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不同Wx等位组合对杂交稻天优3611品质的影响.pdf

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'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn不同Wx等位组合对杂交稻天优3611品质#的影响张昌泉,潘立旭,周兴忠,李钱峰,刘巧泉**5(扬州大学农学院,扬州225009)摘要:为改良当下我国南方地区杂交籼稻稻米蒸煮食味品质普遍较差的现状,本研究利用分子标记辅助选择的方法,分别构建了籼型杂交稻组合天优3611双亲天丰B和3611携带Wxin和Wxb的近等基因系,拟通过分析不同近等基因系杂交组合对杂交稻米品质改良的效应来明10确杂交稻稻米品质改良的最佳Wx等位基因组合。研究结果表明,不同近等基因系的农艺性状与受体亲本基本接近。而导入的Wx等位基因对近等基因系稻米品质改良显著。构建了携带不同Wx等位基因近等基因系的杂交组合并对这些杂交组合稻米的品质进行了分析,发现,Wxin/Wxin,Wxa/Wxb和Wxb/Wxb组合对杂交稻米的品质改良明显。关键词:稻米品质;Wx基因;直链淀粉含量;分子标记辅助选择15中图分类号:S330ThecombinedeffectsofdifferentWxalleleongrainqualityofhybridriceTianyou3611ZhangChangquan,PanLixu,ZhouXiongzhong,LiQianfeng,LiuQiaoquan20(AgriculturalCollege,YangzhouUniversity,Yangzhou225009)Abstract:Inthispaper,inordertoimprovethegrainqualityofindicahybridriceTianyou3611,theWx-inandWx-balleleswereintroducedintotheparentsofhybridriceTianyou3611andTianfengBthroughbackcrossandmarker-assistedselection(MAS)methodtoconstructthenear-isogeniclines(NILs)containingWxinorWxb.ThecrossesbetweendifferentNILsweregeneratedandthegrain25qualityofthedifferenthybridcombinationwereanalyzed.TheresultsshowedthattheagronomictraitoftheNILswerealmostthesameasthewildtypeexceptforthegrainappearancequality.Furthermore,wefoundthatthedifferentWxalleleshavesignificanteffectsongrainamylosecontentimprovement.Thenbyusingtheimprovedparents,severalhybridlinesthatcarryingthedifferentWxallelesweregenerated,andtheagronomictraitandthephysicochemicalpropertiesofthecombinations30wereanalyzed.Wefoundthatthedifferentcrosscombinationshaveasimilaragronomictrait.Intermsofricegrainphysicochemicalproperties,thecrosscombinationsWxin/Wxin,Wxa/WxbandWxb/WxbexhibitedasignificantloweramylosecontentcomparedwiththecontrolcrossandthusimprovedthegrainqualityofhybridriceTianyou3611.Keywords:Ricegrainquality;Wxgene;Amylosecontent;MAS350引言水稻是世界上最主要的粮食作物之一,高产育种是我国多年来的主要育种目标,目前在产量与抗性育种方面已取得了很好的成就,然而我国稻米的品质普遍偏低,在一定程度上影40响了我国稻米在国际市场的竞争和国内人们的消费行为[1-2]。稻米的主要食用部分是胚乳,占糙米重量的90%以上,而淀粉又是胚乳中最主要的成份,占胚乳干重的90%左右。因此,其组成与结构是决定稻米食用品质优劣和加工适用性能的最重要因素[3-4]。淀粉按其结构可基金项目:教育部博士点基金(20133250120001);江苏省自然科学基金(BK20140484)作者简介:张昌泉(1981-),男,讲师、硕导,主要研究方向:水稻品质遗传改良通信联系人:刘巧泉(1973-),男,教授、博导,主要研究方向:水稻品质遗传改良.E-mail:qqliu@yzu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn以分为直链淀粉和支链淀粉两种,其中直链淀粉含量是稻米品质尤其是蒸煮食味品质的重要影响因素[5]。研究表明籼稻稻米的直链淀粉含量一般高于粳稻,其米饭黏性和弹性差,冷却45后易变硬而表现出较差的食味品质。一般认为具有中等直链淀粉含量的稻米品质较优[6]。直链淀粉主要由颗粒结合淀粉合成酶(GBSSI)合成通常。而GBSSI是由水稻蜡质基因(Waxy,Wx)所编码。该基因的不同等位变异直接决定了稻米的直链淀粉含量[7]。目前,在水稻中已经鉴定了多个该基因的等位基因[8]。在常规水稻品种中,Wx主要存在Wxa和Wxb两种等位类型。其中,携带Wxa的稻米直链淀粉含量都很高(25%以上),属于高直链淀粉50含量类型,其广泛分布在籼稻中[9],而Wxb主要分布在粳稻水稻品种中,携带该基因稻米的直链淀粉含量属中等至较低水平(15%—18%)[9]。此外,MIKAMI等克隆了Wxin,证明在第6外显子上发生的A-C变异使直链淀粉含量降至中等水平(18%—22%)[10]。发掘并利用不同Wx等位变异是解析和改良稻米品质的重要途径,而近等基因系(NearIsogenicLines,NIL)是关键等位基因研究的重要遗传材料。天优3611是2009年通过国家农作物品种审定55的杂交中籼组合品种,其双亲分别为不育系天丰A(保持系天丰B)和恢复系3611,由于其都携带有Wxa等位基因,尽管天优3611具有很好的产量表现但稻米直链淀粉含量较高,导致食味品质欠佳。同时,天丰A(保持系天丰B)在杂交组配时表现出非常高的配合力。因此,改良天优3611及其双亲的稻米品质不仅对于该组合具有重要意义,对于后续选育其它杂交新组合也具有重要的实践意义。601材料与方法1.1实验材料1.1.1供试水稻品种本研究所用水稻品种包括3611(受体,含Wxa等位基因)、天丰B(受体,含Wxa等位基因)、天丰A(受体,含Wxa等位基因)、IR64(供体,含Wxin等位基因)和9311(供体,65含Wxb等位基因)5个籼稻品种(OryzasativaL.)。所有水稻品种及近等基因系正季种植于扬州大学校内试验田,冬季在海南陵水实验基地进行南繁加代。种子成熟后按单株全部收取,自然晒干用后用砻谷机去掉稻谷颖壳,并用小型精米机(Kett)研磨60秒研磨成精米,结束后用磨粉机(FOSS,Sweden)将精米研磨成粉,用百目筛过筛筛除大颗粒,将米粉转入纸袋放入烘箱37℃烘干2天,之后室温平衡两天,转入4℃密封备用。701.1.2试剂与仪器本实验所用的PCR引物由苏州金唯智公司合成,TaqDNA聚合酶,普通PCR试剂购自大连宝生物(Takara)公司,其他实验所用的试剂均达到分析纯级别。表观直链淀粉含量(AAC)的测定所用仪器为国产620nm紫外分光光度计。稻米粘滞性的测定采用澳大利亚NewportScientific仪器公司生产的3-D型粘度速测仪RVA,并用TCW(ThermalCyclefor75Windows)配套软件分析。糊化温度采用德国耐驰公司差示扫描量热仪(Differentscanningcalorimeter,DSC)来测定。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1.2实验方法1.2.1近等基因系构建及所用引物根据不同Wx等位基因之间的序列差异,设计了能够区分Wxa/b的分子标记QRM19080(F:5’ATTCCTTCAGTTCTTTGTCTATCTC3’与R:5’TCCTGATGAACAACAGAACAACAC3’)以及能区分Wxin与非Wxin的四引物扩增受阻突变体系分子标记WXIN(1F:5’AACAACCCATACTTCAAAGGAACATC3’;1R:5’GTAGATGCCATTGGGCTGGTAGT3’;2F:5’GCTTAGCTTCCACTGGTGATTTCA3’;2R:5’TCTTGAGATCAATTGTAACTCCCCAT3’)。利用上述分子标记辅助选择,将9311和IR64作为供体(父本),通过杂交、回交的85方法将其中的Wx等位基因导入3611和天丰B(A)。通过5次以上回交和自交构建了3611背景下Wxb和Wxin、天丰B(A)背景下Wxin的近等基因系。在此基础上,对构建的近等基因系材料进行杂交配组,包括天丰A×3611、天丰A×3611-Wxin、天丰A×3611-Wxb、天丰B×3611、天丰B-Wxin×3611-Wxin、天丰B×3611-Wxb。1.2.2水稻植株DNA的提取与SDS-PAGE分析90水稻植物DAN的提取采用CTAB的方法[11]。对于GBSSI蛋白的分析,称取一定量的米粉参照Liu的方法进行GBSSI蛋白的抽提和SDS-PAGE分析[12]。1.2.3稻米理化品质分析稻米表观直链淀粉含量(AppearanceAmyloseContent,AAC)的测定按照农业部颁标准NY147-88进行。稻米胶稠度(GelConsistency,GC)和淀粉粘滞性的测量参照Zhang等方法进95行[13]。1.2.3统计分析所有数据的输入和分析由EXCEL软件整理并由统计软件SPSS16.0进行差异显著性分析。采用单因素方差分析和T测验的方法检测不同数据间是否存显著差异。2结果与分析1002.1不同Wx近等基因系的构建分别以籼稻IR64和9311为供体,通过杂交和连续回交,并结合MAS,构建了天丰B背景下Wxin的近等基因系(BCinb5F3)和3611背景下Wx(BC7F2)及Wx(BC5F6)的近等基因系(图1)。首先分析了不同近等基因系的基本农艺性状,如图1所示,3611背景下不同近等基因系植株及种子外观与受体亲本无明显差异。通过详细的农艺性状调查发现除了个105别系在的个别性状与受体亲本对照存在一定差异外,无论是天丰B背景还是3611背景下的近等基因系基本农艺性状基本没有改变甚至个别性状优于亲本对照。对于天丰B的不育系天丰A的改良,从获得天丰B的BC5F2开始,就用纯合系作为父本,与天丰A进行杂交与回交,也获得了天丰A-Wxin不育系的纯系。上述结果说明构建的近等基因系可以作为改良系用于后续的品质分析及不同杂交配组实验。1102.2不同Wx近等基因系稻米品质表现分析了不同近等基因系稻米的品质表现。由于Wx基因与直链淀粉含量直接相关,因此-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn首先测定了不同材料的表观直链淀粉含量,如表2所示,天丰B背景下,导入Wxin后,Wxin-1和天丰Wxin-2两个纯合系的AAC均有了极显著下降,从原来的26.83%降低到了20%左右。这与已有的报道非常吻合。同时,也分析了3611背景下Wxin和Wxb近等基因系稻米的表观115直链淀粉含量,与天丰B背景的结果非常接近,导入的Wxin使近等基因系稻米的AAC也降低到了20%左右。同时,导入的Wxb的效应更明显,AAC下降到了15%左右。稻米的AAC表现与稻米中GBSSI的水平直接相关,因此,利用SDS-PAGE重点分析了3611背景下不同近等基因系稻米米粉中GBSSI的水平,如图1E所以,与Wxa相比,Wxin和Wxb的GBSSI含量依次下降,与其AAC有很好的对应关系。120表1天丰B和3611背景下不同Wx近等基因系的农艺性状表现Table1TheagronomictraitofTianfengBand3611NILs千粒重(g)品系株高(cm)有效分蘖穗长(cm)结实率(%)thousandkernellinesplantheighttillernumberspaniclelengthsettingrateweight天丰B80.02±1.057.0±0.019.78±0.6188.2±1.523.91±0.19Wxin-181.74±1.027.3±0.819.59±0.1489.5±2.424.38±0.04Wxin-279.96±1.208.1±0.5*20.03±0.5191.5±3.724.13±0.13*3611117.84±1.165.6±0.926.54±0.3895.2±1.132.32±0.08Wxin-1118.15±2.478.0±0.0**27.25±1.3492.4±4.3*29.30±0.03*Wxin-2125.56±2.07*7.8±0.826.70±0.5994.7±5.227.58±0.11**Wxb-1115.66±1.536.4±0.923.90±0.65**95.2±3.531.13±0.05*Wxb-2116.36±1.17*6.8±0.5*25.72±0.4494.4±2.131.90±0.03**表示在0.05水平上显著**表示在0.01水平上极显著。图13611背景下Wxin和Wxb近等基因系水稻植株表型及分子鉴定。A是近等基因系植株表型。B是近等基125因系籽粒性状表现。C-D是近等基因系鉴定的琼脂糖电泳图。E是近等基因系GBSSI的SDS-PAGE分析。Fig1ThephenotypeandmolecularidentificationofNILs.A,ThephenotypeofNILs.B,ThegrainappearanceofNILs.C-D,Theagarose-gelelectrophoresisanalysisofNILs.E,SDS-PAGEanalysisofGBSSIofNILs.-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn研究表明Wx基因不仅与稻米的AAC直接相关,与胶稠度和淀粉粘滞性及糊化温度都有一定的相关性[14-15]。因此,还分析了不同近等基因系稻米的胶稠度。结果如表2所示,天130丰B背景下Wxin近等基因系材料的胶稠度极显著较亲本要软。同样,3611背景下的近等基因系材料的胶稠度随着导入Wxin和Wxb而变得更软。该结果很好的说明了AAC与胶稠度的负相关性。此外,分析了不同材料的淀粉粘滞性,如表3所示,导入Wxin和Wxb后不同程度改善了近等基因系稻米的RVA谱表现。研究表明RVA特征值中的崩解值大,消减值小的稻米品质较佳[16-17]。通过RVA特征值可以看出,改良的近等基因系均表现出崩解值明显135变大和消减值明显变小的趋势,进一步说明Wxin和Wxb对稻米品质改良的效果。因此,可以利用改良的近等基因系用来进行不同的杂交配组以研究不同Wx等位基因组合对杂交稻米品质的影响。表2不同近等基因系稻米直链淀粉含量和胶稠度分析Table2TheAACandGCoftheNILs品系表观直链淀粉含量(%)胶稠度(mm)linesAACGC天丰B26.83±0.3242.30±5.13Wxin-119.75±0.27**80.52±3.43**Wxin-219.58±0.95**80.74±2.12**361125.41±1.4832.00±1.31Wxin-121.76±0.16**81.00±1.41**Wxin-221.81±0.45**82.00±4.66**Wxb-116.17±0.34**85.50±3.61**Wxb-215.48±0.55**90.00±4.41**140*表示在0.05水平上显著**表示在0.01水平上极显著。表3不同近等基因系稻米淀粉粘滞性分析Table2TheRVAprofilesoftheNILs峰值粘度热浆粘度崩解值冷胶粘度消减值峰值时间起浆温度品系(cP)(cP)(cP)(cP)(cP)(Min)(℃)linesPKVHPVBDVCPVSBVPeTPaT天丰B3373260377042048316.1381.35Wxin-12899190199832053066.0782.10Wxin-229451854109131562116.0182.1036112839231552433545156.6072.40Wxin-12590166192929924026.0778.85Wxin-22036144059626616256.2078.05Wxb-12906197093631762706.4774.05Wxb-23214210411103190-246.4774.902.3不同杂交组合水稻的农艺性状分析为改良杂交稻天优3611稻米的品质,构建了天丰A/3611(天优3611)、天丰A/3611Wxin、145天丰A/3611-Wxb、天丰B/3611、天丰B-Wxin/3611-Wxin和天丰B/3611-Wxb等杂交组合。首先分析了不同近等基因系杂交组合的农艺性状表现。经调查,所有的杂交组合的生育期都非常一致(相差不超过5天)。在成熟期对各F1的农艺性状进行了详细调查。由表4可以看-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn出各组合与天优3611相比,在基本农艺性状方面存在一定的差异,但总体表现与对照组合非常接近甚至某些性状如结实率明显要优于对照,这些差异一方面与不同近等基因系的遗传150背景不纯有关,同时也可能与不育系和保持系间的差异有关。尽管如此,不同的杂交组合对于后续品质分析的影响可能非常小。表4不同近等基因系杂交组合的农艺性状表现Table4TheagronomictraitofdifferentcrosscombinationofNILs千粒重(g)杂交组合株高(cm)有效分蘖(个)穗长(cm)结实率(%)thousandhybridLinesplantheighttillernumberpaniclelengthsettingratekernelweight天丰A/3611119.6±0.610.7±0.524.01±0.6691.8±1.029.38±0.26天丰A/3611-Wxin121.6±1.1*8.0±1.0**29.10±0.87**94.3±2.0*28.92±0.23天丰A/3611-Wxb118.1±0.38.0±1.0**27.01±0.61**93.3±1.0*30.24±0.01**天丰B/3611117.9±0.38.7±0.5*26.67±0.7386.2±1.0**30.43±0.01**天丰B-Wxin/3611-Wxin125.1±0.6**8.3±0.6*25.63±0.2593.8±2.0*26.70±0.19**天丰B/3611-Wxb110.8±1.9**9.0±1.026.07±0.3287.7±1.0**29.86±0.11155*表示在0.05水平上显著**表示在0.01水平上极显著。2.4不同杂交组合水稻的品质分析重点分析了上述不同近等基因系杂交组合在成熟期收获后稻米的理化品质。首先分析了AAC,如表5所示,组合天丰A/3611-Wxb、天丰B-Wxin/3611-Wxin和天丰B/3611-Wxb稻米的AAC显著降低(P<0.05)而组合天丰A/3611-Wxin和天丰B/3611的直链淀粉含量几乎没160有改变。同时,对胶稠度的测定发现,与不同杂交组合的AAC对应关系非常吻合,呈现明显的负相关性,AAC高的杂交组合GC明显变硬,而AAC低的杂交组合,GC明显变软。这说明在改善杂交稻AAC的同时,GC也得了明显的改善。为了进一步研究导入Wxin和Wxb基因对杂交稻天优3611稻米品质的效应,对以上组合进行了RVA测定。由表6可以看出,与天优3611相比,组合天丰A/3611-Wxb的热浆粘度165有升高,消减值大幅下降。组合天丰B-Wxin/3611-Wxin的崩解值增大,冷胶粘度和消减值降低,说明在双亲都改良的条件下,Wxin基因能很好的改良杂交稻米的RVA表现从而对稻米品质改善起了积极的效果。表5不同近等基因系稻米直链淀粉含量和胶稠度分析170Table5TheAACandGCoftheNILs杂交组合直链淀粉含量(%)胶稠度(mm)hybridlinesAACGC天丰A-Wxa/3611-Wxa24.40±0.1145.50±6.36天丰A-Wxa/3611-Wxin24.81±0.1645.00±5.66天丰A-Wxa/3611-Wxb23.17±0.26*71.50±0.71**天丰B-Wxa/3611-Wxa25.37±0.11*42.00±2.83天丰B-Wxin/3611-Wxin23.17±0.05*76.00±2.83**天丰B-Wxa/3611-Wxb23.31±0.37*72.00±4.24**表示在0.05水平上显著**表示在0.01水平上极显著。-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn表6不同杂交组合稻米淀粉粘滞性分析Table6TheRVAprofilesofthehybridlines峰值粘度热浆粘度崩解值冷胶粘度消减值峰值时间起浆温度杂交组合(cP)(cP)(cP)(cP)(cP)(Min)(℃)hybridlinesPKVHPVBDVCPVSBVPeTPaT天丰A-Wxa/3611-Wxa31102007110337346245.8776.45天丰A-Wxa/3611-Wxin312221359873667545678.1天丰A-Wxa/3611-Wxb32812106117537734926.0776.55天丰B-Wxa/3611-Wxa3090209199938357455.9376.45天丰B-Wxin/3611-Wxin29901733125732322425.7378.9天丰B-Wxa/3611-Wxb2989212886134734846.278.151753总结目前我国南方大部分生产上的籼稻及杂交稻在稻米外观品质上已有了极大的改善,但在蒸煮食味品质方面由于AAC普遍偏高,导致米饭口感较差,尤其是杂交稻更为严重。GBSSI是由水稻蜡质基因Wx(Waxy)编码的,主要负责稻米直链淀粉的合成,该基因的不同等位变异类型对稻米蒸煮和食味品质起着关键的影响[5]。180本研究一方面利用来自优质籼稻中Wxin等位基因来构建籼稻背景下的近等基因系,来研究其对籼稻稻米品质的影响,同时,考虑到杂交组合中可能存在的基因剂量效应也利用了来自优质籼稻9311中的Wxb等位基因开展相关研究。通过前期近等基因系的构建和品质分析已经明确了这2种等位基因对稻米品质起着极显著的改善效果。因此,进一步分析了不同杂交组合下杂交稻米的品质表现,发现杂交组合天丰B-Wxin/3611-Wxin和天丰A/3611-Wxb185都能显著改良杂交稻的稻米品质,并且从一些理化指标来看,两者的改善效果非常接近。对于Wxin,在只改良一个亲本(父本)的情况下对杂交稻的品质改善不显著,因此,若利用该等位基因必须同时改良杂交稻的双亲。而对于Wxb等位基因而言,可以通过只改良杂交组合中的亲本之一就可以达到稻米品质改良的目的。因此Wxin和Wxb在杂交稻品质改良中都具有重要的利用价值,其中Wxb等位基因在使用上可能更灵活一些。190[参考文献](References)[1]程式华.中国超级稻育种技术创新与应用[J].中国农业科学,2016,49(2):205-206.[2]张昌泉,赵冬生,李钱峰,等.稻米品质性状基因的克隆与功能研究进展[J].中国农业科学,2016,49(22):4267-4283.[3]FitzgeraldMA,McCouchSR,HallRD.Notjustagrainofrice:thequestforQuality[J].TrendsinPlant195Science,2009,14(3):133-9.[4]SyaharizaZA,SarS,HasjimJ,etal.Theimportanceofamyloseandamylopectinfinestructuresforstarchdigestibilityincookedricegrains[J].FoodChemistry,2013,136(2):742-749.[5]TianZX,QianQ,LiuQQ,etal.Allelicdiversitiesinricestarchbiosynthesisleadtoadiversearrayofriceeatingandcookingqualities[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2002009,106(51):21760-21765.[6]ZengDL,TianZX,RaoYC,etal.Rationaldesignofhigh-yieldandsuperior-qualityrice[J].NaturePlants,2017,3,17031.-7- 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