江蘇省粳稻淀粉合成相關(guān)基因等位變異檢測(cè)及其對(duì)稻米理化指標(biāo)的影響

余 波， 楊 軍， 胡慶峰， 林添資， 景德道， 錢華飛， 李 闖， 曾生元， 孫立亭， 杜燦燦， 龔紅兵

(江蘇丘陵地區(qū)鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇句容 212400)

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)稻米食味品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，已不僅僅是飽腹，更重要的是營(yíng)養(yǎng)健康，優(yōu)質(zhì)食味稻米的市場(chǎng)需求越來(lái)越大，優(yōu)質(zhì)食味水稻新品種的選育已成為我國(guó)水稻育種最重要的研究方向之一。因此，從分子水平探究稻米食味品質(zhì)形成的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，明確水稻食味品質(zhì)基因的遺傳效應(yīng)，對(duì)優(yōu)質(zhì)食味水稻品種的選育具有重要的指導(dǎo)意義。

影響水稻蒸煮食味品質(zhì)的3項(xiàng)重要指標(biāo)分別是直鏈淀粉含量(AC)、膠稠度(GC)和糊化溫度(GT)。一般認(rèn)為具有低直鏈淀粉含量、高膠稠度、低糊化溫度的稻米具有較好的蒸煮食味品質(zhì)。大量研究表明，稻米蒸煮食味品質(zhì)除受主效基因控制外，還受其他稻米食味品質(zhì)相關(guān)基因的影響。為了探明江蘇省粳稻不同淀粉合成相關(guān)基因的基因型以及不同基因型組合對(duì)稻米品質(zhì)形成的影響，本研究利用分子標(biāo)記檢測(cè)技術(shù)，在江蘇省粳稻()的遺傳背景條件下，對(duì)203份江蘇省粳稻預(yù)試材料(2015年)的9個(gè)重要蒸煮食味品質(zhì)相關(guān)位點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)，包括8個(gè)基因編碼區(qū)和1個(gè)基因第1內(nèi)含子上游-1216 處(5‘UTR)的CT重復(fù)數(shù)，并分析其中2個(gè)基因位點(diǎn)(、)的基因型及其組合對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)形成的影響，期望為稻米蒸煮食味品質(zhì)改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2015年參加江蘇省粳稻預(yù)備試驗(yàn)的203個(gè)品系(直鏈淀粉含量大于14%)，其中中熟中粳稻75份，遲熟中粳稻86份，早熟晚粳稻42份。

1.2 方法

1.2.1 食味品質(zhì)數(shù)理化數(shù)據(jù)檢測(cè) 按農(nóng)業(yè)農(nóng)村部(原農(nóng)業(yè)部)標(biāo)準(zhǔn) NY 147—1988《米質(zhì)測(cè)定方法》測(cè)定稻米直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值(ASV)。檢測(cè)結(jié)果來(lái)源于2015年江蘇省區(qū)試匯總總結(jié)。

1.2.2 分子標(biāo)記的選擇 參考前人報(bào)道，選取與水稻食味品質(zhì)相關(guān)的9個(gè)基因(、、、、、、、、)及其相應(yīng)的分子標(biāo)記用于試驗(yàn)材料基因型的多態(tài)性分析(表1)。相關(guān)引物由南京金斯瑞生物科技股份有限公司合成。

表1 蒸煮食味品質(zhì)相關(guān)基因分子標(biāo)記

1.2.3 DNA的提取與PCR的擴(kuò)增 所有水稻材料取分蘗盛期幼嫩葉片，利用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)法進(jìn)行基因組DNA的提取。PCR擴(kuò)增體系包括1 μL 10×緩沖液，0.2 μL 25 mmol/L dNTPs，2 μL 2 pmol/μL 引物，1 μL 5 U/μL酶，1 μL 模板DNA，去離子水4.8 μL。PCR反應(yīng)程序：94 ℃ 5 min；94 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 40 s，34個(gè)循環(huán)；72 ℃ 10 min；10 ℃ 保存。PCR產(chǎn)物由6%聚炳烯酰胺凝膠電泳檢測(cè)鑒定。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 研究所得數(shù)據(jù)采用常用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 江蘇省粳稻蒸煮食味品質(zhì)相關(guān)位點(diǎn)的基因型分析

如表2所示，203份試驗(yàn)材料中，、僅存在1種類型的等位基因，、、、、只有1～3份材料含有不同基因型的等位基因。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因可能有2個(gè)，第1個(gè)原因可能是在品質(zhì)選育方面，江蘇育成的粳稻基因相對(duì)保守，序列變異性較低，相似度較高；第2個(gè)原因可能是用于檢測(cè)、、、、、、的分子標(biāo)記還不足以區(qū)分相關(guān)基因等位變異。

表2 江蘇粳稻食味品質(zhì)相關(guān)位點(diǎn)的基因型分析

2.2 江蘇省粳稻直鏈淀粉含量、膠稠度、堿消值的變異

由表3可見(jiàn)，75份中熟中粳粳稻材料AC分布在14.6%～19.0%之間，平均值為16.60%，變異系數(shù)為5.54%；GC分布在50.00～89.00 mm之間，平均值為66.44 mm，變異系數(shù)為13.04%；ASV分布在3.00～7.00級(jí)之間，平均值為6.07級(jí)，變異系數(shù)為12.83%。86份遲熟中粳常規(guī)粳稻品系的 AC分布在14.60%～19.90%之間，平均值為16.77%，變異系數(shù)為7.11%；GC分布在52.00～83.00 mm之間，平均值為69.99 mm，變異系數(shù)為9.89%；ASV分布在3.00～7.00級(jí)之間，均值為6.39級(jí)，變異系數(shù)為8.39%。42份早熟晚粳常規(guī)粳稻品系的 AC分布在15.60%～20.00%之間，平均值為17.89%，變異系數(shù)為5.19%；GC分布在50.00～80.00 mm之間，平均值為64.07 mm，變異系數(shù)為11.02%；ASV分布在 3.20～7.00級(jí)之間，平均值為6.39級(jí)，變異系數(shù)為9.69%。

表3 203份參試材料食味品質(zhì)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.3 不同等位基因在蒸煮食味品質(zhì)形成中的效應(yīng)分析

2.3.1位點(diǎn)不同等位基因?qū)χ辨湹矸酆康挠绊?來(lái)源于(CT)的等位基因有減少AC的效應(yīng)(表4)。位點(diǎn)對(duì)不同生態(tài)型參試材料的AC效應(yīng)一致，而GC、ASV的效應(yīng)有所不同，可能該位點(diǎn)與GC、ASV指標(biāo)不相關(guān)。來(lái)源于(CT)的等位基因使中熟中粳、遲熟中粳和早熟晚粳的直鏈淀粉含量分別降低了0.43百分點(diǎn)，差異達(dá)顯著水平(<0.05)、0.23百分點(diǎn)(差異不顯著)、0.02百分點(diǎn)(差異不顯著)。(CT)對(duì)不同生態(tài)型參試材料的AC基因效應(yīng)大小不同，但方向一致。

表4 WxCT位點(diǎn)不同等位基因?qū)φ糁笫澄镀焚|(zhì)的影響

2.3.2位點(diǎn)不同等位基因?qū)χ辨湹矸酆康挠绊憣?duì)稻米直鏈淀粉的合成具有微效作用，來(lái)源于的等位基因有減少AC的作用(表5)。等位基因?qū)?種生態(tài)型參試材料的基因效應(yīng)方向一致，使中熟中粳、遲熟中粳和早熟晚粳的直鏈淀粉含量分別降低了0.08、0.17、0.14百分點(diǎn)，但差異均未達(dá)顯著水平。

2.3.3位點(diǎn)不同等位基因?qū)δz稠度的影響 來(lái)源于的等位基因有增加GC的作用(表5)。等位基因?qū)?種生態(tài)型粳稻材料的基因效應(yīng)方向一致，使參試材料中的遲熟中粳和早熟晚粳膠稠度分別增加3.15、8.15 mm，差異達(dá)顯著水平(<0.05)。膠稠度高于，且早熟晚粳基因效應(yīng)最強(qiáng)，差異達(dá)到極顯著水平(<0.01)。

表5 SSIIIa位點(diǎn)不同等位基因?qū)φ糁笫澄镀焚|(zhì)的影響

2.3.4、間的互作效應(yīng)對(duì)直鏈淀粉含量的影響 對(duì)比(CT)、(CT)、(CT)、(CT)等4種基因型組合粳稻直鏈淀粉含量的差異，分析、間的互作效應(yīng)對(duì)直鏈淀粉含量的影響(表6)。在具有(CT)基因型情況下，基因型的遺傳效應(yīng)與相比，直鏈淀粉含量中熟中粳、遲熟中粳和早熟晚粳分別降低了0.47、0.56、0.17百分點(diǎn)；在具有基因型情況下，(CT)基因型遺傳效應(yīng)與(CT)相比，直鏈淀粉含量中熟中粳、遲熟中粳和早熟晚粳分別降低了0.57、0.45、0.04百分點(diǎn)。相反，在具有(CT)基因情況下，基因的遺傳效應(yīng)與相比，直鏈淀粉含量中熟中粳增加了0.21百分點(diǎn)，遲熟中粳、早熟晚粳分別減少了0.05、0.13百分點(diǎn)；在具有基因型情況下，(CT)基因型的遺傳效應(yīng)與(CT)相比，中熟中粳、遲熟中粳直鏈淀粉含量分別增加了0.11、0.06百分點(diǎn)。互作效應(yīng)的方向及效果隨基因來(lái)源不同而不同，在早熟晚粳中的互作效應(yīng)要明顯小于在中熟中粳和遲熟中粳中的互作效應(yīng)。

2.3.5、間的互作效應(yīng)對(duì)膠稠度的影響 對(duì)比(CT)、(CT)、(CT)、(CT)等4種基因型組合粳稻膠稠度的差異，分析、間的互作效應(yīng)對(duì)膠稠度的影響(表6)。在具有(CT)基因型情況下，基因的遺傳效應(yīng)與相比，中熟中粳、遲熟中粳和早熟晚粳膠稠度分別增加3.23、2.75、7.69 mm，其中早熟晚粳差異達(dá)顯著水平；在具有(CT)基因型情況下，基因型的遺傳效應(yīng)與相比，中熟中粳、遲熟中粳和早熟晚粳膠稠度分別增加6.16、4.30、11.00 mm，其中早熟晚粳差異達(dá)顯著水平。在具有(CT)基因型情況下，基因型的遺傳效應(yīng)得以加強(qiáng)，在具有(CT)基因型情況下，基因的遺傳效應(yīng)較弱。

表6 WxCT、SSIIIa間的互作效應(yīng)對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)的影響

3 結(jié)論與討論

選育具有較低直鏈淀粉含量、較高膠稠度及較低糊化溫度的優(yōu)質(zhì)食味水稻，對(duì)提高我國(guó)優(yōu)質(zhì)食味水稻新品種在國(guó)際市場(chǎng)上的地位具有十分重要的意義。目前，水稻食味品質(zhì)育種研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，確定了某些基因與稻米食味品質(zhì)的關(guān)系，使得優(yōu)質(zhì)食味基因聚合到同一植株成為可能。然而這些基因都是在特定親本中發(fā)現(xiàn)的，并不能直接應(yīng)用到江蘇省主栽品種中，加上品質(zhì)性狀遺傳調(diào)控機(jī)理十分復(fù)雜，如一因多效、多因一效、基因互作、調(diào)控基因以及修飾基因等作用，往往使得個(gè)體的基因型與表現(xiàn)型之間存在較大差異。除了遺傳因素，環(huán)境條件也會(huì)對(duì)稻米食味品質(zhì)產(chǎn)生巨大影響，大大影響分子標(biāo)記在品質(zhì)育種中的成效。

就淀粉合成相關(guān)基因而言，江蘇省粳稻資源的遺傳多樣性可能偏低，本研究對(duì)203份江蘇省粳稻預(yù)試材料(2015年)的9個(gè)重要蒸煮食味品質(zhì)相關(guān)位點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)，僅、這2個(gè)位點(diǎn)廣泛存在2種類型的等位基因變異，其他7個(gè)位點(diǎn)只有 0～3份粳稻含有不同類型的等位基因。因此江蘇省的水稻品質(zhì)育種要想拓寬遺傳基礎(chǔ)，應(yīng)該注重野生品種、地方品種、國(guó)外品種資源的引進(jìn)與利用，加強(qiáng)水稻優(yōu)質(zhì)等位基因的挖掘與利用，提高優(yōu)質(zhì)食味水稻選擇效率，進(jìn)一步提高江蘇省粳稻的品質(zhì)育種。

在江蘇省粳稻品種中，、基因位點(diǎn)上廣泛存在2種類型的等位基因。在、這2個(gè)位點(diǎn)的等位基因以(CT)、基因型為主，但從AC、GC的角度而言，最優(yōu)的基因組合可能是(CT)。通過(guò)對(duì)比3種生育期類型的粳稻，發(fā)現(xiàn)位點(diǎn)在早熟品種中具有較強(qiáng)的基因效應(yīng)(降低AC)；位點(diǎn)在晚熟品種中具有較強(qiáng)的基因效應(yīng)(增加GC)，可能是由于不同熟期的粳稻在不同生態(tài)環(huán)境條件下，基因效應(yīng)的強(qiáng)弱不同所致。