秈型細胞質對粳稻雜交后代F1 稻米品質的影響

劉猷紅 唐傲 張喜娟 董文軍 劉凱 王文龍 徐英哲 孟英* 來永才*

（1黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所/黑龍江省作物分子設計與種質創新重點實驗室，哈爾濱 150086；2 國家耐鹽堿水稻技術創新中心東北中心，哈爾濱 150086；3 黑龍江省農業科學院，哈爾濱 150086；4 東北農業大學 農學院，哈爾濱 150030；第一作者：liuyouhong1011@126.com；*通訊作者：18645146186@163.com，yame0451@163.com）

水稻是世界主要糧食作物之一，其90%以上分布在亞洲，稻米是亞洲超過60%以上人口的主食[1-2]。亞洲栽培稻（Oryza sativa）分為秈和粳兩個亞種，粳稻約占10%，主要集中在中國、韓國和日本[3]，中國粳稻的主產區在東北三省和江蘇省。基于理想株型和秈粳雜交優勢理論的利用，秈粳雜交稻為我國糧食安全做出了巨大貢獻[4]。秈型血緣的引入在提高東北粳稻產量潛力的同時會影響其稻米品質性狀，而有關稻米品質遺傳研究大多集中在細胞核遺傳上，對細胞質遺傳對品質性狀的影響研究則較少。多數研究認為，秈型雜交稻稻米品質性狀受母體基因型和胚乳基因型控制，還可能存在細胞質效應[5-7]。徐辰武等[8]研究了秈粳正反交細胞質對雜種稻米品質的影響，結果表明，秈稻的細胞質對直鏈淀粉含量有一定的作用。也有研究認為，北方粳稻某些稻米品質性狀受母體或細胞質遺傳體系控制[9-10]。林建榮等[11]和PEYMAN 等[12]利用正反交方法進行研究，結果表明，細胞質效應對稻米品質具有極顯著影響，但環境與細胞核的互作也不能忽視。由于生物體的基因是在環境條件作用下表達的，環境條件的不同可能導致基因表達方式或程度有一定差異[13-14]。以往，多數學者針對的是雜交稻不育系細胞質效應和常規粳稻具有秈型血緣的細胞核遺傳效應的研究，而對具有秈型血緣的東北粳稻細胞質對稻米品質的影響鮮有研究報道。本研究利用細胞質秈粳特異分子標記對東北粳稻細胞質進行秈粳類型鑒定，再以秈質粳核材料與粳質粳核材料構建雙列雜交群體，解析秈型細胞質對粳稻品質性狀的遺傳效應，旨在為東北粳稻品質遺傳改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取8 份東北地區主栽粳稻品種用于細胞質基因組的秈粳差異位點的分子鑒定，以9311 和日本晴作為對照，進而確定每個品種的細胞質基因組的秈粳屬性。

選擇出4 份秈型細胞質類型粳稻沈農9816（P1）、沈農265（P2）、沈農9741（P3）和遼粳454（P4）與4 份粳型細胞質類型粳稻龍稻18（P5）、綏粳18（P6）、龍粳31（P7）、龍粳47（P8）于2019 年進行不完全雙列雜交，配制正反交組合24 個（表1）。

表1 構建24 個正反交材料

1.2 試驗設計

不完全雙列雜交于2019 年在黑龍江省農業科學院民主試驗園區試驗田（E1）和沈陽農業大學水稻研究所試驗田（E2）種植，隨機區組排列，3 次重復，每份材料插植5 行，每叢插單苗，每行10 叢。行株距30.0 cm×13.3 cm。4 月育苗，5 月移栽，田間管理同大田生產。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 PCR 反應體系的建立

根據秈粳差異片段序列比對方法合成2 個秈粳特異性線粒體引物P1（5’- TGAGACCCGCCCACTATTAC-3’）和P2（5’- CATATAGATCGGAACCCGGA -3’），命名為分子標記mt1，按照趙林森[15]方法（CTAB）提取DNA，再以瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA。PCR 反應體系為：PCR 擴增總體積為20 μL，包括DNA 模板2、buffer（MgCl22.0 Mm）2 μL，引物 各1 μL、dNTP 1 μL，Taq DNA 聚合酶0.5 μL，不足部分用ddH2O 補充。擴增程序為：94 ℃預變性4 min，接著94 ℃0.5 min，55 ℃40 s，72 ℃1 min，40 個循環；最后延伸72 ℃7 min。擴增產物用3%的瓊脂糖凝膠電泳檢測，最后紫外凝膠成像檢測。

1.3.2 稻米品質測定

水稻成熟期籽粒收獲后在室內儲藏3 個月，采用大竹FC2K 型礱谷機加工稻谷，測定糙米率；用Kett 精米機加工后稱重，測定精米率；整精米率和外觀品質（堊白粒率和堊白度）采用萬深SC-E 型稻米品質分析儀測定。蒸煮與食味品質（直鏈淀粉含量、蛋白質含量和食味值）及營養品質（蛋白質含量）采用佐竹RCTA11A 型米粒食味計測定。

1.4 數據分析

用Excel 2007 軟件整理和錄入數據，用SPSS 20軟件進行數據分析，LSD0.05法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 東北粳稻細胞質秈粳屬性

從圖1 可以看出，利用分子標記mt1 對8 份東北粳稻的線粒體基因組進行PCR 擴增的目的片段有秈粳差異，可以作為細胞質秈粳分型的分子標記。以典型秈稻9311 和典型粳稻日本晴為對照，分子標記mt1 擴增目的片段秈型mtDNA 為1 223 bp，而粳型mtDNA為729 bp，秈粳差異片段大小為494 bp；粳型mtDNA的擴增產物在電泳條帶上領先于秈型mtDNA；通過對線粒體分子標記mt1 的擴增片段長度差異比較可知，沈農265、沈農9741、沈農9816 和遼粳454 的帶型與典型秈稻9311 帶型一致。表明這4 個常規栽培粳稻品種線粒體為秈型。龍稻18、綏粳18、龍粳31 和龍粳47的帶型與典型粳稻日本晴帶型一致，為粳型線粒體。

圖1 線粒體DNA 的PCR 檢測結果

2.2 東北粳稻親本及雜交后代稻米品質性狀表現及差異性檢驗結果

將供試遺傳群體在不同環境下稻米品質性狀的平均值列于表2，差異性分析結果列于表3。方差分析表明，在哈爾濱和沈陽不同生態環境下，供試遺傳材料8個稻米主要品質指標在不同生態區均達極顯著差異，品質指標遺傳變異幅度均表現為環境最大，此外除蛋白質含量和食味值品種間差異小于品種與環境互作，其余品質指標均是品種大于其與環境互作。

表2 供試材料稻米品質性狀平均值

表3 雜交后代F1 主要稻米品質指標F 值方差分析

2.3 雜交后代F1 稻米品質相關性分析

由表4 可以看出，就秈質粳核材料而言，在哈爾濱點，直鏈淀粉含量與食味值極顯著正相關，而精米率、整精米率和蛋白質含量與食味值呈顯著或極顯著負相關；在沈陽點未找到相關指標具有顯著正向遺傳效應，蛋白質含量與食味值極顯著負相關，糙米率和精米率與食味值顯著負相關。就粳質粳核材料而言，兩試驗點均得出直鏈淀粉與食味值呈極顯著正相關，蛋白質含量、堊白粒率、堊白度與食味值呈極顯著負相關，且蛋白質含量的相關性最大。說明在適宜的范圍內通過增加直鏈淀粉含量和降低蛋白質含量有利于提高稻米口感。

表4 不同細胞質類型雜交后代F1 的稻米品質與食味值的相關分析

由表5 可以看出，在兩試驗點，秈質粳核材料蛋白質含量顯著低于粳質粳核材料，而大多稻米加工品質和蒸煮食味品質高于粳質粳核材料，說明秈型細胞質基因和核質互作基因可能有利于提高稻米加工和食味品質。哈爾濱試點參試粳稻材料的堊白粒率、堊白度和蛋白質含量均顯著低于在沈陽試點種植的相同類型材料，而直鏈淀粉含量顯著高于沈陽試點。說明不同類型材料的稻米品質受環境影響較大。

表5 不同細胞質類型粳稻品質性狀分析

3 討論與結論

以往的研究多針對葉綠體秈粳分化位點的基因型進行鑒定，ORF69 是一種鑒定水稻細胞質秈粳分型的特殊分子標記[16-17]。為了進一步驗證細胞質秈粳分型的準確性，采用秈粳序列比對方法開發設計了線粒體秈粳差異引物，本研究篩選到4 份粳稻品種的細胞質為秈型，這種粳核秈質基因組組合模式并非有意創制，而是地區生態適應性與育種選擇的結果。

在東北粳稻育種實踐中，秈粳交雜種優勢利用在提高東北粳稻產量的同時，也逐漸改善其稻米品質，以往的研究多集中于細胞質效應對產量相關性狀影響上[18-21]，而關于細胞質效應對秈粳交品種稻米品質的影響則研究較少。細胞質遺傳效應常用的研究方法是雙列雜交比較差異法[22-24]，而細胞質效應的分析常見于雜交稻方面的研究。石春海等[23]研究認為，雜交水稻稻米營養品質性狀雜種優勢的表現還受到除種子和母體核基因之外遺傳效應的影響，細胞質遺傳效應對稻米品質性狀雜種優勢的表現有著不可忽視的作用。朱滿山等[24]研究結果表明，不育系細胞質效應對雜種F1的米粒長寬比、堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量有顯著影響，且因質核互作效應的不同存在組合的特異性。本研究結果表明，秈質粳核材料的稻米品質優于粳質粳核材料，尤其是稻米加工品質和食味值，而食味值與直鏈淀粉含量呈正相關性，與蛋白質含量呈極顯著負相關。由于試驗點地理環境不同，不同試驗點秈型細胞質遺傳效應影響不同的稻米指標，說明品質指標受環境影響較大，但在同一試驗點細胞質效應和核質互作效應顯著。

本研究利用正反交方法初步研究了細胞質遺傳效應對稻米品質的影響，由于控制稻米品質的一些細胞質基因也與核基因一樣產生了某些分化，現有的水稻細胞質中存在一些會使米質變優的基因，下一步研究需構建同核異質系群體深入挖掘影響稻米品質的相關基因。本研究結果對于提高東北粳稻稻米品質性狀的雜種優勢分析效果和組合選配具有一定指導意義。因此，在今后的優質稻育種中，應該注重核質匹配的選育工作。