寧夏富鋅水稻種質資源篩選及子粒鋅含量的相關分析

摘要：以102份寧夏水稻（Oryza sativa L.）種質資源為材料，利用原子吸收光譜法測定子粒糙米中的鋅含量，分析了子粒鋅含量的差異性及其與粒形性狀、鐵含量的相關性。同時以寧大62與寧粳40號雜交組合的F2群體為材料，對子粒鋅含量進行遺傳分析。結果表明，102份寧夏水稻種質資源子粒鋅含量的變異范圍為12.75～36.00 mg/kg，平均為19.51 mg/kg，變異系數為19.07%，并篩選出富鋅水稻品種楊和白皮稻、大粒稻、常規稻-5等；寧夏水稻本地品種與外引品種子粒鋅含量無顯著差異；子粒鋅含量與粒長呈極顯著正相關，與長寬比呈顯著正相關，與粒寬、千粒重呈正相關，與粒厚呈負相關，但相關性均不顯著；子粒鋅、鐵含量存在顯著正相關關系。通過對寧大62/寧粳40號雜交組合的214個F2單株子粒鋅含量進行頻率分析，發現子粒鋅含量整體分布趨于單峰正態分布，說明水稻子粒中的鋅含量是受多基因控制的數量性狀遺傳。

關鍵詞：水稻（Oryza sativa L.）；種質資源；鋅含量；粒形性狀；相關分析

中圖分類號：S511 文獻標識碼：A 文章編號：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

鋅是動植物和人類正常生長發育的必需營養元素，它與80多種酶的生物活性有關[1]。大量研究證明，鋅在人體生長發育過程中具有極其重要的生理功能及營養作用，具有增進食欲、維持人體正常發育、組織再生、保護視力等生理功能，缺鋅嚴重會影響智力、食欲和生殖機能等[2]，同時鋅對蛋白質代謝、胰島素生成和免疫功能有重要作用，因此被譽為“生命的火花”[3]。鋅不僅是人體必需營養元素，而且是人類最易缺乏的微量營養物質（Zn、Fe、VA）之一[4]。其中兒童和孕婦是鋅缺乏的高發群體。因此，通過育種手段，培育富鋅水稻品種，對于改善人們鋅缺乏具有重要意義。

鋅是水稻（Oryza sativa L.）生長發育所必需的營養元素之一，能促進水稻生長，改善稻米品質，提高蛋白質相對含量[3]。據國際水稻研究所報道，精米中鋅含量平均僅為12 mg/kg，與世界衛生組織、聯合國糧食組織每日建議膳食攝入量12～15 mg（其中男性15 mg，女性12 mg）相距甚遠[5]。因此，通過選育富鋅水稻品種，提高稻米品質，是當前稻米功能性研究的熱點與發展方向，對解決人體微量元素匱乏問題有重要意義。近年來，國際上已把提高微量養分含量作為作物育種的主要目標之一， 其重點是Fe、Zn、I、VA等幾種微量養分，并已在水稻、小麥、玉米、木薯、菜豆等5 種作物上開展了研究[6，7]。2003年國際水稻研究所用轉基因技術研制出加強型的水稻品種，鋅含量為55.5 mg/kg，明顯高于普通稻米[8]。富鋅水稻資源可通過常規育種和分子輔助育種途徑來篩選，因此本研究以102份寧夏水稻種質資源進行富鋅水稻品種篩選，并分析了子粒糙米鋅含量與粒形、鐵含量間的關系，旨在為篩選和培育富鋅水稻品種提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

102份水稻種質資源由寧夏大學作物遺傳育種實驗室提供，全部為粳稻品種，包括24份本地品種，78份外引品種。材料于2013年在寧夏大學永寧通橋試驗基地種植，于同年4月15日播種，5月17日移栽，9月28日收獲。每穴1苗，田間管理按常規方法進行。

1.2 鋅含量測定方法

1.2.1 主要儀器和試劑 LWY-84B型控溫式遠紅外消煮爐、Z-2000型原子吸收分光光度計；硝酸、高氯酸、鋅標準溶液（1 mg/mL），優級純，購自國家標準物質中心。

1.2.2 樣品處理 稻米鋅元素的測定在寧夏大學遺傳育種實驗室中進行。參照劉三銘[9]的方法，在成熟期收獲種子，脫粒后裝入紗網袋中曬干，然后放入恒溫干燥箱內80 ℃烘干，用JLGJ4.5型檢驗礱谷機碾出糙米，后用JFSD-70型粉碎機磨碾成粉，放入4 ℃冰箱備用。

1.2.3 試樣消解 準確稱取1 g米粉（精確至±0.000 1 g）加入到消煮管中，加入10 mL混合酸（濃HN03∶濃HClO4=5∶1），靜置過夜或更長時間，直至米粉充分消化。次日，把溶有樣品的消煮管置于加熱板上以180 ℃進行消煮。消化開始后不久便有大量棕色氣體冒出，待棕色煙霧散盡后提高溫度，至消化液清亮取下（此時體積大約為1 mL）。冷卻后，用去離子水定容至50 mL容量瓶中。每份材料重復3次，每批消煮設置2個空白對照。

1.2.4 標準曲線的繪制 準確吸取1 mL鋅標準溶液（1 000 μg/mL）于100 mL容量瓶，用1%的稀硝酸定容，搖勻，配制成10 μg/mL的母液備用。準確吸取0、1、2、4、6、8 mL母液（10 μg/mL）到6個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濃度梯度的標準溶液，搖勻，待測。

按照試驗說明開啟Z-2000型原子吸收分光光度計，設置測定條件，以1%的稀硝酸為空白對照，將不同濃度梯度的標準溶液依次吸入進樣孔中，測定樣品的吸光度。以鋅濃度為橫坐標，吸光度為縱坐標，自動繪制鋅標準曲線。

1.2.5 樣品測定 標準溶液測定完成后，將試樣消解液和試劑空白液逐一導入進樣孔，儀器自動給出試樣消解液中鋅的濃度值。根據測得的濃度值計算出試樣鋅的含量。

1.2.6 數據處理 用EXCEL軟件和SPSS 19.0軟件對數據進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 寧夏水稻種質資源的子粒鋅含量

供試的102份寧夏水稻種質資源子粒鋅含量的測定結果列于表1。由表1可見，不同水稻品種子粒鋅含量變異范圍為12.75～36.00 mg/kg。其中鋅含量較高的品種有楊和白皮稻、常規稻-5、大粒稻、長粒-2、寧大62等；鋅含量較低的品種有標記稻、吉粳44、2004J-33、小粒糯、長粒-1等。在102份寧夏水稻種質資源中高鋅水稻種質與低鋅水稻種質含量相差約3倍，表明不同水稻品種子粒鋅含量存在明顯差異。

對102份水稻種質資源子粒鋅含量進行方差分析，均值為19.51 mg/kg，方差為13.86，標準差為3.72 mg/kg，變異系數為19.07%。從子粒鋅含量頻率分布直方圖（圖1）可見，102份水稻種質資源子粒鋅含量呈單峰分布，鋅含量的分布范圍在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%。表明種質資源子粒鋅含量大部分集中在16～22 mg/kg范圍內，鋅含量整體偏低。

2.2 寧夏水稻種質資源子粒鋅含量與粒形性狀相關性分析

每一份水稻種質資源隨機取10粒種子，用游標卡尺測其長、寬、厚，分別求出平均值，計算出長寬比，并測定千粒重，利用SPSS 19.0軟件分析水稻子粒鋅含量與粒形的相關性，結果見表2。由表2可以看出，水稻子粒鋅含量和粒形存在一定的相關性。其中，鋅含量與粒長存在正相關，并且達到極顯著水平；鋅含量與長寬比呈顯著正相關；與粒寬、千粒重呈正相關，與粒厚呈負相關，但相關性均不顯著。以上結果表明，在篩選高鋅水稻時，應選粒型長而細的種子。本研究中所測得的高鋅水稻品種如楊和白皮稻、大粒稻、長粒-5等粒長均高于其他品種。

2.3 寧夏水稻種質資源有色米與白米鋅含量的比較

在寧夏102份水稻種質資源中，有色稻米包括寧農黑粳、矮血糯、黑香糯、黑香米4個品種，且全部為黑稻品種。其中僅以矮血糯糙米中鋅含量較高（26.25 mg/kg）。對黑米鋅含量與白米鋅含量進行顯著性測驗，發現無顯著差異。

2.4 寧夏本地品種與外引品種子粒鋅含量的比較

對表1中的寧夏本地品種與外引品種子粒鋅含量進行比較分析，結果見表3。由表3可知，24個寧夏本地品種的子粒平均鋅含量為20.12 mg/kg，變異范圍為14.58～36.00 mg/kg，變異系數為20.92%。78份外引水稻品種的子粒鋅含量平均為19.32 mg/kg，變異范圍為12.75～29.50 mg/kg，變異系數為18.48%。寧夏本地品種稻米鋅含量變異幅度大且平均含量略高于外引品種，這為寧夏地區選育高鋅水稻資源提供了有利條件。對本地品種與外引品種子粒鋅含量做方差分析，結果顯示，P為0.36，大于0.05，表明本地品種子粒鋅含量和外引品種子粒鋅含量無顯著差異。

2.5 寧夏水稻種質資源子粒鋅、鐵含量的相關性分析

引用王輝等[10]對102份寧夏水稻種質資源子粒鐵含量測定結果對寧夏水稻種質資源子粒鋅、鐵含量做相關性分析，結果見表4。由表4可知，P為0.015，小于0.05，表明水稻子粒鋅、鐵含量存在顯著正相關關系，所以在篩選高鋅水稻資源的同時也篩選了高鐵水稻資源。

2.6 水稻子粒鋅含量的遺傳分析

由寧大62和寧粳40號雜交獲得F2后代，共214個單株，測定糙米中鋅含量。結果表明，雙親子粒鋅含量分別為27.0 mg/kg和18.5 mg/kg，兩親本在鋅含量上有明顯差異。F2代子粒鋅含量平均為18.93 mg/kg，介于兩親本之間，偏向低鋅親本寧粳40號，變異范圍為15～26 mg/kg，變異系數為10.67%。對F2群體214個單株子粒鋅含量做頻率分析，頻率分布見圖2。由圖2可知，鋅含量呈現連續性分布，F2單株糙米鋅含量集中分布在17.5～20.0 mg/kg，占57.94%，整體偏低。對F2群體糙米鋅含量進行正態分布檢驗，偏度系數為0.908，整體呈向左正偏態分布。由此可推斷水稻子粒鋅含量是受多基因控制的數量性狀遺傳。F2代群體糙米鋅含量中出現了超低親值，具有一定的雜種優勢。

3 討論

3.1 水稻子粒鋅含量分布的差異性

不同水稻品種子粒鋅含量具有明顯差異性。Gregorio等[11]的研究表明水稻子粒鋅含量因品種類型而異，且差異較大，糙米的鋅含量一般為15.3～58.4 mg/kg，平均為25.4 mg/kg。Liang等[12]對56份國內主產區水稻品種的分析表明，糙米鋅含量在13～39 mg/kg。Yang等[5]分析了285份水稻精米中的鋅含量，同樣發現在不同水稻品種及亞種間存在極大的差異，并篩選出高鋅品種碧玉。曾亞文等[13]研究表明，云南稻核心種質鋅含量的平均值為34.72 mg/kg，地方種明顯高于改良種。張琳琳等[14]成功培育了迷你型高鋅突變系，其精米中鋅含量高達32.8 mg/kg。本研究表明，102份水稻種質資源子粒糙米中鋅含量分布范圍為12.75～36.00 mg/kg，與Liang等[12]研究結果相似，且鋅含量在水稻品種間存在較明顯的差異。子粒鋅含量均值為19.51 mg/kg，與前人研究值相比略偏低。其中，篩選出高鋅品種如楊和白皮稻（36.00 mg/kg）、大粒稻（29.25 mg/kg）等；低鋅品種有標記稻（12.75 mg/kg）、吉粳44（13.83 mg/kg）等。通過育種途徑和遺傳改良來提高稻米鋅含量具有可行性。這為配制高鋅含量的雜交組合和選育富鋅水稻品種奠定了基礎。

3.2 水稻子粒鋅含量與粒形、子粒顏色的相關性

張名位等[15]在對秈形黑米粒形性狀與礦質元素含量的遺傳相關性研究中得出，在種子直接加性和顯性遺傳相關方面，粒重與鋅元素含量表現出顯著負相關，選擇粒重較小的單粒種子可以明顯提高Zn含量，粒寬與鋅含量無顯著相關性；在種子加性相關中，Zn含量與粒長存在極顯著負相關，長寬比與鋅含量存在顯著負相關。曾亞文等[13]研究指出，云南稻核心種質除鐵、鋅含量與米粒厚呈顯著負相關外，微量元素鋅與粒形的關系不大。本試驗中，子粒鋅含量與粒厚呈負相關，與前人報道一致；子粒鋅含量與粒長存在極顯著正相關，與前人研究結果相反，因長粒高鋅稻米多為寧夏本地品種，可能與地域、氣候、自然條件影響有關。選擇長粒形種子可在一定程度上提高子粒鋅含量。另外，鋅含量與長寬比呈顯著正相關；與粒寬、千粒重呈正相關，但相關性均不顯著。

眾多研究表明，子粒微量元素與粒色有極大的相關性。張名位等[15]研究表明，黑米的鋅含量明顯高于普通稻米。韓龍植等[16]認為有色種皮是提高水稻營養特性的特殊性狀之一，黑糯米1568的鐵和鋅含量較高，紅米1201的鋅和硒含量較高。郭詠梅等[17]研究結果表明，有色稻米鋅含量明顯高于白色稻米，二者差異達顯著水平，紅米、綠米、黑米中都富含鋅，并以綠米鋅含量最高。本研究中僅寧農黑粳、矮血糯、黑香糯、黑香米4個品種為有色稻，且都為黑稻品種，對其與白米鋅含量進行t檢驗，結果表明黑米鋅含量與白米鋅含量無顯著差異，與大多數研究結果不同。這可能是由于黑稻樣本數量少，所提供的數據不具有代表性，今后還需對更為豐富多樣的有色稻品種進行全面、完善的分析。

3.3 水稻子粒鋅含量與鐵含量的相關性

稻米鐵、鋅元素的相關性已有大量文獻報道。Cheng等[18]、曾亞文等[13]研究認為，鐵與鋅含量存在顯著正相關；孫明茂等[19]對龍錦1號/香軟米15780雜交組合F3家系群糙米礦質元素的相關性分析得出，F3家系糙米中鐵與鋅含量呈極顯著正相關；Abilgos等[20]、廖江林等[21]研究表明，精米中鐵與鋅含量呈顯著正相關；更有研究表明在小麥[22]、木薯[23]、菜豆[24]子粒中鐵、鋅含量也呈顯著正相關，并且作物子粒的鐵、鋅含量還與其產量呈明顯的正相關。本試驗通過對寧夏水稻種質資源鋅、鐵元素含量的相關性分析，發現鋅、鐵元素含量存在顯著正相關。這與多數研究結果相同。因此，在育種過程中，可以根據鋅、鐵元素之間的相關性選擇親本材料，利用子粒鋅含量較高的優良品種有可能同時提高子粒中鐵的含量，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質，改善人們的膳食營養。

3.4 水稻子粒鋅含量的遺傳分析

稻米鋅含量主要受遺傳控制和環境條件作用。研究表明，稻米鋅含量同時受基因的加性和非加性效應的影響，并以基因的加性效應為主[25-27]。張名位等[28]采用種子胚乳數量性狀的遺傳模型，分析了黑米品種雙列雜交F1和F2群體種子鋅含量的遺傳效應。結果表明，鋅含量同時受種子直接遺傳效應、母體遺傳效應和細胞質作用的影響。本研究表明，寧大62/寧粳40號F2群體糙米鋅含量表現為正偏態分布，為多基因控制的數量性狀。同時，鋅含量平均值傾向于低值親本。這與孫明茂等[19]的研究相符。因此，在親本選配時，針對鋅含量應提高低親值，以提高目標性狀的選擇效率，為遺傳改良提供好的資源。

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