貴州地方糯稻資源稻米品質(zhì)特性及群體結(jié)構(gòu)分析

何學(xué)佳， 張建沖， 楊 翠， 余顯權(quán)， 宋 澤， 周麗潔(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025)

水稻(OryzasativaL.)是世界上最重要的糧食作物之一，為世界上1/2以上的人口提供食物和營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，也是我國(guó)60%以上人口的主食[1]。水稻根據(jù)其直鏈淀粉含量的多少可分為糯稻和非糯稻兩類。糯稻是栽培稻的粘性變種，糯米煮熟后具有軟、黏的特點(diǎn)，且具有極強(qiáng)的飽腹感，雖然它不宜用作日常主食，但卻是我國(guó)許多傳統(tǒng)食品和副食品不可或缺的原材料。除此之外，糯米還可用于釀造黃酒、稠酒、甜酒等。近年來(lái)隨著食品深加工行業(yè)逐漸成熟，由糯米而衍生的保健品、飲品、零食等也層出不窮[2]。如今糯米制品已成為我國(guó)飲食文化中不可或缺的一部分，因此加強(qiáng)保護(hù)與利用優(yōu)質(zhì)糯稻品種資源有著深遠(yuǎn)的意義與價(jià)值。

貴州作為全國(guó)唯一沒(méi)有平原支撐的省份，獨(dú)特的喀斯特地貌導(dǎo)致耕地呈現(xiàn)面積少、不集中且不易于大型機(jī)械耕作的態(tài)勢(shì)，但由于其獨(dú)特的黃金海拔氣候條件、山區(qū)無(wú)污染、生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，為發(fā)展高檔優(yōu)質(zhì)、原生態(tài)綠色、有機(jī)米提供了天然的條件[3]。貴州省還是全國(guó)糯稻資源最為豐富的省份之一，由于省內(nèi)喜食糯稻的少數(shù)民族數(shù)量多、分布廣，因此全省范圍均有糯稻種植。以貴州省黔東南地區(qū)的“香禾糯”為代表，其優(yōu)質(zhì)的口感深獲大眾喜愛(ài)，已成為當(dāng)?shù)孛缍蔽幕胁豢苫蛉钡囊徊糠諿4-5]。前人對(duì)貴州水稻品質(zhì)的研究多偏向于雜交稻或常規(guī)非糯稻[6-7]，對(duì)貴州地方糯稻品質(zhì)研究較少。本研究以173份貴州地方糯稻為材料，對(duì)供試材料進(jìn)行品質(zhì)特性分析和綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)，并分析群體遺傳結(jié)構(gòu)差異，旨在為貴州地方糯稻資源的開(kāi)發(fā)和利用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究供試的貴州地方糯稻品種共計(jì)173份(表1)，均由貴州省農(nóng)科院農(nóng)作物品種資源研究所提供。供試材料2017年種植于貴州省遵義市播州區(qū)，田間管理及施肥均按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培措施統(tǒng)一進(jìn)行，供試材料收獲后存放三個(gè)月進(jìn)行相關(guān)品質(zhì)測(cè)定。

表1 173份糯稻名稱及來(lái)源Table 1 173 glutinous rice names and origins

1.2 品質(zhì)測(cè)定

品質(zhì)測(cè)定包含12個(gè)品質(zhì)指標(biāo)，其中碾磨品質(zhì)包括糙米率、精米率、整精米率；外觀品質(zhì)包括粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比；理化性狀包括表觀直鏈淀粉含量、膠稠度、糊化溫度，其中糊化溫度采用堿消法，詳見(jiàn)表2；米飯?zhí)匦园ㄎ?、延伸性、膨脹性。碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、理化性狀測(cè)定均按照農(nóng)業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)NY 147-1988進(jìn)行[8]，米飯?zhí)匦詼y(cè)定參照Tian等[9]的方法。以上所有品質(zhì)性狀的測(cè)定均做3次重復(fù)，取其平均值進(jìn)行后續(xù)分析。

表2 糊化溫度分級(jí)Table 2 Grade of gelatinization temperature

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

品質(zhì)數(shù)據(jù)采用Excel軟件進(jìn)行初步整理，DPS 9.01軟件進(jìn)行各品質(zhì)性狀的變異性分析。并利用SPSS 26軟件進(jìn)行主成分分析和群體間品質(zhì)差異性分析。

群體結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)基于本課題組SSR分子標(biāo)記結(jié)果[10]，采用貝葉斯模型的Structure 2.3.4軟件設(shè)置參數(shù)[10-11]，設(shè)置類群數(shù)1～10，6次重復(fù)。將MCMC開(kāi)始時(shí)的不作數(shù)迭代設(shè)為10 000次，將不作數(shù)迭代后的MCMC迭代設(shè)為100 000次。對(duì)供試地方糯稻資源的群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并估計(jì)最佳組群數(shù)K值。Structure計(jì)算結(jié)果用Structure Harvester 網(wǎng)頁(yè)工具分析，根據(jù)Ln P(D)或ΔK的值確定最可能的K值。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州地方糯稻品質(zhì)的變異分析

通過(guò)變異性分析結(jié)果獲取貴州地方糯稻資源品質(zhì)概況，結(jié)果(表3)表明，173份供試材料在碾磨品質(zhì)方面糙米率、精米率的變異系數(shù)較小，分別為2.96%、4.84%。整精米率變異系數(shù)相對(duì)較大，為17.94%。糙米率平均值為78.65%，變化范圍為72.37%～88.52%。精米率平均值為68.10%，變化范圍為57.85%～72.49%。整精米率平均值為55.40%，變化范圍為20.33%～69.30%。糙米率、精米率、整精米率最高的品種分別為黃香糯、雞血糯、青稈糯。糙米率及精米率最低的品種分別為黃殼折糯、核桃糯，整精米率最低的品種為小紅糯，僅為20.33%。

表3 貴州地方糯稻品質(zhì)概況Table 3 General situation of glutinous rice quality in Guizhou

外觀品質(zhì)方面，粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比的變異系數(shù)均較小，分別為8.90%、5.10%、11.95%。粒長(zhǎng)平均值為4.83 mm，變化范圍為3.94～6.43 mm。粒寬平均值為2.88 mm，變化范圍為2.22～3.14 mm。長(zhǎng)寬比平均值為1.68，變化范圍為1.35～2.73。其中長(zhǎng)寬比最高的品種為三顆寸，最低的品種為雞蛋糯。

稻米理化性狀方面，表觀直鏈淀粉含量變異系數(shù)較大，達(dá)25.78%，其平均值為3.12%，變化范圍為0.14%～4.74%。膠稠度與堿消值變異系數(shù)較小，分別為6.18%、7.65%。其中膠稠度平均值為120.52 mm，變化范圍為96.50～136.00 mm。堿消值級(jí)別平均為5.5級(jí)，變化范圍為4.2～6.4級(jí)。173份供試材料直鏈淀粉含量整體較高，其中表觀直鏈淀粉含量最低的品種為冷水糯，僅為0.14%，含量最高品種為胭脂糯，高達(dá)4.74%。糊化溫度方面通過(guò)堿消值等級(jí)評(píng)價(jià)，絕大部分供試材料屬于中糊化溫度，少部分屬于低糊化溫度。

米飯?zhí)匦苑矫妫?、延伸性和膨脹性變異系?shù)均較大。分別為51.52%、24.47%和32.84%，平均值分別為68.47%、64.31%和116.10%，變化范圍分別為21.50%～180.44%、38.01%～163.51%和56.64%～231.37%。173份供試材料在米飯?zhí)匦苑矫?個(gè)指標(biāo)在不同地區(qū)之間及同一地區(qū)不同品種間差異均較大。

2.2 貴州地方糯稻品質(zhì)的主成分分析

特征向量是主成分與變量的相關(guān)系數(shù)，其數(shù)值表示各品質(zhì)性狀在變量中的貢獻(xiàn)率高低，本研究主成分分析結(jié)果表明，12個(gè)特征值中有5個(gè)特征值大于1，故分為5個(gè)主要影響品質(zhì)的主成分(表4)。第Ⅰ主成分的特征值為2.657，貢獻(xiàn)率為22.14%，對(duì)應(yīng)特征向量值中較大值為精米率(0.846)、糙米率(0.764)、整精米率(0.718)，這一成分的向量值以稻米碾磨品質(zhì)因子為主。第Ⅱ主成分的特征值為2.534，貢獻(xiàn)率為21.12%，對(duì)應(yīng)特征向量值中較大的為延伸性(0.782)、膨脹性(0.759)、吸水性(0.609)，成分的向量值以米飯?zhí)匦砸蜃訛橹鳌５冖笾鞒煞值奶卣髦禐?.479，貢獻(xiàn)率為12.32%，對(duì)應(yīng)特征向量值中最大值為堿消值(0.689)，其中長(zhǎng)寬比(0.480)也達(dá)較高水平，成分的向量值以堿消值因子為主。第Ⅳ主成分的特征值為1.326，貢獻(xiàn)率為11.05%，對(duì)應(yīng)特征向量值中較大的為粒寬(0.466)、粒長(zhǎng)(0.401)，成分的向量值以稻米粒形因子為主。第Ⅴ主成分的特征值為1.086，貢獻(xiàn)率為9.05%，對(duì)應(yīng)特征向量值中最大的為膠稠度(0.630)，成分的向量值以膠稠度因子為主。由于5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)75.68%，所以所選主成分基本能反映貴州地方糯稻品質(zhì)性狀的全部信息。

表4 入選的特征值及特征向量Table 4 Selected characteristic values and eigenvectors

2.3 貴州地方糯稻品種資源群體結(jié)構(gòu)分析

群體結(jié)構(gòu)通過(guò)Structure 2.3.4軟件分析，結(jié)果采用Structure Harvester 網(wǎng)頁(yè)工具分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)K=4時(shí)，等位變異頻率特征數(shù)出現(xiàn)明顯峰值，由此得出供試糯稻資源可劃分為4個(gè)群體(P 1、P 2、P 3和P 4)(圖1)。根據(jù)相似性最大的運(yùn)行結(jié)果劃分組，Q值≥0.6的種質(zhì)被劃分到相應(yīng)的組中，Q值<0.6的種質(zhì)被劃分到混合組中，得出地方糯米材料的4個(gè)群體分別包含78份、28份、43份和11份材料，分別占供試材料總數(shù)的45.09%、16.18%、24.85%、6.36%。供試地方糯稻品種中有13份Q值<0.6，被劃分到混合組，占供試材料的7.51%(圖2)。群體結(jié)構(gòu)所劃分4個(gè)群體中，P 1、P 2、P 3群體中各材料表現(xiàn)出地域性差異，P 1群體材料主要分布于黔西南、遵義地區(qū)，P 2群體材料主要分布于黔南地區(qū)，P 3群體材料主要分布于貴陽(yáng)、安順、畢節(jié)地區(qū)，P 4群體材料地域性差異較大(圖3)，但秈糯材料全部包括其中。

圖1 K值曲線Fig.1 Curve of K value

圖2 供試地方糯稻資源群體遺傳結(jié)構(gòu)Fig.2 Genetic structure of waxy rice resource population in tested areas

圖3 各群體品種地區(qū)分布Fig.3 Regional distribution map of each population variety

基于群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行群體間品質(zhì)性狀的差異分析可以看出(表5)。在理化性狀的直鏈淀粉含量、膠稠度及堿消值方面各群體間存在顯著差異，在堿消值和膠稠度方面，均以P 1群體最高，其次分別為P 4和P 2群體，最低為P 3群體。在直鏈淀粉含量方面，表現(xiàn)為P 3>P 4>P 1>P 2，其中P 2群體與P 3、P 4群體存在顯著差異。雖然4個(gè)亞群在糙米率、精米率、整精米率、粒長(zhǎng)、粒寬、長(zhǎng)寬比、吸水性、延伸性及膨脹性方面無(wú)顯著差異，但P 2在糙米率、精米率、整精米率、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比及吸水性方面均為4個(gè)亞群中最高值，在粒寬方面為最低值。P 3在糙米率、精米率、整精米率及吸水性方面均為4個(gè)群體最低值。由此可見(jiàn)，與其他3個(gè)亞群比較，P 2具有較高碾磨品質(zhì)、P 3的碾磨品質(zhì)最低。P 1具有較高的堿消值與膠稠度，P 3在堿消值與膠稠度方面最低。表觀直鏈淀粉含量P 3最高，P 2最低。

表5 4個(gè)類群品質(zhì)性狀的平均表現(xiàn)Table 5 Average performance of quality traits in four groups

3 結(jié)論與討論

前人對(duì)稻米品質(zhì)特性已有較多研究，但關(guān)于貴州地方糯稻品質(zhì)特性方面相對(duì)較少。本研究表明，貴州地方糯稻各品質(zhì)指標(biāo)變異系數(shù)范圍為2.96%～51.52%。碾磨品質(zhì)中糙米率與精米率變異系數(shù)較小，且均值較高，但由于部分品種易出現(xiàn)斷米、黃粒及雜粒，從而導(dǎo)致整精米率相對(duì)較低，變異系數(shù)較大。理化特性方面，表觀直鏈淀粉含量變異系數(shù)較大，且均值較高，為3.12%，最高可達(dá)4.74%。楊博文等[13]對(duì)11個(gè)糯稻品種直鏈淀粉含量進(jìn)行測(cè)定，其變化范圍為0.55%～3.12%，均值為1.68%，朱正斌等[14]對(duì)太湖地區(qū)特色糯稻直鏈淀粉含量進(jìn)行測(cè)定，其變化范圍為1.7%～3.1%，均值為2.35%。本研究中供試貴州地方糯稻品種在直鏈淀粉含量方面相較其他地區(qū)糯稻含量略高，這種現(xiàn)象是由于本研究采用碘比色法測(cè)定直鏈淀粉含量，實(shí)質(zhì)為表觀直鏈淀粉含量，除本身直鏈淀粉含量以外還與支鏈淀粉中超長(zhǎng)鏈(Extra-long chains，ELCs)和碘分子結(jié)合相關(guān)，所以貴州地方糯稻資源直鏈淀粉含量較高可能是由于各供試材料支鏈淀粉的超長(zhǎng)鏈含量較高所致[14-16]。膠稠度與糊化溫度變異系數(shù)較小，且膠稠度均值達(dá)120.52 mm，以國(guó)標(biāo)(優(yōu)質(zhì)稻谷GB/T 17891-1999)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中膠稠度達(dá)到優(yōu)質(zhì)糯稻標(biāo)準(zhǔn)(≥100 mm)的品種占總材料的98.84%。除部分材料屬低糊化溫度外，其余均屬中糊化溫度。主成分分析結(jié)果顯示，入選5個(gè)主成分分別為碾磨因子、米飯?zhí)匦砸蜃?、堿消值因子、粒形因子及膠稠度因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)75.68%，這與徐正進(jìn)等[17]研究所得出的結(jié)論相似。

群體結(jié)構(gòu)分析已廣泛應(yīng)用于水稻研究中，唐如玉等[18]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)81份優(yōu)異稻種資源進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，將81份供試材料分為2個(gè)類群，P 1類群表現(xiàn)出一定的地域性，P 2類群地域差異較大。Roy等[19]對(duì)印度東北部的107份優(yōu)質(zhì)稻進(jìn)行分析，將107份供試材料分成了3個(gè)類群，各類群間表現(xiàn)出地域性差異。劉承晨等[20]對(duì)云南地區(qū)47份水稻材料進(jìn)行分析，將47份供試材料分成了秈稻與粳稻兩個(gè)類群。本研究對(duì)173份貴州地方糯稻資源進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示，供試材料可分為4個(gè)類群，與本課題組之前所做UPGMA聚類分析[10]所分秈糯、粳糯兩個(gè)類群不同，但秈糯類群的品種全部劃分到P 4。群體遺傳結(jié)構(gòu)分析以類群是否達(dá)到Hardy-Weinberg平衡建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算材料相應(yīng)的Q值分析其組成成分來(lái)進(jìn)行聚類[10-11]，聚類更為精細(xì)。其中P 1、P 2、P 3類群中各材料表現(xiàn)出地域性差異，P 4類群材料地域性差異較大。對(duì)群體結(jié)構(gòu)分析所分4個(gè)類群品質(zhì)性狀間進(jìn)行差異性分析，結(jié)果顯示，各群體間在碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)及米飯?zhí)匦苑矫鏇](méi)有明顯差異，但在理化特性方面存在明顯差異，可為各種糯米衍生產(chǎn)品提供不同理化特性需求的資源材料。