寒地节水抗旱水稻新种质食味品质研究

丁国华， 来永才， 孙世臣， 刘 凯， 曹良子， 周劲松， 洛 育， 杨 光，谢婷婷， 夏天舒， 孙 兵， 王彤彤， 白良明， 王雪扬， 王荣升，陈 磊， 姜 辉， 刘媛媛， 刘昊飞， 殷大伟， 湛立伟

(1.黑龙江省农业科学院/黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所/国家水稻耐盐碱技术创新中心东北分中心/农业农村部种养结合重点实验室/黑龙江省水稻品质改良与遗传育种工程技术研究中心/黑龙江省作物分子设计与种质创新重点实验室， 黑龙江 哈尔滨 150028；2.黑龙江八一农垦大学， 黑龙江 大庆 163000； 3.浙江勿忘农种业有限公司， 浙江 杭州 310026)

黑龙江是我国水稻生产大省，2019年水稻种植面积达381万hm2，总产2 663万t，分别占全国水稻面积和产量的12.9%、12.7%，对于保障我国口粮安全发挥了巨大作用[1]。同时，这也意味着巨大的水资源消耗。黑龙江省水资源总量和人均占比都较低，水资源总量约为810.3亿m3，人均水资源量约为2 160 m3，均低于全国平均水平，且空间分布不均匀，占全省耕地85%的松嫩平原、三江平原，水资源量仅占全省的50%[2]。随着黑龙江水稻的大力发展，井灌稻面积逐渐增加，仅黑龙江省垦区井灌稻面积就超过133万hm2，总产超过1 000万t，为国家粮食安全做出了巨大贡献[3]。但也带来了地下水超采严重的问题，形成了众多地下水漏斗[4]。黑龙江水稻可持续发展与否关系到国家口粮安全，在做好工程及农艺节水基础上，实现生物节水，提高单位面积水分的生产效率，从而节约水资源，是黑龙江水稻生产走生态环保、可持续发展的重要出路。节水抗旱优质水稻品种在其中扮演着关键角色。

据报道，节水抗旱水稻品种比普通水稻品种可节水50%以上，其中，典型代表品种是旱优73，在我国多省已有应用，取得了良好的经济效益和社会效益[5-9]。黑龙江属于寒地稻作区，特殊的地理位置决定了其特定的稻作生态环境，需培育适应当地生态条件的节水抗旱水稻品种。黑龙江原来种植的地方水稻品种“粳子”是旱稻的统称，具有高秆、易倒、抗旱性强、产量低等特点[10]，因为不能适应水稻生产发展而被逐渐淘汰。新时期的节水抗旱水稻既要具备水稻丰产性、节水抗旱性，又要具备优良的品质，否则无法适应市场，难以发挥更大的作用。

截至2020年，黑龙江省已审定(认定)568个水稻品种[11]，未见节水抗旱水稻品种，各单位一般都是对已审定品种进行抗旱性筛选，获得相对抗旱品种，在没有引入抗旱基因的条件下难以大幅提高水稻节水抗旱性。本团队长期从事水稻种质资源创新及育种研究，以黑龙江本地优良水稻品种与典型陆稻品种为资源材料杂交，经多环境、多压力及分子标记辅助选择，培育了适应寒地特殊稻作环境的节水抗旱水稻新品系[12]，本研究以这些新品系和黑龙江优良水稻品种为试材，初步研究了寒地节水抗旱水稻新材料品质特征，为其他育种工作者提供参考。

主成分分析法(PCA)已广泛应用于水稻食味品质和其他性状的评价中，荆瑞勇等[13]利用PCA法将来自不同地区的18个水稻品种按品质综合状况优劣分为4类，雷月等[14]利用PCA法分析了12个水稻品种蒸谷米品质，认为“玉针香”品质最佳；张巩亮等[15]利用PCA法和聚类分析评价了寒地30个水稻种质资源的抗旱性，最终将这些资源分为强抗旱型、抗旱型、中间抗旱型及旱敏感型4类；PCA分析可以从众多性状中解析出主要因素，简化评价过程，提高效率[16]。

本研究利用新创制的寒地节水抗旱水稻新品系和本团队培育的黑龙江首个国标一级米龙稻18为试材，利用主成分分析的方法评价各材料品质性状综合表现，以期为黑龙江省节水抗旱水稻品种培育提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为本团队创制的节水抗旱水稻新品系(913、914、917、921、928)及培育的优质品种龙稻18。

1.2 实验设计

试验于2020年在黑龙江省农业科学院水稻创新基地进行，地处东经126°49′，北纬45°50′，属中温带大陆性季风气候，作物生长季光照充足，雨热同期，水稻灌浆期昼夜温差大，无霜期140 d，年降雨量500 mm左右。土壤有机质含量33.1 g·kg-1，碱解氮含量122.6 mg·kg-1、速效磷含量68.2 mg·kg-1，速效钾含量139.1 mg·kg-1。4月15日采用旱育稀植方法育苗，每平方米播种量为450 g，5月15日移栽，纯氮、磷(P2O5)、钾(K2O)施用量均为140 kg·hm-2，氮肥做基肥和返青肥各施一半，磷钾肥全部做基肥施入，试验采用完全随机区组设计，每个品种6行，3次重复，行株距为29.7 cm×13.2 cm，其他管理同大田生产。

1.3 测定项目及方法

于水稻成熟期分小区收获，并测定稻谷产量和水分，按标准水含量计算各品种产量。每个重复取2 kg稻谷，常温保存3个月，待其理化特性稳定后，按《中国农业标准汇编 粮油作物卷》的标准测定品质。利用FC-2 K型实验砻谷机(YAMAMATO，日本)和VP-32型实验碾米机(YAMAMATO，日本)将样品加工成精米；利用1241型(FOSS公司)近红外谷物分析仪测定直链淀粉含量、蛋白质含量及食味值；利用STA-1 A型米饭食味计(佐竹公司，日本)测定外观、口感、综合评分；利用RHS-1 A型硬度黏度仪(佐竹公司，日本)测定黏度、硬度，各样品均重复3次。

1.3.1精米率

精米率(%)=(精米质量/稻谷质量)×100%(1)

1.3.2综合指标的隶属函数值

按式(2)计算综合指标的隶属函数值：

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

式中：xj为第j个综合指标(j=1, 2, …,n)；u(xj)为第j个综合指标的隶属函数值；xmax与xmin分别为第j个综合指标的最大、最小值[17]。

1.3.3综合指标权重

按式(3)计算综合指标权重：

式中：wj为第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；rj为各基因型第j个综合指标的贡献率[18]。

1.3.4不同水稻品种品质综合评价值

按式(4)计算综合评价值：

式中：D为不同水稻品种品质的综合评价值[19]。

1.4 数据分析

用Excel软件整理数据，用SPSS软件分析数据，用Prism软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水稻种质产量与品质分析

我国是人口大国，为保障国家粮食安全，对于口粮作物来说，产量永远是追求的主要目标。由图1可知，所创制节水抗旱材料中：921产量最高，极显著高于其他材料(p<0.01)，928次之，但仍极显著低于龙稻18(p<0.01)，914产量最低，极显著低于913、917、928(p<0.01)。由图2可知，917精米率最高，显著高于龙稻18(p<0.05)，其他各材料间无显著差异。以上结果说明，创制节水抗旱资源中不乏产量高、加工品质好的材料。

由图3、图4可知，914、921、龙稻18间直链淀粉含量无显著差异；913、917直链淀粉含量极显著高于其他材料(p<0.01)。对于蛋白质含量而言，917含量最低，但各材料间差异均不显著(p<0.05)。由此可知，对稻米食味品质影响最大的直链淀粉和蛋白质含量已不是创制节水抗旱材料的限制因子。

由图5、图6可知，917弹性平均值最大，显著高于龙稻18(p<0.05)，其他创制材料和龙稻18差异不显著，从黏度平均值来看，928最高，极显著高于其他材料(p<0.01)。

由图7、图8可知，917硬度平均值最小，龙稻18次之，二者无显著差异，其他材料硬度平均值极显著大于917、龙稻18。928平衡度平均值最大，显著大于其他材料(p<0.05)；龙稻18次之，显著大于913、914、921。

由图9、图10可知，921的口感和外观评分均最高，显著大于913、914、917和928，但与龙稻18无显著差异。

由图11可知，917食味评分最高，极显著高于其他材料，921食味评分最低，极显著低于龙稻18。从综合评分来看(图12)，921最高，显著大于917和龙稻18(p<0.05)，极显著大于913、914、928。

2.2 水稻品质性状相关性及主成分分析

由表1可知，外观与综合评分显著正相关，相关系数为0.877；口感与综合评分极显著正相关，相关系数为0.988。弹性、食味值与综合评分正相关，相关系数分别为0.567、0.492，但不显著。蛋白质含量与综合评分负相关，相关系数为-0.782，未达到显著水平。各种质品质指标高低是材料固有特性，同时某些品质指标间还具有一定相关性，无法用某一指标准确衡量材料间品质高低，因此，需要通过主成分分析评价不同水稻材料的品质。

表1 不同水稻材料品质指标之间的相关性分析

在PCA时，将与水稻品质负相关的指标取倒数后再进行计算，共有11个指标用于PCA，见表2。通过主成分分析，提取3个PC，累计方差贡献率达到92.186%，综合了这些材料品质指标的绝大部分信息，因此，可以用这3个PC代替上面11个指标评价供试材料的品质特征。将上述3个PC定义为：PC 1、PC 2、PC 3，由表4可知各主成分特征向量，并利用其品质指标标准化数据计算各材料综合指标值(表5)。

表2 不同水稻材料PCA品质指标值

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方差贡献率最大为49.3%，综合了蛋白质、弹性、直链淀粉含量；PC2方差贡献率为23.112%，主要综合了外观、口感、综合评分；PC3方差贡献率为19.774%，主要综合了硬度、食味值。

表3 PC的特征值、贡献率和累计贡献率

表4 PC的特征向量与载荷矩阵

2.3 不同水稻种质的品质性状综合评价

利用公式(2)计算各材料综合指标值的隶属函数值，由表5可知，水稻材料品质的所有综合指标的隶属函数值不尽相同，对于同一综合指标PC 1而言，928的u(x1)最大，921的u(x1)最小，说明928在PC 1综合指标上表现出的品质最好，921最差。对于同一综合指标PC 2而言，921的u(x1)最大，914的u(x1)最小，说明921在PC 2综合指标上表现出的品质最好，928最差。对于同一综合指标PC 3而言，917的u(x1)最大，928的u(x1)最小，说明917在PC 1综合指标上表现出的品质最好，928最差。

依据公式(3)和PC 1、PC 2、PC 3的贡献率(表3)，计算各综合指标权重，具体值见表5。

表5 不同水稻材料品质评价综合指标值、权重、隶属函数值、综合评价值及品质排序

各材料综合评价值计算依据公式(4)及各综合指标权重，通过综合评价值排序可知各材料品质性状综合表现由好到差排序为：917、928、龙稻18、913、921、914。

3 讨 论

水稻产量和品质均是复杂的数量性状，影响因素众多。本研究所涉及寒地节水抗旱水稻新材料在正常栽培条件下产量表现各异，其中，921产量最高，极显著高于其他材料，是寒地节水抗旱稻育种难得的高产资源。直链淀粉含量和蛋白质含量是影响水稻品质的两大要素，直链淀粉含量对淀粉的理化特性和米饭的食味品质起重要作用。崔晶等[20]研究指出，粳稻直链淀粉含量在15%～25%之间时，直链淀粉含量越低，越有利于米饭食味值提升，但ZHANG C Q等[21]研究认为，支链淀粉分支度是影响米饭质地和食味品质的关键因素。本研究中各材料直链淀粉含量均在上述范围内，917含量最高且显著高于龙稻18，但917食味值极显著高于其他材料，与崔晶等研究不一致，这可能是因为917具有相对较低的蛋白质含量；或是因为其支链淀粉分支结构更为优化，有待进一步研究。蛋白质是稻米中另一主要成分，占比为7%～12%。多数研究认为，米饭食味品质与蛋白质含量呈负相关关系，当蛋白质含量超过9%就会降低稻米食味品质，随着蛋白质含量的增加，米饭黏性和弹性降低，硬度变大，色泽变差，食味值变劣[22-24]。本研究中917蛋白质含量最低，与各材料差异均不显著，但食味值显著高于其他材料，硬度最低，弹性最高。说明总蛋白含量相似，蛋白质含量已不是限制各材料米质的主要因素，要进一步明确各蛋白质组分及结构对品质的影响。

本研究在分析各种质材料产量和主要品质指标的基础上，利用PCA法对各材料品质进行综合评价，得到了3个主成分，PC1方差贡献率最大，为49.3%，综合了蛋白质、弹性、直链淀粉含量等，与实际情况一致。鉴定出品质综合性状最好的节水抗旱水稻新种质917，为确定研究结果的准确性，进行了品尝鉴定，917米饭光泽度好、黏度、弹力适中，米饭不回生，品尝人员一致认为917米饭食味超过龙稻18[25]，很好地佐证了本研究的结果。本团队创制的节水抗旱新种质，将为黑龙江省寒地节水抗旱稻研究提供新的优异资源。