秈稻背景下導入Wxin等位基因改良稻米食味和理化品質

楊 勇 陸 彥,2 郭淑青 石仲慧 趙 杰 范曉磊 李錢峰 劉巧泉,* 張昌泉,*

秈稻背景下導入Wx等位基因改良稻米食味和理化品質

楊 勇1陸 彥1,2郭淑青1石仲慧1趙 杰1范曉磊1李錢峰1劉巧泉1,*張昌泉1,*

1揚州大學農學院/ 植物功能基因組學教育部重點實驗室/ 江蘇省作物基因組學和分子育種重點實驗室/ 糧食作物現代產業技術協同創新中心, 江蘇揚州 225009;2揚州大學測試中心, 江蘇揚州 225009

水稻Wx等位基因已廣泛用于秈稻的品質改良, 但攜帶該等位基因的一些秈稻米飯往往偏軟, 仍需進一步改良。為明確秈稻背景下導入Wx等位基因對稻米食味品質和理化品質的效應, 分別以攜帶Wx的IR64和攜帶Wx的9311為供體, 以攜帶Wx的秈稻SIR3611 (3611)為受體, 基于分子標記輔助選擇, 通過雜交和連續回交的方式構建了3611背景下攜帶Wx和Wx的近等基因系。系統比較了不同近等基因系間的農藝性狀以及稻米的食味和理化品質。結果表明, 近等基因系與受體親本3611的主要農藝性狀基本接近, 無顯著差異。NIL(Wx)稻米的表觀直鏈淀粉含量較親本3611極顯著下降而膠稠度極顯著增加。NIL(Wx)稻米表觀直鏈淀粉含量最低且與之對應的膠稠度最高。近等基因系NIL(Wx)和NIL(Wx)稻米的食味值較親本極顯著提高。NIL(Wx)和NIL(Wx)稻米的GBSSI豐度與對應的表觀直鏈淀粉含量具有明顯的正相關。稻米粉的黏滯性譜、熱糊化特性和晶體結構與直鏈淀粉含量顯著相關性。本研究為在我國秈稻品種品質改良中有效利用Wx等位基因提供了重要依據。

水稻; 食味品質;等位基因; 表觀直鏈淀粉含量; 分子標記輔助選擇

水稻(L.)是世界上食用人口最多、種植范圍最廣的農作物, 也是我國的主要糧食作物之一。目前我國水稻高產育種已經走在了世界前列, 但是稻米品質普遍不高, 尤其是很多秈稻品種的稻米品質還無法達到優質米標準[1-2]。因此, 稻米品質性狀的遺傳改良是當前水稻育種研究的一個重要方向[3]。稻米的食用部分為胚乳, 其主要成分為淀粉, 包括直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類。一般認為, 兩類淀粉形成了淀粉的半晶體結構, 并且不同類型的比例和結構對稻米品質的優劣起著重要作用[4]。其中直鏈淀粉含量是影響稻米品質尤其是食味品質的最主要因素, 一直被作為衡量稻米食味品質的一個最重要指標。通常高直鏈淀粉含量的米飯質地較硬而低直鏈淀粉含量的米飯軟而有彈性[5-6]。由于直鏈淀粉含量難以準確測定, 一般用表觀直鏈淀粉含量(apparent amylose content, AAC)來表示。盡管一些研究發現AAC相似的水稻品種間也存在顯著的食味品質差異, 并且認為這種差異主要是由支鏈淀粉的精細結構差異造成的[7-8], 但是, 最近的一些研究表明直鏈淀粉的精細結構對米飯的適口性影響也非常大[9]。

水稻蠟質基因(,)是控制稻米直鏈淀粉含量的主效基因, 其編碼的顆粒結合淀粉合酶(Granule-Bound Starch Synthase I, GBSSI)直接控制直鏈淀粉的合成。研究發現基因的不同等位變異是稻米AAC廣泛分布的重要原因[10]。在我國非糯水稻品種中,基因主要分化為Wx和Wx兩種等位類型。其中,Wx主要分布在秈稻中, 攜帶該等位基因的稻米AAC較高, 一般在25%以上[11]。與Wx相比,Wx等位基因在第1內含子剪接位點處發生了從G到T的突變, 該突變影響了前體mRNA的剪接效率, 從而降低了其編碼蛋白GBSSI的量[12]。Wx主要分布在粳稻品種中, 攜帶該等位基因的稻米AAC一般在15%~18%之間, 屬于中等或偏低水平。隨著水稻品質性狀遺傳改良的進步, 近些年來我國選育的一些秈稻品種(親本)如揚稻6號(9311)、黃華占、明恢63和Y58S等都已攜有Wx等位基因, 這些秈稻品種已經在稻米食味品質上有了很大的提升[3], 但是對于南方地區尤其是以雜交稻米為消費主體的省份, 由于水稻生長季節的高溫等環境因素的影響, 一些以攜帶Wx等位基因為雙親配出的雜交組合, 其稻米AAC含量偏低, 米飯偏軟, 尚需要進一步改良以滿足消費者的多樣化需求[13]。此外, 在秈稻中還存在一個控制中等直鏈淀粉含量的Wx等位基因, 與Wx相比, 該等位基因在第6外顯子62堿基處發生了A到C的突變, 引起了酪氨酸到絲氨酸的替換[14]。攜帶該等位基因的稻米AAC一般在18%~20%之間, 米飯軟硬適中, 食味較好, 一些優質秈稻如Basmati類和泰國香米等都攜帶該等位基因。但是Wx等位基因至今未在我國水稻品種選育中獲得大范圍應用。

有關等位變異對稻米品質的效應研究已有很多報道[14-18], 但這些研究多采用一些品種或者染色體片段代換系, 可能會存在其他基因的干擾, 而近等基因系是研究基因等位變異效應的理想材料。本研究以攜帶Wx等位基因的秈型雜交稻恢復系親本SIR3611 (簡稱為3611)為受體親本, 以攜帶Wx和Wx等位基因的秈稻品種IR64和9311為供體, 通過雜交和連續回交, 并結合分子標記輔助選擇構建了3611背景下Wx、Wx和Wx的近等基因系。系統分析了不同近等基因系間的農藝性狀和稻米理化品質等指標, 來重點評價Wx等位基因在秈稻背景下對稻米品質的改良效應及其育種應用潛力。

1 材料與方法

1.1 供試品種與試驗條件

用于研究的水稻材料包括秈型恢復系3611 (攜帶Wx等位基因)、秈型品種IR64 (攜帶Wx等位基因)和9311 (又名揚稻6號, 攜帶Wx等位基因)。以上材料及其來源的近等基因系正季均種植于揚州大學文匯路校區試驗農場, 春季種植于海南省陵水縣試驗基地。每個材料種植2行, 每行10株, 株行距分別為14 cm和18 cm。土壤肥力中等, 采用一般田間栽培管理技術。

1.2 近等基因系構建

分別以9311和IR64作為供體親本(父本)與受體親本3611雜交, 雜交種F1再與3611進行多次回交(圖1-A), 從回交BC1F1代開始, 利用分子標記Wxin1、Wxin2和QRM190分別對Wx和Wx近等基因系進行分子標記輔助選擇(MAS)。在回交7代后再進行自交3代。為排除遺傳背景的干擾, 利用實驗室已有的18個淀粉合成酶基因的51個分子標記進行背景篩選, 參照田志喜等[19]的相關分子標記信息。通過篩選, 獲得了Wx和Wx純合且主要淀粉合成酶基因一致的近等基因系NIL(Wxn)和NIL(Wx)。

1.3 水稻植株DNA提取和PCR分析

在水稻分蘗期, 按照單株取葉片并編號, 用液氮速凍并研磨后, 采用CTAB法[20]提取總DNA用于PCR分析。在20 μL反應液中混合1 μL總DNA (50~100 ng)、1×反應緩沖液(含鎂離子和dNTPs)、1 μmol L–1引物和1 UDNA聚合酶(諾唯贊)及適量水, 進行PCR擴增。PCR引物由蘇州金唯智生物科技有限公司合成。根據Wx和Wx等位基因第1外顯子區CT重復序列, 設計能夠區分Wx和Wx的特異性引物QRM190-F (5′-ATTCCTTCAGTTCTTTGT CTATCTC-3′)與QRM190-R (5′-TCCTGATGAACAA CAGAACAACAC-3′)。根據Wx和Wx在第6外顯子A/C的變異, 設計四引物擴增受阻突變(tetra- primer ARMS-PCR)引物對Wxin1-F (5′-AACAACC CATACTTCAAAGGAACATC-3′)和Wxin1-R (5′-GT AGATGCCATTGGGCTGGTAGT-3′)、以及引物對Wxin2-F (5′-GCTTAGCTTCCACTGGTGATTTCA-3′)和Wxin2-R (5′-TCTTGAGATCAATTGTAACTCCC CAT-3′)。QRM190分子標記的PCR條件為95℃, 5 min, 95℃, 50 s, 53℃, 30 s, 72℃, 20 s, 35個循環; 72℃, 10 min。Wxin分子標記的PCR反應條件為95℃, 5 min, 95℃, 50 s, 53℃, 30 s, 72℃, 35 s, 35個循環; 72℃, 10 min。PCR產物在3.0%的瓊脂糖凝膠電泳上分離, 然后在Bio-RAD UV 1000核酸成像儀上觀察。

1.4 田間農藝性狀測定

水稻成熟時, 選取每個系中間10個單株, 測量株高和有效穗數。隨后, 選取每株一個主穗, 統計穗長、結實率和千粒重。

圖1 近等基因系構建過程(A)與近等基因系糙米表型(B)

MAS: 分子標記輔助選擇; NIL: 近等基因系。

MAS: molecular marker-assisted selection; NIL: near-isogenic line.

1.5 稻米樣品前處理

收獲的成熟稻谷經40℃烘干后用礱谷機出糙獲得糙米, 去除發霉變質及未成熟米粒后用精米機(日本Kett公司)處理得精米。利用旋風式磨粉機(丹麥FOSS公司)將精米磨成粉, 并過100目篩, 放入40℃烘箱中烘2 d, 在室溫下平衡2 d后裝于自封袋密封, 于4℃存放備用。

1.6 蛋白SDS-PAGE分析

準確稱取100 mg米粉, 加入1.5 mL抽提緩沖液[Tris-HCl (pH 6.8) 0.05 mol L–1, SDS 2.8%, 甘油10%, 2-ME 5%], 放于搖床上, 37℃抽提30 min, 10,000×離心, 吸取上清液, 獲得總蛋白抽提物(含有游離態GBSSI), 放于4℃備用。剩余沉淀, 用相同抽提液抽提3次, 每次30 min, 離心, 去掉上清液。沉淀再次加入500μL抽提緩沖液, 混勻后高溫煮沸5 min, 冷卻至室溫后再加入500μL抽提緩沖液, 10,000×離心10 min, 吸取上清液到新的離心管中, 獲得淀粉粒結合GBSSI。對上述總蛋白和淀粉粒結合GBSSI參照Liu[21]的方法進行SDS-PAGE分析。

1.7 稻米理化品質測定

采用萬深公司大米外觀品質檢測儀(SC-E)測定稻米外觀品質; 采用STA1A食味儀(日本佐竹公司)測定米飯食味值; 參照農業部頒布的標準《NY147- 88米質測定方法》測定稻米AAC及膠稠度(Gel consistency, GC); 稻米粉黏滯性(RVA)的測定參照Zhang等[22]的方法; 利用差示掃描量熱儀(DSC) (德國耐馳公司, DSC 200 F3型號)測量米粉的熱力學特性[22]; 參照Zhang等[22]的方法, 分別利用多晶X-射線衍射儀(德國布魯克AXS公司, D8-ADVANCE)和傅里葉紅外光譜分析(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)測定米粉的晶體結構。

1.8 統計分析

每個樣品測定至少作2次重復, 利用Microsoft Excel 2016進行數據收集, 用統計分析軟件SPSS 15.0進行方差分析。實驗中所有的數據均為平均值±標準差(mean±SD)。

2 結果與分析

2.1 近等基因系的構建及其田間表現

如圖2-A所示, QRM190能夠很好的對Wx和Wx進行區分。如圖2-B所示, 分子標記Wxin1和Wxin2能夠很好地區分Wx和非Wx基因型。通過分子標記輔助選擇, 回交系繼續與輪回親本3611回交7代并自交3代, 獲得了BC7F3群體。通過篩選, 獲得了3611背景下Wx和Wx基因型純合且其他18個淀粉合成酶基因型與受體親本一致的近等基因系NIL(Wx)和NIL(Wx) (圖1-A)。

在選育獲得純合近等基因系后, 首先比較了近等基因系與受體親本的主要農藝性狀, 如表1和圖1-B所示, 2個近等基因系在株高、穗長、結實率、千粒重和粒形等方面與受體親本3611相比均沒有顯著差異。這些結果表明, 在田間正常種植條件下兩個近等基因系主要農藝性狀與受體親本一致, 可以用于后續等位基因的效應分析。

2.2 不同近等基因系稻米中GBSS I表達量的比較

為進一步確認不同等位基因在相同背景下編碼的蛋白豐度的差異, 分析了3個近等基因系稻米中GBSSI的積累情況。如圖3-A所示, 在其他蛋白總量一致的情況下, 3個樣品米粉中可溶性GBSSI蛋白的差異顯著, 攜帶Wx的稻米米粉中游離態GBSSI含量最高, 其次為NIL(Wx)樣品, 而NIL (Wx)米粉中的游離態GBSSI水平最低。進一步分析GBSSI的量(圖3-B)表明,Wx米粉中結合態GBSSI量仍然最多, 其次是Wx米粉, 最少的是Wx米粉。這些結果與各近等基因系稻米的AAC具有明顯的正相關(表2), 也與已有的報道較為一致[23]。

圖2 不同Wx等位基因特異分子標記的檢測

A圖為利用QRM190分子標記區分Wx和Wx的PCR檢測結果, 泳道1為3611, 2為9311, 3~7為近等基因系NIL(Wx); B圖為利用基因特異分子標記區分Wx和Wx的PCR檢測結果, 泳道1為3611, 2為IR64, 3~7為近等基因系NIL(Wx)。

(A): allelic specific molecular marker QRM190 for detectingWxandWx. Lanes 1–7: 3611, 9311 and their derived NIL NIL(Wx) (lanes 3–7), respectively. (B): allelic specific molecular marker for detectingWxandWx. Lanes 1–7: 3611, IR64 and their derived NIL NIL(Wx) (lanes 3–7), respectively.

表1 近等基因系主要農藝性狀表現

同列標以不同小寫字母的值差異極顯著(< 0.01),= 10。

Values within the same column followed by different letters are significant different at< 0.01 and= 10.

圖3 近等基因系成熟種子中GBSS I蛋白游離態(A)和結合態(B)的SDS-PAGE分析

M: 蛋白質分子質量標準; 1~2: 3611(Wx); 3~4: NIL(Wx); 5~6: NIL(Wx); 箭頭所示為60 kD的GBSSI蛋白。

Lane M: the protein standard molecular mass; Lanes 1–2: 3611(Wx); Lane 3–4: NIL(Wx); Lanes 5–6: NIL(Wx); The arrows indicate the 60 kD GBSSI.

2.3 不同近等基因系稻米理化品質的比較

如表2所示, 3611(Wx)成熟稻米的表觀直鏈淀粉含量最高, 近等基因系NIL(Wx)稻米的AAC處于中間水平, 而NIL(b)稻米AAC較低。這些結果與上述的SDS-PAGE分析具有非常好的一致性, 說明AAC的水平與GBSSI豐度具有直接的正相關性。3611(Wx)稻米的膠稠度最硬, 而NIL(Wx)稻米的膠稠度極顯著變軟, 與NIL(Wx)較為接近, 說明Wx等位基因能夠顯著改善秈米的米飯質地, 使其變軟。該結果與AAC的水平也表現出非常好的負相關性。進一步比較米飯的食味值發現, 3611(Wx)稻米的食味值最低, 其次是NIL(Wx), 而NIL(Wx)的食味值最高?？紤]到米飯食味值采用的是黑龍江粳稻打分模式, 可能會對秈稻的分析造成一定影響, 結合膠稠度結果來看, NIL(Wx)稻米的實際食味表現可能會更好, 甚至優于NIL(Wx)稻米。此外, 近等基因系NIL(Wx)和NIL(Wx)的稻米堊白粒率較親本對照均極顯著下降, 稻米堊白度在2個近等基因系中也極顯著下降, 說明在雜交和回交過程中3611的外觀品質也得到了改良。

表2 不同近等基因系稻米理化和外觀品質

同列標以不同小寫字母的值差異極顯著(< 0.01),= 3。

Values within the same column followed by different letters are significant different at< 0.01 and= 3.

2.4 不同近等基因系稻米黏滯性的比較

稻米黏滯性是反映稻米食味品質的另一重要指標, 稻米黏滯性測定能夠模擬稻米蒸煮過程的動態變化, 相關指標能貼切反映米飯的口感和質地[24]。因此, 我們測定了不同近等基因系米粉的RVA譜。如圖4所示, 近等基因系NIL(Wx) RVA譜的峰值黏度最高, 而NIL(Wx)和3611(Wx)的峰值黏度較為接近。此外, 3611(Wx)米粉的冷膠黏度最高, 說明其蒸煮后的米飯冷卻后較硬, 這與膠稠度測定結果具有很好的一致性, 也與其米飯食味值測定結果相符, 這進一步說明RVA譜的冷膠黏度越大, 對應稻米的食味品質可能越差[4]。已有的研究發現食味品質好的稻米一般具有較大的崩解值和較小的消堿值[24]。通過對表3中RVA譜的特征值分析, 發現與親本3611(Wx)相比, NIL(Wx)和NIL(Wx)稻米的崩解值顯著提高, 而冷膠黏度和消減值顯著下降, 尤其是NIL(Wx)稻米的崩解值最大而消減值最小。這些結果說明在3611背景中導入Wx或Wx等位基因后, 其稻米食味品質得到了顯著改良。

2.5 不同近等基因系稻米糊化特性的比較

稻米糊化溫度也是評價稻米食味品質的重要指標。研究表明,基因是控制糊化溫度的主效基因且與基因連鎖[15]。我們在近等基因構建過程中, 已經根據分子標記篩選了可能與等位基因連鎖導入的等位基因, 排除了由基因帶來的可能干擾。為進一步明確不同等位基因對稻米糊化溫度的影響, 利用差式量熱掃米儀(DSC)分析了不同稻米樣品的熱糊化特性。如圖5所示, 盡管3個樣品的吸熱曲線比較相似, 但是親本3611(Wx)稻米的吸熱峰較為提前, 表現為起始糊化溫度較低。通過熱糊化參數分析(表4)可以看出, 與親本3611(Wx)相比, 近等基因系NIL(Wx)和NIL(Wx)米粉的起始糊化溫度、峰值糊化溫度和終止糊化溫度都顯著提高, 其中NIL(Wx)的糊化溫度最高。此外, 從吸收的熱量來看, NIL(Wx)稻米的熱焓值也最高, 而3611(Wx)稻米最低。這些結果表明不同等位基因的差異也能造成稻米糊化特性的顯著改變。這與我們前期的研究結果也較為一致[25]。

表3 不同近等基因系稻米RVA特征值

同列標以不同小寫字母的值差異極顯著(< 0.01),= 2。

Values within the same column followed by different letters are significant different at< 0.01 and= 2.

圖4 不同近等基因系稻米粉RVA譜分析

圖5 不同近等基因系米粉的DSC分析

表4 不同近等基因系稻米米粉熱糊化參數

同列標以不同小寫字母間差異極顯著(< 0.01),= 3。

Values within the same column followed by different letters are significant different at< 0.01 and= 3.

2.6 不同近等基因系稻米晶體結構的比較

稻米淀粉是由直鏈淀粉和支鏈淀粉形成的半晶體復合物, 其理化特性與淀粉精細結構密切相關。我們首先利用X射線衍射儀(XRD)分析了3個近等基因系米粉樣品的晶體衍射情況。如圖6-A所示, 3個樣品在衍射角15°、17°、18°和23°附近有較強的衍射峰, 屬于谷物淀粉中典型的A類型晶體結構[26]。從衍射曲線來看, 不同近等基因系樣品間無顯著差異, 但是通過結晶度計算, 發現不同樣品間結晶度差異都極顯著。如表5所示, NIL(Wx)樣品的結晶度最高, 其次是NIL(Wx), 親本3611(Wx)樣品結晶度最低。研究表明結晶度越高, 在吸熱反應中所需的熱量就越多[27], 該結果能夠很好地解釋NIL(Wx)的熱焓值最高而3611(Wx)最低。

圖6 不同近等基因系米粉的X射線衍射(A)和紅外光譜分析(B)

傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)能夠用于精確分析淀粉晶體結構中的短程有序結構[26]。通過計算特定波長的吸收強度比值(1045/1022 cm–1), 可以分析淀粉分子的短程有序程度, 一般認為其比值越大, 短程有序度越高[28]。因此, 利用該技術對不同近等基因系樣品進行了分析。如圖6-B所示, 3個樣品的紅外吸收曲線較為一致, 但是通過參數計算(1045/ 1022 cm–1), 發現NIL(Wx)樣品的短程有序程度最高, 其次是NIL(Wx), 而最低的是受體親本(表5)。這與XRD的分析結果完全一致, 也與我們前期通過修飾GBSSI活性而創建的具有不同AAC稻米淀粉的晶體結構分析相符合[25]。

3 討論

隨著生活水平的提高, 消費者對于稻米品質的要求越來越高, 尤其關心稻米的食味品質。通常認為, 直鏈淀粉含量對于稻米食味品質的影響最大。因此, 在近些年來的稻米品質改良研究中已廣泛開展了等基因的分子標記輔助選擇利用[3,29]。我國目前大部分秈稻產區一般通過引入Wx等位基因來改良秈稻的食味品質。但是東南亞一帶的優質秈稻一般攜帶Wx, 說明該等位基因在秈稻食味品質改良中可能更有效[30-32]。為系統比較Wx、Wx和Wx在秈稻背景下對稻米品質的影響, 本研究構建了秈稻3611(Wx)背景下Wx和Wx的近等基因系, 分析了Wx等位基因在秈稻背景下對稻米食味品質的改良效應和不同等位基因對稻米其他理化特性的影響。

表5 不同近等基因系米粉的X射線衍射和傅里葉變換紅外光譜參數

同列標以不同小寫字母間差異極顯著(< 0.01),= 3。

Values with in the same column followed by different letters are significant different at< 0.01 and= 3.

近年來有關基因的等位變異及其對稻米品質的效應研究已有很多, 如通過不同品種間的關聯分析, 發現基因和基因是稻米蒸煮與食味品質調控網絡的主效基因[5,15,32]。此外, 基于等位變異和、和的互作研究, 發現不同等位基因類型能夠協同、和調控稻米的理化品質, 如Wx等位基因是控制高抗性淀粉的必要條件[33-35]。在品質性狀全基因組關聯分析研究方面, 發現基因的不同等位變異位點與稻米品質的理化指標關聯密切[36-37]。為排除遺傳背景干擾, Teng等[38-39]通過染色體片段代換系分析了5個自然等位變異基因的效應, 發現GBSSI活性水平與AAC及其他理化指標存在明顯的相關性。本研究盡管沒有進行GBSSI的活性測定, 但是對GBSSI的豐度包括游離態和淀粉粒結合態的GBSSI豐度進行了分析, 說明不同等位基因所編碼的GBSSI豐度無論是游離態還是淀粉粒結合態都存在顯著差異, 并且與AAC呈現出明顯的正相關性。我們進一步分析了不同近等基因系稻米的晶體結構, 發現AAC與稻米晶體結構存在直接的負相關性, 即AAC越高, 結晶度越低, 而結晶度又與稻米的熱焓值正相關, 即較高的結晶度需要較高的熱量去熔解。這些結果不僅符合之前一些有關淀粉精細結構與稻理化指標的相關性結果[25,39], 而且更加明確了這種相關性。

截至目前, 在水稻中至少發現了8個基因的等位變異類型[2], 在非糯栽培稻中廣泛分布的主要為Wx、Wx和Wx。其中Wx主要存在于我國傳統的秈稻品種中, 而Wx主要存在于粳稻品種中。Wx等位基因目前在國內栽培水稻中分布非常稀少, 而在東南亞以及美國等地區的熱帶粳稻和部分秈稻中廣泛存在[30-31]。由于水稻品質遺傳改良的發展, 我國目前很多秈稻品種中已經通過導入Wx等位基因來進行稻米品質改良[3], 但其AAC水平在秈稻中偏低, 尤其是南方夏季高溫稻區很難達到優質米的標準。本研究表明, 較Wx而言, 導入Wx等位基因的稻米具有稍高的AAC, 稍硬的膠稠度和適中的糊化溫度, 其可能在食味品質改良方面較Wx等位基因具有更大的潛力。近些年來的研究表明, 除了遺傳因素, 環境條件也是影響稻米食味品質的眾多因素之一[40-41]。其中, 水稻灌漿結實期的高溫環境是降低稻米食味品質的重要因素, 高溫一方面能造成外觀品質變差, 另一方面也能導致AAC下降[13,25]。因此, 盡管通過在秈稻中引入Wx等位基因能夠提高稻米的食味品質, 但在南方高溫高濕的環境下會造成其品質表現不穩定, 高溫年份品質容易變差[41-42]。Teng等對秈稻背景下攜帶不同等位基因的染色體片段代換系的分時播期試驗, 證明攜帶Wx等位基因的稻米品質對環境改變更敏感[38]。目前雜交秈稻也多通過引入Wx等位基因進行品質改良, 但我國南方地區的雜交秈稻抽穗灌漿期多位于高溫頻發季節, 而Wx相對Wx對高溫更敏感[43], 因此, 攜帶Wx的雜交稻米AAC會偏低, 米飯對于南方消費者而言偏軟。而Wx等位基因可能更適合南方地區的消費者。Wang等利用攜帶Wx、Wx和Wx等位基因的17份親本材料, 配制了136個雜交組合, 證明Wx/Wx和Wx/Wx組合類型的雜交稻米AAC較為適中[44], 這進一步說明Wx等位基因在我國秈稻尤其是雜交秈稻品質改良方面可能更有效。

4 結論

在當下栽培稻中廣泛分布的Wx、Wx和Wx等位基因對稻米食味品質的效應已經非常明確,Wx和Wx等位基因的引入能夠顯著改善秈稻米飯的食味品質, 其中Wx在秈稻中由于能夠適度提高AAC和改良米飯質地, 可能是今后秈稻尤其是雜交秈稻品質改良重點關注的等位基因。通過Wx/Wx或者Wx/Wx組合來嘗試雜交稻米品質改良可能是一個重要的研究方向。在稻米品質改良生產實踐中, 由于地域和文化的差異, 可能需要在考慮當地消費者對米飯食味偏好性的基礎上, 有針對性地引入多樣化的等位基因, 搭配出具有不同食味品質的組合以滿足不同人群的需求。

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Improvement of rice eating quality and physicochemical properties by introgression ofWxallele invarieties

YANG Yong1, LU Yan1,2, GUO Shu-Qing1, SHI Zhong-Hui1, ZHAO Jie1, FAN Xiao-Lei1, LI Qian-Feng1, LIU Qiao-Quan1,*, and ZHANG Chang-Quan1,*

1Jiangsu Key Laboratory for Crop Genomics and Molecular Breeding / Key Laboratory of Plant Functional Genomics of Ministry of Education / Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Agricultural College of Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China;2Instrumental Analysis Center, Yangzhou University, Yangzhou 225009, Jiangsu, China

Nowadays, theWxallele has been widely used to improve grain quality ofrice. However, somevarieties carryingWxallele usually has a much softer texture, which is not favored by consumers in South China. So the grain quality of these varieties needs to be further improved. To understand the effect ofWxallele on rice eating quality and physicochemical properties inrice, we developed two Near-Isogenic Lines (NILs) carryingWxandWxalleles by crossing anvariety 3611 (receptor, carryingWx) with IR64 (carryingWx) and 9311 (carryingWx), and seven times of backcrossing based on molecular marker assistant selection (MAS). Theeffects in controlling the synthesis of amylose, grain quality, and physicochemical properties were investigated. There were non-significant differences in the agronomic traits among the NILs. However, for grain quality characters, we found that the NIL(Wx) rice showed significantly lower apparent amylose content (AAC) and higher gel consistency (GC), compared with the wild type 3611. Besides, the NIL(Wx) rice showed the lowest AAC and highest GC among three lines. The NIL(Wx) rice had a significantly higher taste value than the wild type 3611, while the NIL(Wx) rice exhibited the highest taste value among the three samples. The granule-bound starch synthase I (GBSSI) level was the highest in 3611, moderate in NIL(Wx) and lowest in NIL(Wx), which showed a positive correlation with the AAC level. Also, the starch viscosity, thermal gelatinization property and crystal structure of different rice flours had a high correlation with the AAC level. To sum up, our results proved that bothWxandWxallele can improve the grain quality in 3611 background, and what is more, theWxallele might be more useful for the improvement of grain quality inrice.

L.; eating quality;allele; apparent amylose content; molecular marker assisted selection

本研究由國家重點研發計劃項目(2016YFD0100501), 國家自然科學基金項目(31872860,31561143008), 江蘇省科技計劃項目(BE2018357, BK20160464), 江蘇省高等學校自然科學研究項目(16KJB210011), 雜交水稻國家重點實驗室(湖南雜交水稻研究中心)開放課題(2018KF04)和揚州大學農學院農學專業本科生創新訓練計劃項目資助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0100501), the National Natural Science Foundation of China (31872860,31561143008), the Government of Jiangsu Province (BE2018357,BK20160464), the Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions of China (16KJB210011), the Open Research Fund of State Key Laboratory of Hybrid Rice (Hunan Hybrid Rice Research Center), and the Personnel Training Program for Undergraduates in Agricultural College of Yangzhou University.

劉巧泉, E-mail: qqliu@yzu.edu.cn; 張昌泉, E-mail: cqzhang@yzu.edu.cn

E-mail:1046354026@qq.com

2018-12-14;

2019-06-20;

2019-07-15.

URL: http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20190712.1548.006.html

10.3724/SP.J.1006.2019.82064