巨胚水稻的研究進(jìn)展

鄭 植，黃忠財，張艷華，黃榮華，章清杞

(1.福建農(nóng)林大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，福建 福州 350002;2.泰寧縣農(nóng)業(yè)局，福建 泰寧 354400;3.福建農(nóng)林大學(xué)作物遺傳育種與綜合利用教育部重點實驗室，福建 福州 350002)

水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性是選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)水稻品種的基礎(chǔ)[1]。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，市場對稻米需求的多樣化、營養(yǎng)化趨勢明顯，我國現(xiàn)階段的稻米品質(zhì)已不能適應(yīng)市場的需求，高營養(yǎng)、優(yōu)質(zhì)的稻米受到青睞，育種工作者也越來越注重富含營養(yǎng)成分的功能型稻米品種的選育[2－5]。具有巨大胚的水稻——巨胚稻，因其具有高營養(yǎng)和富含功能性成分，近年來已愈來愈受到水稻育種者的關(guān)注。本文就巨胚稻種質(zhì)的發(fā)現(xiàn)、巨胚基因的遺傳研究、巨胚稻育種及加工應(yīng)用等作一綜述，以期為水稻育種者提供參考。

1 水稻巨胚種質(zhì)的發(fā)現(xiàn)

日本學(xué)者Satoh和Omura于1981年報道在水稻中發(fā)現(xiàn)了巨胚種質(zhì)，他們以水稻品種Kinmaze的受精卵細(xì)胞為材料，通過化學(xué)誘變處理獲得了巨胚突變體，其胚的大小比對照Kinmaze的胚大2－3倍[6－7]。1991年Kim et al[8]以水稻品種花晴稻的受精幼胚為材料，通過N-甲基－N-亞硝基脲(MUN)化學(xué)誘變處理，獲得了巨胚稻種質(zhì)，并育成粳型巨胚稻品種花清ge?；ㄇ錱e胚重比普通對照品種大2－4倍。1993年 Kitano et al[11]和Hong et al[12]以水稻品種Taichung 65和Kinmaze為材料，通過化學(xué)誘變劑MNU 的處理獲得了 5個具有巨胚性狀的突變體:odm90、odm30、odm132、odm93 和 odm44[9－10]。福建農(nóng)林大學(xué)遺傳所通過輻射誘變技術(shù)，從保持系龍?zhí)仄諦、1813B和恢復(fù)系明恢86的M2糙米中篩選獲得秈型巨胚稻突變株。浙江大學(xué)通過航天育種方法育成巨胚品系MH-ge1、MH-g2、MH-ge3、MH-ge4和MH-ge5[13]。

2 巨胚種質(zhì)在育種上的應(yīng)用研究

1993年，日本水稻育種家用巨胚稻EB40與高產(chǎn)品種明光諾里雜交，經(jīng)多代選育，育成具有巨胚性狀的水稻品種海米諾里，其胚大小是普通水稻品種日本晴的3－4倍[14]。錢前等[15，16]以日本的巨胚種質(zhì)為材料，通過雜交方法選育成巨胚稻品系巨大胚G1[15]和巨胚1號[16]。巨大胚G1和巨胚1號的胚重是對照品種的2－3倍。趙則勝等[17]以日本的巨胚稻探系2015為材料，通過系譜選育，育成了胚重是對照品種2.45倍的巨胚稻6601。

章清杞等[11，12，18－20]采用輻射誘變秈稻保持系 98-14B、1813B 和龍?zhí)仄?B，獲得其巨胚突變體 98-14geB、1813geB和龍?zhí)仄謌eB，并通過與不育系98-14A、1813A和龍?zhí)仄諥雜交回交進(jìn)而育成具有巨胚性狀的水稻不育系98-14geA、1813geA和龍?zhí)仄謌eA;采用輻射誘變方法，還育成了巨胚恢復(fù)系Mge86，并利用Mge86與巨胚不育系98-14geA、1813geA和龍?zhí)仄謌eA配組育成巨胚雜交稻;采用雜交方法，通過巨胚稻與黑米品種、糯稻品種的雜交，育成了一批巨胚糯稻和巨胚黑米稻品系。韓龍植等[21]采用花藥培養(yǎng)方法，育成普通巨胚稻品種白巨胚米1575和特種巨胚稻品種巨胚香糯1547，其胚重占糙米重的8%以上。

黃大年[22]通過組織培養(yǎng)和系統(tǒng)選擇方法育成巨胚品系伽馬-1。張光恒等[23]以水稻晚粳品種中超123 T5代純系作為供體親本，與粳型巨胚品種巨胚1號進(jìn)行雜交。在F4代株系中篩選到16個同時帶有g(shù)lgC-TM/ge雙基因的聚合株系，米的百粒胚重增加70.2% －119.0%，認(rèn)為利用生物技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的分子設(shè)計育種來調(diào)整稻米的營養(yǎng)功能結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量是一條行之有效的途徑。

3 巨胚基因的遺傳研究

Satoh et al[6，24]利用三體方法，將巨胚基因定位在第7染色體上，與 esp-1標(biāo)記連鎖較緊。Hong et al[25]對巨胚突變體進(jìn)行了遺傳分析，認(rèn)為 odm30、odm132、odm44、odm93、odm90 的巨胚基因受1 對隱性單基因控制，與Satoh et al[24]發(fā)現(xiàn)的巨胚基因等位。Koh et al[26]對milyang23進(jìn)行研究，認(rèn)為巨胚基因位于第7染色體上，與標(biāo)記CDO497的遺傳距離為3.4 cM，與標(biāo)記RZ395的遺傳距離為2.4 cM，與微衛(wèi)星標(biāo)記RM18的距離為7.7 cM，與微衛(wèi)星標(biāo)記RM10的距離為9.6 cM。

李毓等[12]對巨胚種質(zhì)TgeB和1813geB進(jìn)行了遺傳分析，認(rèn)為兩者的巨胚性狀由隱性單基因控制，且它們的巨胚基因與韓國巨胚品種1137的巨胚基因等位。錢前等[27]通過雜交F2群體構(gòu)建遺傳連鎖圖，對控制巨胚性狀的基因進(jìn)行定位，認(rèn)為巨胚基因位于第7染色體上，巨胚基因與RG678的遺傳距離為6.2 cM，與RZ395的遺傳距離為13 cM。錢前等[28]利用水稻RFLP標(biāo)記對巨胚稻進(jìn)行RFLP分析，結(jié)果表明，巨胚稻與金南鳳之間的多態(tài)性為8.3%。Nagasawa et al[29]以雜交F2為群體材料，將巨胚基因定位在第7染色體上，與RFLP標(biāo)記C847的遺傳距離為4.0 cM，與RFLP標(biāo)記B2F2的遺傳距離為1.8 cM。

章清杞等[30]以11個秈稻品種為材料，通過60Co-γ射線輻射干種子，種植后收獲自然成熟的M2代種子。將種子去殼后肉眼鑒別巨胚突變粒，估算突變率，結(jié)果認(rèn)為，在輻射M2種子中，巨胚突變的頻率平均為0.00125%。對誘變獲得的2個秈稻巨胚品系Mge86和98-14geB進(jìn)行遺傳分析，認(rèn)為巨胚基因為單隱性基因，與巨胚品種1137的巨胚基因等位。

4 巨胚稻的營養(yǎng)成分研究

韓國育成的粳型巨胚品系1137富含維生素等各種生理活性物質(zhì)[8]，日本育成的巨胚品系粗脂肪含量達(dá)到3.91%，而原來非巨胚的品種僅為2.60%[6，7]。楊艷荔等[31]對龍?zhí)仄謌eB糙米的胚重和營養(yǎng)成分進(jìn)行測定，結(jié)果表明，龍?zhí)仄謌eB粗脂肪含量由2.50%提高到5.06%，蛋白質(zhì)由9.00%提高到9.60%，各種氨基酸含量的相對值也相應(yīng)提高5.45% －30.36%。趙則勝等[16，32]育成的巨胚稻品系6601，其相對胚重高達(dá) 7%，VB1、VE、VPP分別比對照提高 8%、41%、19%，Zn、Ca、P 分別比對照提高 58%、28%、112%。韓龍植等[21]對巨胚清香糯1574和白巨胚米1575的營養(yǎng)成分進(jìn)行測定，結(jié)果表明，兩者的相對胚重都大于8%，礦物質(zhì) Ca 含量分別為277 和 325 mg·kg－1，VB1含量分別為 3.3 和 0.98 mg·kg－1，蛋白質(zhì)含量分別為9.9%和10.6%，均高于對照品種。劉玲瓏等[33]研究表明，巨胚稻W(wǎng)025的γ-氨基丁酸(GABA)含量大大高過對照金南風(fēng)，認(rèn)為浸水后種胚GABA的積累與谷氨酸脫羧酶的催化反應(yīng)有關(guān)。魏振承等[34]對巨胚稻的米質(zhì)和營養(yǎng)成分進(jìn)行分析研究，結(jié)果認(rèn)為，巨胚稻的蛋白質(zhì)、K、Mn、Ca、Na、P、VB6和膳食纖維等的含量比非巨胚稻米顯著提高。

5 巨胚稻的生物學(xué)特性研究

趙則勝等[32]對巨胚稻品系6601進(jìn)行研究表明，該品系株高為80 cm，屬半矮稈型水稻，有效穗11－14 個，主穗長 18 cm，主穗總粒數(shù)79 粒，千粒重18.25 g，粒長7.5 mm，粒寬3.0 mm，長寬比為2.5。章清杞等[35]對巨胚稻品系及其相應(yīng)的非巨胚對照的生物學(xué)特性進(jìn)行研究表明，巨胚稻品系與對照品種相比，主要農(nóng)藝性狀相似，但巨胚稻的千粒重比非巨胚對照下降1.90－3.13 g，實際產(chǎn)量也有所下降;巨胚稻的相對胚重是對照的1.97－2.47倍，絕對胚重是對照的1.69－2.04倍。章清杞等[20]對巨胚雜交稻進(jìn)行了研究，結(jié)果認(rèn)為，巨胚雜交稻和非巨胚對照的主要農(nóng)藝性狀相似，巨胚雜交稻的容重、千粒重、產(chǎn)量略有下降。魏樹等[36]研究認(rèn)為，粳型巨胚清香糯為中熟品種，生育期145 d天左右，產(chǎn)量6750－7500 kg·hm－2，千粒重19.5 g，抗白葉枯病，中抗稻瘟病，不抗倒伏。

章清杞等[37－39]對巨胚稻胚性狀的發(fā)育過程和巨胚稻糙米的粒形性狀相關(guān)性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，巨胚稻相對胚重與粒長、粒寬、粒厚和粒重有顯著關(guān)系;對其發(fā)育過程研究表明，在巨胚稻開花后的前12 d，胚的生長迅速，且其生長速率大于非巨胚對照;巨胚稻的胚在生長的各時期均大于對照，胚長和胚厚分別是對照的1.21－1.37倍和1.37 －1.70 倍;胚芽寬是非巨胚稻的 1.12 －1.31 倍;胚根長是非巨胚稻的1.14－1.22倍;胚根寬和對照差異不顯著;巨胚稻胚的盾片明顯大于對照，盾片細(xì)胞長和盾片細(xì)胞寬分別是對照的2.09倍和1.90倍，認(rèn)為巨胚稻胚的增大主要是由胚盾片細(xì)胞的顯著增大所引起。巨胚稻的平均灌漿速率、起始灌漿潛勢、最大灌漿速率和灌漿持續(xù)時間均比非巨胚對照低，這可能是巨胚稻籽粒重下降的主要原因。

6 巨胚稻的加工產(chǎn)品開發(fā)研究

日本市場開發(fā)出富含GABA的降血壓新型米胚芽和發(fā)芽糙米[40－41]。江西奉新碧云米業(yè)集團與中國水稻研究所合作，以巨胚糙米為原料，生產(chǎn)出高營養(yǎng)成分含量的嬰兒米粉。浙江新安生物技術(shù)有限公司與中國水稻研究所合作，以巨胚1號為原料，生產(chǎn)出降血壓的巨胚米“基爾米”，目前已推向市場進(jìn)行銷售[42]。美國先正達(dá)公司與浙江大學(xué)合作，以巨胚稻為原料，正在進(jìn)行功能稻米產(chǎn)品的研究開發(fā)。上海交通大學(xué)將巨胚稻6601與黑、糯、香、軟米等配組成特種配方米銷售。魏振承等[43]以巨胚米和黑米為主要原料，通過擠壓膨化工藝，適當(dāng)添加Fe、Zn、Ca和α-乳白蛋白，研制出適合嬰兒生理特點的嬰兒營養(yǎng)米粉。

7 巨胚稻的應(yīng)用前景

稻米中的主要營養(yǎng)元素都集中在胚中。巨胚米因其胚的大大增加而使其富含蛋白質(zhì)以及多種礦物質(zhì)、氨基酸、維生素等天然營養(yǎng)元素和生理活性物質(zhì)。常食巨胚糙米可調(diào)節(jié)人體生理代謝，預(yù)防疾病，因而巨胚稻米被育種家譽為“長壽米”、“功能性稻米”。目前，巨胚稻米及其加工產(chǎn)品的研究較少，市場開發(fā)也相對滯后。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，人們對膳食營養(yǎng)重要性的認(rèn)識必將促進(jìn)功能性稻米產(chǎn)品的研究和開發(fā)。巨胚稻作為高營養(yǎng)和功能性稻米的一種，有著光明的產(chǎn)業(yè)化前景:(1)保胚米:由于巨胚米胚芽內(nèi)含豐富的GABA、蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)、氨基酸、維生素等天然營養(yǎng)元素，因此，巨胚胚芽米的營養(yǎng)價值比普通胚芽米高。(2)飼料:巨胚稻含豐富的蛋白質(zhì)和脂肪，營養(yǎng)成分比普通稻大為提高，是加工動物飼料的優(yōu)質(zhì)原料。(3)米油:稻米胚和米糠中含有大量油脂，米糠油含有38%的亞油酸和42%的油酸，亞油酸和油酸比例為1∶1，具有較高的營養(yǎng)價值，其價值在國際市場上是豆油的數(shù)倍，具保健作用。巨胚稻的油脂含量比普通稻米高，巨胚稻可用作提取米油的原料。(4)保健食品:巨胚米含豐富的蛋白質(zhì)、多種礦物質(zhì)、氨基酸、維生素等天然營養(yǎng)元素和生理活性物質(zhì)，特別是生理活性成分GABA，具有健腦益智、延緩衰老、促進(jìn)腎機能改善、活化肝功能、調(diào)節(jié)人體血壓的作用，可作為功能性食品加以開發(fā)，如富含GABA的發(fā)芽巨胚糙米、巨胚嬰兒米粉、老年人米粉、巨胚米胚芽飲料等。

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