基于三維空間下水稻粒形分類的探討

張元虎, 張曉芳, 歐 江, 楊立來, 任廷渝, 謝海呈, 徐海峰

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學院水稻研究所, 貴陽 550006; 2.貴州開陽華楠馨農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司, 貴陽 550307;3.湄潭縣宮廷香米業(yè)有限責任公司, 貴州 遵義 564101)

水稻是我國的主要糧食作物之一。貴州高原氣候溫涼,生態(tài)條件良好,水稻生育期特別是灌漿期比較長,因此非常適合優(yōu)質(zhì)稻米的生產(chǎn)。貴州水稻種植歷史悠久,多個地區(qū)獲得“貢米之鄉(xiāng)”的美譽,有20多個縣產(chǎn)過貢米,如遵義海龍貢米、湄潭茅貢米等[1]。目前貴州境內(nèi)種植的優(yōu)質(zhì)水稻品種,以貴州省選育的大粒香、湖南省選育的玉針香為主,本土特色品種比較缺乏。

近年來,本課題組在特大粒水稻種質(zhì)資源創(chuàng)新研究方面獲得較大進展,利用湖南大粒王、大粒香、玉針香、金麻香粘、楠馨香米、坨坨糯、惠水黑糯米等稻種資源,用雜交育種的方式,創(chuàng)制了一批千粒重為38～65 g不同粒形的特大粒水稻材料,有的已在生產(chǎn)上應用,如稻谷粒長15.0 mm左右的超長粒香稻超長香1號,莽稻18號等新品系,具有貴州高原生態(tài)優(yōu)質(zhì)米玻璃質(zhì)、晶瑩剔透、羊脂白外觀,米飯“軟、糯、香、甜、彈”,油潤爽口。2022年在湄潭縣種植110畝(7.3 hm2),因此具有較好的經(jīng)濟效益。

水稻稻谷粒形不僅影響其千粒重,而且與稻米外觀和品質(zhì)密切相關(guān)[2]。千粒重由稻谷的粒長、粒寬、粒厚共同決定[3-4]。在育種實踐中發(fā)現(xiàn),稻谷粒厚影響很大,但在粒形分類上,并未將粒厚納入分類指標[5]。為更直觀表現(xiàn)出稻谷的粒形,明確提出粒形選種目標,指導育種工作,本課題組以近年來的選育材料為研究對象,結(jié)合原有長、寬、長寬比的指標,同時增加稻谷寬厚比及粒厚,提出在三維空間下的粒形進行分類。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為生產(chǎn)上應用的優(yōu)質(zhì)稻品種及選種材料,共計85份,詳見表1。

表1 各品種(材料)千粒重、粒長、粒寬、粒厚及長寬比、寬厚比Table 1 The thousand-grain weight,grain length,grain width,grain thickness,grain length to width ratio and width to thickness ratio of the rice varieties (materials)

1.2 方 法

1.2.1谷粒千粒重測定

測量儀器:電子天平,型號為BY101,上海百鷹衡器有限公司生產(chǎn)。

每份材料選取200粒飽滿種子,用電子天平稱重,換算成谷粒千粒重,精確至0.1 g。

1.2.2谷粒粒長、粒寬、粒厚的測定

測量儀器:游標卡尺,型號為MNT-300,上海美耐特實業(yè)有限公司生產(chǎn)。

谷粒粒長測定:隨機選取20粒飽滿谷粒,每次隨機選取其中10粒谷粒,將其豎排成直線,用游標卡尺測量從第1粒谷粒的護穎基部到第10粒谷粒的最長穎(外穎或內(nèi)穎)頂端的總長度(不包括芒),然后換算成單粒長度,重復2次,計算平均值,精確至0.01 mm。

谷粒寬度測定:隨機選取20粒飽滿谷粒,每次隨機選取其中10粒谷粒,按內(nèi)穎左側(cè)、外穎右側(cè)相連橫排,用游標卡尺測量第1粒谷粒內(nèi)穎到第10粒谷粒外穎最寬部的總寬度,然后換算成單粒寬度,重復2次,計算平均值,精確至0.01 mm。

谷粒厚度測定:隨機選取20粒飽滿谷粒,每次隨機選取其中5粒谷粒,按內(nèi)外穎中間最后部分相連橫排,用游標卡尺測量第1粒谷粒到第5粒谷粒的內(nèi)外穎中間最厚的總厚度,然后換算成單粒厚度,重復4次,計算平均值,精確至0.01 mm。

1.2.3粒形分類方法

傳統(tǒng)的粒形分類方法有兩種[6],即按照谷粒長度以及谷粒長寬比進行分類。按照谷粒長度分類:短(粒長<7 mm)、中(粒長7.1～8.0 mm)、長(粒長8.1～9.0 mm)、特長(粒長9.1 mm以上)等類型。按照谷粒長寬比分類:長寬比在1.8倍以下為短圓;1.81～2.2倍為闊卵;2.21～3.0倍為橢圓;3.1倍以上為細長。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS2.0 軟件進行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各品種(材料)千粒重、粒長、粒寬、粒厚情況

各品種(材料)千粒重、粒長、粒寬、粒厚及長寬比、寬厚比詳見表1。85份材料中,千粒重范圍為19～65.2 g,其中40 g以上的材料有49份,超過50 g的有26份,占總數(shù)量的30.6%,均為本課題組近年來育成的新品系及選種材料,最重的為562-9(65.2 g)。

所有材料谷粒粒長在6.61～17.11 mm之間,除農(nóng)虎禾、坨坨糯2份材料外,其余材料谷粒粒長均大于9.1 mm。一般稻谷粒長變異范圍為6～15 mm[7],該批材料中粒長超過15 mm的有17份,最長的為386-2(17.11 mm),表明該批選育材料整體粒形特長。

谷粒粒寬在2.28～4.34 mm之間,一般稻谷粒寬變異范圍為1.9～3.7 mm[3],該批材料中粒寬超過3.8 mm的有5份,最寬的為138-2(4.34 mm)。

粒厚在1.79～2.74 mm之間,有76份材料谷粒粒厚均大于2.2 mm。一般稻谷粒厚變異范圍為1.5～2.2 mm[3],該批材料中粒厚超過2.4 mm的有39份,占總數(shù)量的45.9%,最厚的為235-1(2.74 mm),表明該批粒厚材料較多。

2.2 谷粒千粒重與粒長、粒寬、粒厚的相關(guān)性分析

從表2可知,谷粒千粒重與粒長、粒厚呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.654,0.631,與粒重呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.258。

表2 千粒重與粒長、粒寬、粒厚等相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of thousand-grain weight with grain length,grain width and grain thickness

2.3 谷粒長度與粒寬、粒厚之間的相關(guān)性分析

粒長與粒寬呈極顯著負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.414。粒長與粒厚呈正相關(guān),但不顯著,相關(guān)系數(shù)為0.23。粒寬與粒厚呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.726。

2.4 千粒重與長寬比、寬厚比的相關(guān)性分析

千粒重與長寬比呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.261。千粒重與寬厚比呈負相關(guān),不顯著,相關(guān)系數(shù)為-0.17。

2.5 各品種(材料)粒形分類情況

85份材料各品種粒形分布情況如表3所示。

表3 各品種(材料)粒形分布情況Table 3 Grain shape distribution of the rice varieties (materials)

2.5.1按谷粒長度分類

除坨坨糯谷粒長度為6.61 mm,粒形為短形;農(nóng)虎禾谷粒長度為7.98 mm,粒形為中長形外;其余均在9.1 mm以上,屬于特長粒形,占比達97.65%。

2.5.2按谷粒長寬比分類

粒形為橢圓的品種占比為11.77%,谷粒長寬比在2.21～3.0倍之間,如大粒香、莽稻1號、14F1、133F1、138-1、152-1、572-1、572-4、138-2等;粒形為細長,谷粒長寬比均在3.1倍以上,占比達85.88%;另有坨坨糯谷粒長寬比為1.76倍,粒形為短圓;農(nóng)虎禾谷粒長寬比為2.12倍,粒形為闊卵。

3 討 論

3.1 基于三維空間下的粒形分類

水稻粒形分類目前按照谷粒長度,即“一維空間”。按照谷粒長寬比,即長度、寬度形成的平面模式,即“二維空間”兩種分類方法。

在育種實踐過程中發(fā)現(xiàn),粒厚對千粒重的影響很大,在該批材料中也呈極顯著正相關(guān),而在粒形分類上都忽略了這一重要指標,所以本研究根據(jù)谷粒長、寬、厚所形成的“三維空間”提出了一種新的水稻粒形分類方法。

參照谷粒長寬比,根據(jù)谷粒的寬厚比(即谷粒寬度與厚度的比例)及粒厚分為四種粒形,在該批材料中分布情況詳見表3。

第一種細圓柱形(圖1),谷粒長寬比≥3.0,寬厚比≤1.2,粒厚<2.4 mm的粒形,如玉針香、象牙香占、超長香1號等,在該批材料中占比為8.24%。

圖1 細圓柱形(玉針香)粒形Fig.1 Schematic diagram of thin cylinder(Yuzhenxiang) grain shape

第二種粗圓柱形(圖2),谷粒長寬比≥3.0,寬厚比≤1.2,粒厚≥2.4 mm的粒形,如莽稻18號、571-1、386-2等,在該批材料中占比為7.06%。

圖2 粗圓柱形(562-13)粒形Fig.2 Schematic diagram of thick cylinder(562-13) grain shape

第三種橢圓柱形(圖3),谷粒長寬比≥3.0、寬厚比>1.2的粒形,如金麻粘、莽糯2號等,在該批材料中占比最多,為70.59%。

圖3 橢圓柱形(562-9)粒形Fig.3 Schematic diagram of elliptical cylindrical(562-9) grain shape

第四種鵝卵石形(圖4),谷粒長寬比<3.0的粒形,如大粒香、農(nóng)虎禾、莽糯1號、572-4等,該批材料中占比為14.12%。

圖4 鵝卵石形(坨坨糯)粒形Fig.4 Schematic diagram of pebble-shaped (Tuotuo nuo) grain shape

3.2 三維空間下水稻粒形分類意義

本課題組在特大粒水稻種質(zhì)資源創(chuàng)新過程中,千粒重、粒長、粒寬、粒厚均不斷增加。育種實踐表明,通過三維空間下粒形分類,確立以增加粒寬、粒厚的粗圓柱形材料為粒形育種方向。

3.2.1更直觀地表現(xiàn)稻谷粒重,提高選種效率

稻谷長粒,千粒重不一定大;選擇粒寬、粒厚的材料更容易增加千粒重,而粒寬材料堊白較大,影響外觀米質(zhì),選擇粒較厚,兼顧粒長,粒寬,即粒形為粗圓柱形材料,可加快優(yōu)質(zhì)特大粒水稻種質(zhì)創(chuàng)制。

3.2.2粒形育種方向為選擇粗圓柱形材料

1) 粗圓柱形材料能夠增加千粒重,提高產(chǎn)量。粗圓柱粒形材料谷粒長寬比≥3.0,寬厚比≤1.2,粒厚≥2.4 mm,千粒重一般在40 g以上,如莽稻18號為40.5 g、571-1為50.7 g、386-2為50 g等。

2022年在湄潭縣永興鎮(zhèn)湄潭縣宮廷香米業(yè)有限責任公司水稻試驗基地進行5個品種3次重復的品種比較試驗,莽稻18號產(chǎn)量為545 kg/667 m2,對照玉針香產(chǎn)量為495 kg/667 m2,莽稻18號增產(chǎn)50 kg/667 m2,增產(chǎn)率10.1%,達顯著水平;超長香1號產(chǎn)量為520 kg/667 m2,比對照玉針香增產(chǎn)25 kg/667 m2,增產(chǎn)率5.1%。

2) 粗圓柱形材料能夠增加稻谷在碾磨過程中的抗壓力,提高剛度。根據(jù)抗壓強度р=P/A,р為抗壓強度(單位:kg/cm2),P為壓力(單位:kg),A為剖面面積(單位:cm2),增加稻谷的粒寬、粒厚,實際上就是增加稻谷的剖面面積,從而增加稻谷的抗壓力。剛度是物體產(chǎn)生單位變形所需的外力值,與物體的材料性質(zhì)、幾何形狀、邊界支持情況以及外力作用形式有關(guān)。在稻谷加工過程中一方面要選擇淀粉積累縝密,無或堊白極少,具有玻璃質(zhì)的材料,另外粗圓柱粒形更具備抵抗摩擦滾動等變形的能力,提高整精米率,與徐正進等[8]的研究結(jié)論一致。如何提高稻米的整精米率,從而提高碾磨品質(zhì),需要進一步研究。

3) 粗圓柱形材料稻米、米飯外形更美觀。秈稻食味與粒長、長寬比均達極顯著正相關(guān)[9],粗圓柱形稻谷所生產(chǎn)的稻米吸水均勻,有利于蒸煮,稻米、米飯外形更漂亮,口感更好。如何提高稻米蒸煮品質(zhì)、食味品質(zhì)需要進一步研究。

3.3 粒形育種目標探討

本課題組利用特長粒稻種資源湖南大粒王、大粒香、玉針香、金麻香粘、楠馨香米等,用雜交育種的方式,通過特長?；蚶鄯e,已育成粒長15.1 mm,粒寬2.6 mm、粒厚2.2 mm,長寬比5.8,寬厚比1.2,千粒重43 g,細圓柱形的新品系超長香1號。

要選育粒重型品種[10],稻谷千粒重增加至50 g左右,粒形育種目標設(shè)計以增加粒寬、粒厚為方向,粒形為粗圓柱形。

本研究基于三維空間對本課題近年來所選育材料的粒形進行分類,今后開展選育工作時,將以谷粒千粒重50 g左右,粒長14.0 mm左右,粒寬3.0 mm左右、粒厚2.5 mm左右,長寬比4.5左右,寬厚比1.2左右,粒形為粗圓柱形的品種作為育種目標。