籼型细胞质对粳稻杂交后代F1 稻米品质的影响

刘猷红 唐傲 张喜娟 董文军 刘凯 王文龙 徐英哲 孟英* 来永才*

（1黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所/黑龙江省作物分子设计与种质创新重点实验室，哈尔滨 150086；2 国家耐盐碱水稻技术创新中心东北中心，哈尔滨 150086；3 黑龙江省农业科学院，哈尔滨 150086；4 东北农业大学 农学院，哈尔滨 150030；第一作者：liuyouhong1011@126.com；*通讯作者：18645146186@163.com，yame0451@163.com）

水稻是世界主要粮食作物之一，其90%以上分布在亚洲，稻米是亚洲超过60%以上人口的主食[1-2]。亚洲栽培稻（Oryza sativa）分为籼和粳两个亚种，粳稻约占10%，主要集中在中国、韩国和日本[3]，中国粳稻的主产区在东北三省和江苏省。基于理想株型和籼粳杂交优势理论的利用，籼粳杂交稻为我国粮食安全做出了巨大贡献[4]。籼型血缘的引入在提高东北粳稻产量潜力的同时会影响其稻米品质性状，而有关稻米品质遗传研究大多集中在细胞核遗传上，对细胞质遗传对品质性状的影响研究则较少。多数研究认为，籼型杂交稻稻米品质性状受母体基因型和胚乳基因型控制，还可能存在细胞质效应[5-7]。徐辰武等[8]研究了籼粳正反交细胞质对杂种稻米品质的影响，结果表明，籼稻的细胞质对直链淀粉含量有一定的作用。也有研究认为，北方粳稻某些稻米品质性状受母体或细胞质遗传体系控制[9-10]。林建荣等[11]和PEYMAN 等[12]利用正反交方法进行研究，结果表明，细胞质效应对稻米品质具有极显著影响，但环境与细胞核的互作也不能忽视。由于生物体的基因是在环境条件作用下表达的，环境条件的不同可能导致基因表达方式或程度有一定差异[13-14]。以往，多数学者针对的是杂交稻不育系细胞质效应和常规粳稻具有籼型血缘的细胞核遗传效应的研究，而对具有籼型血缘的东北粳稻细胞质对稻米品质的影响鲜有研究报道。本研究利用细胞质籼粳特异分子标记对东北粳稻细胞质进行籼粳类型鉴定，再以籼质粳核材料与粳质粳核材料构建双列杂交群体，解析籼型细胞质对粳稻品质性状的遗传效应，旨在为东北粳稻品质遗传改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取8 份东北地区主栽粳稻品种用于细胞质基因组的籼粳差异位点的分子鉴定，以9311 和日本晴作为对照，进而确定每个品种的细胞质基因组的籼粳属性。

选择出4 份籼型细胞质类型粳稻沈农9816（P1）、沈农265（P2）、沈农9741（P3）和辽粳454（P4）与4 份粳型细胞质类型粳稻龙稻18（P5）、绥粳18（P6）、龙粳31（P7）、龙粳47（P8）于2019 年进行不完全双列杂交，配制正反交组合24 个（表1）。

表1 构建24 个正反交材料

1.2 试验设计

不完全双列杂交于2019 年在黑龙江省农业科学院民主试验园区试验田（E1）和沈阳农业大学水稻研究所试验田（E2）种植，随机区组排列，3 次重复，每份材料插植5 行，每丛插单苗，每行10 丛。行株距30.0 cm×13.3 cm。4 月育苗，5 月移栽，田间管理同大田生产。

1.3 测定内容与方法

1.3.1 PCR 反应体系的建立

根据籼粳差异片段序列比对方法合成2 个籼粳特异性线粒体引物P1（5’- TGAGACCCGCCCACTATTAC-3’）和P2（5’- CATATAGATCGGAACCCGGA -3’），命名为分子标记mt1，按照赵林森[15]方法（CTAB）提取DNA，再以琼脂糖凝胶电泳检测DNA。PCR 反应体系为：PCR 扩增总体积为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 补充。扩增程序为：94 ℃预变性4 min，接着94 ℃0.5 min，55 ℃40 s，72 ℃1 min，40 个循环；最后延伸72 ℃7 min。扩增产物用3%的琼脂糖凝胶电泳检测，最后紫外凝胶成像检测。

1.3.2 稻米品质测定

水稻成熟期籽粒收获后在室内储藏3 个月，采用大竹FC2K 型砻谷机加工稻谷，测定糙米率；用Kett 精米机加工后称重，测定精米率；整精米率和外观品质（垩白粒率和垩白度）采用万深SC-E 型稻米品质分析仪测定。蒸煮与食味品质（直链淀粉含量、蛋白质含量和食味值）及营养品质（蛋白质含量）采用佐竹RCTA11A 型米粒食味计测定。

1.4 数据分析

用Excel 2007 软件整理和录入数据，用SPSS 20软件进行数据分析，LSD0.05法进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 东北粳稻细胞质籼粳属性

从图1 可以看出，利用分子标记mt1 对8 份东北粳稻的线粒体基因组进行PCR 扩增的目的片段有籼粳差异，可以作为细胞质籼粳分型的分子标记。以典型籼稻9311 和典型粳稻日本晴为对照，分子标记mt1 扩增目的片段籼型mtDNA 为1 223 bp，而粳型mtDNA为729 bp，籼粳差异片段大小为494 bp；粳型mtDNA的扩增产物在电泳条带上领先于籼型mtDNA；通过对线粒体分子标记mt1 的扩增片段长度差异比较可知，沈农265、沈农9741、沈农9816 和辽粳454 的带型与典型籼稻9311 带型一致。表明这4 个常规栽培粳稻品种线粒体为籼型。龙稻18、绥粳18、龙粳31 和龙粳47的带型与典型粳稻日本晴带型一致，为粳型线粒体。

图1 线粒体DNA 的PCR 检测结果

2.2 东北粳稻亲本及杂交后代稻米品质性状表现及差异性检验结果

将供试遗传群体在不同环境下稻米品质性状的平均值列于表2，差异性分析结果列于表3。方差分析表明，在哈尔滨和沈阳不同生态环境下，供试遗传材料8个稻米主要品质指标在不同生态区均达极显著差异，品质指标遗传变异幅度均表现为环境最大，此外除蛋白质含量和食味值品种间差异小于品种与环境互作，其余品质指标均是品种大于其与环境互作。

表2 供试材料稻米品质性状平均值

表3 杂交后代F1 主要稻米品质指标F 值方差分析

2.3 杂交后代F1 稻米品质相关性分析

由表4 可以看出，就籼质粳核材料而言，在哈尔滨点，直链淀粉含量与食味值极显著正相关，而精米率、整精米率和蛋白质含量与食味值呈显著或极显著负相关；在沈阳点未找到相关指标具有显著正向遗传效应，蛋白质含量与食味值极显著负相关，糙米率和精米率与食味值显著负相关。就粳质粳核材料而言，两试验点均得出直链淀粉与食味值呈极显著正相关，蛋白质含量、垩白粒率、垩白度与食味值呈极显著负相关，且蛋白质含量的相关性最大。说明在适宜的范围内通过增加直链淀粉含量和降低蛋白质含量有利于提高稻米口感。

表4 不同细胞质类型杂交后代F1 的稻米品质与食味值的相关分析

由表5 可以看出，在两试验点，籼质粳核材料蛋白质含量显著低于粳质粳核材料，而大多稻米加工品质和蒸煮食味品质高于粳质粳核材料，说明籼型细胞质基因和核质互作基因可能有利于提高稻米加工和食味品质。哈尔滨试点参试粳稻材料的垩白粒率、垩白度和蛋白质含量均显著低于在沈阳试点种植的相同类型材料，而直链淀粉含量显著高于沈阳试点。说明不同类型材料的稻米品质受环境影响较大。

表5 不同细胞质类型粳稻品质性状分析

3 讨论与结论

以往的研究多针对叶绿体籼粳分化位点的基因型进行鉴定，ORF69 是一种鉴定水稻细胞质籼粳分型的特殊分子标记[16-17]。为了进一步验证细胞质籼粳分型的准确性，采用籼粳序列比对方法开发设计了线粒体籼粳差异引物，本研究筛选到4 份粳稻品种的细胞质为籼型，这种粳核籼质基因组组合模式并非有意创制，而是地区生态适应性与育种选择的结果。

在东北粳稻育种实践中，籼粳交杂种优势利用在提高东北粳稻产量的同时，也逐渐改善其稻米品质，以往的研究多集中于细胞质效应对产量相关性状影响上[18-21]，而关于细胞质效应对籼粳交品种稻米品质的影响则研究较少。细胞质遗传效应常用的研究方法是双列杂交比较差异法[22-24]，而细胞质效应的分析常见于杂交稻方面的研究。石春海等[23]研究认为，杂交水稻稻米营养品质性状杂种优势的表现还受到除种子和母体核基因之外遗传效应的影响，细胞质遗传效应对稻米品质性状杂种优势的表现有着不可忽视的作用。朱满山等[24]研究结果表明，不育系细胞质效应对杂种F1的米粒长宽比、垩白粒率、垩白度和直链淀粉含量有显著影响，且因质核互作效应的不同存在组合的特异性。本研究结果表明，籼质粳核材料的稻米品质优于粳质粳核材料，尤其是稻米加工品质和食味值，而食味值与直链淀粉含量呈正相关性，与蛋白质含量呈极显著负相关。由于试验点地理环境不同，不同试验点籼型细胞质遗传效应影响不同的稻米指标，说明品质指标受环境影响较大，但在同一试验点细胞质效应和核质互作效应显著。

本研究利用正反交方法初步研究了细胞质遗传效应对稻米品质的影响，由于控制稻米品质的一些细胞质基因也与核基因一样产生了某些分化，现有的水稻细胞质中存在一些会使米质变优的基因，下一步研究需构建同核异质系群体深入挖掘影响稻米品质的相关基因。本研究结果对于提高东北粳稻稻米品质性状的杂种优势分析效果和组合选配具有一定指导意义。因此，在今后的优质稻育种中，应该注重核质匹配的选育工作。