長粒優質香稻玉針香的基因型分析

龔 柯，孫廉平，張迎信，曹正男，趙振東，周 政，趙正洪，占小登

（1.中國水稻研究所，國家水稻改良中心，浙江省超級稻研究重點實驗室，浙江 富陽 311401；2.中國水稻研究所北方水稻研究中心，黑龍江 寶清 155600；3.湖南省水稻研究所，湖南 長沙 410125；4. 湖南雜交水稻研究中心，雜交水稻國家重點實驗室，湖南 長沙 410125）

培育優質高產且兼具香味的水稻品種是近年來水稻育種者關注的主要目標。優質香稻品種玉針香是湖南省水稻研究所育成的常規中熟晚秈稻品種。因其特細長的米粒、晶瑩剔透的外觀、松軟有嚼勁的口感和特殊的自然清香味，該品種表現出極高的市場推廣價值和育種價值[1]，是多家種業和米業公司爭相推廣的高檔特優級香米品種。近年來，該品種也陸續被多家育種單位作為優質育種研究的骨干親本廣泛配組利用。然而，對于玉針香的細長粒、優質、香味等特性的分子遺傳機制，尚鮮有報道。研究以日本晴、9311、華占、中恢9308 和中恢8015 作為對照品種，通過已發表的功能標記，對玉針香中8 個粒形基因GS3、GW5、GS6、GW6a、GL7/GW7、GLW7、GW8 和 GS9[2]以及稻米品質關鍵基因Wx[3]、香味基因BADH2[4]進行了基因型檢測，以期明確優質香稻品種玉針香的遺傳背景，為水稻遺傳育種中分子標記輔助選擇和親本選配提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料日本晴、9311、中恢9308、中恢8015 和 華占這5 個水稻種質均由中國水稻研究所超級稻育種課題組提供，玉針香原原種由湖南省水稻研究所提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 粒形考察 6 個供試材料植株成熟后，收取主穗上的谷粒，經37℃恒溫箱（XMTD-8222）烘干36 h 后觀察谷粒外形。每個材料隨機挑選10 粒成熟飽滿的籽粒，通過中晶ScanMaker i800 Plus 掃描儀（型號：MRS-9600TFU2L）考察粒長和粒寬（精度均為0.01 mm），計算稻谷的長寬比。每個材料選取1 000 粒飽滿的谷粒，使用百分之一精度的電子天平稱取重量，重復3 次，取平均值作為千粒重。

1.2.2 DNA 提取與PCR 反應 幼苗期，采摘每份材料的鮮嫩葉片進行總DNA 提取，DNA 提取、PCR 擴增和檢測方法均參照孫廉平等[5]所述方法進行。該研究所用功能標記基因的引物序列如表 1 所示。其中，GS6-InDel、GW6a-InDel、GL7-InDel2、GLW7-InDel、GW5-InDel 和GW8-InDel 標記引物是張琳等[6]對包括來自水稻多樣性小組的257 份材料在內的全球水稻品種進行了等位基因發掘時，以日本晴為對照，根據粒形基因GS6、GW6a、GL7、GLW7、GW5 和GW8的序列差異設計的檢測標記，分別對應著GS6 的上游714～719 處發生的12 bp 插入、GW6a 的基因上游584～589 處發生的6 bp 缺失、GL7 的啟動子區發生的11 bp 缺失、GLW7 的啟動子區發生的6 bp 缺失、GW5 基因約5 kb 區域發生的1 212 bp 大片段缺失和GW8 啟動子區發生的10 bp 缺失；引物In0919（GS9）和Chr701（GW7）是張晨等[7]通過比較日本晴和9311 中GS9 基因3'UTR 區存在的22 bp 差異和GW7基因啟動子區存在的18 bp 差異分別開發的多態性較好的基因分型標記；引物SF28 是Fan 等[8]根據GS3第2 個外顯子上的一個C-A 突變導致GS3 翻譯提前終止的特異位點設計的檢測標記；利用上述功能標記分別對日本晴、9311、玉針香、華占、中恢8015 和中恢9308 中的粒形基因進行檢測。引物Wx-484/485 是Bligh 等[3]發現在Wx 核苷酸序列中存在一段（CT）n的微衛星序列，并以此為基礎設計的一套可以鑒別直鏈淀粉含量的功能標記，可以對高直鏈淀粉含量和低直鏈淀粉含量品種進行基因型檢測。BADH2-E2 和BADH2-E7 這2 對功能標記是王軍等[9]根據香味等位基因BADH2 第2 個外顯子上的7 bp 缺失和第7 個外顯子上的8 bp 缺失分別設計的，前者通過擴增的片段長度是否為100 或107 bp 來鑒定是香型還是非香型材料，雙條帶為雜合；后者則通過擴增的片段長度是否為196 或204 bp 來鑒定是香型還是非香型，2 個標記中任意1 個或2 個均表現為缺失型的品種，都會表現為具有香味。

表 1 研究所用標記引物

2 結果與分析

2.1 粒形與稻米品質考察

如圖1 所示，相對于其他5 個品種，玉針香粒形最為細長，其粒長為（11.79±0.01）mm，粒寬為（2.11±0.01）mm，長寬比高達5.50±0.03，千粒重為（26.47±0.09）g（表2），粒形外觀和千粒重均表現較優，遠高于粳稻品種日本晴，相較于其他幾個秈稻品種，也呈現了明顯的細長粒優勢。觀察6 個品種的精米（圖2）發現，玉針香的外觀表現和堊白分布均優于其他5 個品種。

2.2 粒形基因的分子標記檢測

如圖3 所示，在調控粒長的GS3、GS6、GLW7、GL7/GW7 等4 個基因中，玉針香的檢測結果表現為GS6 插入型、GL7/GW7 插入型、GS3 缺失型和GLW7缺失型；而在調控粒寬的基因GW5、GW8、GW6a 和GS9 中，GW5 和GW8 在玉針香中均表現為插入型，GW6a 和GS9 則表現為缺失型。

表 2 供試水稻品種谷粒的長、寬及千粒重

圖 1 供試水稻品種谷粒外形的比較

圖 2 供試水稻品種精米外觀品質表現

圖3 供試水稻品種粒形基因的檢測

2.3 米質基因Wx 和香味基因BADH2 的分子標記檢測

如圖4 所示，玉針香中Wx 基因的基因型與其他5 個材料存在差異，表現為缺失型，即屬于低直鏈淀粉基因型；BADH2 基因型鑒定結果表明，玉針香在BADH2 的第2 個外顯子上并不存在該7 bp 的缺失，與日本晴等其他5 個品種一致，但BADH2-E7 標記中玉針香顯示為缺失型，證實了其香味特征主要是由第7 個外顯子上的8 bp 缺失引起的。

圖4 供試水稻品種米質基因Wx 和香味基因BADH2 的檢測

2.4 玉針香中的基因分型

根據12 個功能標記的檢測結果，對日本晴、9311、玉針香、華占、中恢9308 和中恢8015 中粒形基因、直鏈淀粉含量基因Wx 以及香味基因BADH2進行了基因型分型和匯總，結果如表 3 所示，12 個標記中除了BADH2-E2 標記外，其余的11 個標記在6個品種中均存在多態性；其中，香味基因BADH2 的標記BADH2-E7 和稻米品質基因Wx 標記485/486 的檢測結果中，除玉針香外，其余5 個材料的檢測結果一致，證實了玉針香低直鏈淀粉含量的優異稻米品質和獨特香味很可能受上述2 個基因的基因型調控；在粒長基因中，GS3、GL7/GW7、GLW7 和GS9 均表現為導致粒長的基因型，上述基因的優勢粒長基因型對于玉針香的細長粒表型起了正向調控作用；粒寬基因GW5、GS6、GW6a、GW8 的檢測結果中，玉針香的檢測結果分別為插入型、插入型、缺失型、插入型，這些基因型也促使玉針香的細長粒表型形成。

表3 供試水稻品種的基因型及遺傳效應

3 結論與討論

中國有著悠久的水稻種植歷史，水稻籽粒的外觀、香味和口感等會直接影響消費者的消費意愿。但傳統香稻大多為地方品種，株型普遍偏高，生育周期較長，產量普遍偏低，適宜種植區域有限，且抗病性和抗逆性較差，不適宜大面積種植和生產。玉針香在稻米品質和粒形方面具有極大優勢，但目前主要作為常規稻種植。研究以日本晴、9311、華占、中恢8015 和中恢9308 為對照，針對玉針香的細長粒型、優質品質和獨特香味，通過12 個特異性功能基因標記對與粒形、稻米品質和香味相關的10 個基因（GS3、GW5、GS6、GW6a、GL7/GW7、GLW7、GW8、GS9、Wx、BADH2）進行檢測，結果表明：玉針香的特細長粒形可能主要受GS3、GL7、GW7 影響，同時兼具多個粒形基因的正向調控共同促成，其中GLW7 和GW8 基因型還可以顯著改善稻米品質[2]；其優良稻米品質可能是受GLW7、GW8 和Wx 基因型的共同作用所致；其獨特香味可能主要受BADH2 第7 個外顯子缺失的影響。對玉針香粒形、稻米品質和獨特香味性狀進行基因型檢測既有助于了解其遺傳背景，為多個優勢基因的聚合育種提供理論參考，也為采用分子標記輔助手段實現水稻粒形及優質品種的定向選育提供思路。

挖掘優質基因是實現水稻優質高產育種的有效途徑之一，目前關于水稻的粒形、稻米品質和香味特征的遺傳機理在突變體等試驗材料中的研究很多，但是聚合多個優勢基因同時育種卻鮮有成功先例。玉針香是一個具有細長粒形、優良稻米品質及獨特香味的優質水稻品種，在實際育種工作中可作為供體親本，通過上述特異性功能基因標記對水稻粒形、米質和香味進行定向篩選，極具利用價值。當然，玉針香中可能還存在其他優勢基因，這些基因的功能和表現亟待進一步發掘、研究和利用。