日本寒冷地帶北海道優良食味粳稻育種研究

丹野 久

（北海道農產協會，日本 北海道札幌，060-0004）

在日本，北海道稻米產量與新潟縣不相上下，全國排名不分伯仲。但由于北海道地處日本最北端，氣候條件惡劣，與日本東北以南地區相比，水稻種植史較短，過去很長時間并未出現“越光”水準的全國知名優良食味品種，并且，在東京都、神奈川縣、愛知縣等大消費地區，北海道產大米的口碑也一般，外加1975—1980年間日本整體稻米產量過剩，更加導致了北海道產大米消費量下降。

如上篇文章[1-2]所述，培育優質水稻品種及相關技術是生產優良食味大米的必要條件。為解決以上問題，從1980年開始歷時28年，負責水稻育種研究工作的北海道立中央、上川、道南、北見農業實驗場（現稱北海道立綜合研究機構農業研究本部）共實施了四期優質稻米快速研究項目（以下簡稱優質稻米快速研究項目），由此培育出了21個優良食味粳稻品種，以下列出主要品種和代表性品種的育種方法及食味等特性情況（表1、圖 1）。

表1 1980年后培育的21個優良食味粳稻品種中主要品種及代表品種是否進行了縮短育種年限方法試驗，以及食味等各項特性[3]

圖1 1980年以來北海道粳稻播種比率變化[3]

最終，北海道產大米的食味得到大幅提升，絲毫不遜色于日本東北以南地區的知名品種[4-5]。在該研究項目中，盡管實施時期不同，但主要通過縮短育種年限、擴大育種規模、分析與食味相關的數值來進行食味選拔[6-7]（圖2）。本文將以該研究項目為中心，著重介紹北海道地區提高大米食味的相關育種經驗。

圖2 1980年開始的北海道立農業試驗場（現稱北海道立綜合研究機構 農業研究本部）優良食味稻米品種開發項目試驗構成示例[6-7]

1 培育優良食味品種的育種戰略

1.1 縮短育種年限

水稻品種育種成功的條件之一，就是該品種在實際種植過程中能保持穩定性。通過雜交所培育的品種，在初期不穩定的個體較多，相關特性也很難統一，但伴隨著培育代數的增加，出現特性穩定的個體幾率也隨之提高。因此，按照過去一年一熟的栽培方法，從初期雜交到育種成功一般需要 10年時間。為適應時代發展要求，縮短水稻育種年限，采取了世代促進栽培法和花藥培養法。

1.1.1 世代促進栽培法

在優質稻米快速研究項目開始之前，雜交第1代（F1）是在冬季溫室內培育的，但從 F2代培育開始，只有中央農試在溫暖地帶（鹿兒島縣）利用世代促進栽培法（以下簡稱世促）。之后參與該項目的所有試驗場都從春季到秋季在鹿兒島縣對F2和F3代實施了世促法，另外又拿出一部分繼續在冬季時節放到沖繩縣進行F4代的栽培。這樣一來，包括已實施世促法的F4代在內，盡管育種年限沒有變化，但育種材料的穩定性得以提高。原本通過雜交至少需要 10年時間才能最終培育出的優良品種，通過上述世促法，其中也包括了F1溫室培育法在內，將總需時長壓縮到了8年（表2）。自2001年開始，在道南農試，由溫暖地區世促法調整為在大型溫室中培育F2、F3代的世促法，而現在不再實施F4參試的1年3次加代的世促法。

表2 標準方法、世代促進栽培法以及花藥培養法從雜交到成功培育出新品種的各需年數[8]

1.1.2 花藥培養法

花藥培養法是指將夏季收獲的雜交種子在冬季播種，以培養F1個體的花藥。由此獲得來自花粉的單倍體，通過自然倍增盡快實現種系穩定。之后，在第2年夏季采種，冬季進行種系選育；后續在第3年進行產量預實驗。如此，從雜交開始到培育出優良品種只需7年時間（表2）。該培養法在中央農試開展了一段時間，大部分時間僅在上川農試進行，每年從 100～120組中選取最有可能成功的 3～5組參與實驗。但由于該實驗需要相當大的成本和精力，難以持續，所以目前已中止。

通過以上縮短育種年限的方法，成功培育了優良稻米快速研究項目中的21個品種。其中通過花藥培育法培育了5個品種，其余16個品種中，F1為冬季溫室培育法、F2和 F3代為世促法的共13個品種，經歷F4代世促法的有3個品種（表1）。

1.2 優良食味種系選育

1.2.1 擴大育種規模

當初，很難培育出兼備優良食味、早熟性和耐寒性的水稻品種，為了實現以上目標，通過擴大個體和種系（包括將一根稻穗作為下一年的 1個種系）選育試驗的參試規模，來提高培育成功的概率。

1.2.2 加強有效基因的應用

應用內外部的有效基因與優良食味相關的低直鏈淀粉以及抗寒性等基因，來加大基因變異，從而培育出具備重要特性的優良種系，當然，需要同時采取擴大育種規模的方式。

1.3 食味鑒定

1.3.1 食味特性分析

優良食味品種選育須經食味選拔環節。但是直接通過品嘗米飯方法進行選評，參試大米數量會受到限制。尤其是參與個體選育測試以及種系選育測試的初代樣品，由于參試數量過多，同時單一個體和單一種系的糙米樣品量很少。

在優質稻米快速研究項目實施之前，就有專家指出，北海道稻米中與食味相關的淀粉成分之一的直鏈淀粉含量以及大米蛋白質含量（表 3）均高于日本東北以南的優良食味稻米（圖 3、圖4），必須對兩者進行改良[9]。因此，在進行個體選育以及種系選育的時候，選拔了上述兩種物質含量較低的個體和種系[11]（表4）。在進行種系選育之后，作為選拔的參考指標，還會通過物性分析儀和色彩色差儀對米飯的質構變化及外觀等進行測定。

表3 北海道與日本東北以南主要品種大米的食味相關特性與直鏈淀粉含量和大米蛋白質含量的相關系數（1969—1971，1980，1983年生產）[9]

圖3 北海道與日本東北以南產大米中直鏈淀粉含量的頻率分布比較（1969—1971，1980，1983年生產）[9]

圖4 北海道與日本東北以南產大米的蛋白質含量比較（1991—1996年生產）[10]

為了對多個樣品進行快速測定，在全國范圍內率先使用分析直鏈淀粉的連續流動化學分析儀和分析蛋白質的近紅外分析儀。以上兩種分析，實際操作過程均需約10 g糙米樣品。從具體實例來看，2007年上川農試，一共對5 500份樣品進行以上兩種物質的分析，而在同期進行的種系選拔試驗中，通過10～100 g少量大米的煮飯進行了350份樣品的食味選拔[12]。

1.3.2 食味綜合評價

在生產能力（產量）試驗之后，因參試的種系數量有限，糙米樣品量也較充足，所以拿出200～750 g大米用于食味感官試驗，因此為主進行食味綜合評價。在此基礎上，又通過快速粘度分析儀（RVA）的糊化特性測定其老化特性（表4）。在品種培育最后的推薦品種決定試驗中，還聽取了大米經銷商等相關用戶的評價意見。

表4 北海道水稻育種試驗中的食味選拔·評價方法（◎為重點使用，○為補充使用，道總研上川農業試驗場實施）[8]

2 從引進優良食味遺傳基因角度分析育種過程

2.1 集聚北海道內優良食味遺傳基因

在開展優質稻米快速研究項目之前，與日本東北以南地區大米相比，北海道產大米的食味明顯處于劣勢。為提高品質，通過降低直鏈淀粉含量進行選育的方式，不僅提高了大米粘度，食味也得到大幅提升。同時，由于蛋白質含量也會影響食味，所以挑選了蛋白含量低的種系。以“巴勝”等北海道內優良食味品種為基礎，經改良后培育而成的“雪光”等品種[13]于1984年成功問世（圖5、圖6）。

圖5 吸收了北海道品種優良食味遺傳基因培育而成的「雪光」的譜系[13]

圖6 北海道優良食味品種引入的優良食味遺傳基因[3]

2.2 引進“越光”優良食味遺傳基因

1981年，實驗人員以擁有“越光”血統的“越譽”為母本成功培育出“島光”。之后，又以“島光”為母本，于1988年培育出的“閃光397”[14]（圖6、圖7）在優秀的營銷戰略支撐下，北海道產大米因其前所未有的優良食味，首次成為日本知名的優良食味稻米品牌。發展至今，雖在抗寒性能方面稍差，但得益于其穩定的高產特點，該品種在北海道地區仍被長期廣泛種植。而為了提高“閃光 397”的抗寒性，以擁有“越光”血統的日本東北品種“秋田小町”為母本，于1996年成功培育出了“星之夢”[15]（圖6、圖7）。

圖7 通過北海道品種「島光」引入「越光」的優良食味遺傳基因培育而成的「閃光397」以及引入「秋田小町」的優良食味遺傳基因培育而成的「星之夢」譜系[14-15]

雖然直鏈淀粉含量與水稻成熟溫度成正比，但因年份不同數據變化較大，很難顯示準確的數據。不過，研究發現“雪光”之前的多肥多產品種“石狩”等的直鏈淀粉含量為22%，而“閃光397”和“星之夢”的含量為 20%，普遍下降約2%（圖8）。由于與日本東北以南地區相比，北海道的水稻成熟溫度更低，所以“閃光397”和“星之夢”的直鏈淀粉含量仍然偏高。也有研究表明，在成熟溫度相同的條件下，北海道自有的優良食味品種與日本東北以南的優良食味品種之間，直鏈淀粉含量并不存在差異[16]（表5）。因此即便以日本東北以南地區的優良食味品種為母本進行培育，也很難進一步降低其直鏈淀粉含量。

圖8 北海道的新舊品種和日本東北以南的優良食味品牌米品種的大米蛋白質含量和直鏈淀粉含量之間的關系（道總研 上川農業試驗場提供）[3]

表5 在農田及人工氣象箱的溫度條件一致前提下成熟時，以往的北海道優良食味品種與日本東北以南的優良食味品牌米品種的食味特性[16]

2.3 有效利用低直鏈淀粉遺傳基因

為了進一步降低直鏈淀粉含量，還嘗試引進日本原生粳稻品種中所不具備的低直鏈淀粉遺傳基因——低直鏈淀粉種系“NM391”的遺傳基因，該種系是通過伽馬射線對“日本勝”進行照射研發而成的。最終，分別于1991年和2001年培育出了品種“彩”[16]和“彩姬”[18]（圖 9）。由于其直鏈淀粉含量約為10%～12%，是“閃光397”等一般粳稻品種的一半左右，同時具有口感軟糯特征，所以更多被用于與一般粳米的配米。

圖9 引入「NM391」的低直鏈淀粉突變基因培育而成的「彩」和「彩姬」的譜系[17-18]

2001年和 2003年還以融合“國寶玫瑰”的優良食味特性的北海道培育種系為母本，分別研發了“七星”[19]和“松軟”[20]（圖 10）。與“閃光397”和“星之夢”相比，“七星”的直鏈淀粉含量又降低約 1%（圖 8），同時，其蛋白含量雖未得到大幅度改觀，但與原有品種相比，“松軟”的蛋白含量也略有降低。以上新品種的問世，讓經銷商和消費者對北海道產大米的食味給予了更高評價。

圖10 引入「國寶玫瑰」的優良食味遺傳基因培育而成的「七星」和「松軟」的譜系[19-20]

后來又以“閃光 397”變異研發的低直鏈淀粉種系“北海287號”為母本，于2003年成功培育出了“朧月”[21]（圖6、圖11），不過這并不屬于優質稻米快速研發項目的成果，“朧月”的直鏈淀粉含量為14%～15%，可作為低直鏈淀粉含量品種單獨使用。而 2008年培育成功的“夢美”[22]（圖6、圖11），與同樣引入了“北海287號”基因的“朧月”相比，直鏈淀粉含量雖然要高 1%左右，但栽培性能方面得到大幅提升。以上兩個品種在“光澤”“粘度”“柔軟度”方面表現極佳，且食味方面也與“越光”保持同等水準。

圖11 引入基因突變種系「北海287號」的低直鏈淀粉遺傳基因后培育成功的「朧月」和「夢美」[21-22]

綜上所述，引進北海道、日本東北以南地區以及美國“國寶玫瑰”的優良食味遺傳基因和突然變異的低直鏈淀粉遺傳基因，通過米飯的粘度和柔軟度，提高了相關品種的食味（表6）。但是，“北海道 287號”以及具備低直鏈淀粉基因的“NM391”品種，雖然在食味感官試驗中，其“粘度”和“柔軟度”得到較高的評價，但“綜合評價”并不高（表 6、圖12），由此看來，“粘度”和“柔軟度”過高未必能提高食味。成熟期間的平均氣溫每上升1 ℃，與其他品種相比，兩種低直鏈淀粉遺傳基因品種的直鏈淀粉含量降低幅度更大[22-23]（表 7）。

表6 選育的優良食味品種其食味感官試驗時的「粘度」、「柔軟度」與「綜合評價」值比較（食味基準品種均為一般粳稻品種）[13-14,17-22]

圖12 直鏈淀粉含量與食味感官試驗中的「粘度」，「柔軟度」與「綜合評價」差值之間的關系[13-15,17-22]

表7 成熟期間的日平均氣溫每變化1 ℃導致直鏈淀粉含量的變動（ΔAM，%/℃）[22]

3 未來的優良食味育種戰略

總結以上研究成果可以發現，1980年以來，北海道產大米直鏈淀粉含量大幅降低（圖 13），而新品種的培育并未降低大米的蛋白質含量（圖14）。當然，大米的食味評價有了較大提升，可與日本東北以南地區的優良食味品種相媲美[4-5,25-26]（圖15）。

圖13 北海道新舊品種的培育成功年度和直鏈淀粉含量的關系[10,24-25]

圖14 北海道新舊品種的培育成功年度和大米蛋白質含量的關系[10,24-25]

圖15 北海道新舊品種以及日本東北以南優良食味品牌品種的食味感官試驗綜合值比較[26]

圖16 直鏈淀粉含量，大米蛋白質含量以及食味感官綜合値之間的關系[4]

降低蛋白和直鏈淀粉含量（圖16）是進一步提升食味的非常重要的因素。在直鏈淀粉方面需要考慮恰當的“粘度”和“柔軟度”，不能一味追求低直鏈淀粉含量，而是應該努力培育其含量為“七星”和“夢美”的中間值（圖 8）且受產地和年份影響較小的品種[12,23]，因此，目前可考慮利用來自“國寶玫瑰”的種系繼續研發新品種。在蛋白質方面，上川農試正嘗試將從“國寶玫瑰”培育的種系等作為基因資源，從而將蛋白質含量降低 0.5%～1%左右[8,12]。為了改善“外觀”、“光澤”以及冷飯也好吃的“米飯老化特性”，需要開發在育種過程中能高效準確測定以上特性的方法。同時，有必要加強相關基礎研究，以期實現大米“色香味”的儀器分析。

備注：

1. 參考文獻中，除注明國家的期刊外，其余均為日語期刊。

2. 本文的彩色圖表可從本刊官網（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國知網、萬方、維普、超星等數據庫下載獲取。