基于三维空间下水稻粒形分类的探讨

2023-08-31张元虎张晓芳杨立来任廷渝谢海呈徐海峰

种子 2023年6期

张元虎, 张晓芳, 欧江, 杨立来, 任廷渝, 谢海呈, 徐海峰

(1.贵州省农业科学院水稻研究所, 贵阳 550006; 2.贵州开阳华楠馨农业发展有限公司, 贵阳 550307;3.湄潭县宫廷香米业有限责任公司, 贵州遵义 564101)

水稻是我国的主要粮食作物之一。贵州高原气候温凉,生态条件良好,水稻生育期特别是灌浆期比较长,因此非常适合优质稻米的生产。贵州水稻种植历史悠久,多个地区获得“贡米之乡”的美誉,有20多个县产过贡米,如遵义海龙贡米、湄潭茅贡米等[1]。目前贵州境内种植的优质水稻品种,以贵州省选育的大粒香、湖南省选育的玉针香为主,本土特色品种比较缺乏。

近年来,本课题组在特大粒水稻种质资源创新研究方面获得较大进展,利用湖南大粒王、大粒香、玉针香、金麻香粘、楠馨香米、坨坨糯、惠水黑糯米等稻种资源,用杂交育种的方式,创制了一批千粒重为38～65 g不同粒形的特大粒水稻材料,有的已在生产上应用,如稻谷粒长15.0 mm左右的超长粒香稻超长香1号,莽稻18号等新品系,具有贵州高原生态优质米玻璃质、晶莹剔透、羊脂白外观,米饭“软、糯、香、甜、弹”,油润爽口。2022年在湄潭县种植110亩(7.3 hm2),因此具有较好的经济效益。

水稻稻谷粒形不仅影响其千粒重,而且与稻米外观和品质密切相关[2]。千粒重由稻谷的粒长、粒宽、粒厚共同决定[3-4]。在育种实践中发现,稻谷粒厚影响很大,但在粒形分类上,并未将粒厚纳入分类指标[5]。为更直观表现出稻谷的粒形,明确提出粒形选种目标,指导育种工作,本课题组以近年来的选育材料为研究对象,结合原有长、宽、长宽比的指标,同时增加稻谷宽厚比及粒厚,提出在三维空间下的粒形进行分类。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为生产上应用的优质稻品种及选种材料,共计85份,详见表1。

表1 各品种(材料)千粒重、粒长、粒宽、粒厚及长宽比、宽厚比Table 1 The thousand-grain weight,grain length,grain width,grain thickness,grain length to width ratio and width to thickness ratio of the rice varieties (materials)

1.2 方法

1.2.1谷粒千粒重测定

测量仪器:电子天平,型号为BY101,上海百鹰衡器有限公司生产。

每份材料选取200粒饱满种子,用电子天平称重,换算成谷粒千粒重,精确至0.1 g。

1.2.2谷粒粒长、粒宽、粒厚的测定

测量仪器:游标卡尺,型号为MNT-300,上海美耐特实业有限公司生产。

谷粒粒长测定:随机选取20粒饱满谷粒,每次随机选取其中10粒谷粒,将其竖排成直线,用游标卡尺测量从第1粒谷粒的护颖基部到第10粒谷粒的最长颖(外颖或内颖)顶端的总长度(不包括芒),然后换算成单粒长度,重复2次,计算平均值,精确至0.01 mm。

谷粒宽度测定:随机选取20粒饱满谷粒,每次随机选取其中10粒谷粒,按内颖左侧、外颖右侧相连横排,用游标卡尺测量第1粒谷粒内颖到第10粒谷粒外颖最宽部的总宽度,然后换算成单粒宽度,重复2次,计算平均值,精确至0.01 mm。

谷粒厚度测定:随机选取20粒饱满谷粒,每次随机选取其中5粒谷粒,按内外颖中间最后部分相连横排,用游标卡尺测量第1粒谷粒到第5粒谷粒的内外颖中间最厚的总厚度,然后换算成单粒厚度,重复4次,计算平均值,精确至0.01 mm。

1.2.3粒形分类方法

传统的粒形分类方法有两种[6],即按照谷粒长度以及谷粒长宽比进行分类。按照谷粒长度分类:短(粒长<7 mm)、中(粒长7.1～8.0 mm)、长(粒长8.1～9.0 mm)、特长(粒长9.1 mm以上)等类型。按照谷粒长宽比分类:长宽比在1.8倍以下为短圆;1.81～2.2倍为阔卵;2.21～3.0倍为椭圆;3.1倍以上为细长。

1.3 数据分析

采用SPSS2.0 软件进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 各品种(材料)千粒重、粒长、粒宽、粒厚情况

各品种(材料)千粒重、粒长、粒宽、粒厚及长宽比、宽厚比详见表1。85份材料中,千粒重范围为19～65.2 g,其中40 g以上的材料有49份,超过50 g的有26份,占总数量的30.6%,均为本课题组近年来育成的新品系及选种材料,最重的为562-9(65.2 g)。

所有材料谷粒粒长在6.61～17.11 mm之间,除农虎禾、坨坨糯2份材料外,其余材料谷粒粒长均大于9.1 mm。一般稻谷粒长变异范围为6～15 mm[7],该批材料中粒长超过15 mm的有17份,最长的为386-2(17.11 mm),表明该批选育材料整体粒形特长。

谷粒粒宽在2.28～4.34 mm之间,一般稻谷粒宽变异范围为1.9～3.7 mm[3],该批材料中粒宽超过3.8 mm的有5份,最宽的为138-2(4.34 mm)。

粒厚在1.79～2.74 mm之间,有76份材料谷粒粒厚均大于2.2 mm。一般稻谷粒厚变异范围为1.5～2.2 mm[3],该批材料中粒厚超过2.4 mm的有39份,占总数量的45.9%,最厚的为235-1(2.74 mm),表明该批粒厚材料较多。

2.2 谷粒千粒重与粒长、粒宽、粒厚的相关性分析

从表2可知,谷粒千粒重与粒长、粒厚呈极显著正相关,相关系数分别为0.654,0.631,与粒重呈显著正相关,相关系数为0.258。

表2 千粒重与粒长、粒宽、粒厚等相关性分析Table 2 Correlation analysis of thousand-grain weight with grain length,grain width and grain thickness

2.3 谷粒长度与粒宽、粒厚之间的相关性分析

粒长与粒宽呈极显著负相关,相关系数为-0.414。粒长与粒厚呈正相关,但不显著,相关系数为0.23。粒宽与粒厚呈极显著正相关,相关系数为0.726。

2.4 千粒重与长宽比、宽厚比的相关性分析

千粒重与长宽比呈显著正相关,相关系数为0.261。千粒重与宽厚比呈负相关,不显著,相关系数为-0.17。

2.5 各品种(材料)粒形分类情况

85份材料各品种粒形分布情况如表3所示。

表3 各品种(材料)粒形分布情况Table 3 Grain shape distribution of the rice varieties (materials)

2.5.1按谷粒长度分类

除坨坨糯谷粒长度为6.61 mm,粒形为短形;农虎禾谷粒长度为7.98 mm,粒形为中长形外;其余均在9.1 mm以上,属于特长粒形,占比达97.65%。

2.5.2按谷粒长宽比分类

粒形为椭圆的品种占比为11.77%,谷粒长宽比在2.21～3.0倍之间,如大粒香、莽稻1号、14F1、133F1、138-1、152-1、572-1、572-4、138-2等;粒形为细长,谷粒长宽比均在3.1倍以上,占比达85.88%;另有坨坨糯谷粒长宽比为1.76倍,粒形为短圆;农虎禾谷粒长宽比为2.12倍,粒形为阔卵。

3 讨论

3.1 基于三维空间下的粒形分类

水稻粒形分类目前按照谷粒长度,即“一维空间”。按照谷粒长宽比,即长度、宽度形成的平面模式,即“二维空间”两种分类方法。

在育种实践过程中发现,粒厚对千粒重的影响很大,在该批材料中也呈极显著正相关,而在粒形分类上都忽略了这一重要指标,所以本研究根据谷粒长、宽、厚所形成的“三维空间”提出了一种新的水稻粒形分类方法。

参照谷粒长宽比,根据谷粒的宽厚比(即谷粒宽度与厚度的比例)及粒厚分为四种粒形,在该批材料中分布情况详见表3。

第一种细圆柱形(图1),谷粒长宽比≥3.0,宽厚比≤1.2,粒厚<2.4 mm的粒形,如玉针香、象牙香占、超长香1号等,在该批材料中占比为8.24%。

图1 细圆柱形(玉针香)粒形Fig.1 Schematic diagram of thin cylinder(Yuzhenxiang) grain shape

第二种粗圆柱形(图2),谷粒长宽比≥3.0,宽厚比≤1.2,粒厚≥2.4 mm的粒形,如莽稻18号、571-1、386-2等,在该批材料中占比为7.06%。

图2 粗圆柱形(562-13)粒形Fig.2 Schematic diagram of thick cylinder(562-13) grain shape

第三种椭圆柱形(图3),谷粒长宽比≥3.0、宽厚比>1.2的粒形,如金麻粘、莽糯2号等,在该批材料中占比最多,为70.59%。

图3 椭圆柱形(562-9)粒形Fig.3 Schematic diagram of elliptical cylindrical(562-9) grain shape

第四种鹅卵石形(图4),谷粒长宽比<3.0的粒形,如大粒香、农虎禾、莽糯1号、572-4等,该批材料中占比为14.12%。

图4 鹅卵石形(坨坨糯)粒形Fig.4 Schematic diagram of pebble-shaped (Tuotuo nuo) grain shape

3.2 三维空间下水稻粒形分类意义

本课题组在特大粒水稻种质资源创新过程中,千粒重、粒长、粒宽、粒厚均不断增加。育种实践表明,通过三维空间下粒形分类,确立以增加粒宽、粒厚的粗圆柱形材料为粒形育种方向。

3.2.1更直观地表现稻谷粒重,提高选种效率

稻谷长粒,千粒重不一定大;选择粒宽、粒厚的材料更容易增加千粒重,而粒宽材料垩白较大,影响外观米质,选择粒较厚,兼顾粒长,粒宽,即粒形为粗圆柱形材料,可加快优质特大粒水稻种质创制。

3.2.2粒形育种方向为选择粗圆柱形材料

1) 粗圆柱形材料能够增加千粒重,提高产量。粗圆柱粒形材料谷粒长宽比≥3.0,宽厚比≤1.2,粒厚≥2.4 mm,千粒重一般在40 g以上,如莽稻18号为40.5 g、571-1为50.7 g、386-2为50 g等。

2022年在湄潭县永兴镇湄潭县宫廷香米业有限责任公司水稻试验基地进行5个品种3次重复的品种比较试验,莽稻18号产量为545 kg/667 m2,对照玉针香产量为495 kg/667 m2,莽稻18号增产50 kg/667 m2,增产率10.1%,达显著水平;超长香1号产量为520 kg/667 m2,比对照玉针香增产25 kg/667 m2,增产率5.1%。

2) 粗圆柱形材料能够增加稻谷在碾磨过程中的抗压力,提高刚度。根据抗压强度р=P/A,р为抗压强度(单位:kg/cm2),P为压力(单位:kg),A为剖面面积(单位:cm2),增加稻谷的粒宽、粒厚,实际上就是增加稻谷的剖面面积,从而增加稻谷的抗压力。刚度是物体产生单位变形所需的外力值,与物体的材料性质、几何形状、边界支持情况以及外力作用形式有关。在稻谷加工过程中一方面要选择淀粉积累缜密,无或垩白极少,具有玻璃质的材料,另外粗圆柱粒形更具备抵抗摩擦滚动等变形的能力,提高整精米率,与徐正进等[8]的研究结论一致。如何提高稻米的整精米率,从而提高碾磨品质,需要进一步研究。

3) 粗圆柱形材料稻米、米饭外形更美观。籼稻食味与粒长、长宽比均达极显著正相关[9],粗圆柱形稻谷所生产的稻米吸水均匀,有利于蒸煮,稻米、米饭外形更漂亮,口感更好。如何提高稻米蒸煮品质、食味品质需要进一步研究。