稻米品質(zhì)性狀基因的克隆與功能研究進(jìn)展

張昌泉，趙冬生，李錢(qián)峰，顧銘洪，劉巧泉

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稻米品質(zhì)性狀基因的克隆與功能研究進(jìn)展

張昌泉，趙冬生，李錢(qián)峰，顧銘洪，劉巧泉

（揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇揚(yáng)州225009）

水稻是中國(guó)重要的糧食作物之一，高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)一直是品種改良的主要目標(biāo)。目前，中國(guó)稻米品質(zhì)表現(xiàn)總體偏低，在一定程度上影響了其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。稻米品質(zhì)屬綜合性狀，是指稻米或稻米相關(guān)產(chǎn)品滿(mǎn)足消費(fèi)者或生產(chǎn)加工需求的各種特性，主要涉及稻米的物理和化學(xué)特性，包括精米率、米粒形狀、透明度、蒸煮時(shí)間、米飯質(zhì)地與香味、冷飯質(zhì)地以及營(yíng)養(yǎng)成分等指標(biāo)。通常用碾磨品質(zhì)、外觀(guān)品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)4個(gè)方面來(lái)評(píng)價(jià)稻米品質(zhì)。近10年來(lái)，在上述稻米品質(zhì)性狀相關(guān)基因的克隆與功能研究領(lǐng)域已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。水稻粒形不僅是重要的產(chǎn)量性狀也是碾磨和外觀(guān)品質(zhì)的重要決定因素，目前已克隆了多個(gè)粒形相關(guān)的QTL和基因。根據(jù)粒形相關(guān)基因的表型效應(yīng)可將其分為3類(lèi)，即伴隨植株矮化的小粒控制基因（第一類(lèi)，包括、、、和等）、粒形特異基因（第二類(lèi)，如、、、、、、、、、、和等）和小圓?；颍ǖ谌?lèi)，即），其中只有第二類(lèi)基因具有較好的育種利用價(jià)值。堊白是決定稻米外觀(guān)品質(zhì)的首要性狀，同時(shí)也會(huì)影響碾磨品質(zhì)。目前盡管已經(jīng)鑒定了大量QTL，但只有少數(shù)QTL被精細(xì)定位和克隆，如、、、、、和等主要通過(guò)調(diào)控胚乳灌漿和儲(chǔ)藏物積累而影響稻米外觀(guān)表現(xiàn)。淀粉占精米胚乳干重的90%以上，其組成與結(jié)構(gòu)是決定稻米外觀(guān)和蒸煮與食味品質(zhì)的最重要因素。淀粉的合成是由多基因參與的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，直接參與淀粉合成的淀粉合成酶類(lèi)基因的功能已經(jīng)比較清楚；此外，參與胚乳淀粉代謝的一些轉(zhuǎn)錄因子如Dull、OsEBP89、OsEBP5、OsRSR1和OsbZIP58等也已被陸續(xù)鑒定和克隆。蛋白質(zhì)是稻米的第二大成分，目前已克隆了眾多的貯藏蛋白編碼基因，并且已鑒定克隆了多個(gè)與蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控有關(guān)的基因如、、、、、、和等。賴(lài)氨酸是稻米中的第一限制必須氨基酸，通過(guò)過(guò)量表達(dá)富含賴(lài)氨酸蛋白（如RLRH1和RLRH2）或調(diào)控游離賴(lài)氨酸代謝等途徑，均可顯著提高稻米中的賴(lài)氨酸含量。稻米香味主要由2-AP決定，目前，已克隆了和等參與2-AP合成調(diào)控的基因。在與稻米貯藏有關(guān)的脂質(zhì)代謝方面，已克隆了脂肪酸氧化酶基因、和以及脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)基因。此外，在稻米維生素、花青素和礦物質(zhì)等合成調(diào)控方面也已鑒定克隆了多個(gè)重要基因。綜上，稻米各品質(zhì)性狀都是由多基因控制，并且各性狀間彼此交叉，其遺傳調(diào)控非常復(fù)雜。本文重點(diǎn)就近年來(lái)控制稻米粒形與堊白、蒸煮與食味品質(zhì)、儲(chǔ)藏蛋白、脂類(lèi)、維生素與礦質(zhì)元素等合成與調(diào)控相關(guān)基因的克隆、等位變異和功能研究進(jìn)行了綜述，并對(duì)重要品質(zhì)相關(guān)基因的育種利用進(jìn)行了展望，期望為水稻優(yōu)質(zhì)育種提供參考。

稻米品質(zhì)；基因克隆；QTL；等位變異；功能分析

水稻（L.）是中國(guó)乃至世界范圍內(nèi)的重要糧食作物，對(duì)保障糧食安全具有舉足輕重的作用。近30年來(lái)，中國(guó)水稻生產(chǎn)經(jīng)過(guò)高產(chǎn)育種、超高產(chǎn)育種、超級(jí)稻育種和綠色超級(jí)稻育種等計(jì)劃的實(shí)施，水稻產(chǎn)量不斷提高，其中，超級(jí)稻產(chǎn)量已達(dá)到了6 892.5 kg·hm-2的水平[1]。與此同時(shí)，對(duì)優(yōu)質(zhì)、多抗和廣適應(yīng)性等需求也不斷提高，尤其是隨著大眾消費(fèi)水平和生活品味的提高，對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求越來(lái)越多[2]。目前，中國(guó)在水稻品種審定中所涉及的品質(zhì)指標(biāo)主要包括碾磨品質(zhì)中的整精米率、外觀(guān)品質(zhì)中的長(zhǎng)寬比、堊白粒率和堊白度以及蒸煮與食味品質(zhì)中的膠稠度與直鏈淀粉含量。從稻米的加工和商品價(jià)值來(lái)看，稻米籽粒形態(tài)與堊白是最重要的決定因素，從稻米的食用與營(yíng)養(yǎng)角度來(lái)看，胚及胚乳中儲(chǔ)藏物質(zhì)的組成與比例又是最重要的影響因素。

水稻種子的發(fā)育是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，主要以胚乳中淀粉和儲(chǔ)藏蛋白的累積為主，同時(shí)也涉及到由激素參與的種子形態(tài)的調(diào)控和其他代謝物的積累[3]。從分子水平看，參與到種子形態(tài)外觀(guān)調(diào)控、淀粉與儲(chǔ)藏蛋白等初級(jí)代謝成分的合成調(diào)控、以及脂類(lèi)與香味物質(zhì)形成等次生代謝物合成調(diào)控的基因以及一些miroRNA都會(huì)對(duì)稻米品質(zhì)的形成發(fā)揮著重要作用[3-4]。此外，一些環(huán)境因素如地域、高溫和水肥等差異都對(duì)稻米品質(zhì)有重要影響[5-9]。本文就近十年來(lái)控制稻米粒形、堊白、淀粉合成、儲(chǔ)藏蛋白、香味、脂類(lèi)和礦質(zhì)元素等合成調(diào)控重要基因的克隆與功能研究進(jìn)行綜述。

1 稻米品質(zhì)性狀的構(gòu)成

稻米品質(zhì)表現(xiàn)為多樣性，就優(yōu)質(zhì)食用而言，主要包括外觀(guān)品質(zhì)、碾磨品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)4個(gè)方面[10]。這些品質(zhì)性狀直接決定了稻米的商品價(jià)值與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和消費(fèi)者的消費(fèi)行為。

粒形與堊白是稻米外觀(guān)品質(zhì)的重要構(gòu)成因素。粒形主要指籽粒的長(zhǎng)度、寬度和長(zhǎng)寬比；堊白是指稻米胚乳中白色不透明的部分，主要是由于其中的淀粉粒排列不緊密而導(dǎo)致存在著一些空腔進(jìn)而造成的一種光學(xué)特性。粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、堊白粒率和堊白度是決定稻米商品價(jià)值的首要性狀，少或無(wú)堊白以及長(zhǎng)粒形稻米的商品價(jià)值高。糙米率、精米率和整精米率是碾磨品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中整精米率最為重要，是指米粒長(zhǎng)度達(dá)到完整精米粒平均長(zhǎng)度3/4以上米粒的質(zhì)量占總精米試樣質(zhì)量的百分率。

蒸煮與食味品質(zhì)（eating and cooking quality，ECQ）是稻米品質(zhì)構(gòu)成中的最重要方面，由于胚乳是稻米的主要食用部分，而其中的淀粉又是其主要組分。因此，淀粉的組成與結(jié)構(gòu)是決定稻米ECQ的最重要因素。盡管中國(guó)在2008年就已出臺(tái)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《大米蒸煮食用品質(zhì)感官評(píng)價(jià)方法》（GB/T15682-2008），然而通過(guò)人工品嘗的方式無(wú)法精確鑒定。因此，通常采用一些理化指標(biāo)作為參考，包括表觀(guān)直鏈淀粉含量（apparent amylose content，AAC）、膠稠度（gel consistency，GC）和糊化溫度（gelatinization temperature，GT）3個(gè)經(jīng)典的理化指標(biāo)[11]；近年來(lái)又發(fā)展了一種快速鑒定ECQ的指標(biāo)即稻米淀粉粘滯性譜（RVA譜）。AAC是影響ECQ的最主要因素，膠稠度通常與AAC呈負(fù)相關(guān)性，而糊化溫度與稻米ECQ的關(guān)系較為密切[12]。稻米在蒸煮過(guò)程中的膨脹與伸長(zhǎng)特性即出飯?zhí)匦允荅CQ的直接反映，可用米飯的膨脹與延伸特性表示。一般認(rèn)為延伸性好的米粒不易粘結(jié)與斷裂，具有較好的適口性。此外，其他一些組份如香味物質(zhì)2-乙?；?1-吡咯啉的含量也會(huì)在一定程度上影響蒸煮與食味品質(zhì)。

營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要是指稻米中的蛋白質(zhì)含量及氨基酸組成。蛋白質(zhì)是稻米的第二大成分，占糙米干重的8%—10%。一般認(rèn)為精米中蛋白質(zhì)含量對(duì)稻米的ECQ起負(fù)面效應(yīng)，其含量越低，稻米的食口性越好[13-14]。從稻米營(yíng)養(yǎng)角度來(lái)看，蛋白質(zhì)含量高并且人體必需氨基酸含量高的稻米具有很好的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)表現(xiàn)[15]。精米中的蛋白質(zhì)主要以谷蛋白和醇溶蛋白為主，其中，谷蛋白含量高且易被消化吸收，因此，其含量與氨基酸組成是稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)中最重要的影響因素[16]。從功能性稻米角度來(lái)看，低谷蛋白稻米非常適合Ⅰ型和Ⅱ型糖尿病患者食用。此外，稻米中的脂肪酸、維生素類(lèi)和礦物質(zhì)元素等微量?jī)?chǔ)藏物質(zhì)也是近年來(lái)受到廣泛關(guān)注的營(yíng)養(yǎng)成分。

2 外觀(guān)品質(zhì)相關(guān)基因的克隆與功能研究

粒形不僅與水稻產(chǎn)量形成有關(guān)，也是稻米品質(zhì)表現(xiàn)的重要影響因素，尤其是對(duì)稻米的外觀(guān)品質(zhì)影響甚大。因此，粒形相關(guān)基因是稻米產(chǎn)量與品質(zhì)改良中最受關(guān)注的一類(lèi)基因。近年來(lái)，有關(guān)水稻粒形調(diào)控相關(guān)基因的克隆與功能研究已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，從不同的水稻種質(zhì)資源中至少已經(jīng)分離出幾十個(gè)粒形相關(guān)基因或等位基因。

2.1 粒形決定基因

根據(jù)粒形基因決定的表型特征，可將其分為3大類(lèi)[17]。第一類(lèi)包括、、、和等，這類(lèi)基因突變會(huì)造成植株矮化從而間接造成小粒表型[18-20]；第二類(lèi)基因能夠特異性調(diào)控籽粒形狀，是通常所指粒形控制基因；第三類(lèi)基因是指小圓?；颍╯mall and round seed），主要發(fā)現(xiàn)于粳稻亞種中[21-22]。

在育種實(shí)踐中，對(duì)于稻米外觀(guān)品質(zhì)改良具有重要利用價(jià)值的主要是第二類(lèi)基因（表1）。在控制粒長(zhǎng)方面，是一個(gè)重要的主效QTL，其編碼蛋白的OSR結(jié)構(gòu)域是負(fù)向調(diào)節(jié)粒長(zhǎng)的關(guān)鍵部位，突變后導(dǎo)致了長(zhǎng)粒表型[23]。也是一個(gè)粒長(zhǎng)負(fù)調(diào)控因子其編碼一個(gè)含Kelch功能域的PPKL家族磷酸酶，通過(guò)調(diào)控細(xì)胞周期蛋白T1;3而控制籽粒大小[24]。位于同一基因位點(diǎn)，因2個(gè)串聯(lián)重復(fù)片段存在而高表達(dá)，從而增加粒長(zhǎng)[25-26]。在控制粒寬方面，是通過(guò)圖位克隆獲得的第一個(gè)寬?；蚱渚幋a的鋅指E3泛素連接酶能負(fù)向調(diào)控細(xì)胞分裂，突變后會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞數(shù)目增加，從而表現(xiàn)出粒寬和粒重的增加[27]。與具有相似作用的/編碼一種多聚泛素結(jié)合蛋白，該蛋白有功能時(shí)籽粒較窄而功能喪失后引起粒寬和粒重增加[28]。是粒寬的正調(diào)節(jié)因子，其高表達(dá)后會(huì)導(dǎo)致更大的籽粒，其不同的等位基因差異主要是啟動(dòng)區(qū)的序列變異造成的[29]。編碼一個(gè)含GRAS基因家族成員的蛋白質(zhì)，負(fù)調(diào)控水稻籽粒大小，突變的等位基因能夠顯著增加粒寬和粒重[30]。編碼一個(gè)IAA葡萄糖水解酶活性蛋白，能控制IAA供應(yīng)，功能喪失后通過(guò)對(duì)“源”器官的多效影響而增加籽粒重量[31]。編碼一種類(lèi)似SQUAMOSA啟動(dòng)子結(jié)合蛋白16，是細(xì)胞增殖的正調(diào)節(jié)因子，高表達(dá)的能增加粒寬和粒重[32]。編碼一個(gè)細(xì)胞色素P450蛋白，高表達(dá)能夠顯著增加粒長(zhǎng)和粒寬[33]。編碼一個(gè)具有組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶活性的類(lèi)GNAT蛋白，通過(guò)改變細(xì)胞數(shù)目增加粒長(zhǎng)[34]。編碼一個(gè)包含QLQ結(jié)構(gòu)域和WRC結(jié)構(gòu)域的GRF轉(zhuǎn)錄因子，因一個(gè)氨基酸的替換而產(chǎn)生大粒表型[35]。

表1 具有育種利用價(jià)值的粒形基因

2.2 堊白相關(guān)QTL/基因

堊白不僅能夠降低整精米率和稻米外觀(guān)品質(zhì)而且也能引起稻米的適口性變差[35-36]。經(jīng)典遺傳學(xué)和現(xiàn)代分子遺傳學(xué)研究表明，稻米堊白性狀受多基因控制并且還極易受環(huán)境因素的影響[36-39]。目前已有大量的堊白相關(guān)QTL和基因被鑒定出來(lái)，但只有少數(shù)幾個(gè)已被精細(xì)定位和克隆。

在堊白QTL精細(xì)定位方面，Zhou等[40]利用染色體片段置換系將精細(xì)定位在44 kb的區(qū)段內(nèi)；Guo等[41]利用染色體片段代換系將定位在140 kb的區(qū)段內(nèi)。在基因克隆方面，堊白的極端表型—粉質(zhì)突變體是堊白調(diào)控基因克隆的重要遺傳材料，已通過(guò)對(duì)該類(lèi)突變體的研究克隆了一批可能與堊白形成相關(guān)的基因。Kang等[42]首次克隆了粉質(zhì)突變體基因，其編碼一個(gè)丙酮酸磷酸激酶（pyruvate orthophosphate dikinase，PPDK），通過(guò)調(diào)節(jié)碳代謝而影響胚乳的灌漿。Wang等[39]進(jìn)一步分析了高溫條件下與堊白的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在高溫條件下表達(dá)下調(diào)可能導(dǎo)致了堊白的增多。胚乳中儲(chǔ)藏物質(zhì)累積受阻往往也會(huì)導(dǎo)致堊白出現(xiàn)，Wang等[43]克隆的編碼了一種細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶，其通過(guò)調(diào)控籽粒灌漿初期的碳源分流而影響儲(chǔ)藏物質(zhì)的累積速度，功能喪失會(huì)造成高堊白。She等[44]在一個(gè)化學(xué)誘變突變體中克隆了一個(gè)編碼具有TPR結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的新基因，其主要通過(guò)調(diào)節(jié)胚乳中淀粉和蛋白質(zhì)等儲(chǔ)藏物的積累而引起堊白的出現(xiàn)。Wan等[45]克隆的胚乳粉質(zhì)基因編碼一個(gè)GTP酶（GTPase），其參與了胚乳細(xì)胞液泡中蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)，該基因突變干擾了淀粉體的形成。Han等[46]克隆的編碼了一個(gè)類(lèi)二硫鍵異構(gòu)酶PDIL1-1，該蛋白的缺失對(duì)胚乳內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中淀粉體的合成造成了脅迫，從而造成淀粉的累積減少并表現(xiàn)出粉質(zhì)突變。在另一粉質(zhì)突變體中，Matsushima等[47]發(fā)現(xiàn)能夠調(diào)控造粉體的發(fā)育，其突變后能夠產(chǎn)生明顯增大的淀粉粒并造成粉質(zhì)表型。Li等[37]克隆的編碼一個(gè)液泡H+-焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，該酶通過(guò)影響內(nèi)膜轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的pH平衡而影響蛋白質(zhì)體的合成，過(guò)量表達(dá)該基因可增加蛋白質(zhì)體的量從而使淀粉粒無(wú)法緊密排列而造成堊白。

淀粉是胚乳中最主要的儲(chǔ)藏物質(zhì)，淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)受到影響很容易造成堊白表型。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)高堊白水稻中淀粉代謝類(lèi)基因表達(dá)譜變化顯著且通常表現(xiàn)為上調(diào)，而與淀粉代謝無(wú)關(guān)的一些糖類(lèi)代謝基因趨向于下調(diào)表達(dá)；此外，參與脅迫反應(yīng)和蛋白質(zhì)降解的基因也會(huì)出現(xiàn)明顯變化[48]，這種變化趨勢(shì)與高溫脅迫所造成的堊白稻米中的基因表達(dá)變化趨勢(shì)較為一致[49]。這說(shuō)明堊白的形成是由多基因控制的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)失衡可能與稻米堊白的形成具有密切關(guān)系。

3 蒸煮與食味品質(zhì)相關(guān)基因克隆與功能研究

淀粉是稻米胚乳的主要成分，稻米ECQ的評(píng)價(jià)指標(biāo)大多屬于淀粉的理化特性，因此，ECQ與稻米淀粉的組成和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。從分子水平來(lái)看，水稻中參與胚乳淀粉合成與調(diào)控的基因都可能對(duì)稻米ECQ的形成發(fā)揮著重要作用[50-51]。參與水稻淀粉合成的酶類(lèi)主要有ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、顆粒結(jié)合淀粉合成酶（GBSSI）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉分支酶（SBE）、淀粉去分支酶（DBE）、淀粉磷酸化酶（Pho）和淀粉異構(gòu)酶（DPE）等，編碼這些酶的基因可統(tǒng)稱(chēng)為SSRG（starch synthesis-related genes）[50-51]。此外，一些參與SSRG表達(dá)調(diào)控的轉(zhuǎn)錄因子也已被克隆。

3.1 淀粉合成相關(guān)基因

在植物中對(duì)SSRG的功能已有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，近年來(lái)主要是對(duì)這些基因的等位變異進(jìn)行了較多的研究。在淀粉合成過(guò)程中第一個(gè)關(guān)鍵的酶是AGPase，其由4個(gè)大亞基基因和2個(gè)小亞基基因所編碼[50,52]。AGPase的作用是將G-1-P中的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到ATP上形成焦磷酸（PPi）和腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG），是淀粉合成從“源”到“庫(kù)”的關(guān)鍵一步反應(yīng)。該酶有胞質(zhì)型和淀粉體型2種類(lèi)型，前者主要參與胚乳淀粉合成。該類(lèi)基因突變后通常導(dǎo)致無(wú)法合成淀粉而出現(xiàn)籽粒干癟的表型[53]。過(guò)量表達(dá)胞質(zhì)型能夠增強(qiáng)ADPG的供給而顯著提高淀粉的合成量進(jìn)而增加粒重[54-55]。在等位變異方面，作者的研究表明第1 633堿基處的變異對(duì)于直鏈淀粉含量和淀粉黏滯性譜起著微效的影響，而另一亞基基因的第511處堿基的變異對(duì)稻米膠稠度也存在微效的影響[11]。這說(shuō)明選擇合適的AGPase等位基因可以通過(guò)改善“源”的供給來(lái)修飾淀粉的理化特性而改良稻米品質(zhì)。

GBSSI由水稻蠟質(zhì)基因（，）編碼，主要負(fù)責(zé)直鏈淀粉的合成，該基因的不同等位變異決定了稻米的直鏈淀粉含量[56]，是控制ECQ的主效基因[11,57]。截止目前至少有8個(gè)已發(fā)表的等位基因，朱霽暉等[58]最近就此基因的等位變異進(jìn)行了綜述。在糯稻中，由于第2外顯子23 bp的缺失造成了轉(zhuǎn)錄提前終止[59]。在非糯品種中，主要分化為Wx和Wx兩種等位類(lèi)型。其中，攜帶Wx的稻米直鏈淀粉含量都很高（25%以上），屬于高直鏈淀粉類(lèi)型。在Wx變異基礎(chǔ)上，還存在一種第10外顯子變異的等位基因Wx，盡管攜帶該等位基因的稻米AAC與Wx持平，但其糊化特性與膠稠度明顯與攜帶Wx等位基因稻米不同[60-61]，ZHANG等[62]的研究發(fā)現(xiàn)這種差異可能是由于直鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)不同造成的。Wx主要分布在粳稻品種中，攜帶該基因稻米的直鏈淀粉含量屬中等至較低水平（15%—18%）。與Wx相比，Wx的變異是由第一內(nèi)含子剪接位點(diǎn)處G-T變異造成的，突變降低了前體mRNA的剪接效率從而減少了GBSSI的量進(jìn)而導(dǎo)致了較低的直鏈淀粉含量[56]。此外，Mikami等[63]克隆了Wx等位基因，證明在第6外顯子上發(fā)生的A-C變異使直鏈淀粉含量降至中等水平（18%—22%）。除了上述常規(guī)等位基因外，還有3個(gè)“軟米基因”即Wx、Wx和Wx被克隆。與Wx相比，Wx在第4和第5外顯子處存在兩處突變，導(dǎo)致直鏈淀粉含量降到10%左右[64]。另一等位基因Wx是在此基礎(chǔ)上在第5外顯子發(fā)生了回復(fù)突變，攜帶該等位基因的稻米直鏈淀粉含量也在10%左右[65]。經(jīng)測(cè)序分析，目前，中國(guó)的多數(shù)軟米尤其是江蘇的南粳系列軟米都攜帶有該等位基因（未發(fā)表數(shù)據(jù)）。另一個(gè)軟米基因?yàn)?i>Wx（或者Wx），是由第4外顯子的A-G突變?cè)斐傻腫63]。

研究表明一些具有相似直鏈淀粉含量的稻米，其品質(zhì)表現(xiàn)會(huì)有很大不同。而支鏈淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)的不同可能是導(dǎo)致這種差異的重要原因[66-67]。水稻支鏈淀粉主要由SSS催化合成，其主要有8種同工型[50]。SSSI是SSS的主要組分，占了總酶活的70%，主要負(fù)責(zé)支鏈淀粉短鏈（DP≤12）合成，其秈型等位基因編碼的酶活性更強(qiáng)，能提高稻米淀粉粘滯性[50]。SSSII-3主要在胚乳中表達(dá)，對(duì)稻米品質(zhì)影響最大。高振宇等[68-69]通過(guò)圖位克隆方法分離了該基因（），其主要負(fù)責(zé)延伸支鏈淀粉的短支鏈（A+B1鏈），合成中等長(zhǎng)度的分支鏈（B2+B3鏈）。該基因存在很多等位變異類(lèi)型，但從編碼的酶是否有活性來(lái)看，可以分為2類(lèi)[50]。一類(lèi)主要存在于秈稻中，表現(xiàn)為高活性，能夠合成較多的中等長(zhǎng)度的支鏈而表現(xiàn)為高糊化溫度；而在一些粳稻品種中因該酶活性較低或喪失活性而表現(xiàn)為低糊化溫度[50]。SSSIIIa主要在胚乳中發(fā)揮作用，負(fù)責(zé)長(zhǎng)支鏈的延伸（DP≥30），突變后不僅能夠明顯增加堊白而且淀粉粘滯性也極低[70-71]。盡管SSSIV的2種同工型已鑒定出來(lái)，但水稻中關(guān)于其功能并不清楚，在擬南芥中的研究表明其過(guò)量表達(dá)后能夠提高葉片瞬時(shí)淀粉的含量，據(jù)此推測(cè)其可能在水稻中具有增加淀粉含量的潛能[72]。

SBE是淀粉合成酶中唯一催化葡聚糖鏈產(chǎn)生分支的酶（催化α-1,6糖苷健形成）。水稻中有3種同工型，其中SBEI（又稱(chēng)為SBE1）優(yōu)先催化直鏈淀粉短分支的形成，并參與支鏈淀粉較長(zhǎng)鏈和中等長(zhǎng)度鏈的合成，其突變后對(duì)稻米外觀(guān)沒(méi)有明顯影響但能夠降低稻米的糊化溫度而可能具有較好的食味表現(xiàn)[73]。SBEIIa和SBEIIb（也稱(chēng)為SBE3和SBE4）同源性較高，主要負(fù)責(zé)支鏈淀粉短分支鏈的形成。SBEIIb的功能比較清楚，主要負(fù)責(zé)A鏈的合成（DP 8-12），且不與SBEIIa功能疊加，后者可能參與了維持淀粉分支酶復(fù)合體的結(jié)構(gòu)并合成部分短鏈[50]。最近的一項(xiàng)研究表明，SBEIIa在體外表達(dá)時(shí)根據(jù)其突變位點(diǎn)不同可以合成不同長(zhǎng)度的葡聚糖鏈，這暗示該基因可能以一種特殊的方式參與了支鏈的延伸并且其可能在培育高抗性淀粉作物中比較有價(jià)值[74]。ZHU等[75]通過(guò)同時(shí)下調(diào)SBEI和SBEIIb的表達(dá)而獲得了AAC接近50%、抗性淀粉含量達(dá)到13%左右的轉(zhuǎn)基因水稻材料，這種稻米是一種非常適用于糖尿病人食用的功能性產(chǎn)品。上述研究表明，通過(guò)合理的選擇類(lèi)基因的不同等位組合既可以達(dá)到改良ECQ的目的，也可以滿(mǎn)足培育特殊功能性稻米的需要。

DBE的作用是水解α-1,6糖苷鍵，包括異淀粉酶（isoamylase，ISA1、ISA2和ISA3）和普魯蘭酶（pullulanase，PUL）2類(lèi)。其中在水稻中僅有一個(gè)拷貝且與功能存在重疊，僅在胚乳中表達(dá)，功能喪失會(huì)導(dǎo)致短鏈（DP≤13）分支增加[76]。ISA1和ISA2是胚乳支鏈淀粉合成所必不可缺少的，突變后籽粒中無(wú)法形成淀粉，有關(guān)兩者的功能目前仍有爭(zhēng)議[50]。最新的研究表明ISA1可能與FLO6協(xié)同參與支鏈淀粉的合成[77]。ISA3主要參與瞬時(shí)淀粉的合成與降解，與儲(chǔ)藏淀粉關(guān)系不大[78]?？傮w來(lái)看，DBE類(lèi)基因?qū)Φ久灼焚|(zhì)的形成影響劇烈，突變或表達(dá)改變后會(huì)影響種子胚乳淀粉積累，從而造成糖質(zhì)胚乳表型[79]，因此，在稻米品質(zhì)改良中可能需要篩選特定的等位基因加以利用。

Pho在水稻中有2種，分別是質(zhì)體型（Pho1）和胞質(zhì)型（Pho2），兩者都能催化α-葡萄糖鏈非還原末端的葡萄糖延伸，研究發(fā)現(xiàn)Pho1是一種溫度依賴(lài)型酶，主要在低溫下參與淀粉合成調(diào)控[80]。DPE也存在質(zhì)體型（DPE1）和胞質(zhì)型（DPE2），都屬于葡糖苷水解酶家族77（GH77），目前的研究表明DPE1能夠通過(guò)轉(zhuǎn)移麥芽糖到支鏈淀粉上參與淀粉結(jié)構(gòu)修飾，其過(guò)量表達(dá)會(huì)造成較小的淀粉粒而抑制表達(dá)能夠增加直鏈淀粉含量[81]。Hwang等[82]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Pho1能夠與DPE1形成復(fù)合體參與低聚麥芽糖的合成，從而起始淀粉的合成，后者可能促進(jìn)了其糖基轉(zhuǎn)移酶活性。

盡管單一SSRG的功能已經(jīng)研究得比較透徹，但ECQ是一個(gè)綜合性狀，是由眾多SSRG共同控制的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。單個(gè)SSRG突變后會(huì)引起其他多個(gè)SSRG的變化，如ISA1被抑制后，能夠改變和的表達(dá)模式[83]。在前期的研究中，Tian等[11]通過(guò)對(duì)不同等位基因單倍型關(guān)聯(lián)分析和轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證試驗(yàn)，明確了這些SSRG控制ECQ的模式，發(fā)現(xiàn)和能夠互作來(lái)影響AAC、GC和GT，其中對(duì)于A(yíng)AC和GC是主效的，而對(duì)于GT是微效的。相反，對(duì)于GT表現(xiàn)為主效而對(duì)于A(yíng)AC和GC為微效。此外，和作為微效基因同時(shí)影響GC和GT，、、和共同對(duì)AAC有微效的影響，而和分別對(duì)GC和GT起微效控制作用[11]。為排除對(duì)ECQ主效基因的影響，YAN等[84]對(duì)118份糯稻品種中17個(gè)SSRG不同單倍型與ECQ的另一指標(biāo)RVA譜進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)不同的SSRG之間也是通過(guò)互作來(lái)共同控制RVA譜特征值，且其中的對(duì)RVA譜特征值的影響最大。此外，通過(guò)染色體片段代換系對(duì)相關(guān)微效QTL進(jìn)行了定位分析，表明一些微效QTL也參與了這些網(wǎng)絡(luò)調(diào)控[85]。

3.2 參與淀粉合成相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子

盡管已經(jīng)非常明確SSRG在稻米ECQ形成中是以一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮作用的，但這個(gè)過(guò)程中各SSRG之間是怎樣協(xié)調(diào)表達(dá)的并不是很清楚。因此，近年來(lái)有關(guān)SSRG的研究重點(diǎn)集中在對(duì)這些基因的表達(dá)調(diào)控方面。

不僅存在多個(gè)復(fù)等位變異，其表達(dá)調(diào)控方式也有多種。（）編碼了一種前體mRNA剪接因子，這些剪接因子以復(fù)合體的形式直接參與調(diào)控前體mRNA的剪接效率而影響成熟mRNA的量[86]。在其他調(diào)控方面，Zhu等[87]發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)錄因子OsEBP89和OsEBP5能夠以復(fù)合體的形式激活基因表達(dá)。Liu等[88]的研究證明的編碼蛋白GBSSI能以寡聚體的形式發(fā)揮作用。此外，ZHANG等[89]最近的研究發(fā)現(xiàn)在高溫條件下一些QTL能夠穩(wěn)定的剪接效率，從而使稻米具有高溫鈍感AAC的表現(xiàn)。

通過(guò)SSRG協(xié)同表達(dá)分析克隆的RSR1（rice starch regulator1）是參與SSRG表達(dá)調(diào)控的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子[90]，能負(fù)向調(diào)控SSRG的表達(dá)。RSR1突變后能上調(diào)胚乳中多數(shù)SSRG的表達(dá)，其中15個(gè)基因上調(diào)表達(dá)最明顯，這種多基因的上調(diào)表達(dá)可能破壞了淀粉合成的平衡而導(dǎo)致了直鏈淀粉的升高和支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)變化并造成了明顯的堊白。另一轉(zhuǎn)錄因子OsbZIP58能夠直接與、、、、和啟動(dòng)子結(jié)合，調(diào)控這些基因的表達(dá)，其突變后導(dǎo)致支鏈淀粉短鏈增加和中長(zhǎng)鏈減少并造成了堊白[91]。后續(xù)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsbZIP58與另一轉(zhuǎn)錄因子OsLOL1能夠相互作用并且可能通過(guò)調(diào)控赤霉素的合成來(lái)影響籽粒淀粉的積累和種子的萌發(fā)[92]。

3.3 米粒延伸性相關(guān)QTL

目前，已克隆了很多控制稻米AAC、GC、GT和RVA譜的基因，但是對(duì)于米粒延伸特性的遺傳調(diào)控研究相對(duì)較慢，尚未有主效基因克隆，目前僅定位了幾個(gè)微效QTL。早在1993年，Ahn等[93]對(duì)優(yōu)質(zhì)秈稻Basmati370中控制米粒延伸性的QTL進(jìn)行了定位研究，在第8染色體上鑒定了一個(gè)QTL。隨后，Amarawathi等[94]利用Basmati×Pusa構(gòu)建的重組自交系群體在第11染色體上檢測(cè)到一個(gè)QTL。何予卿等[95]通過(guò)QTL定位分析，認(rèn)為第6染色體附近存在一多效性QTL，控制米粒延伸性。Ge等[96]利用珍汕97和明恢63創(chuàng)建的重組自交系群體在第2、6和11染色體上鑒定了3個(gè)QTL。Liu等[97]利用一個(gè)秈粳交群體在第2和5染色體上鑒定到了控制米粒延伸性的QTL。最近，Rathi等[98]利用關(guān)聯(lián)分析在水稻第4染色體分子標(biāo)記RM142附近鑒定了一個(gè)米粒延伸性QTL。綜上可見(jiàn)，米粒延伸性的遺傳較為復(fù)雜，是由多個(gè)微效基因控制的復(fù)雜性狀，在基因克隆方面尚存在不少困難，在育種利用方面也只有少數(shù)QTL可以嘗試?yán)谩?/p>

4 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)相關(guān)基因克隆與功能研究

4.1 儲(chǔ)藏蛋白與氨基酸合成和代謝相關(guān)基因

稻米儲(chǔ)藏蛋白與稻米品質(zhì)性狀關(guān)系密切，其含量在秈粳稻間存在一定差異，在稻米不同層面也存在明顯區(qū)別[14,99-100]。目前已在蛋白質(zhì)含量QTL/基因定位和克隆方面開(kāi)展了很多工作。有關(guān)儲(chǔ)藏蛋白在水稻胚乳細(xì)胞內(nèi)的定位已比較清楚，谷蛋白和球蛋白都定位于蛋白體Ⅱ中，醇溶蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中[101]。水稻中已鑒定了至少15個(gè)編碼谷蛋白的結(jié)構(gòu)基因，其編碼產(chǎn)物需經(jīng)高爾基體形成運(yùn)輸小泡運(yùn)輸至蛋白體Ⅱ中[102]。稻米中的谷蛋白含量直接與其編碼基因有關(guān)，然而由于其編碼基因拷貝數(shù)較多，單個(gè)結(jié)構(gòu)基因突變后對(duì)總蛋白質(zhì)含量影響較小[103]，而參與儲(chǔ)藏蛋白表達(dá)及轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控的基因?qū)ΨN子儲(chǔ)藏蛋白的累積影響較大。

研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子OsRISBZ1和OsRPBF能夠協(xié)調(diào)控制儲(chǔ)藏蛋白（主要為谷蛋白）基因的表達(dá)，兩基因突變后種子儲(chǔ)藏蛋白含量明顯下降[104]。Wan等[45]在一個(gè)粉質(zhì)突變體中克隆了一個(gè)能夠調(diào)控谷蛋白運(yùn)輸?shù)幕?，其功能喪失后?dǎo)致谷蛋白無(wú)法轉(zhuǎn)運(yùn)到蛋白體Ⅱ中；進(jìn)一步的研究表明其編碼蛋白OsRAB5A可能與OsVPS9A和OsGPA3 蛋白協(xié)同參與了谷蛋白前體從高爾基體向蛋白體Ⅱ的轉(zhuǎn)運(yùn)，并且鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子2（GEF2）在轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中也起重要作用[105]。Tian等[106]克隆了一個(gè)編碼小GTPase的，發(fā)現(xiàn)3個(gè)同源基因能夠同時(shí)調(diào)控谷蛋白和α-球蛋白從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)向高爾基體的運(yùn)輸，其功能喪失后不僅出現(xiàn)粉質(zhì)胚乳表型，籽粒充實(shí)度也變差。在控制蛋白質(zhì)含量QTL研究方面，Peng等[107]首次克隆了一個(gè)主效QTL，該基因能夠正向調(diào)控蛋白質(zhì)含量，過(guò)量表達(dá)后能明顯提高蛋白質(zhì)合成相關(guān)基因的表達(dá)以及根部氨基酸的吸收速度進(jìn)而提高蛋白質(zhì)的合成量。

賴(lài)氨酸是稻米中的第一限制必須氨基酸。在高等植物中賴(lài)氨酸是通過(guò)天冬氨酸代謝通路合成[108]。在賴(lài)氨酸的合成途徑中有2個(gè)受反饋抑制調(diào)節(jié)的關(guān)鍵酶，即天冬氨酸激酶（AK）和二氫吡啶羧酸合酶（DHPS）。AK被蘇氨酸和賴(lài)氨酸反饋抑制，而且賴(lài)氨酸又是DHPS的反饋調(diào)節(jié)抑制因子。研究表明，植物體內(nèi)賴(lài)氨酸合成的主要限速步驟是賴(lài)氨酸對(duì)DHPS的反饋抑制，同時(shí)，當(dāng)賴(lài)氨酸含量提高后，會(huì)增加賴(lài)氨酸分解關(guān)鍵酶賴(lài)氨酸-酮戊二酸還原酶/酵母氨酸脫氫酶（LKR/SDH）的活性而加快賴(lài)氨酸的降解，致使賴(lài)氨酸在種子中不能得到有效的積累[108]。LONG等[15]通過(guò)突變體和轉(zhuǎn)基因分析對(duì)水稻中賴(lài)氨酸代謝途徑關(guān)鍵酶基因進(jìn)行了功能分析，發(fā)現(xiàn)葉片中游離賴(lài)氨酸的積累主要受合成途徑的調(diào)控，而在種子中主要受分解途徑的調(diào)控。通過(guò)基因工程手段，過(guò)量表達(dá)水稻內(nèi)源賴(lài)氨酸含量豐富的組蛋白 RLRH1和RLRH2，使稻米賴(lài)氨酸含量提高了35%[109]。而通過(guò)胚乳特異性表達(dá)富含賴(lài)氨酸的外源蛋白，也可以使種子賴(lài)氨酸含量提高30%[110]。最近，YANG等[111]通過(guò)同時(shí)表達(dá)反饋抑制不敏感的AK和DHPS以及抑制LKR/SDH表達(dá)，獲得了游離賴(lài)氨酸含量提高25.3倍的水稻株系。

4.2 米香形成相關(guān)基因

香味是優(yōu)質(zhì)稻米的一個(gè)重要指標(biāo)。稻米中的香味物質(zhì)有很多種，其中最重要的是2-乙?；?1-吡咯啉（2-acetyl-l-pyrroline, 2-AP）[112]。香味的遺傳主要受1對(duì)隱性基因控制。Bradbury等[113]利用圖位克隆法分離克隆了香味基因，其編碼了甜菜堿乙醛脫氫酶2（betaine aldehyde dehydrogenase，BAD2）。Chen等[114]的研究發(fā)現(xiàn)其功能喪失的隱性等位基因和均能引起2-AP積累而導(dǎo)致香味產(chǎn)生。隨后，Kovach等[115]深入分析了該香味基因的起源及進(jìn)化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了 8種隱性等位基因，其中是香稻中普遍存在的優(yōu)勢(shì)等位基因，并且首先起源于粳稻，后來(lái)才導(dǎo)入到秈稻。最近的研究發(fā)現(xiàn)2-AP的積累與脯氨酸的含量呈正相關(guān)性[116]，因此，Keyghobad等[117]通過(guò)過(guò)量表達(dá)合成脯氨酸的△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（△1-pyrroline-5-carboxylate synthetase）編碼基因，使2-AP的含量提高了2倍。此外，除了遺傳調(diào)控外，添加鋅、鑭金屬離子和外源2-AP以及改善栽培條件如土壤和收獲時(shí)間等環(huán)境因素都能不同程度地影響2-AP的含量[118-119]。因此，米香不僅是食味品質(zhì)的重要指標(biāo)，從代謝調(diào)控角度來(lái)看，其與氨基酸代謝關(guān)系密切。

4.3 脂肪酸合成與代謝相關(guān)基因

脂質(zhì)是水稻中另一種重要的儲(chǔ)藏物，主要包括磷脂和脂肪，在胚和糊粉層中最多，而在胚乳中主要以脂質(zhì)-直鏈淀粉復(fù)合體的形式存在[120-121]。脂質(zhì)不僅對(duì)種子活力（壽命）具有重要影響，稻米油更是一種具有高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食用油，因此，脂質(zhì)是稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)決定的重要因素之一[121]。目前，有關(guān)脂類(lèi)的代謝途徑在植物中已有較多研究，水稻中已有很多相關(guān)QTL被鑒定出來(lái)，但克隆的基因數(shù)量較少[10,121]。從稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)來(lái)看，催化脂質(zhì)氧化反應(yīng)的脂肪酸氧化酶（LOX）是導(dǎo)致稻米陳化和營(yíng)養(yǎng)成份下降的重要原因[122]。目前，在水稻中已經(jīng)克隆了3個(gè)編碼LOX的基因，分別為、、/[123-124]，其中，和能負(fù)調(diào)控脂肪酸的降解，其表達(dá)下調(diào)或功能喪失后能延長(zhǎng)稻米儲(chǔ)藏時(shí)間而維持較好的適口性與營(yíng)養(yǎng)成份。對(duì)于富含β-胡蘿卜素的黃金稻米而言，下調(diào)表達(dá)后能夠減少儲(chǔ)藏過(guò)程中β-胡蘿卜素的降解[123,125]。在脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)方面，目前的研究較少，但已經(jīng)清楚的有兩類(lèi)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，分別是非特異脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和特異脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白[126]。在水稻中只有一個(gè)脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因被克隆，其表達(dá)下調(diào)后能夠明顯降低種子脂質(zhì)含量，同時(shí)也對(duì)種子發(fā)育產(chǎn)生了不利影響[127]。因此，有關(guān)脂質(zhì)代謝調(diào)控研究是未來(lái)脂肪組（lipidome）研究的重要方向。

4.4 其他營(yíng)養(yǎng)成份合成與代謝相關(guān)基因

盡管維生素類(lèi)和類(lèi)黃酮代謝相關(guān)基因在其他模式植物如擬南芥中已比較清楚，但在水稻中只克隆了少量相關(guān)基因。

在維生素代謝方面，Chaudhary等[128]在水稻中鑒定了7個(gè)維生素E合成相關(guān)基因（、、、、和）。Wang等[129]通過(guò)對(duì)巨胚米突變體的分析發(fā)現(xiàn)（編碼細(xì)胞色素氧化酶P450）突變后能明顯提高維生素E合成相關(guān)基因的表達(dá)而提高維生素E的含量。Hwang等[130]研究表明過(guò)量表達(dá)（）也能明顯提高維生素E各成份的含量并且增加了稻米的耐儲(chǔ)藏性。張桂云等[131]的研究顯示在秈稻中γ-三烯生育酚的比例較粳稻高，而粳稻中α-生育酚比例較秈稻高。進(jìn)一步，其通過(guò)過(guò)量表達(dá)擬南芥，使大部分的γ-三烯生育酚轉(zhuǎn)化成了α-生育酚，提高了稻米中α-生育酚的比例[132]。Wang等[133]通過(guò)全基因組關(guān)聯(lián)分析對(duì)控制水稻α-生育酚的QTL進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)的不同等位基因及表達(dá)量與α-生育酚的含量關(guān)系密切。有關(guān)維生素C代謝基因目前研究的也比較清楚，但由于水稻中其含量極低，主要是通過(guò)引入外源基因來(lái)改良。ZHANG等[134]的研究表明，在水稻中過(guò)量表達(dá)維生素C合成途徑后6步的擬南芥同源基因、、、、和能不同程度（1.4—2.5倍）提高維生素C的含量。

在類(lèi)黃酮合成調(diào)控方面，已經(jīng)明確紅米中原花青素合成主要受正調(diào)控因子和調(diào)控，而在黑米中主要?jiǎng)t由和2個(gè)位點(diǎn)參與花青素的合成[135]。隨后的研究表明可能也在花青素合成中起著關(guān)鍵作用[136]。Oikawa等[137]最近克隆了，命名為其編碼了一個(gè)bHLH轉(zhuǎn)錄因子，因啟動(dòng)子區(qū)的變異造成異位表達(dá)而激活花青素合成相關(guān)基因表達(dá)從而產(chǎn)生黑米表型。

稻米中的礦質(zhì)元素也是稻米的營(yíng)養(yǎng)成份之一，適量的有益礦質(zhì)元素能夠提高稻米的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。在礦質(zhì)元素轉(zhuǎn)運(yùn)與運(yùn)輸方面，目前，已鑒定了大量的金屬離子轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因，這些基因多參與了植物的非生物脅迫反應(yīng)而直接與稻米礦質(zhì)元素含量相關(guān)的基因只占少數(shù)[138]。Sperotto等[139]對(duì)水稻劍葉和種子中25個(gè)金屬轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)及金屬元素的積累進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)其中9個(gè)基因（、、、、、、、和）可能正向調(diào)控稻米中鐵和鋅的含量。近年來(lái)的研究表明，過(guò)量表達(dá)水稻、、、、、、、、或等基因都能明顯提高水稻種子金屬離子尤其是鐵離子的含量[140]。此外，過(guò)量表達(dá)擬南芥和、大麥和菜豆均能顯著提高水稻鐵和鋅的含量[141-142]。而對(duì)于有害重金屬鎘而言，研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)過(guò)量表達(dá)或者敲除來(lái)降低稻米中鎘的積累[143]。

5 展望

水稻的品質(zhì)表現(xiàn)是一個(gè)綜合性狀，就加工、外觀(guān)以及優(yōu)質(zhì)食用和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)而言，粒形、淀粉和蛋白質(zhì)組成是最重要的決定因素。目前，已經(jīng)克隆了一大批粒形、ECQ和營(yíng)養(yǎng)成份相關(guān)的調(diào)控基因，盡管很多基因的功能已比較清楚，但是多數(shù)基因往往都具有一因多效性，因此，真正在育種上被利用的基因還只是少數(shù)，并且這些少數(shù)基因中也只有特定的等位基因?qū)Φ久灼焚|(zhì)改善有利。

在粒形方面，細(xì)長(zhǎng)粒型稻米能夠提高稻米的外觀(guān)品質(zhì)，但對(duì)產(chǎn)量可能有一定的負(fù)效應(yīng)，整精米率也要低些[37,144]。寬粒水稻能夠增加粒重和產(chǎn)量，但往往使堊白程度加重[27]。因此，在外觀(guān)品質(zhì)和產(chǎn)量需求方面可能需要作出一些取舍，一方面通過(guò)不同等位基因組合選育特定的粒形以達(dá)到增產(chǎn)的目的；另一方面需要協(xié)調(diào)粒形、粒重和稻米品質(zhì)間的關(guān)系，選擇最優(yōu)組合以滿(mǎn)足消費(fèi)者的不同需求。盡管粒形在一定程度上能夠減少稻米堊白，但堊白的遺傳調(diào)控非常復(fù)雜且易受環(huán)境尤其是高溫的影響非常明顯[9,27]。由于全球氣溫的不斷升高，在減少堊白方面除了選擇環(huán)境耐受型新種質(zhì)做為育種資源外，在分子標(biāo)記輔助選擇方面可以多開(kāi)發(fā)一些關(guān)鍵基因或QTL的分子標(biāo)記用于育種[144]。

基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的解析表明，控制ECQ的相關(guān)基因往往協(xié)同發(fā)揮作用，這暗示在稻米品質(zhì)改良研究中一方面需要擴(kuò)大種質(zhì)資源范圍，充分發(fā)掘一些關(guān)鍵優(yōu)良等位基因和開(kāi)發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記[145-146]，另一方面也要從基因的互作與調(diào)控網(wǎng)絡(luò)入手進(jìn)行遺傳調(diào)控。從目前消費(fèi)者能夠接受的角度看，通過(guò)分子標(biāo)記輔助選擇改良稻米品質(zhì)是一種比較實(shí)用且有效的方法[146]；而從改良速度和效率來(lái)看，基因工程技術(shù)則是一種快捷和高效的方式。隨著越來(lái)越多重要品質(zhì)基因的克隆尤其是不同物種間有利基因功能的闡明，轉(zhuǎn)基因技術(shù)可加速對(duì)這些基因的利用，如富含維生素A的黃金大米和富含鐵元素大米的創(chuàng)建就是很成功的例子[147-148]。目前，類(lèi)似的研究結(jié)果已有很多，盡管在技術(shù)層面已經(jīng)證明可以通過(guò)生物合成途徑的調(diào)控來(lái)改良水稻品質(zhì)和強(qiáng)化營(yíng)養(yǎng)，但離商業(yè)化應(yīng)用尚需時(shí)日。近幾年發(fā)展起來(lái)的基因組編輯技術(shù)如CRISPR-Cas等[149]可能會(huì)在一定程度上加速包括品質(zhì)改良在內(nèi)的作物遺傳改良。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Progresses in Research on Cloning and Functional Analysis of Key Genes Involving in Rice Grain Quality

Zhang Chang-quan, Zhao Dong-sheng, Li Qian-feng, Gu Ming-hong, Liu Qiao-quan

(Key Laboratory of Plant Functional Genomics of the Ministry of Education, College of Agriculture, Yangzhou University/ Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops, Yangzhou 225009, Jiangsu)

Rice (L.) is one of the most important cereal crops in worldwide and also a major stable food in China, thus it is very important to breed novel rice cultivars with high yield as well as good grain quality. Rice grain quality is a complex trait, and usually means rice or rice products meeting the demand of end-users. Therefore, the concept of rice grain quality covers multiple features revealed by the physical and chemical characteristics, including milled rice ratio, grain shape, appearance, cooking time, aroma and its retention after cooking, eating palatability, and nutrition. In general, rice grain quality includes as milling quality, apparent quality, eating and cooking quality (ECQ), and nutritional value. The grain shape is not only the factors associated with yield but also crucial aspects of grain quality. In the past decade, there were rapid and great achievements in the cloning and functional analyses of the genes involving in rice grain qualities. For grain size and shape, numerous QTLs and genes have been cloned and characterized. These cloned genes could be divided into three groups based on the phenotypes of the mutants. The first group is associated with not only grain shape but also plant phenotype, such as,,,and. The second group appears to specifically affect grain trait, including,,,,,,,,,,and, which are well valuable for improvement of grain yield and quality. The third group is called small and round seed, such as thegene. Chalkiness is associated with both grain appearance and milling property, and only few such QTLs have been finely mapped and cloned, including,,,,and. The starch comprises about 90% of the dry matter of rice endosperm, and thus the grain quality is greatly affected by starch composition and structure. Therefore, the starch biosynthesis plays a crucial role in the formation of rice quality, especially the eating and cooking quality. Recent studies had made deep understanding of the regulation network of starch biosynthesis related enzymes, and several transcriptional regulators had also been proven for involving in starch biosynthesis, such as Dull, OsEBP89, OsEBP5, OsRSR1 and OsbZIP58. For seed protein content, most of the genes for seed storage proteins have been well characterized, and some other genes, such as,,,,,,andhave also been identified associating with protein sorting and transporting. The aroma of cooked rice contributes to consumer sensory acceptance, and recent studies have confirmed that theandgenes are responsible for the synthesis of fragrance material 2-AP. As for the other nutritional factors, such as the contents of essential amino acid lysine, vitamins, anthocyanin and minerals, also many functional genes have been cloned or elucidated. Taken together, all of the above traits are known to be genetically controlled by multiple genes, and also interact with each other. In present review, the genetic networks involving in regulation of rice grain quality in the last decade were summarized and updated. It will give a better understanding of the genes that contribute to the overall grain quality as well as lay a foundation for development of new strategies for grain quality improvement with high yield in rice.

rice grain quality; gene cloning; quantitative trait locus (QTL); allelic variation; functional analysis

2016-08-12；接受日期：2016-09-18

國(guó)家轉(zhuǎn)基因生物新品種培育重大專(zhuān)項(xiàng)（2016ZX08009003-004、2014ZX08009-024B）、國(guó)家自然科學(xué)基金（31561143008、31401354）、教育部博士點(diǎn)基金（20133250120001）

張昌泉，Tel：0514-87937537；E-mail：cqzhang@yzu.edu.cn。通信作者劉巧泉，Tel：0514-87979242；E-mail：qqliu@yzu.edu.cn