高抗性淀粉含量粳稻新品種‘優糖稻3號’的選育

楊瑞芳,白建江,萬常照,湯劍豪,龔長春,樸鐘澤

(上海市農業科學院作物育種栽培研究所,上海農產品保鮮加工工程技術研究中心,上海 201403)

隨著社會發展,人類疾病譜中與膳食營養相關的慢性疾病(糖尿病、心血管疾病、肥胖癥、高血脂癥等)比例不斷攀升,目前已成為全球性重大的公共衛生問題。我國是糖尿病高發國家,根據糖尿病聯盟(IDF)發布的統計結果顯示,至2017年,我國糖尿病患者已達1.1億人,預計到2040年,我國糖尿病患者數量將達1.51億。目前除了臨床用藥,慢性病的治療還與膳食營養密切相關,通過飲食調節,從源頭上預防慢性疾病的發生和發展,是對糖尿病等慢性病防治最重要的手段[1]。

隨著大健康產業與現代農業融合發展的日趨緊密,農業不斷向著現代化、健康化升級。能調節人體代謝、滿足各種特殊消費人群的功能型水稻受到國內外育種家越來越多的關注,包括高抗性淀粉水稻、低谷蛋白含量水稻、富含必需微量元素水稻等[2-3]。近年來,國內外學者對抗性淀粉的生理機制和保健功能研究相對較多?？剐缘矸?Resistant starch,RS)是膳食纖維(Dietary fiber,DF)的一種,是在健康者小腸中不被吸收發酵的淀粉及其降解產物的總稱?？剐缘矸劬哂薪笛?、降血脂、促進腸道健康及促進礦物質消化吸收等重要生理功能[2-5]。

‘降糖稻1號’是上海市農業科學院選育的首個籽粒內抗性淀粉高于普通大米20倍以上的功能性粳稻新品種,由于該品種產量低、出米率低,生產成本高,限制了其推廣利用。利用分子標記輔助選擇育種體系,以‘降糖稻1號’為供體親本,獲得了產量和質量兼顧的高抗性淀粉水稻新品系,‘優糖稻2號’2019年通過上海市農作物品種審定[6],‘優糖稻3號’株高相較于‘優糖稻2號’高,產量更高,2020年通過上海市農作物品種審定。

1 材料與方法

1.1 親本材料

‘優糖稻3號’是上海市農業科學院作物育種栽培研究所于2011在海南用該所高抗性淀粉水稻資源11JD64(‘降糖稻1號’)為母本與該所培育的品種‘滬稻55’為父本雜交,利用系譜法選育而成。

1.2 分子標記檢測

取水稻幼嫩葉片,采用CTAB方法提取基因組總DNA,參考楊瑞芳等[7]報道的抗性淀粉基因型CAPS/SpeI分子標記檢測方法。PCR擴增后,經過SpeI酶切電泳分析,高抗性淀粉基因型單株PCR產物不能被酶切,只有1條571 bp特征帶,常規水稻品種PCR產物可以被SpeI酶切,產生375 bp和196 bp 2條特征帶,雜合單株則具有571 bp、375 bp和196 bp共3條特征帶。

1.3 稻瘟病鑒定

稻米品種稻瘟病抗性檢測,委托湖南省放華稻瘟病鑒定防治服務中心在桃江基地進行。桃江病圃位于長江中下游生態區,該地區晝夜溫差大,水稻葉片結露時間為12—14 h,具有稻瘟病浸染繁殖、擴展流行的較好條件,是我國抗稻瘟病水稻品種的鑒定基地,每年為全國科研以及生產單位鑒定大量水稻育種材料和生產品種。

1.4 抗性淀粉含量測定

RS含量采用愛爾蘭Megazyme抗性淀粉檢測試劑盒檢測,具體步驟為:準確稱取100 mg樣品,小心放入帶螺旋蓋的塑料試管中,依次加入α-胰淀粉酶反應液和淀粉葡萄糖苷酶(AGM),37℃振蕩孵育16 h,非RS被溶解,水解成D-葡萄糖;孵育結束后加入99%乙醇終止反應;離心上述溶液,棄上清,底部殘留絮狀團即為樣品中的RS,再用50%乙醇洗滌沉淀;倒置離心管,沉淀干燥后,用2 mol/L氫氧化鉀溶解沉淀,并加入AGM,置于50℃水浴中孵育20 min,最后用D-葡萄糖用葡糖氧化酶/過氧化物酶試劑(GOPOD)試劑測定葡萄糖含量,并計算RS含量。

1.5 米質測定

糙米率、精密率、堊白粒率、堊白度、透明度和堿消值,參照NY/T 83—2017規定測定;整精米率依據GB/T 21719—2008檢測;膠稠度依據BG/T 22294—2008檢測;直鏈淀粉含量檢測依據BG/T 15683—2008;粒長依據GB/T 34535—2009檢測;長寬比依據NY/T 2334—2013檢測。

2 結果與分析

2.1 基因型鑒定

利用針對SBE3突變基因sbe3-rs突變位點設計的CAPS分子標記檢測雜交親本‘降糖稻1號’‘親本滬稻55’及‘優糖稻3號’抽樣單株。檢測結果如圖1所示,‘滬稻55’分子標記檢測有375 bp和196 bp 2條帶,‘降糖稻1號’分子標記檢測只有1條571 bp條帶,‘優糖稻3號’穩定品種抽樣調查單株分子標記檢測結果與供體親本‘降糖稻1號’一致,均只有1條571 bp條帶(圖1)。

圖1 ‘優糖稻3號’及其雜交親本sbe3-rs基因型分子標記檢測Fig.1 Genotype detection of sbe3-rs in‘Youtangdao 3’and its parents

2.2 選育過程

2011年冬季在海南,用高抗性淀粉水稻資源11JD64(‘降糖稻1號’)為母本、‘滬稻55’為父本雜交,2012年夏季種植F1代(田間編號為121238)。秋季混收后,在室內加工成糙米,再根據高抗性淀粉籽粒外觀特點挑選堊白度高的籽粒(籽粒堊白面積50%以上),2012年冬在海南,種植F2代(田間編號為12冬凡152),挑選籽粒堊白率60%以上單株。2013年夏按株系種植F3代(田間編號為137330),挑選優株并用分子標記技術鑒定對應高堊白率單株的抗性淀粉基因型。2013冬在海南,對抗性淀粉基因型純合F4單株加代,加速遺傳穩定(田間編號為13冬凡156)。2014年夏在上海,種植綜合性狀好的優良F5株系(田間編號為RS14-176),選擇優良單株收獲。2014年冬在海南,將選擇的優良單株F6加代,加速遺傳穩定(田間編號為14冬凡148)。2015年夏在上海,從綜合農藝性狀穩定的優良株系繼續選擇單株F7,并進行抗性淀粉含量檢測。2015年冬在海南,繁種獲得足夠多的種子量(田間編號為15冬凡24)。2016年夏季參加上海市農業科學院單晚粳品比試驗,每667 m2產量為464.1 kg,比對照‘降糖稻1號’增產57%(田間編號為DF29)。2016年冬在海南,繼續純化,擴大繁殖(田間編號為DF29)。2017年上海參加品種生產試驗,并測定抗性淀粉含量,每667 m2產量為512.9 kg(田間編號為DF29)。在上海市農業科學院莊行綜合試驗站基地、光明長江農場、金山、松江、奉賢等地展示示范,2018年平均每667 m2產量為495.3 kg(田間編號為滬稻RS3號),2019年平均每667 m2產量為503.5 kg。2020年6月通過上海市品種審定委員會審定,定品種名‘優糖稻3號’(審定編號:滬審稻2020012)。

2.3 功能特性

‘優糖稻3號’富含抗性淀粉,含量為13.2%,是普通大米的20倍以上?？剐缘矸凼且环N新型的膳食纖維,具有重要的生理功能:1)能減少胰島素反應,尤其對非胰島素依賴型病人,通過攝入高抗性淀粉含量的食物,能有效抑制餐后血糖升高,從而控制糖尿病病情;2)降低血清中膽固醇和甘油三酸酯;3)預防腸道疾病;4)抗性淀粉幾乎不含熱量,可有效控制體重;5)促進維生素和礦物質的吸收。

2.4 主要農藝性狀及米質表現

‘優糖稻3號’株高101.9 cm,較‘優糖稻2號’(株高88.5 cm)高,直鏈淀粉含量30.9%,堊白度67.5%,堊白粒率87%,糙米率79.7%,精米率67.8%。田間生長整齊,種性穩定,全生育期160.0 d,較‘優糖稻2號’(生育期147 d)長10 d左右,穗長17.5 cm,每穗實粒數159.0粒,分蘗力中等,成穗率高,結實率90%以上,熟期轉色好,在安徽、浙江、湖南等地進行田間調查,稻瘟病抗性強。經分子標記輔助檢測,抗性淀粉基因型穩定。

2.5 產量分析

2018年,功能水稻新品系‘優糖稻3號’在上海(奉賢、金山、崇明、松江)多點試驗,每667 m2平均產量為495.3 kg,較對照‘秀水134’(每667 m2平均產量為572.3 kg)減產13.4%,產量比‘優糖稻2號’(每667 m2平均產量為428.3 kg)增產15.6%。2019年,‘優糖稻3號’在上海(奉賢、金山、崇明)繼續多點試驗,每667 m2平均產量為503.5 kg,較對照‘秀水134’(每667 m2平均產量為586.9 kg)減產16.6%,產量比‘優糖稻2號’(每667 m2平均產量為448.5 kg)增產12.2%。

2.6 稻瘟病抗性分析

‘優糖稻3號’稻瘟病抗性鑒定結果顯示,苗葉瘟2級,穗瘟3級,穗瘟損失率1級,綜合抗性指數1.75,綜合病級1級,抗性評價為抗稻瘟病。

2.7 栽培要點及適宜種植地區

2.7.1 栽培技術要點

1)適時、適量播種、培育壯苗。每667 m2大田用種量為4—5 kg,移栽稻可于5月中旬播種,秧齡25—30 d為宜,移栽種植密度控制在20 cm×13 cm,每穴3—5根苗;直播每667 m2用種量為5—6 kg,可于5月底至6月上旬播種。

2)合理施肥。每667 m2總純氮施用量控制在18 kg左右,注重肥料運籌、適當增施磷鉀肥施用量,提高植株抗逆性,提高千粒重和籽粒結實率。掌握前重、中穩、后補的原則,重施基、苗肥,穩施當家肥,后補孕穗肥和粒肥。適當增加粒肥(氮素)比例,有利于提高抗性淀粉的含量。

3)做好病、蟲、草防治。要注意做好整個生長期間的蟲害控制,尤其是稻縱卷葉螟以及稻飛虱等遷飛性害蟲的適時防治。在稻瘟病重發年份,要注意在孕穗期和齊穗期對稻瘟病的適時防治。中前期主要防治紋枯病。

4)加強水漿管理、切忌斷水過早。幼苗期注意促進根的生長,此時應注意短期脫水處理;進入分蘗期后,淺水勤灌,促進分蘗,當田間基數達到計劃基數80%時,進行曬田控制晚生無效分蘗,同時壯根充氧;在灌漿中后期對水分要求較高,后期切忌斷水過早,應做干濕交替管理至成熟,提高根系活力,以利養根保葉,防止早衰。

2.7.2 適宜種植地區

適宜在上海及其周邊地區種植。

3 結論與討論

本研究在前期工作的基礎上,培育獲得綜合農藝性狀優良的‘優糖稻3號’,該品種田間生長整齊,種性穩定,成穗率高,結實率高,整齊度較好,熟期轉色好,田間病害發生輕,于2020年通過上海市農作物品種審定。上海市農業科學院選育的高抗性淀粉水稻品種‘降糖稻1號’熟期晚、不抗病、易倒伏,出糙率和出米率低,667 m2產量為300 kg左右,嚴重限制了其推廣利用。研究團隊以‘降糖稻1號’為研究對象,利用正向遺傳學手段,首次定位了控制抗性淀粉合成的基因sbe3-rs,獲得授權發明專利(專利號:ZL201210266 649.9),并開發了功能標記,建立了分子標記輔助選擇育種技術體系[7-8]。團隊利用分子育種技術結合傳統育種技術,培育獲得‘優糖稻2號’‘優糖稻3號’等一批高產優質的新高抗性淀粉水稻新品種(系)?！畠炋堑?號’2019年通過上海市品種審定,‘優糖稻3號’產量比‘優糖稻2號’增產10%以上,且綜合抗病性強,目前優糖稻已經在上海浦東、松江、崇明等周邊地區推廣種植,累計種植總面積超過66.7 hm2,這將為大健康產業注入更多助力。