分子标记辅助选育香型软米水稻“上师大18号”

朱小方, 孙双燕, 曾文秀, 赵国超, 李建粤

(上海师范大学 生命科学学院 植物种质资源开发协同创新中心,上海 200234)

随着人民生活水平的提高和稻米市场的开放,全球市场对稻米食味品质都提出了更高的要求,优质稻育种成为水稻育种十分重要的研究方向[1-2].香型软米因其在蒸煮时有特殊香味,食用时米饭软滑、清香爽口,冷后不回生等特点,不仅受到消费者喜爱,而且在国际稻米市场上也享有特殊地位[3].TIAN等[4]研究发现有10 个基因位点对稻米食味品质指标影响较大,分别是:Wx,SSII-3,SBE3,AGPiso,SSIV-2,ISA,AGPlar,SSI,SSIII-2,PUL.其中,决定稻米直链淀粉含量和胶稠度的主效基因都是Wx,即蜡质基因.因此,蜡质基因被认为是影响稻米食味品质最重要的基因.

“光明粳2号”是由光明种业有限公司培育出的一种香粳型常规水稻.“光明粳2号”产量高,结实率高,在上海种植熟期也较早[5],但该水稻的稻米不是软米.本研究采用分子标记辅助常规育种技术,以“光明粳2号”水稻为转育亲本,成功选育出香型软米水稻“上师大18号”,并对“上师大18号”水稻主要农艺性状、产量性状和品质性状进行分析.培育新型软香型水稻新品系,符合目前市场对优质稻米的需求.

1 材料与方法

1.1 材 料

选取“光明粳2号”(审定编号:沪农品审水稻2013第003号)与“青香软粳”(审定编号:沪农品审水稻2014第004号)2种水稻,作为“上师大18号”水稻选育的亲本材料.

1.2 分子标记检测软米基因

取水稻幼嫩叶片,提取叶片总DNA.采用分子标记检测软米基因使用的聚合酶链式反应(PCR)引物序列,PCR扩增条件以及PCR产物酶切操作均参考文献[6].酶切产物使用2%(体积分数)琼脂糖凝胶进行电泳,电泳参数:120 V,30 min,溴化乙锭(EB)染色;取出凝胶在紫外成像仪上观察、照相.

1.3 主要农艺性状以及产量性状考查

水稻成熟时,在“光明粳2号”水稻和“上师大18号”水稻种植小区中,随机选取5棵单株,分别测量剑叶尖端至地面的高度(简称剑叶高度)和株高,调查每株的有效穗数、每株实粒数,计算结实率和总粒数,称量千粒重和单株重,最后进行方差统计分析.

1.4 稻米品质指标分析

取500 g“上师大18号”水稻稻谷,送农业部稻米及制品质量监督检验测试中心,进行稻米品质指标分析.

2 结果与分析

2.1 香型软米水稻选育过程

“光明粳2号”和“青香软粳”水稻都属于甜菜碱醛脱氢酶第二外显子突变类型的香稻.“青香软粳”水稻除了具有香味基因外,还含有软米基因[7].2012年3月,以上海光明种业有限公司许建华研究员惠赠的“光明粳2号”水稻为母本,以含有软米基因的水稻“青香软粳”为父本进行杂交,4月收获F1种子.同年5月种植F1种子.F1植株开花后,以“光明粳2号”水稻为母本,F1植株为父本进行回交,9月收获回交一代种子BC1F1.2012年12月在海南三亚种植BC1F1种子,2013年3月继续以“光明粳2号”水稻为母本,BC1F1为父本再次回交,4月得到BC2F1种子.2013年5月,在上海种植BC2F1种子,8月底至9月初又以“光明粳2号”水稻为母本,BC2F1为父本继续回交得到BC3F1种子.2013年12月,在海南三亚种植BC3F1种子,2014年4月收获BC3F2种子.在每一代进行回交前,都采用分子标记辅助对将要作为回交父本的植株进行软米基因检测,总是以具有软米基因的植株作为继续回交的父本.2014年5月,在上海大量种植BC3F2种子,在9月初考察BC3F2植株,选取开花时期与“光明粳2号”水稻接近的单株,取叶片进行软米基因检测,10月从软米基因纯合植株上收获BC3F3种子.2014年12月—2015年4月,在海南三亚以小区扩繁软米基因纯合单株的BC3F3种子,4月从各项农艺性状都一致的小区中混收BC3F4种子,并将其定名为“上师大18号”.

2.2 软米基因分子标记检测

WANG等[6]研究发现:软米水稻与非软米水稻在第4外显子+693处鸟嘌呤脱氧核苷酸/腺嘌呤脱氧核苷酸(G/A)存在差异.采用其报道的软米基因分子标记检测方法,水稻基因组DNA的PCR扩增产物长度为385 bp.含有软米基因水稻基因组DNA的PCR扩增产物经NlaⅢ内切酶消化后,能被剪切成215 bp和170 bp两种长度的DNA条带,而含非软米基因水稻基因组DNA的PCR扩增产物不能被NlaⅢ内切酶消化,仍为385 bp条带.

以“青香软粳”和“光明粳2号”两种水稻分别作为软型和非软型水稻的对照,分析了以“青香软粳”与“光明粳2号”为亲本杂交、回交和自交的植株.与“光明粳2号”水稻回交1次(BC1F1)、2次(BC2F1)和3次(BC3F1)的后代植株,利用软米基因分子标记检测,电泳图谱都呈现出2种不同的带型:1)只有385 bp的条带;2)同时具有385,215,170 bp的3条条带(图1).对于需要继续回交的植株,都是选择同时具有385,215,170 bp 3条条带,即软米基因呈杂合状态的植株.从含有杂合软米基因的BC3F1植株上收获BC3F2种子并种植,同样采用软米基因分子标记进行检测.BC3F2植株有3种带型:1)只有385 bp的条带;2)具有215 bp和170 bp 2条条带;3)同时具有385,215,170 bp 3条条带(图2).这3种带型植株的软米基因分别对应的是非软纯合、软型纯合和杂合3种基因型.

图1 “青香软粳”与“光明粳2号”杂交再回交后代植株软米基因检测图谱.M:100 bp标准分子质量DNA；1：“青香软粳”对照；2：“光明粳2号”对照；3～17：回交后代植株

图2 “青香软粳”与“光明粳2号” 杂交回交再自交后代植株软米基因检测图谱.M:100 bp标准分子质量DNA；1:“青香软粳”对照；2：“光明粳2号”对照；3～17：回交再自交后代植株

2.3 “上师大18号”和“光明粳2号”水稻主要农艺性状及产量性状分析

2017年5月,在上海种植香型软米水稻新品系“上师大18号”和“光明粳2号”水稻.分别在8月下旬和10月中旬考察了2种水稻的开花期和种子的成熟期.结果显示:2种水稻均在8月下旬开花.全生育期接近,均为148 d.水稻成熟后,在2个小区的中间各随机取5棵单株,测定并比较2种水稻的主要农艺性状和产量性状.

主要农艺性状检测结果显示:“上师大18号”水稻和“光明粳2号”水稻剑叶高度和单株有效穗数都比较接近,统计分析结果都没有显著差异(P>0.05)(表1).“上师大18号”水稻株高比“光明粳2号”水稻略矮,但经统计分析,两者之间也没有显著差异(P>0.05)(表1).比较“上师大18号”水稻和“光明粳2号”水稻涉及产量性状的每穗实粒数、结实率、千粒重、单株重,两者也都比较接近,统计分析差异也都不显著(P>0.05)(表2).

表1 “上师大18号”水稻和“光明粳2号”水稻主要农艺性状比较

注:相同小写字母上标表示差异不显著(P>0.05)

表2 “上师大18号”水稻和“光明粳2号”水稻产量性状比较

注:相同小写字母上标表示差异不显著(P>0.05)

2.4 稻米品质指标检测

“上师大18号”水稻稻谷经农业部稻米及制品质量监督检验测试中心分析,结果显示:糙米率为82.7%,整精米率为69.4%,垩白度为21%,透明度为3级,碱消值为6.5级,胶稠度为74 mm,直链淀粉质量分数为8.2%,精米率为74%,粒长为5.2 mm,长宽比为1.8,垩白粒率为77%,蛋白质质量分数为8.8%.

3 讨 论

我国稻种资源丰富,类型复杂,其中不乏口感与蒸煮性质相当优秀的品种,但多数稻米的食用品质目前还不够理想.而且,随着人民生活水平的提高和稻米市场的开放,优质米育种已成为水稻育种中十分重要的研究方向.软米是云南特有的优质米资源,其米质介于糯米与粘米之间[8].最近几年,香型软米也已越来越受到上海等周边地区百姓的喜爱,并且上海育种单位也已先后培育出适合本地种植的香型软米水稻[9-10].

随着分子标记技术的发展,目前已有较多研究者采用分子标记技术辅助培育各种水稻新品系[6,11-15].“南粳46”水稻是首个在江苏省利用分子标记辅助成功选育的香型软米水稻[6].胡大明等[9]在“南粳46”水稻中利用系统选育方法,获得熟期比“南粳46”水稻早大约4 d的香型软米水稻“青香软粳”.有报道显示,“南粳46”水稻和“青香软粳”水稻稻米直链淀粉含量分别为10.2%和8.7%[16].本研究获得的“上师大18号”水稻稻米直链淀粉含量为8.2%,也属于软米水稻.

近几年“南粳46”和“青香软粳”水稻在上海市种植的香型软米水稻中占有较大比例.在上海市5月种植,这两种水稻全生育期大约分别是157 d和153 d[17].本研究采用分子标记辅助方法选育了“上师大18号”水稻,其米质与“南粳46”和“青香软粳”水稻相似,都属于香型软米.“上师大18号”水稻全生育期只有148 d左右,比“青香软粳”水稻的育期缩短了5 d.“上师大18号”水稻的成功选育将为上海市推广生育期相对较短的香型软米水稻提供了选择.