徐偉清 王小雷 劉 楊 歐陽(yáng)林娟 李煒星 歐陽(yáng)清蘭 賀浩華 朱昌蘭,*

(1江西農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省超級(jí)稻工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330045; 2贛州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 贛州 341000)

水稻(OryzasativaL.)是一種重要的谷物作物，為世界一半以上的人口提供主食。雜交稻生產(chǎn)技術(shù)的成功應(yīng)用，使水稻產(chǎn)量得到了極大提高，但對(duì)稻米品質(zhì)的改良仍不盡人意，稻米品質(zhì)仍有較大的提升空間[1]。稻米的品質(zhì)性狀包括外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和特殊品質(zhì)，其中廣大消費(fèi)者最關(guān)心的是稻米的蒸煮與感官食味品質(zhì)。已有研究表明，稻米的蒸煮和感官食味品質(zhì)遺傳較復(fù)雜，受多種因素影響[1-2]。淀粉是稻米的主要組成成分，約占稻米物質(zhì)組分的90%[3-6]。前人對(duì)稻米淀粉理化特性與食味品質(zhì)之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為直鏈淀粉含量(amylose content，AC)是影響稻米食味品質(zhì)的最主要因素，凝膠稠度(gel consistency，GC)和糊化溫度(gelatinization temperature，GT)也是重要影響因素[7]。參與淀粉生物合成的基因?qū)Φ久资澄镀焚|(zhì)起著重要的調(diào)控作用[8]，目前有20多個(gè)調(diào)控稻米淀粉生物合成的基因已經(jīng)鑒定和克隆，包括Wx[9]、ALK[10-13]、BEIIb[14]、RAG2[15]、SSG4[16]、Du1[17]、SSI[18]、SSII[19]、SSIII[11-12]、ISA[19]、AGPlar[19]、AGPiso[13]、PUL[19]等。

鑒于淀粉理化特性與稻米食味品質(zhì)性狀的關(guān)系，以往對(duì)稻米食味品質(zhì)的遺傳調(diào)控研究主要集中在直鏈淀粉含量、糊化溫度、凝膠稠度等間接理化指標(biāo)，對(duì)于稻米吸水率(water absorption，WA)、延伸率(cooked rice elongation，CRE)和膨脹率(volume expansion，VE)等蒸煮特性的遺傳調(diào)控研究較少。研究發(fā)現(xiàn)在煮熟的稻米中，高品質(zhì)的水稻品種具有更大的延伸長(zhǎng)度、更小的膨脹體積和吸水率[20]。已利用不同遺傳群體在1～12號(hào)染色體上定位到稻米吸水率、延伸率、膨脹率相關(guān)QTL(quantitative trait locus)[21-32]，多數(shù)QTL的效應(yīng)較小，少數(shù)效應(yīng)較大的QTL能在不同群體中重復(fù)檢測(cè)到，如姜樹坤等[29]利用粳粳交構(gòu)建的F2:3群體對(duì)稻米的延伸性進(jìn)行研究，共定位到8個(gè)與稻米延伸性相關(guān)的QTL，其中分布在第1、第2、第6和第11號(hào)染色體上的QTL與Tian等[21]、沈圣泉等[22]、張光恒等[23]、何予卿等[30]報(bào)道的QTL位置相同，這些研究為了解稻米蒸煮特性的遺傳特性提供了一定依據(jù)，但關(guān)于其分子調(diào)控機(jī)制仍有待研究。因此，挖掘不同遺傳資源中的稻米蒸煮特性相關(guān)QTL，不僅有助于深入了解稻米蒸煮特性的遺傳機(jī)制，也可為遺傳育種提供更多的優(yōu)異基因資源。本試驗(yàn)利用秈稻昌恢121和優(yōu)質(zhì)粳稻越光構(gòu)建的56個(gè)染色體片段置換系(chromosome segment substitute lines，CSSL)，對(duì)稻米蒸煮特性相關(guān)QTL定位及感官食味品質(zhì)相關(guān)性進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步挖掘控制稻米蒸煮特性的優(yōu)異等位基因，了解稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)之間的相互關(guān)系，為稻米品質(zhì)的遺傳改良提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究前期以秈稻品種昌恢121為受體親本，以優(yōu)質(zhì)粳稻品種越光為供體親本，經(jīng)3～5次回交和7～9次自交構(gòu)建了一套CSSL[33]，包含56個(gè)BC3F9、BC4F8和BC5F7株系，各株系遺傳穩(wěn)定，結(jié)實(shí)灌漿正常。其中受體親本昌恢121為江西農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻育種課題組選育的強(qiáng)優(yōu)勢(shì)秈稻恢復(fù)系，培育出農(nóng)業(yè)部超級(jí)稻淦鑫688等一系列強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交稻組合[34]；供體親本越光為日本優(yōu)質(zhì)粳稻品種，其口感柔軟富彈性，味道上佳。所有材料于2018年夏季在南昌江西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田種植。每個(gè)株系種植3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)種植3行，每行10株，株行間距分別為17和20 cm，田間管理遵循正常的水稻生產(chǎn)程序。

1.2 56個(gè)置換系的圖示標(biāo)記基因型

利用135個(gè)兩親本間有多態(tài)性的分子標(biāo)記對(duì)56個(gè)CSSL進(jìn)行基因分型，56個(gè)株系的基因分型結(jié)果見(jiàn)圖1。共135個(gè)有多態(tài)的分子標(biāo)記，包含99個(gè)簡(jiǎn)單序列重復(fù)標(biāo)記(simple sequence repeats，SSR)和36個(gè)序列標(biāo)簽位點(diǎn)(sequence - tagged site，STS)，均勻覆蓋在12條染色體上，覆蓋水稻全基因組的1 427.7 cM，平均間距為10.5 cM，最大間距為35.8 cM。

1.3 稻米蒸煮特性的測(cè)定

稻米蒸煮特性的測(cè)定參照劉宜柏等[35]和Tian等[21]的方法，并做適當(dāng)?shù)男薷?。每個(gè)株系隨機(jī)挑選15粒整精米，首先用游標(biāo)卡尺測(cè)量其長(zhǎng)、寬、厚，用電子分析天平稱重，取其平均值作為該株系米粒的粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚和粒重，蒸煮前米粒體積=蒸煮前米粒長(zhǎng)×米粒寬×米粒厚。然后將這15粒整精米轉(zhuǎn)移到試管中，加滿水后靜置30 min，于沸水浴中煮10 min，將米飯取出，用吸水紙吸干表面水分，轉(zhuǎn)移到墊有干濾紙的培養(yǎng)皿中，放入恒溫干燥箱(19℃)中干燥30 min使吸附在米飯表面的水分被完全吸干，分別測(cè)量米飯的長(zhǎng)、寬和厚，稱重，取平均值作為該株系蒸煮后米粒的粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚和粒重，蒸煮后米粒體積=粒長(zhǎng)×粒寬×粒厚。按下列公式計(jì)算稻米的吸水率、延伸率和膨脹率：

吸水率=(蒸煮后米粒重-蒸煮前米粒重)/蒸煮前米粒重×100%

(1)

延伸率=(蒸煮后米粒長(zhǎng)-蒸煮前米粒長(zhǎng))/蒸煮前米粒長(zhǎng)×100%

(2)

膨脹率=(蒸煮后米粒體積-蒸煮前米粒體積)/蒸煮前米粒體積×100%

(3)。

1.4 稻米蒸煮工藝流程及感官食味品質(zhì)的評(píng)定

稻米蒸煮工藝流程：稱取大米樣品300 g→淘洗2次除去雜質(zhì)和異味→注水量(米水比1∶1.2)→浸泡30 min→電飯煲蒸煮(電飯煲型號(hào)：CFXB-35A，生產(chǎn)商：中山市金美譽(yù)電器有限公司)→保溫15 min。感官食味品質(zhì)的評(píng)定主要按照GB/T 15682-2008糧油檢驗(yàn)稻谷、大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法[36]的評(píng)分方法二進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合該套CSSL材料特點(diǎn)進(jìn)行適當(dāng)修改。感官評(píng)分值參照張亞?wèn)|等[37]的方法，對(duì)米飯的外觀、香味、味道、口感及感官綜合評(píng)分與參照樣品(亙古絲苗)進(jìn)行比較，然后得出各株系的評(píng)價(jià)分。評(píng)價(jià)分為7個(gè)等級(jí)，分別為“相當(dāng)好、好、略好、相同、略差、差、相當(dāng)差”，記作3、2、1、0、-1、-2、-3分。感官評(píng)分值=70+平均得分×10，滿分為100分。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入、處理與作圖；顯著性使用SPSS 16.0進(jìn)行t檢驗(yàn)分析(P<0.01具有極顯著性差異，0.010.05不具有顯著性差異)。遺傳連鎖圖使用MapChart[38]軟件進(jìn)行繪制。利用QTL IciMapping 4.1軟件中的CSL程序(ICIM-CSL)[39-40]對(duì)稻米蒸煮特性進(jìn)行QTL檢測(cè)，將QTL的似然函數(shù)比值的對(duì)數(shù)(likelihood of odds，LOD)閾值設(shè)定為2.5，若LOD≥2.5，則認(rèn)為對(duì)應(yīng)區(qū)間存在目標(biāo)性狀的一個(gè)QTL。QTL的命名遵循McCouch[41]的原則。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本與CSSL感官食味品質(zhì)的比較

對(duì)親本與CSSL的感官食味品質(zhì)進(jìn)行比較(表1)，結(jié)果表明，除米飯外觀性狀在兩親本間未達(dá)到顯著性差異，其他感官食味品質(zhì)性狀在兩親本間均達(dá)到極顯著差異，尤其味道和口感在兩親本間存在較大差異，其中味道在昌恢121和越光的分值分別為-0.77和0.54，相差1.31。CSSL的感官食味品質(zhì)性狀均出現(xiàn)超親現(xiàn)象，變異系數(shù)(coefficient of variation，CV)在0.29%～4.09%之間，其中外觀、香味和味道的CV均大于1。

注：黑色方塊表示越光標(biāo)記基因型，白色方塊表示昌恢121標(biāo)記基因型，灰色方塊表示雜合標(biāo)記基因型，圖中左側(cè)表示56個(gè) CSSL株系的名稱，圖中上側(cè)表示水稻12條染色體號(hào)及12條染色體上包含的99個(gè)SSR標(biāo)記和36個(gè)STS標(biāo)記。Note: The black, white and gray areas represenTThe marker genotype of Koshihikari, Changhui121 and heterozygote, respectively,the left side of the figure shows the names of 56 CSSL lines, and the upper side of the figure shows the 12 chromosome numbers of rice and 99 SSR markers and 36 STS markers contained on the 12 chromosomes.圖1 56個(gè)CSSL株系的圖示標(biāo)記基因型Fig.1 Graphic marker genotype of 56 CSSL

表1 親本及CSSL的稻米感官食味品質(zhì)比較Table 1 Comparison of rice sensory eating quality between parents and CSSL

2.2 稻米蒸煮特性在CSSL和親本中的表現(xiàn)

由圖2可知，稻米的吸水率、延伸率和膨脹率在兩親本間具有明顯的差異，其中吸水率在兩親本之間的差異最大，并且其表型變異幅度也最大。吸水率、延伸率和膨脹率在56個(gè)CSSL中均存在廣泛的分離和超親變異。

2.3 稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

對(duì)稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)性狀間進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，發(fā)現(xiàn)稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)性狀之間無(wú)相關(guān)性，但蒸煮特性中的米飯吸水率、延伸率和膨脹率之間兩兩呈極顯著正相關(guān)，其中延伸率與膨脹率之間的相關(guān)系數(shù)最大，為0.79，表明吸水較多的稻米一般具有良好的延伸性；感官食味品質(zhì)中的米飯外觀、香味、味道、口感和感官評(píng)分之間兩兩呈極顯著正相關(guān)，其中口感和感官評(píng)分之間的相關(guān)系數(shù)最大，為0.96，表明口感對(duì)感官評(píng)分的影響較大。

注：C: 昌恢121，K: 越光。Note: C: Changhui 121. K: Koshihikari.圖2 稻米吸水率、延伸率和膨脹率在CSSL的分布Fig.2 Distribution of the water absorption, cooked rice elongation and volume expansion in the CSSL

表2 稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between cooked quality and sensory evaluation related traits of rice

2.4 稻米蒸煮特性的QTL定位

利用56個(gè)CSSL對(duì)米飯吸水率(WA)、延伸率(CRE)和膨脹率(VE)3個(gè)稻米蒸煮特性性狀進(jìn)行QTL定位，共檢測(cè)到4個(gè)QTL，分布于第8和第11號(hào)染色體上。其中qWA-8和qCRE-8位于第8號(hào)染色體RM5767標(biāo)記附近，表型貢獻(xiàn)率(contribution to the phenotypic variance，PVE)和加性效應(yīng)值(additive effect，Add)分別為25.05%、25.94%和-25.68、-8.00，兩者的增效等位基因均來(lái)自昌恢121；qCRE-11和qVE-11位于第11號(hào)染色體RM287標(biāo)記附近，表型貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng)值分別為27.95%、41.16%和8.30、30.31，兩者的增效等位基因均來(lái)自越光，其中qVE-11的LOD值和貢獻(xiàn)率均為最大，分別為6.33和41.16%，由此推測(cè)該位點(diǎn)可能為1個(gè)主效位點(diǎn)(表3)。

表3 利用56個(gè)CSSL檢測(cè)到的稻米蒸煮特性QTLTable 3 QTL for cookinGCharacteristics of rice detected by 56 CSSL

圖3 稻米蒸煮特性QTL在染色體上的位置Fig.3 Locations of the identified QTL for rice cooking quality on chromosome

2.5 親本及置換株系的稻米蒸煮特性比較

根據(jù)稻米蒸煮特性的QTL定位結(jié)果可知，qWA-8和qCRE-8定位于8號(hào)染色體RM5767標(biāo)記附近，由圖1中的56個(gè)CSSL基因分型圖譜可以發(fā)現(xiàn)，置換系X137在該區(qū)段插入了越光的染色體片段。觀察測(cè)定該株系的米粒長(zhǎng)度、米飯光澤度和米飯蒸煮特性，發(fā)現(xiàn)其米粒長(zhǎng)度比昌恢121短，米粒蒸煮前后的光澤度高于昌恢121(圖4)，其米飯的延伸率小于昌恢121，差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)，而米飯的吸水率與昌恢121間未達(dá)到顯著性差異，可能是其他代換片段的影響；qCRE-11和qVE-11定位于11號(hào)染色體RM287標(biāo)記附近，置換系X107該區(qū)段插入了越光的染色體片段。其米粒長(zhǎng)度比昌恢121短，而蒸煮后的米粒長(zhǎng)度比昌恢121長(zhǎng)，其米飯的延伸率和膨脹率與昌恢121間均存在極顯著差異(P<0.01)(圖4)。

注: A、B：置換株系X137的吸水率和延伸率；C、D：置換株系X107的延伸率和膨脹率。E、F：稻米蒸煮前和蒸煮后，坐標(biāo)紙每一個(gè) 小格的長(zhǎng)寬為1 cm；G：米粒外觀。E、F、G：從左至右分別表示為昌恢121、越光、置換系X137和X107；**表示差異極顯著(P<0.01)。Note: A、B: The water absorption rate and elongation rate of the replacement strain X137, respectively. C、D: The elongation and expansion rates of the replacement strain X107, respectively. E、F: Rice quality traits before and after cooking respectively, the length and width of each small grid on the coordinate paper is 1 cm. G: Grain appearance. E、F、G: Changhui121, Koshihikari, X137 and X107 respectively from lefTTo right. ** mean significant differences at 0.01 level.圖4 置換株系X137、X107與昌恢121之間的蒸煮特性表型比較Fig.4 Differences of phenotypic values of rice cookinGTraits between the strains of X137、X107 and Changhui121

3 討論

稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)作為稻米品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，越來(lái)越受到育種家的關(guān)注，但是關(guān)于稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還不夠完全。稻米蒸煮特性遺傳較為復(fù)雜，是由多個(gè)基因控制的復(fù)雜性狀[3, 42]。

本研究利用前期構(gòu)建的一套以秈稻昌恢121為受體親本和優(yōu)質(zhì)粳稻越光為供體親本構(gòu)建的CSSL，對(duì)稻米的吸水率(WA)、延伸率(CRE)和膨脹率(VE)進(jìn)行檢測(cè)，共檢測(cè)到4個(gè)QTL(qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11)。與前人的研究結(jié)果進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)8號(hào)染色體上檢測(cè)到的qCRE-8與fgr[43]基因緊密連鎖，該結(jié)果與Amarawath等[44]的研究結(jié)果一致。位于第11號(hào)染色體RM287標(biāo)記處的qCRE-11和qVE-11此前還未被報(bào)道過(guò)，為新鑒定的QTL，其中qVE-11的LOD值、貢獻(xiàn)率和加性效應(yīng)分別高達(dá)6.33、41.16%和30.31，推測(cè)該位點(diǎn)可能為1個(gè)主效位點(diǎn)，該位點(diǎn)的增效等位基因來(lái)自越光。本研究定位到的QTL位點(diǎn)的穩(wěn)定性仍需進(jìn)行多年多點(diǎn)的穩(wěn)定性鑒定。之后可利用X137和X107分別與昌恢121雜交構(gòu)建F2分離群體對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證和精細(xì)定位。

利用56個(gè)CSSL，共檢測(cè)到4個(gè)QTL，分布于第8號(hào)和第11號(hào)染色體上，其中8號(hào)染色體RM5767標(biāo)記附近同時(shí)檢測(cè)到控制米飯吸水率和延伸率的QTL(qWA-8和qCRE-8)；11號(hào)染色體RM287標(biāo)記附近同時(shí)檢測(cè)到控制米飯延伸率和膨脹率的QTL(qCRE-11和qVE-11)，這些QTL成簇分布可能由一因多效或基因連鎖引起，仍需進(jìn)一步確認(rèn)。通過(guò)對(duì)親本昌恢121與置換株系的蒸煮特性表型值進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)除置換qWA-8株系X137與親本昌恢121未出現(xiàn)顯著性差異，可能是受到其他代換片段的影響，qCRE-8、qCRE-11和qVE-11這3個(gè)位點(diǎn)被置換的株系均與昌恢121有顯著性差異(圖4)。通過(guò)分析親本昌恢121與置換株系的蒸煮特性表型值發(fā)現(xiàn)，置換了qWA-8和qCRE-8的X137株系的米粒長(zhǎng)度比昌恢121短，米粒蒸煮前后的光澤度高于昌恢121；而置換了qCRE-11和qVE-11的X107株系的米粒長(zhǎng)度比昌恢121短，蒸煮后的米粒長(zhǎng)度比昌恢121長(zhǎng)(圖3)。以上結(jié)果表明qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11的置換的確對(duì)親本昌恢121的蒸煮特性進(jìn)行了改良，利用這些位點(diǎn)對(duì)品種進(jìn)行改良有利于培育優(yōu)質(zhì)水稻品種。

稻米品質(zhì)性狀之間存在不同程度的相關(guān)性，某一性狀的改變可能導(dǎo)致其他性狀受到影響。Sood等[45]利用大量Basmati類型品種研究品質(zhì)性狀間的相關(guān)性，結(jié)果表明延伸性除與吸水性表現(xiàn)為顯著正相關(guān)外，與米粒大小、直鏈淀粉含量、糊化溫度及粗蛋白含量這些理化性狀無(wú)相關(guān)性。本研究與上述結(jié)果相似，CRE與WA表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，此外與VE呈極顯著正相關(guān)。同樣，本研究利用該套CSSL對(duì)WA、CRE和VE 3個(gè)稻米蒸煮特性與理化性狀進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)三者之間無(wú)相關(guān)性[46]。根據(jù)稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)感官食味品質(zhì)與蒸煮特性之間無(wú)相關(guān)性，但稻米蒸煮特性WA、CRE與VE之間兩兩呈極顯著正相關(guān)；稻米感官食味品質(zhì)性狀A(yù)P、ARM、TA、TE和EQ之間兩兩呈極顯著正相關(guān)。因此，在今后的品種改良和優(yōu)質(zhì)品種培育中，可以結(jié)合稻米品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性，對(duì)稻米品質(zhì)的目標(biāo)性狀進(jìn)行改良。

4 結(jié)論

本研究利用秈稻昌恢121為受體親本和優(yōu)質(zhì)粳稻越光為供體親本構(gòu)建的56個(gè)CSSL株系對(duì)WA、CRE和VE 3個(gè)稻米蒸煮特性進(jìn)行QTL定位及感官食味品質(zhì)相關(guān)性進(jìn)行研究。共檢測(cè)到4個(gè)蒸煮特性QTL，分別為qWA-8、qCRE-8、qCRE-11和qVE-11，其中qCRE-11與qVE-11為新鑒定的QTL。qVE-11的LOD值和貢獻(xiàn)率最高分別為6.33和41.16%，推測(cè)可能為1個(gè)主效位點(diǎn)。對(duì)感官食味品質(zhì)性狀與蒸煮特性進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，感官食味品質(zhì)與蒸煮特性之間無(wú)相關(guān)性，稻米蒸煮特性WA、CRE與VE之間兩兩呈極顯著正相關(guān)；稻米感官食味品質(zhì)性狀A(yù)P、ARM、TA、TE和EQ之間兩兩呈極顯著正相關(guān)。本研究利用一套秈粳雜交置換系分析稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)之間的關(guān)系，定位稻米蒸煮特性QTL，以期為揭示稻米蒸煮特性與感官食味品質(zhì)的遺傳調(diào)控機(jī)制和遺傳改良提供理論依據(jù)。