黑米和红米特种稻是一类由于色素沉积而导致种皮表现出黑(紫)色或红色的特殊稻种资源,其营养物质丰富,除了含有比白米更多的蛋白质、矿物质及膳食纤维外,还富含花青素(原花青素)、黄酮类、萜类等生理活性物质,其营养物质及价值都远超白米,因此受到越来越多稻米消费者的青睐.我国黑米和红米资源丰富,合理利用这些营养丰富的黑米和红米资源,创制优异的黑米和红米新种质并培育出新品种,对于推动特种稻产业发展意义重大.本文分4个阶段概括了黑米和红米的研究历史并介绍了我国黑米和红米资源的分布情况,综述了黑米和红米的品质、产量、抗性及开发利用等方面的研究进展,重点阐述了黑米和红米在品质差异及形成机制上的最新研究进展.最后总结了黑米和红米当前研究的薄弱之处并提出了对黑米和红米未来研究方向的展望,为黑米和红米的新品种培育及进一步开发利用提供参考.

以籼型水稻RH003与华占构建的106个重组自交系后代作为试验材料,对海南陵水和安徽合肥两季稻米的粒长、粒宽、长宽比、垩白粒率和垩白度5个外观品质性状进行相关性分析和QTL定位,研究发现垩白与长宽比相关性最高,呈极显著负相关,其次为粒宽,呈显著正相关,粒长与垩白相关性较小,仅合肥试验点的粒长和垩白度达到负相关显著水平,其他均未达到显著水平;QTL定位共检测到17个QTL位点,两季重复检测到的QTL位点有6个(qGL2a、qGL2b、qGW2b、qGLW2、qCR4和qCD4),且LOD值和表型贡献率较高.其中,粒型QTL 4个,均位于第二染色体,垩白度和垩白粒率QTL各1个,均位于4号染色体且位置相近.研究可为外观品种性状的基因发掘和分子育种提供参考.

通过"第三次全国农作物种质资源普查与收集行动"项目,对江西省各农业县(市)水稻地方品种资源进行了调查和收集,2017-2019年共收集到水稻地方品种资源321份,对其形态特征、主要农艺性状和品质特性进行了鉴定.从地域分布来看,江西水稻地方品种资源在11个地级市均有分布,主要集中分布于九江、上饶、宜春、抚州、吉安和赣州等6个面积较大且山区丘陵地较多的地级市,这些地区经济欠发达、交通不便,又是少数民族聚集地,农户喜欢以水稻地方品种的稻米为原材料加工美食.江西省水稻地方品种资源存在籼稻与粳稻两个亚种,以籼稻为主,分为早稻、中稻和晚稻,以中、晚稻为主,粘稻和糯稻分别占38.0％和62.0％,种皮颜色种类丰富,有35份红米和紫黑米种质资源.江西水稻地方品种资源遗传变异丰富,多数表现为颖尖秆黄、无芒或短芒,穗型适宜、剑叶及茎秆角度适中、抗倒伏且落粒性适宜;鉴定出15份抽穗期与株高适宜的大穗、多颖花、高结实率、高千粒重的优良品种资源,还筛选鉴定出优异糯稻和有色稻米资源各12份.这些水稻优异地方品种资源具有较大的挖掘潜力,可为水稻新品种选育提供重要的资源支撑.

通过对2017-2021年"第三次全国农作物种质资源普查与收集行动"收集到的福建水稻地方品种资源品质性状进行鉴定与评价,结果表明:在165份白米稻和红米稻中,粘稻的垩白度变异系数最大,其中籼型白米垩白度最高为148.91％,其次为透明度,而糙米率变异系数最小在5.0％以下.糯稻的阴糯米率变异系数最高在70.0％以上,其次是白度和直链淀粉含量2项指标,而糙米率、碱消值、胶稠度3项指标变异系数较小,都在10.0％以下.从米质指标达标率来看,粘稻整精米率和垩白度达标率较低,在50.0％以下,其他指标较高,均在65.0％以上;糯稻整精米率和直链淀粉含量达标率较低,在50.0％左右,其他指标达标率较高,均在65.0％以上.蒸煮食用品质优劣是优质稻评价的一项重要内容,粘稻中蒸煮食用品质3项指标均达到部颁优质3级以上品种占总数的60.7％,糯稻中占总数的35.4％.与福建第二次普查收集到的品种相比,第三次普查收集到的品种中蒸煮食用品质达到优质的品种比例有大幅度的提升.本研究筛选出10份米质达部颁优质的种质资源,可以为今后优质材料创制提供物质基础;另外还筛选出15份高直链淀粉含量种质,可用作加工专用稻新材料创制.本次收集到的水稻地方品种中有色稻资源较为丰富共有32份约占总数的20.0％,可为今后功能性水稻生产及育种提供宝贵资源.今后应加强地方品种品质鉴定评价工作,从中挖掘出优异的种质资源为水稻育种新材料创制提供物质基础,促进和推动优异水稻新品种选育.

锌(zinc,Zn)和铁(iron,Fe)是水稻(Oryza sativa L.)生长必需的矿质元素,也是人体必需的微量元素.水稻体内Zn、Fe含量维持在适宜水平有利于提高其产量和品质,提高稻米中Zn、Fe含量能够在一定程度上解决人体Zn、Fe营养缺乏的问题.因此,研究水稻中Zn和Fe等微量元素转运蛋白的具体功能对于提高水稻产量和稻米品质具有重要意义.锌铁转运蛋白(zinc-regulated transporters and iron-regulated transporter-like protein,ZIP)负责Zn和Fe等离子的吸收、转运和分配,是维持水稻中Zn和Fe平衡的重要转运蛋白,其表达水平受Zn和Fe水平影响.ZIP基因家族在自然群体中具有丰富的等位变异,而且某些单倍型存在明显的籼粳分化,这可能造成了不同品种间籼、粳稻中Zn和Fe积累的差异.目前,已有大量关于ZIP基因家族的研究,但只有OsZIP3的作用机制研究的较为清楚.另外,对Zn、Fe在籽粒中的积累机制研究和自然群体中ZIP基因的等位变异研究还不够深入.因此,ZIP转运蛋白家族仍存在较大的研究空间.本文详细介绍了ZIP转运蛋白在水稻体内的亚细胞定位、表达模式、转运机制以及在自然群体中的等位变异等,以期为研究水稻稻米微量元素的积累提供理论基础,为提高稻米品质提供借鉴.

糯稻作为特种稻米每年在我国和广西都有一定比例的消费,为了培育高产糯稻品种,本研究利用 CRISPR/Cas9 介导基因组编辑技术将高产的非糯性品种转为糯性品种,对水稻优良保持系209B 中的Wx位点进行定点编辑,并转育成糯稻不育系WX209A.209A 又名银丰A,是优良籼稻不育系,已组配出一批水稻品种在广西、广东、江西等地进行大面积推广.本研究针对该保持系的Wx 基因选择合适的靶位点,构建sgRNA表达盒与pYLCRISPR/Cas9 载体连接, 利用农杆菌介导转化209B;对T0、T1 代转化植株定点编辑位置进行 PCR 检测和测序分析及测定转化植株精米直链淀粉含量,筛选出无外源转化原件的纯合保持系WX209B 并转育出不育系WX209A.结果表明, T0 代材料中Wx 位点的突变频率高达69.2％, 其中纯合缺失突变率占 26.9％;对T1 代纯合突变体的调查分析结果表明,多数Wx 基因突变体能显著降低直链淀粉含量,所获得的糯稻保持系WX209B 直链淀粉含量仅1％,糯性品质优良,其他形态、经济性状没发生显著的改变,所转育的糯稻不育系WX209A 具有重要的利用价值.

目的 基于气相色谱-质谱联用技术(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)对来源于黑龙江省两个稻米产地的30份稻米进行代谢组学研究.方法 在R软件平台下,采用XCMS软件包对GC-MS数据进行处理,结合SIMCA-P 13.0软件,以主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)和偏最小二乘法-判别分析(Partial Least Squares-Discriminate Analysis,PLS-DA)进行多元统计分析.结果 共检测出64种包括糖、氨基酸、脂肪酸及有机酸等代谢产物,对显著变化(P＜0.05,VIP≥1)的代谢物进行鉴定,筛选出11种差异代谢物,可作为稻米产地区分的关键指标,表明稻米的代谢产物携带其产地信息,进一步为靶向代谢组学提供准确研究指标.结论 利用此方法分析环境对水稻代谢产物的影响具有一定的可行性,为因环境不同而导致的稻米品质差别提供了可视化的理论基础,也间接为稻米产地鉴别提供了技术支持.

采用41份杂草稻种质材料,开展宁夏杂草稻稻米功能型品质的研究.结果表明,杂草稻的黄酮、维生素B1以及铁、锌、硒含量存在较大变异,变异系数均达13％以上;杂草稻的黄酮、维生素B1含量低于选育品种,铁、锌、硒元素含量与选育品种相似,杂草稻的维生素B2含量(0.032 mg/100 g)总体高于地方品种(0.026 mg/100 g)和选育品种(0.027 mg/100g).通过功能型品质性状综合分析,筛选出了9份优异杂草稻资源,为改善宁夏水稻品质,拓宽宁夏水稻遗传基础奠定基础.

该团队针对长江上游稻作生态特点及水稻生产中存在的问题,开展了绿色优质高产新品种的培育研究.先后发掘出与稻飞虱抗性、产量、品质性状相关的基因/QTL;研发了稻米品质、稻瘟病抗性、稻飞虱抗性、磷高效利用、抗旱性、抗倒伏等绿色性状的改良技术;创制出兼具优质、高配合力、抗稻瘟病、抗飞虱等优良性状的新材料;培育出适合长江上游生态条件的绿色优质高产新品种并在生产上推广应用.

基于FACE (free-air CO2 enrichment)试验平台,以籼稻IIY084与粳稻WYJ23为试验对象,连续两年(2013、2014)研究糙米产量和矿质元素(Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Se)含量对CO2浓度升高的响应.结果 表明,CO2浓度升高条件下,IIY084与WYJ23籽粒和糙米产量增加,其中,糙米两年平均增产34.3％和16.3％.CO2浓度升高连续两年降低IIY084糙米中Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Se含量,其两年平均分别降低了10.4％、13.4％、15.5％、11.7％、25.7％、3.2％,而WYJ23糙米中矿质营养含量未出现一致的下降现象.其中,2014年糙米Mn、Cu、Zn和Ni含量对CO2浓度升高的负响应达到显著水平(P＜0.05).此外,糙米Fe(P＜0.1,2014)、Mn(P＜0.01,2013和2014)、Cu(P＜O.1,2014)、Zn(P＜0.01,2013和2014)、Ni(P＜0.01,2014)、Se(P＜O.05,2013;P＜0.01,2014)含量在水稻品种间存在显著性差异.CO2浓度升高不同程度地增加糙米中矿质元素积累量,6种元素两年平均增加2.1％～29.2％(IIY084)和12.8％～ 19.3％(WYJ23).可见,CO2浓度升高条件下,IIY084糙米中矿质元素含量较WYJ23有更明显的下降趋势,导致食用IIY084较WYJ23有更大的Fe、Mn、Cu、Zn、Ni、Se缺乏风险.因而,在确保粮食安全而进行增产品种选育时,应该优先选择矿质营养品质较高的水稻品种.