比對照‘降糖稻1號’增產(chǎn)57%(田間編號為DF29)。2016年冬在海南,繼續(xù)純化,擴(kuò)大繁殖(田間編號為DF29)。2017年上海參加品種生產(chǎn)試驗,并測定抗性淀粉含量,每667 m2產(chǎn)量為512.9 kg(田間編號為DF29)。在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站基地、光明長江農(nóng)場、金山、松江、奉賢等地展示示范,2018年平均每667 m2產(chǎn)量為495.3 kg(田間編號為滬稻RS3號),2019年平均每667 m2產(chǎn)量為503.5 kg。2020年6月通過上海市品種審定委員會審定,定品種名‘優(yōu)糖稻3號’(審定編號:滬審稻2020012)。

2.3 功能特性

‘優(yōu)糖稻3號’富含抗性淀粉,含量為13.2%,是普通大米的20倍以上?？剐缘矸凼且环N新型的膳食纖維,具有重要的生理功能:1)能減少胰島素反應(yīng),尤其對非胰島素依賴型病人,通過攝入高抗性淀粉含量的食物,能有效抑制餐后血糖升高,從而控制糖尿病病情;2)降低血清中膽固醇和甘油三酸酯;3)預(yù)防腸道疾病;4)抗性淀粉幾乎不含熱量,可有效控制體重;5)促進(jìn)維生素和礦物質(zhì)的吸收。

2.4 主要農(nóng)藝性狀及米質(zhì)表現(xiàn)

‘優(yōu)糖稻3號’株高101.9 cm,較‘優(yōu)糖稻2號’(株高88.5 cm)高,直鏈淀粉含量30.9%,堊白度67.5%,堊白粒率87%,糙米率79.7%,精米率67.8%。田間生長整齊,種性穩(wěn)定,全生育期160.0 d,較‘優(yōu)糖稻2號’(生育期147 d)長10 d左右,穗長17.5 cm,每穗實粒數(shù)159.0粒,分蘗力中等,成穗率高,結(jié)實率90%以上,熟期轉(zhuǎn)色好,在安徽、浙江、湖南等地進(jìn)行田間調(diào)查,稻瘟病抗性強(qiáng)。經(jīng)分子標(biāo)記輔助檢測,抗性淀粉基因型穩(wěn)定。

2.5 產(chǎn)量分析

2018年,功能水稻新品系‘優(yōu)糖稻3號’在上海(奉賢、金山、崇明、松江)多點試驗,每667 m2平均產(chǎn)量為495.3 kg,較對照‘秀水134’(每667 m2平均產(chǎn)量為572.3 kg)減產(chǎn)13.4%,產(chǎn)量比‘優(yōu)糖稻2號’(每667 m2平均產(chǎn)量為428.3 kg)增產(chǎn)15.6%。2019年,‘優(yōu)糖稻3號’在上海(奉賢、金山、崇明)繼續(xù)多點試驗,每667 m2平均產(chǎn)量為503.5 kg,較對照‘秀水134’(每667 m2平均產(chǎn)量為586.9 kg)減產(chǎn)16.6%,產(chǎn)量比‘優(yōu)糖稻2號’(每667 m2平均產(chǎn)量為448.5 kg)增產(chǎn)12.2%。

2.6 稻瘟病抗性分析

‘優(yōu)糖稻3號’稻瘟病抗性鑒定結(jié)果顯示,苗葉瘟2級,穗瘟3級,穗瘟損失率1級,綜合抗性指數(shù)1.75,綜合病級1級,抗性評價為抗稻瘟病。

2.7 栽培要點及適宜種植地區(qū)

2.7.1 栽培技術(shù)要點

1)適時、適量播種、培育壯苗。每667 m2大田用種量為4—5 kg,移栽稻可于5月中旬播種,秧齡25—30 d為宜,移栽種植密度控制在20 cm×13 cm,每穴3—5根苗;直播每667 m2用種量為5—6 kg,可于5月底至6月上旬播種。

2)合理施肥。每667 m2總純氮施用量控制在18 kg左右,注重肥料運籌、適當(dāng)增施磷鉀肥施用量,提高植株抗逆性,提高千粒重和籽粒結(jié)實率。掌握前重、中穩(wěn)、后補(bǔ)的原則,重施基、苗肥,穩(wěn)施當(dāng)家肥,后補(bǔ)孕穗肥和粒肥。適當(dāng)增加粒肥(氮素)比例,有利于提高抗性淀粉的含量。

3)做好病、蟲、草防治。要注意做好整個生長期間的蟲害控制,尤其是稻縱卷葉螟以及稻飛虱等遷飛性害蟲的適時防治。在稻瘟病重發(fā)年份,要注意在孕穗期和齊穗期對稻瘟病的適時防治。中前期主要防治紋枯病。

4)加強(qiáng)水漿管理、切忌斷水過早。幼苗期注意促進(jìn)根的生長,此時應(yīng)注意短期脫水處理;進(jìn)入分蘗期后,淺水勤灌,促進(jìn)分蘗,當(dāng)田間基數(shù)達(dá)到計劃基數(shù)80%時,進(jìn)行曬田控制晚生無效分蘗,同時壯根充氧;在灌漿中后期對水分要求較高,后期切忌斷水過早,應(yīng)做干濕交替管理至成熟,提高根系活力,以利養(yǎng)根保葉,防止早衰。

2.7.2 適宜種植地區(qū)

適宜在上海及其周邊地區(qū)種植。

3 結(jié)論與討論

本研究在前期工作的基礎(chǔ)上,培育獲得綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的‘優(yōu)糖稻3號’,該品種田間生長整齊,種性穩(wěn)定,成穗率高,結(jié)實率高,整齊度較好,熟期轉(zhuǎn)色好,田間病害發(fā)生輕,于2020年通過上海市農(nóng)作物品種審定。上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的高抗性淀粉水稻品種‘降糖稻1號’熟期晚、不抗病、易倒伏,出糙率和出米率低,667 m2產(chǎn)量為300 kg左右,嚴(yán)重限制了其推廣利用。研究團(tuán)隊以‘降糖稻1號’為研究對象,利用正向遺傳學(xué)手段,首次定位了控制抗性淀粉合成的基因sbe3-rs,獲得授權(quán)發(fā)明專利(專利號:ZL201210266 649.9),并開發(fā)了功能標(biāo)記,建立了分子標(biāo)記輔助選擇育種技術(shù)體系[7-8]。團(tuán)隊利用分子育種技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)育種技術(shù),培育獲得‘優(yōu)糖稻2號’‘優(yōu)糖稻3號’等一批高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新高抗性淀粉水稻新品種(系)?！畠?yōu)糖稻2號’2019年通過上海市品種審定,‘優(yōu)糖稻3號’產(chǎn)量比‘優(yōu)糖稻2號’增產(chǎn)10%以上,且綜合抗病性強(qiáng),目前優(yōu)糖稻已經(jīng)在上海浦東、松江、崇明等周邊地區(qū)推廣種植,累計種植總面積超過66.7 hm2,這將為大健康產(chǎn)業(yè)注入更多助力。