日本寒冷地带北海道优良食味粳稻育种研究

丹野 久

（北海道农产协会，日本 北海道札幌，060-0004）

在日本，北海道稻米产量与新潟县不相上下，全国排名不分伯仲。但由于北海道地处日本最北端，气候条件恶劣，与日本东北以南地区相比，水稻种植史较短，过去很长时间并未出现“越光”水准的全国知名优良食味品种，并且，在东京都、神奈川县、爱知县等大消费地区，北海道产大米的口碑也一般，外加1975—1980年间日本整体稻米产量过剩，更加导致了北海道产大米消费量下降。

如上篇文章[1-2]所述，培育优质水稻品种及相关技术是生产优良食味大米的必要条件。为解决以上问题，从1980年开始历时28年，负责水稻育种研究工作的北海道立中央、上川、道南、北见农业实验场（现称北海道立综合研究机构农业研究本部）共实施了四期优质稻米快速研究项目（以下简称优质稻米快速研究项目），由此培育出了21个优良食味粳稻品种，以下列出主要品种和代表性品种的育种方法及食味等特性情况（表1、图 1）。

表1 1980年后培育的21个优良食味粳稻品种中主要品种及代表品种是否进行了缩短育种年限方法试验，以及食味等各项特性[3]

图1 1980年以来北海道粳稻播种比率变化[3]

最终，北海道产大米的食味得到大幅提升，丝毫不逊色于日本东北以南地区的知名品种[4-5]。在该研究项目中，尽管实施时期不同，但主要通过缩短育种年限、扩大育种规模、分析与食味相关的数值来进行食味选拔[6-7]（图2）。本文将以该研究项目为中心，着重介绍北海道地区提高大米食味的相关育种经验。

图2 1980年开始的北海道立农业试验场（现称北海道立综合研究机构 农业研究本部）优良食味稻米品种开发项目试验构成示例[6-7]

1 培育优良食味品种的育种战略

1.1 缩短育种年限

水稻品种育种成功的条件之一，就是该品种在实际种植过程中能保持稳定性。通过杂交所培育的品种，在初期不稳定的个体较多，相关特性也很难统一，但伴随着培育代数的增加，出现特性稳定的个体几率也随之提高。因此，按照过去一年一熟的栽培方法，从初期杂交到育种成功一般需要 10年时间。为适应时代发展要求，缩短水稻育种年限，采取了世代促进栽培法和花药培养法。

1.1.1 世代促进栽培法

在优质稻米快速研究项目开始之前，杂交第1代（F1）是在冬季温室内培育的，但从 F2代培育开始，只有中央农试在温暖地带（鹿儿岛县）利用世代促进栽培法（以下简称世促）。之后参与该项目的所有试验场都从春季到秋季在鹿儿岛县对F2和F3代实施了世促法，另外又拿出一部分继续在冬季时节放到冲绳县进行F4代的栽培。这样一来，包括已实施世促法的F4代在内，尽管育种年限没有变化，但育种材料的稳定性得以提高。原本通过杂交至少需要 10年时间才能最终培育出的优良品种，通过上述世促法，其中也包括了F1温室培育法在内，将总需时长压缩到了8年（表2）。自2001年开始，在道南农试，由温暖地区世促法调整为在大型温室中培育F2、F3代的世促法，而现在不再实施F4参试的1年3次加代的世促法。

表2 标准方法、世代促进栽培法以及花药培养法从杂交到成功培育出新品种的各需年数[8]

1.1.2 花药培养法

花药培养法是指将夏季收获的杂交种子在冬季播种，以培养F1个体的花药。由此获得来自花粉的单倍体，通过自然倍增尽快实现种系稳定。之后，在第2年夏季采种，冬季进行种系选育；后续在第3年进行产量预实验。如此，从杂交开始到培育出优良品种只需7年时间（表2）。该培养法在中央农试开展了一段时间，大部分时间仅在上川农试进行，每年从 100～120组中选取最有可能成功的 3～5组参与实验。但由于该实验需要相当大的成本和精力，难以持续，所以目前已中止。

通过以上缩短育种年限的方法，成功培育了优良稻米快速研究项目中的21个品种。其中通过花药培育法培育了5个品种，其余16个品种中，F1为冬季温室培育法、F2和 F3代为世促法的共13个品种，经历F4代世促法的有3个品种（表1）。

1.2 优良食味种系选育

1.2.1 扩大育种规模

当初，很难培育出兼备优良食味、早熟性和耐寒性的水稻品种，为了实现以上目标，通过扩大个体和种系（包括将一根稻穗作为下一年的 1个种系）选育试验的参试规模，来提高培育成功的概率。

1.2.2 加强有效基因的应用

应用内外部的有效基因与优良食味相关的低直链淀粉以及抗寒性等基因，来加大基因变异，从而培育出具备重要特性的优良种系，当然，需要同时采取扩大育种规模的方式。

1.3 食味鉴定

1.3.1 食味特性分析

优良食味品种选育须经食味选拔环节。但是直接通过品尝米饭方法进行选评，参试大米数量会受到限制。尤其是参与个体选育测试以及种系选育测试的初代样品，由于参试数量过多，同时单一个体和单一种系的糙米样品量很少。

在优质稻米快速研究项目实施之前，就有专家指出，北海道稻米中与食味相关的淀粉成分之一的直链淀粉含量以及大米蛋白质含量（表 3）均高于日本东北以南的优良食味稻米（图 3、图4），必须对两者进行改良[9]。因此，在进行个体选育以及种系选育的时候，选拔了上述两种物质含量较低的个体和种系[11]（表4）。在进行种系选育之后，作为选拔的参考指标，还会通过物性分析仪和色彩色差仪对米饭的质构变化及外观等进行测定。

表3 北海道与日本东北以南主要品种大米的食味相关特性与直链淀粉含量和大米蛋白质含量的相关系数（1969—1971，1980，1983年生产）[9]

图3 北海道与日本东北以南产大米中直链淀粉含量的频率分布比较（1969—1971，1980，1983年生产）[9]

图4 北海道与日本东北以南产大米的蛋白质含量比较（1991—1996年生产）[10]

为了对多个样品进行快速测定，在全国范围内率先使用分析直链淀粉的连续流动化学分析仪和分析蛋白质的近红外分析仪。以上两种分析，实际操作过程均需约10 g糙米样品。从具体实例来看，2007年上川农试，一共对5 500份样品进行以上两种物质的分析，而在同期进行的种系选拔试验中，通过10～100 g少量大米的煮饭进行了350份样品的食味选拔[12]。

1.3.2 食味综合评价

在生产能力（产量）试验之后，因参试的种系数量有限，糙米样品量也较充足，所以拿出200～750 g大米用于食味感官试验，因此为主进行食味综合评价。在此基础上，又通过快速粘度分析仪（RVA）的糊化特性测定其老化特性（表4）。在品种培育最后的推荐品种决定试验中，还听取了大米经销商等相关用户的评价意见。

表4 北海道水稻育种试验中的食味选拔·评价方法（◎为重点使用，○为补充使用，道总研上川农业试验场实施）[8]

2 从引进优良食味遗传基因角度分析育种过程

2.1 集聚北海道内优良食味遗传基因

在开展优质稻米快速研究项目之前，与日本东北以南地区大米相比，北海道产大米的食味明显处于劣势。为提高品质，通过降低直链淀粉含量进行选育的方式，不仅提高了大米粘度，食味也得到大幅提升。同时，由于蛋白质含量也会影响食味，所以挑选了蛋白含量低的种系。以“巴胜”等北海道内优良食味品种为基础，经改良后培育而成的“雪光”等品种[13]于1984年成功问世（图5、图6）。

图5 吸收了北海道品种优良食味遗传基因培育而成的「雪光」的谱系[13]

图6 北海道优良食味品种引入的优良食味遗传基因[3]

2.2 引进“越光”优良食味遗传基因

1981年，实验人员以拥有“越光”血统的“越誉”为母本成功培育出“岛光”。之后，又以“岛光”为母本，于1988年培育出的“闪光397”[14]（图6、图7）在优秀的营销战略支撑下，北海道产大米因其前所未有的优良食味，首次成为日本知名的优良食味稻米品牌。发展至今，虽在抗寒性能方面稍差，但得益于其稳定的高产特点，该品种在北海道地区仍被长期广泛种植。而为了提高“闪光 397”的抗寒性，以拥有“越光”血统的日本东北品种“秋田小町”为母本，于1996年成功培育出了“星之梦”[15]（图6、图7）。

图7 通过北海道品种「岛光」引入「越光」的优良食味遗传基因培育而成的「闪光397」以及引入「秋田小町」的优良食味遗传基因培育而成的「星之梦」谱系[14-15]

虽然直链淀粉含量与水稻成熟温度成正比，但因年份不同数据变化较大，很难显示准确的数据。不过，研究发现“雪光”之前的多肥多产品种“石狩”等的直链淀粉含量为22%，而“闪光397”和“星之梦”的含量为 20%，普遍下降约2%（图8）。由于与日本东北以南地区相比，北海道的水稻成熟温度更低，所以“闪光397”和“星之梦”的直链淀粉含量仍然偏高。也有研究表明，在成熟温度相同的条件下，北海道自有的优良食味品种与日本东北以南的优良食味品种之间，直链淀粉含量并不存在差异[16]（表5）。因此即便以日本东北以南地区的优良食味品种为母本进行培育，也很难进一步降低其直链淀粉含量。

图8 北海道的新旧品种和日本东北以南的优良食味品牌米品种的大米蛋白质含量和直链淀粉含量之间的关系（道总研 上川农业试验场提供）[3]

表5 在农田及人工气象箱的温度条件一致前提下成熟时，以往的北海道优良食味品种与日本东北以南的优良食味品牌米品种的食味特性[16]

2.3 有效利用低直链淀粉遗传基因

为了进一步降低直链淀粉含量，还尝试引进日本原生粳稻品种中所不具备的低直链淀粉遗传基因——低直链淀粉种系“NM391”的遗传基因，该种系是通过伽马射线对“日本胜”进行照射研发而成的。最终，分别于1991年和2001年培育出了品种“彩”[16]和“彩姬”[18]（图 9）。由于其直链淀粉含量约为10%～12%，是“闪光397”等一般粳稻品种的一半左右，同时具有口感软糯特征，所以更多被用于与一般粳米的配米。

图9 引入「NM391」的低直链淀粉突变基因培育而成的「彩」和「彩姬」的谱系[17-18]

2001年和 2003年还以融合“国宝玫瑰”的优良食味特性的北海道培育种系为母本，分别研发了“七星”[19]和“松软”[20]（图 10）。与“闪光397”和“星之梦”相比，“七星”的直链淀粉含量又降低约 1%（图 8），同时，其蛋白含量虽未得到大幅度改观，但与原有品种相比，“松软”的蛋白含量也略有降低。以上新品种的问世，让经销商和消费者对北海道产大米的食味给予了更高评价。

图10 引入「国宝玫瑰」的优良食味遗传基因培育而成的「七星」和「松软」的谱系[19-20]

后来又以“闪光 397”变异研发的低直链淀粉种系“北海287号”为母本，于2003年成功培育出了“胧月”[21]（图6、图11），不过这并不属于优质稻米快速研发项目的成果，“胧月”的直链淀粉含量为14%～15%，可作为低直链淀粉含量品种单独使用。而 2008年培育成功的“梦美”[22]（图6、图11），与同样引入了“北海287号”基因的“胧月”相比，直链淀粉含量虽然要高 1%左右，但栽培性能方面得到大幅提升。以上两个品种在“光泽”“粘度”“柔软度”方面表现极佳，且食味方面也与“越光”保持同等水准。

图11 引入基因突变种系「北海287号」的低直链淀粉遗传基因后培育成功的「胧月」和「梦美」[21-22]

综上所述，引进北海道、日本东北以南地区以及美国“国宝玫瑰”的优良食味遗传基因和突然变异的低直链淀粉遗传基因，通过米饭的粘度和柔软度，提高了相关品种的食味（表6）。但是，“北海道 287号”以及具备低直链淀粉基因的“NM391”品种，虽然在食味感官试验中，其“粘度”和“柔软度”得到较高的评价，但“综合评价”并不高（表 6、图12），由此看来，“粘度”和“柔软度”过高未必能提高食味。成熟期间的平均气温每上升1 ℃，与其他品种相比，两种低直链淀粉遗传基因品种的直链淀粉含量降低幅度更大[22-23]（表 7）。

表6 选育的优良食味品种其食味感官试验时的「粘度」、「柔软度」与「综合评价」值比较（食味基准品种均为一般粳稻品种）[13-14,17-22]

图12 直链淀粉含量与食味感官试验中的「粘度」，「柔软度」与「综合评价」差值之间的关系[13-15,17-22]

表7 成熟期间的日平均气温每变化1 ℃导致直链淀粉含量的变动（ΔAM，%/℃）[22]

3 未来的优良食味育种战略

总结以上研究成果可以发现，1980年以来，北海道产大米直链淀粉含量大幅降低（图 13），而新品种的培育并未降低大米的蛋白质含量（图14）。当然，大米的食味评价有了较大提升，可与日本东北以南地区的优良食味品种相媲美[4-5,25-26]（图15）。

图13 北海道新旧品种的培育成功年度和直链淀粉含量的关系[10,24-25]

图14 北海道新旧品种的培育成功年度和大米蛋白质含量的关系[10,24-25]

图15 北海道新旧品种以及日本东北以南优良食味品牌品种的食味感官试验综合值比较[26]

图16 直链淀粉含量，大米蛋白质含量以及食味感官综合値之间的关系[4]

降低蛋白和直链淀粉含量（图16）是进一步提升食味的非常重要的因素。在直链淀粉方面需要考虑恰当的“粘度”和“柔软度”，不能一味追求低直链淀粉含量，而是应该努力培育其含量为“七星”和“梦美”的中间值（图 8）且受产地和年份影响较小的品种[12,23]，因此，目前可考虑利用来自“国宝玫瑰”的种系继续研发新品种。在蛋白质方面，上川农试正尝试将从“国宝玫瑰”培育的种系等作为基因资源，从而将蛋白质含量降低 0.5%～1%左右[8,12]。为了改善“外观”、“光泽”以及冷饭也好吃的“米饭老化特性”，需要开发在育种过程中能高效准确测定以上特性的方法。同时，有必要加强相关基础研究，以期实现大米“色香味”的仪器分析。

备注：

1. 参考文献中，除注明国家的期刊外，其余均为日语期刊。

2. 本文的彩色图表可从本刊官网（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中国知网、万方、维普、超星等数据库下载获取。