宁夏富锌水稻种质资源筛选及子粒锌含量的相关分析

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　　摘要：以102份宁夏水稻（Oryza sativa L.）种质资源为材料，利用原子吸收光谱法测定子粒糙米中的锌含量，分析了子粒锌含量的差异性及其与粒形性状、铁含量的相关性。同时以宁大62与宁粳40号杂交组合的F2群体为材料，对子粒锌含量进行遗传分析。结果表明，102份宁夏水稻种质资源子粒锌含量的变异范围为12.75～36.00 mg/kg，平均为19.51 mg/kg，变异系数为19.07%，并筛选出富锌水稻品种杨和白皮稻、大粒稻、常规稻-5等；宁夏水稻本地品种与外引品种子粒锌含量无显著差异；子粒锌含量与粒长呈极显著正相关，与长宽比呈显著正相关，与粒宽、千粒重呈正相关，与粒厚呈负相关，但相关性均不显著；子粒锌、铁含量存在显著正相关关系。通过对宁大62/宁粳40号杂交组合的214个F2单株子粒锌含量进行频率分析，发现子粒锌含量整体分布趋于单峰正态分布，说明水稻子粒中的锌含量是受多基因控制的数量性状遗传。
　　关键词：水稻（Oryza sativa L.）；种质资源；锌含量；粒形性状；相关分析
　　中图分类号：S511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）03-0554-05
　　DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.03.003
　　Abstract： The difference of zinc contents of 102 rice germplasm resources of Ningxia was evaluated using atomic absorption spectrometry and the correlations between zinc contents and grain shape traits， iron contents were analyzed. Furthermore， the genetic analysis of zinc content in rice grain of the F2 population from Ningda62 and Ningjing 40 hybrid combination was made. The results showed that the variation range of the zinc contents in 102 rice germplasm resources was 12.75 mg/kg to 36.00 mg/kg， with an average of 19.51 mg/kg， and the coefficient of variation was 19.07%. Some rice germplasm resources enriched zinc content were selected that included Yanghebaipidao，Dalidao，Changguidao-5 etc. Zinc contents of rice grain had no significant difference between local rice varieties of Ningxia and external rice varieties. In addition，the zinc contents of brown rice had extremely significant positive correlation with the grain length and had significant positive with the length-width ratio. Also the zinc contents of rice grain had positive correlation with the grain width，1，000-grain weight，but the correlation was not significant. There was a significant positive correlation between zinc content and iron content in rice grain. Based on the frequency analysis of zinc content of 214 F2 population individual which was from the hybrid combinations of Ningda62 and Ningjing40， it found that the whole distribution of the zinc content in brown rice tended to be an eccentrics normal distribution. That indicated the zinc content in rice grains was the inheritance of quantitative trait controlled by multiple genes.
　　Key words：rice（Oryza sativa L.）；germplasm resources；zinc content；grain shape traits；correlation analysis
　　锌是动植物和人类正常生长发育的必需营养元素，它与80多种酶的生物活性有关[1]。大量研究证明，锌在人体生长发育过程中具有极其重要的生理功能及营养作用，具有增进食欲、维持人体正常发育、组织再生、保护视力等生理功能，缺锌严重会影响智力、食欲和生殖机能等[2]，同时锌对蛋白质代谢、胰岛素生成和免疫功能有重要作用，因此被誉为“生命的火花”[3]。锌不仅是人体必需营养元素，而且是人类最易缺乏的微量营养物质（Zn、Fe、VA）之一[4]。其中儿童和孕妇是锌缺乏的高发群体。因此，通过育种手段，培育富锌水稻品种，对于改善人们锌缺乏具有重要意义。 　　锌是水稻（Oryza sativa L.）生长发育所必需的营养元素之一，能促进水稻生长，改善稻米品质，提高蛋白质相对含量[3]。据国际水稻研究所报道，精米中锌含量平均仅为12 mg/kg，与世界卫生组织、联合国粮食组织每日建议膳食摄入量12～15 mg（其中男性15 mg，女性12 mg）相距甚远[5]。因此，通过选育富锌水稻品种，提高稻米品质，是当前稻米功能性研究的热点与发展方向，对解决人体微量元素匮乏问题有重要意义。近年来，国际上已把提高微量养分含量作为作物育种的主要目标之一， 其重点是Fe、Zn、I、VA等几种微量养分，并已在水稻、小麦、玉米、木薯、菜豆等5 种作物上开展了研究[6，7]。2003年国际水稻研究所用转基因技术研制出加强型的水稻品种，锌含量为55.5 mg/kg，明显高于普通稻米[8]。富锌水稻资源可通过常规育种和分子辅助育种途径来筛选，因此本研究以102份宁夏水稻种质资源进行富锌水稻品种筛选，并分析了子粒糙米锌含量与粒形、铁含量间的关系，旨在为筛选和培育富锌水稻品种提供一定的科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 供试材料
　　102份水稻种质资源由宁夏大学作物遗传育种实验室提供，全部为粳稻品种，包括24份本地品种，78份外引品种。材料于2013年在宁夏大学永宁通桥试验基地种植，于同年4月15日播种，5月17日移栽，9月28日收获。每穴1苗，田间管理按常规方法进行。
　　1.2 锌含量测定方法
　　1.2.1 主要仪器和试剂 LWY-84B型控温式远红外消煮炉、Z-2000型原子吸收分光光度计；硝酸、高氯酸、锌标准溶液（1 mg/mL），优级纯，购自国家标准物质中心。
　　1.2.2 样品处理 稻米锌元素的测定在宁夏大学遗传育种实验室中进行。参照刘三铭[9]的方法，在成熟期收获种子，脱粒后装入纱网袋中晒干，然后放入恒温干燥箱内80 ℃烘干，用JLGJ4.5型检验砻谷机碾出糙米，后用JFSD-70型粉碎机磨碾成粉，放入4 ℃冰箱备用。
　　1.2.3 试样消解 准确称取1 g米粉（精确至±0.000 1 g）加入到消煮管中，加入10 mL混合酸（浓HN03∶浓HClO4=5∶1），静置过夜或更长时间，直至米粉充分消化。次日，把溶有样品的消煮管置于加热板上以180 ℃进行消煮。消化开始后不久便有大量棕色气体冒出，待棕色烟雾散尽后提高温度，至消化液清亮取下（此时体积大约为1 mL）。冷却后，用去离子水定容至50 mL容量瓶中。每份材料重复3次，每批消煮设置2个空白对照。
　　1.2.4 标准曲线的绘制 准确吸取1 mL锌标准溶液（1 000 μg/mL）于100 mL容量瓶，用1%的稀硝酸定容，摇匀，配制成10 μg/mL的母液备用。准确吸取0、1、2、4、6、8 mL母液（10 μg/mL）到6个50 mL的容量瓶中，1%的稀硝酸定容，配制成0、0.2、0.4、0.8、1.2、1.6 μg/mL浓度梯度的标准溶液，摇匀，待测。
　　按照试验说明开启Z-2000型原子吸收分光光度计，设置测定条件，以1%的稀硝酸为空白对照，将不同浓度梯度的标准溶液依次吸入进样孔中，测定样品的吸光度。以锌浓度为横坐标，吸光度为纵坐标，自动绘制锌标准曲线。
　　1.2.5 样品测定 标准溶液测定完成后，将试样消解液和试剂空白液逐一导入进样孔，仪器自动给出试样消解液中锌的浓度值。根据测得的浓度值计算出试样锌的含量。
　　1.2.6 数据处理 用EXCEL软件和SPSS 19.0软件对数据进行处理分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 宁夏水稻种质资源的子粒锌含量
　　供试的102份宁夏水稻种质资源子粒锌含量的测定结果列于表1。由表1可见，不同水稻品种子粒锌含量变异范围为12.75～36.00 mg/kg。其中锌含量较高的品种有杨和白皮稻、常规稻-5、大粒稻、长粒-2、宁大62等；锌含量较低的品种有标记稻、吉粳44、2004J-33、小粒糯、长粒-1等。在102份宁夏水稻种质资源中高锌水稻种质与低锌水稻种质含量相差约3倍，表明不同水稻品种子粒锌含量存在明显差异。
　　对102份水稻种质资源子粒锌含量进行方差分析，均值为19.51 mg/kg，方差为13.86，标准差为3.72 mg/kg，变异系数为19.07%。从子粒锌含量频率分布直方图（图1）可见，102份水稻种质资源子粒锌含量呈单峰分布，锌含量的分布范围在10～13 mg/kg占0.98%，13～16 mg/kg占14.71%，16～19 mg/kg占36.27%，19～22 mg/kg占28.43%，22～25 mg/kg占12.75%，25～28 mg/kg占2.94%，28～31 mg/kg占2.94%，大于31 mg/kg占0.98%。表明种质资源子粒锌含量大部分集中在16～22 mg/kg范围内，锌含量整体偏低。
　　2.2 宁夏水稻种质资源子粒锌含量与粒形性状相关性分析
　　每一份水稻种质资源随机取10粒种子，用游标卡尺测其长、宽、厚，分别求出平均值，计算出长宽比，并测定千粒重，利用SPSS 19.0软件分析水稻子粒锌含量与粒形的相关性，结果见表2。由表2可以看出，水稻子粒锌含量和粒形存在一定的相关性。其中，锌含量与粒长存在正相关，并且达到极显著水平；锌含量与长宽比呈显著正相关；与粒宽、千粒重呈正相关，与粒厚呈负相关，但相关性均不显著。以上结果表明，在筛选高锌水稻时，应选粒型长而细的种子。本研究中所测得的高锌水稻品种如杨和白皮稻、大粒稻、长粒-5等粒长均高于其他品种。
　　2.3 宁夏水稻种质资源有色米与白米锌含量的比较
　　在宁夏102份水稻种质资源中，有色稻米包括宁农黑粳、矮血糯、黑香糯、黑香米4个品种，且全部为黑稻品种。其中仅以矮血糯糙米中锌含量较高（26.25 mg/kg）。对黑米锌含量与白米锌含量进行显著性测验，发现无显著差异。 　　2.4 宁夏本地品种与外引品种子粒锌含量的比较
　　对表1中的宁夏本地品种与外引品种子粒锌含量进行比较分析，结果见表3。由表3可知，24个宁夏本地品种的子粒平均锌含量为20.12 mg/kg，变异范围为14.58～36.00 mg/kg，变异系数为20.92%。78份外引水稻品种的子粒锌含量平均为19.32 mg/kg，变异范围为12.75～29.50 mg/kg，变异系数为18.48%。宁夏本地品种稻米锌含量变异幅度大且平均含量略高于外引品种，这为宁夏地区选育高锌水稻资源提供了有利条件。对本地品种与外引品种子粒锌含量做方差分析，结果显示，P为0.36，大于0.05，表明本地品种子粒锌含量和外引品种子粒锌含量无显著差异。
　　2.5 宁夏水稻种质资源子粒锌、铁含量的相关性分析
　　引用王辉等[10]对102份宁夏水稻种质资源子粒铁含量测定结果对宁夏水稻种质资源子粒锌、铁含量做相关性分析，结果见表4。由表4可知，P为0.015，小于0.05，表明水稻子粒锌、铁含量存在显著正相关关系，所以在筛选高锌水稻资源的同时也筛选了高铁水稻资源。
　　2.6 水稻子粒锌含量的遗传分析
　　由宁大62和宁粳40号杂交获得F2后代，共214个单株，测定糙米中锌含量。结果表明，双亲子粒锌含量分别为27.0 mg/kg和18.5 mg/kg，两亲本在锌含量上有明显差异。F2代子粒锌含量平均为18.93 mg/kg，介于两亲本之间，偏向低锌亲本宁粳40号，变异范围为15～26 mg/kg，变异系数为10.67%。对F2群体214个单株子粒锌含量做频率分析，频率分布见图2。由图2可知，锌含量呈现连续性分布，F2单株糙米锌含量集中分布在17.5～20.0 mg/kg，占57.94%，整体偏低。对F2群体糙米锌含量进行正态分布检验，偏度系数为0.908，整体呈向左正偏态分布。由此可推断水稻子粒锌含量是受多基因控制的数量性状遗传。F2代群体糙米锌含量中出现了超低亲值，具有一定的杂种优势。
　　3 讨论
　　3.1 水稻子粒锌含量分布的差异性
　　不同水稻品种子粒锌含量具有明显差异性。Gregorio等[11]的研究表明水稻子粒锌含量因品种类型而异，且差异较大，糙米的锌含量一般为15.3～58.4 mg/kg，平均为25.4 mg/kg。Liang等[12]对56份国内主产区水稻品种的分析表明，糙米锌含量在13～39 mg/kg。Yang等[5]分析了285份水稻精米中的锌含量，同样发现在不同水稻品种及亚种间存在极大的差异，并筛选出高锌品种碧玉。曾亚文等[13]研究表明，云南稻核心种质锌含量的平均值为34.72 mg/kg，地方种明显高于改良种。张琳琳等[14]成功培育了迷你型高锌突变系，其精米中锌含量高达32.8 mg/kg。本研究表明，102份水稻种质资源子粒糙米中锌含量分布范围为12.75～36.00 mg/kg，与Liang等[12]研究结果相似，且锌含量在水稻品种间存在较明显的差异。子粒锌含量均值为19.51 mg/kg，与前人研究值相比略偏低。其中，筛选出高锌品种如杨和白皮稻（36.00 mg/kg）、大粒稻（29.25 mg/kg）等；低锌品种有标记稻（12.75 mg/kg）、吉粳44（13.83 mg/kg）等。通过育种途径和遗传改良来提高稻米锌含量具有可行性。这为配制高锌含量的杂交组合和选育富锌水稻品种奠定了基础。
　　3.2 水稻子粒锌含量与粒形、子粒颜色的相关性
　　张名位等[15]在对籼形黑米粒形性状与矿质元素含量的遗传相关性研究中得出，在种子直接加性和显性遗传相关方面，粒重与锌元素含量表现出显著负相关，选择粒重较小的单粒种子可以明显提高Zn含量，粒宽与锌含量无显著相关性；在种子加性相关中，Zn含量与粒长存在极显著负相关，长宽比与锌含量存在显著负相关。曾亚文等[13]研究指出，云南稻核心种质除铁、锌含量与米粒厚呈显著负相关外，微量元素锌与粒形的关系不大。本试验中，子粒锌含量与粒厚呈负相关，与前人报道一致；子粒锌含量与粒长存在极显著正相关，与前人研究结果相反，因长粒高锌稻米多为宁夏本地品种，可能与地域、气候、自然条件影响有关。选择长粒形种子可在一定程度上提高子粒锌含量。另外，锌含量与长宽比呈显著正相关；与粒宽、千粒重呈正相关，但相关性均不显著。
　　众多研究表明，子粒微量元素与粒色有极大的相关性。张名位等[15]研究表明，黑米的锌含量明显高于普通稻米。韩龙植等[16]认为有色种皮是提高水稻营养特性的特殊性状之一，黑糯米1568的铁和锌含量较高，红米1201的锌和硒含量较高。郭咏梅等[17]研究结果表明，有色稻米锌含量明显高于白色稻米，二者差异达显著水平，红米、绿米、黑米中都富含锌，并以绿米锌含量最高。本研究中仅宁农黑粳、矮血糯、黑香糯、黑香米4个品种为有色稻，且都为黑稻品种，对其与白米锌含量进行t检验，结果表明黑米锌含量与白米锌含量无显著差异，与大多数研究结果不同。这可能是由于黑稻样本数量少，所提供的数据不具有代表性，今后还需对更为丰富多样的有色稻品种进行全面、完善的分析。
　　3.3 水稻子粒锌含量与铁含量的相关性
　　稻米铁、锌元素的相关性已有大量文献报道。Cheng等[18]、曾亚文等[13]研究认为，铁与锌含量存在显著正相关；孙明茂等[19]对龙锦1号/香软米15780杂交组合F3家系群糙米矿质元素的相关性分析得出，F3家系糙米中铁与锌含量呈极显著正相关；Abilgos等[20]、廖江林等[21]研究表明，精米中铁与锌含量呈显著正相关；更有研究表明在小麦[22]、木薯[23]、菜豆[24]子粒中铁、锌含量也呈显著正相关，并且作物子粒的铁、锌含量还与其产量呈明显的正相关。本试验通过对宁夏水稻种质资源锌、铁元素含量的相关性分析，发现锌、铁元素含量存在显著正相关。这与多数研究结果相同。因此，在育种过程中，可以根据锌、铁元素之间的相关性选择亲本材料，利用子粒锌含量较高的优良品种有可能同时提高子粒中铁的含量，有利于提高后代微量元素的富集程度，提升稻米功能性和品质，改善人们的膳食营养。 　　3.4 水稻子粒锌含量的遗传分析
　　稻米锌含量主要受遗传控制和环境条件作用。研究表明，稻米锌含量同时受基因的加性和非加性效应的影响，并以基因的加性效应为主[25-27]。张名位等[28]采用种子胚乳数量性状的遗传模型，分析了黑米品种双列杂交F1和F2群体种子锌含量的遗传效应。结果表明，锌含量同时受种子直接遗传效应、母体遗传效应和细胞质作用的影响。本研究表明，宁大62/宁粳40号F2群体糙米锌含量表现为正偏态分布，为多基因控制的数量性状。同时，锌含量平均值倾向于低值亲本。这与孙明茂等[19]的研究相符。因此，在亲本选配时，针对锌含量应提高低亲值，以提高目标性状的选择效率，为遗传改良提供好的资源。
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