丁國(guó)華， 來(lái)永才， 孫世臣， 劉 凱， 曹良子， 周勁松， 洛 育， 楊 光，謝婷婷， 夏天舒， 孫 兵， 王彤彤， 白良明， 王雪揚(yáng)， 王榮升，陳 磊， 姜 輝， 劉媛媛， 劉昊飛， 殷大偉， 湛立偉

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院耕作栽培研究所/國(guó)家水稻耐鹽堿技術(shù)創(chuàng)新中心東北分中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/黑龍江省水稻品質(zhì)改良與遺傳育種工程技術(shù)研究中心/黑龍江省作物分子設(shè)計(jì)與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 黑龍江 哈爾濱 150028；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)， 黑龍江 大慶 163000； 3.浙江勿忘農(nóng)種業(yè)有限公司， 浙江 杭州 310026)

黑龍江是我國(guó)水稻生產(chǎn)大省，2019年水稻種植面積達(dá)381萬(wàn)hm2，總產(chǎn)2 663萬(wàn)t，分別占全國(guó)水稻面積和產(chǎn)量的12.9%、12.7%，對(duì)于保障我國(guó)口糧安全發(fā)揮了巨大作用[1]。同時(shí)，這也意味著巨大的水資源消耗。黑龍江省水資源總量和人均占比都較低，水資源總量約為810.3億m3，人均水資源量約為2 160 m3，均低于全國(guó)平均水平，且空間分布不均勻，占全省耕地85%的松嫩平原、三江平原，水資源量?jī)H占全省的50%[2]。隨著黑龍江水稻的大力發(fā)展，井灌稻面積逐漸增加，僅黑龍江省墾區(qū)井灌稻面積就超過(guò)133萬(wàn)hm2，總產(chǎn)超過(guò)1 000萬(wàn)t，為國(guó)家糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)[3]。但也帶來(lái)了地下水超采嚴(yán)重的問(wèn)題，形成了眾多地下水漏斗[4]。黑龍江水稻可持續(xù)發(fā)展與否關(guān)系到國(guó)家口糧安全，在做好工程及農(nóng)藝節(jié)水基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生物節(jié)水，提高單位面積水分的生產(chǎn)效率，從而節(jié)約水資源，是黑龍江水稻生產(chǎn)走生態(tài)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的重要出路。節(jié)水抗旱優(yōu)質(zhì)水稻品種在其中扮演著關(guān)鍵角色。

據(jù)報(bào)道，節(jié)水抗旱水稻品種比普通水稻品種可節(jié)水50%以上，其中，典型代表品種是旱優(yōu)73，在我國(guó)多省已有應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[5-9]。黑龍江屬于寒地稻作區(qū)，特殊的地理位置決定了其特定的稻作生態(tài)環(huán)境，需培育適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的節(jié)水抗旱水稻品種。黑龍江原來(lái)種植的地方水稻品種“粳子”是旱稻的統(tǒng)稱，具有高稈、易倒、抗旱性強(qiáng)、產(chǎn)量低等特點(diǎn)[10]，因?yàn)椴荒苓m應(yīng)水稻生產(chǎn)發(fā)展而被逐漸淘汰。新時(shí)期的節(jié)水抗旱水稻既要具備水稻豐產(chǎn)性、節(jié)水抗旱性，又要具備優(yōu)良的品質(zhì)，否則無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)，難以發(fā)揮更大的作用。

截至2020年，黑龍江省已審定(認(rèn)定)568個(gè)水稻品種[11]，未見(jiàn)節(jié)水抗旱水稻品種，各單位一般都是對(duì)已審定品種進(jìn)行抗旱性篩選，獲得相對(duì)抗旱品種，在沒(méi)有引入抗旱基因的條件下難以大幅提高水稻節(jié)水抗旱性。本團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事水稻種質(zhì)資源創(chuàng)新及育種研究，以黑龍江本地優(yōu)良水稻品種與典型陸稻品種為資源材料雜交，經(jīng)多環(huán)境、多壓力及分子標(biāo)記輔助選擇，培育了適應(yīng)寒地特殊稻作環(huán)境的節(jié)水抗旱水稻新品系[12]，本研究以這些新品系和黑龍江優(yōu)良水稻品種為試材，初步研究了寒地節(jié)水抗旱水稻新材料品質(zhì)特征，為其他育種工作者提供參考。

主成分分析法(PCA)已廣泛應(yīng)用于水稻食味品質(zhì)和其他性狀的評(píng)價(jià)中，荊瑞勇等[13]利用PCA法將來(lái)自不同地區(qū)的18個(gè)水稻品種按品質(zhì)綜合狀況優(yōu)劣分為4類，雷月等[14]利用PCA法分析了12個(gè)水稻品種蒸谷米品質(zhì)，認(rèn)為“玉針香”品質(zhì)最佳；張鞏亮等[15]利用PCA法和聚類分析評(píng)價(jià)了寒地30個(gè)水稻種質(zhì)資源的抗旱性，最終將這些資源分為強(qiáng)抗旱型、抗旱型、中間抗旱型及旱敏感型4類；PCA分析可以從眾多性狀中解析出主要因素，簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過(guò)程，提高效率[16]。

本研究利用新創(chuàng)制的寒地節(jié)水抗旱水稻新品系和本團(tuán)隊(duì)培育的黑龍江首個(gè)國(guó)標(biāo)一級(jí)米龍稻18為試材，利用主成分分析的方法評(píng)價(jià)各材料品質(zhì)性狀綜合表現(xiàn)，以期為黑龍江省節(jié)水抗旱水稻品種培育提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的節(jié)水抗旱水稻新品系(913、914、917、921、928)及培育的優(yōu)質(zhì)品種龍稻18。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻創(chuàng)新基地進(jìn)行，地處東經(jīng)126°49′，北緯45°50′，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，作物生長(zhǎng)季光照充足，雨熱同期，水稻灌漿期晝夜溫差大，無(wú)霜期140 d，年降雨量500 mm左右。土壤有機(jī)質(zhì)含量33.1 g·kg-1，堿解氮含量122.6 mg·kg-1、速效磷含量68.2 mg·kg-1，速效鉀含量139.1 mg·kg-1。4月15日采用旱育稀植方法育苗，每平方米播種量為450 g，5月15日移栽，純氮、磷(P2O5)、鉀(K2O)施用量均為140 kg·hm-2，氮肥做基肥和返青肥各施一半，磷鉀肥全部做基肥施入，試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)品種6行，3次重復(fù)，行株距為29.7 cm×13.2 cm，其他管理同大田生產(chǎn)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

于水稻成熟期分小區(qū)收獲，并測(cè)定稻谷產(chǎn)量和水分，按標(biāo)準(zhǔn)水含量計(jì)算各品種產(chǎn)量。每個(gè)重復(fù)取2 kg稻谷，常溫保存3個(gè)月，待其理化特性穩(wěn)定后，按《中國(guó)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編 糧油作物卷》的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定品質(zhì)。利用FC-2 K型實(shí)驗(yàn)礱谷機(jī)(YAMAMATO，日本)和VP-32型實(shí)驗(yàn)?zāi)朊讬C(jī)(YAMAMATO，日本)將樣品加工成精米；利用1241型(FOSS公司)近紅外谷物分析儀測(cè)定直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量及食味值；利用STA-1 A型米飯食味計(jì)(佐竹公司，日本)測(cè)定外觀、口感、綜合評(píng)分；利用RHS-1 A型硬度黏度儀(佐竹公司，日本)測(cè)定黏度、硬度，各樣品均重復(fù)3次。

1.3.1精米率

精米率(%)=(精米質(zhì)量/稻谷質(zhì)量)×100%(1)

1.3.2綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

按式(2)計(jì)算綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值：

u(xj)=(xj-xmin)/(xmax-xmin) (2)

式中：xj為第j個(gè)綜合指標(biāo)(j=1, 2, …,n)；u(xj)為第j個(gè)綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；xmax與xmin分別為第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大、最小值[17]。

1.3.3綜合指標(biāo)權(quán)重

按式(3)計(jì)算綜合指標(biāo)權(quán)重：

式中：wj為第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；rj為各基因型第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率[18]。

1.3.4不同水稻品種品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)值

按式(4)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值：

式中：D為不同水稻品種品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel軟件整理數(shù)據(jù)，用SPSS軟件分析數(shù)據(jù)，用Prism軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻種質(zhì)產(chǎn)量與品質(zhì)分析

我國(guó)是人口大國(guó)，為保障國(guó)家糧食安全，對(duì)于口糧作物來(lái)說(shuō)，產(chǎn)量永遠(yuǎn)是追求的主要目標(biāo)。由圖1可知，所創(chuàng)制節(jié)水抗旱材料中：921產(chǎn)量最高，極顯著高于其他材料(p<0.01)，928次之，但仍極顯著低于龍稻18(p<0.01)，914產(chǎn)量最低，極顯著低于913、917、928(p<0.01)。由圖2可知，917精米率最高，顯著高于龍稻18(p<0.05)，其他各材料間無(wú)顯著差異。以上結(jié)果說(shuō)明，創(chuàng)制節(jié)水抗旱資源中不乏產(chǎn)量高、加工品質(zhì)好的材料。

由圖3、圖4可知，914、921、龍稻18間直鏈淀粉含量無(wú)顯著差異；913、917直鏈淀粉含量極顯著高于其他材料(p<0.01)。對(duì)于蛋白質(zhì)含量而言，917含量最低，但各材料間差異均不顯著(p<0.05)。由此可知，對(duì)稻米食味品質(zhì)影響最大的直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量已不是創(chuàng)制節(jié)水抗旱材料的限制因子。

由圖5、圖6可知，917彈性平均值最大，顯著高于龍稻18(p<0.05)，其他創(chuàng)制材料和龍稻18差異不顯著，從黏度平均值來(lái)看，928最高，極顯著高于其他材料(p<0.01)。

由圖7、圖8可知，917硬度平均值最小，龍稻18次之，二者無(wú)顯著差異，其他材料硬度平均值極顯著大于917、龍稻18。928平衡度平均值最大，顯著大于其他材料(p<0.05)；龍稻18次之，顯著大于913、914、921。

由圖9、圖10可知，921的口感和外觀評(píng)分均最高，顯著大于913、914、917和928，但與龍稻18無(wú)顯著差異。

由圖11可知，917食味評(píng)分最高，極顯著高于其他材料，921食味評(píng)分最低，極顯著低于龍稻18。從綜合評(píng)分來(lái)看(圖12)，921最高，顯著大于917和龍稻18(p<0.05)，極顯著大于913、914、928。

2.2 水稻品質(zhì)性狀相關(guān)性及主成分分析

由表1可知，外觀與綜合評(píng)分顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.877；口感與綜合評(píng)分極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.988。彈性、食味值與綜合評(píng)分正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.567、0.492，但不顯著。蛋白質(zhì)含量與綜合評(píng)分負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.782，未達(dá)到顯著水平。各種質(zhì)品質(zhì)指標(biāo)高低是材料固有特性，同時(shí)某些品質(zhì)指標(biāo)間還具有一定相關(guān)性，無(wú)法用某一指標(biāo)準(zhǔn)確衡量材料間品質(zhì)高低，因此，需要通過(guò)主成分分析評(píng)價(jià)不同水稻材料的品質(zhì)。

表1 不同水稻材料品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

在PCA時(shí)，將與水稻品質(zhì)負(fù)相關(guān)的指標(biāo)取倒數(shù)后再進(jìn)行計(jì)算，共有11個(gè)指標(biāo)用于PCA，見(jiàn)表2。通過(guò)主成分分析，提取3個(gè)PC，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到92.186%，綜合了這些材料品質(zhì)指標(biāo)的絕大部分信息，因此，可以用這3個(gè)PC代替上面11個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)供試材料的品質(zhì)特征。將上述3個(gè)PC定義為：PC 1、PC 2、PC 3，由表4可知各主成分特征向量，并利用其品質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計(jì)算各材料綜合指標(biāo)值(表5)。

表2 不同水稻材料PCA品質(zhì)指標(biāo)值

PC 1=-0.250 0X1+0.320 0X2+0.360 0X3+0.310 0X4+0.090 0X5+0.310 0X6+0.180 0X7+0.340 0X8+0.200 0X9+0.280 0X10+0.310 0X11

PC 2=0.290 0X1-0.140 0X2+0.070 0X3-0.060 0X4+0.230 0X5-0.200 0X6-0.350 0X7-0.150 0X8+0.370 0X9+0.340 0X10+0.300 0X11

PC3=-0.010 0X1+0.010 0X2+0.010 0X3+0.330 0X4+0.520 0X5+0.120 0X6-0.370 0X7+0.030 0X8-0.270 0X9-0.170 0X10-0.120 0X11

由表3、表4可知，PC 1方差貢獻(xiàn)率最大為49.3%，綜合了蛋白質(zhì)、彈性、直鏈淀粉含量；PC2方差貢獻(xiàn)率為23.112%，主要綜合了外觀、口感、綜合評(píng)分；PC3方差貢獻(xiàn)率為19.774%，主要綜合了硬度、食味值。

表3 PC的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率

表4 PC的特征向量與載荷矩陣

2.3 不同水稻種質(zhì)的品質(zhì)性狀綜合評(píng)價(jià)

利用公式(2)計(jì)算各材料綜合指標(biāo)值的隸屬函數(shù)值，由表5可知，水稻材料品質(zhì)的所有綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值不盡相同，對(duì)于同一綜合指標(biāo)PC 1而言，928的u(x1)最大，921的u(x1)最小，說(shuō)明928在PC 1綜合指標(biāo)上表現(xiàn)出的品質(zhì)最好，921最差。對(duì)于同一綜合指標(biāo)PC 2而言，921的u(x1)最大，914的u(x1)最小，說(shuō)明921在PC 2綜合指標(biāo)上表現(xiàn)出的品質(zhì)最好，928最差。對(duì)于同一綜合指標(biāo)PC 3而言，917的u(x1)最大，928的u(x1)最小，說(shuō)明917在PC 1綜合指標(biāo)上表現(xiàn)出的品質(zhì)最好，928最差。

依據(jù)公式(3)和PC 1、PC 2、PC 3的貢獻(xiàn)率(表3)，計(jì)算各綜合指標(biāo)權(quán)重，具體值見(jiàn)表5。

表5 不同水稻材料品質(zhì)評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)值、權(quán)重、隸屬函數(shù)值、綜合評(píng)價(jià)值及品質(zhì)排序

各材料綜合評(píng)價(jià)值計(jì)算依據(jù)公式(4)及各綜合指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)綜合評(píng)價(jià)值排序可知各材料品質(zhì)性狀綜合表現(xiàn)由好到差排序?yàn)椋?17、928、龍稻18、913、921、914。

3 討 論

水稻產(chǎn)量和品質(zhì)均是復(fù)雜的數(shù)量性狀，影響因素眾多。本研究所涉及寒地節(jié)水抗旱水稻新材料在正常栽培條件下產(chǎn)量表現(xiàn)各異，其中，921產(chǎn)量最高，極顯著高于其他材料，是寒地節(jié)水抗旱稻育種難得的高產(chǎn)資源。直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量是影響水稻品質(zhì)的兩大要素，直鏈淀粉含量對(duì)淀粉的理化特性和米飯的食味品質(zhì)起重要作用。崔晶等[20]研究指出，粳稻直鏈淀粉含量在15%～25%之間時(shí)，直鏈淀粉含量越低，越有利于米飯食味值提升，但ZHANG C Q等[21]研究認(rèn)為，支鏈淀粉分支度是影響米飯質(zhì)地和食味品質(zhì)的關(guān)鍵因素。本研究中各材料直鏈淀粉含量均在上述范圍內(nèi)，917含量最高且顯著高于龍稻18，但917食味值極顯著高于其他材料，與崔晶等研究不一致，這可能是因?yàn)?17具有相對(duì)較低的蛋白質(zhì)含量；或是因?yàn)槠渲ф湹矸鄯种ЫY(jié)構(gòu)更為優(yōu)化，有待進(jìn)一步研究。蛋白質(zhì)是稻米中另一主要成分，占比為7%～12%。多數(shù)研究認(rèn)為，米飯食味品質(zhì)與蛋白質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)含量超過(guò)9%就會(huì)降低稻米食味品質(zhì)，隨著蛋白質(zhì)含量的增加，米飯黏性和彈性降低，硬度變大，色澤變差，食味值變劣[22-24]。本研究中917蛋白質(zhì)含量最低，與各材料差異均不顯著，但食味值顯著高于其他材料，硬度最低，彈性最高。說(shuō)明總蛋白含量相似，蛋白質(zhì)含量已不是限制各材料米質(zhì)的主要因素，要進(jìn)一步明確各蛋白質(zhì)組分及結(jié)構(gòu)對(duì)品質(zhì)的影響。

本研究在分析各種質(zhì)材料產(chǎn)量和主要品質(zhì)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用PCA法對(duì)各材料品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到了3個(gè)主成分，PC1方差貢獻(xiàn)率最大，為49.3%，綜合了蛋白質(zhì)、彈性、直鏈淀粉含量等，與實(shí)際情況一致。鑒定出品質(zhì)綜合性狀最好的節(jié)水抗旱水稻新種質(zhì)917，為確定研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了品嘗鑒定，917米飯光澤度好、黏度、彈力適中，米飯不回生，品嘗人員一致認(rèn)為917米飯食味超過(guò)龍稻18[25]，很好地佐證了本研究的結(jié)果。本團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的節(jié)水抗旱新種質(zhì)，將為黑龍江省寒地節(jié)水抗旱稻研究提供新的優(yōu)異資源。