利用蠟質(zhì)基因Wx改良稻米品質(zhì)的研究進(jìn)展

成太輝，楊 武

（1.廣州市番禺區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，廣東廣州 511450；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所，廣東省水稻育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510640）

引言

我國在世界上年產(chǎn)稻谷最多，高產(chǎn)一直是我國水稻育種的主要目標(biāo)，而水稻品質(zhì)的改良卻不夠重視，導(dǎo)致我國很多水稻品種雖然高產(chǎn)，卻不優(yōu)質(zhì)。隨著人民生活水平的日益改善，人們對稻谷品質(zhì)的需求也不斷提高，米質(zhì)已經(jīng)成為決定水稻品種特性最重要的指標(biāo)之一[1]。

稻米品質(zhì)主要包括外觀品質(zhì)和食用品質(zhì)，外觀品質(zhì)包括粒型、堊白、透明度等，食用品質(zhì)包括直鏈淀粉含量（AC，amylose content）、膠稠度（GC，gel consistency）、糊化溫度（GT，gelatinization temperature）、蛋白質(zhì)含量、香味有無等。食用品質(zhì)主要由AC、GC和GT決定。食味品質(zhì)好的稻米，其AC往往較低，GC較高和GT較低，其中AC直接決定了米質(zhì)的優(yōu)劣[2]。優(yōu)質(zhì)秈稻米的AC一般應(yīng)低于22%[3]。

長久以來，研究者做了大量工作來揭示稻米品質(zhì)的分子機(jī)制，通過對米質(zhì)性狀的QTL定位，基因克隆和基因功能的研究，來揭示其遺傳機(jī)制。顆粒結(jié)合型淀粉合成酶（GBSS，granule-bound starch synthase）包含GBSSⅠ和GBSSⅡ兩種同工酶，它們控制了直鏈淀粉的合成，能特異性的與淀粉粒結(jié)合，維持淀粉的穩(wěn)定性[4]。水稻蠟質(zhì)基因Wx編碼的GBSSⅠ控制了種子中直鏈淀粉的合成。GBSSⅡ與GBSSⅠ氨基酸序列的同源性很高，控制了非存儲器官中直鏈淀粉的合成[5，6]。因此，Wx基因決定了水稻胚乳中的AC，目前已在水稻中鑒定出多個(gè)Wx基因的等位變異類型，這些新基因的挖掘與利用是稻米品質(zhì)改良的重要基礎(chǔ)。

1 Wx基因的等位變異

Wx基因于1990年被克隆，其第一內(nèi)含子5’端剪切處的第一個(gè)堿基決定了Wx基因的轉(zhuǎn)錄水平：若該位點(diǎn)為G，則Wx基因正常剪切，轉(zhuǎn)錄得到的mRNA含量高，最終生成的AC也較高；若該位點(diǎn)為T，則Wx基因無法正常剪切，轉(zhuǎn)錄得到的mRNA含量低，AC較低，該位點(diǎn)是水稻AC差異的最主要類型[7]。Wx基因同樣是水稻糯性的決定基因：糯稻W(wǎng)x基因的第2外顯子上有2個(gè)23 bp的重復(fù)序列，而非糯稻W(wǎng)x基因中只有1個(gè)，該片段為糯稻W(wǎng)x基因特有[8]。此外，Wx基因第一內(nèi)含子上游處的CT重復(fù)序列也影響著稻米的AC[9]。對Wx基因的等位變異和特性總結(jié)如下：

2 Wx基因的分子標(biāo)記及應(yīng)用

除了糯稻基因Wx外，Wx基因的大多等位變異都存在于較少的水稻品種中，這些品種由于來源有限，配合力差等，很難作為水稻米質(zhì)改良的親本。目前，利用Wxb基因改良水稻AC是非常有效的一種方法。蔡秀玲等利用開發(fā)的PCR-AccI標(biāo)記鑒定了63份水稻品種Wx位點(diǎn)的G/T類型，并測定了這些品種的AC，發(fā)現(xiàn)T型水稻品種的AC低于18%，G型的都高于20%[21]。Mao等設(shè)計(jì)了擴(kuò)增G/T位點(diǎn)的PCR標(biāo)記，但該標(biāo)記在擴(kuò)增時(shí)需要將退火溫度提高至67℃[22]。高利軍開發(fā)的M-Wx標(biāo)記對水稻品種鑒定的基因型結(jié)果與測定的AC一致：在72份水稻品種中，G型水稻品種的AC都高于20.1%，T型的都低于15.6%[23]。孫華欽等開發(fā)了2個(gè)識別水稻糯性基因Wx的分子標(biāo)記，可以直接檢測糯性基因的有無[24]。

-：表示沒有突變

將Wxb基因應(yīng)用于米質(zhì)改良，已經(jīng)取得了較為理想的效果。利用分子標(biāo)記PCR-AccI，龍?zhí)馗驼渖?7導(dǎo)入Wxb基因后，新品種的AC顯著降低[25]。聶元元等利用分子育種技術(shù)，對恢復(fù)系R225的AC進(jìn)行改良，經(jīng)過多次回交和標(biāo)記，成功將R225的AC降低到11.6%～23.5%[26]。劉巧泉等利用Wxb基因替換掉特青中的Wxa基因，將稻米的AC從28.5%降低到15%[27]。姚姝等將Wxmp和Wxmp分別滲入到多個(gè)粳稻品種中，選育出寧2704、南粳46等米質(zhì)優(yōu)良的水稻新品種[28]。Myint等利用Basmati370的Wxin基因，有效降低了水稻品種Manawthukha的AC，提高了該品種的生產(chǎn)價(jià)值[29]。此外，通過親本AC的差異，篩選出與Wx基因連鎖的SSR標(biāo)記對稻米品質(zhì)進(jìn)行改良，也是一種有效的途徑。韓義勝等利用與Wx基因緊密連鎖的標(biāo)記RM190，利用天豐B優(yōu)良米質(zhì)的特性，成功將龍?zhí)仄諦的AC從26.5%降低到15.9%[30]。

3 研究展望

米質(zhì)的遺傳機(jī)制較為復(fù)雜，但總的來說，Wx基因主要是通過影響成熟mRNA含量或者SNP變異導(dǎo)致的氨基酸變異，使GBSS Ⅰ的活性、淀粉及糖原合成過程中與ADP-葡萄糖的結(jié)合能力改變等，最終影響了AC的合成[7，15-17]。此外，Wx基因的表達(dá)受到環(huán)境等因素的影響。因此，在利用Wx基因?qū)λ久踪|(zhì)進(jìn)行改良時(shí)，需要同常規(guī)育種結(jié)合，選育綜合性狀優(yōu)良的水稻品種[14，31]。

3.1 Wx基因新等位變異的挖掘

目前雖然報(bào)道了多個(gè)Wx基因的等位變異類型，但水稻品種的AC變異豐富，直鏈淀粉的結(jié)構(gòu)也存在豐富的變異，因此，還有更多Wx基因的新等位變異有待挖掘。在這方面，尤其應(yīng)該擴(kuò)大野生稻種質(zhì)資源的研究，它們可能蘊(yùn)含著更為豐富的變異類型，例如廣東的野生稻資源非常豐富，有可能為水稻優(yōu)質(zhì)育種提供新的供體基因。

3.2 多基因聚合改良稻米品質(zhì)

除了Wx基因主要控制稻米的AC外，SSII-3基因也影響著稻米的AC，同時(shí)決定了稻米的GT。此外，SSI、SSIII-2、PUL、AGPlar等基因微效調(diào)控AC，SBE3、ISAA等基因微效調(diào)控GC，SSIV-2、SBE3等基因微效調(diào)控GT[32-34]。因此，明確親本的米質(zhì)基因型，通過多個(gè)主-微效基因的聚合，可以更大程度的改良稻米品質(zhì)。

3.3 Wx基因分子機(jī)制的進(jìn)一步加深

目前發(fā)現(xiàn)的Wx基因的等位變異類型大多都是由單個(gè)核苷酸的差異造成的，這些突變?yōu)楹螘淖僕x基因的表達(dá)水平？隨著米質(zhì)遺傳機(jī)制的不斷解析，結(jié)合現(xiàn)代分子技術(shù)例如CRISPR技術(shù)等，能夠?yàn)樗居N創(chuàng)造更多的便利。

由于Wx基因的遺傳機(jī)制，米質(zhì)改良不同于抗性改良。目前廣泛使用的抗病基因多為顯性基因，例如三系雜交稻中的親本，只需要不育系或者恢復(fù)系含有純合的抗性基因，雜交種即具有抗病性。對于米質(zhì)，若不育系和恢復(fù)系中只有單個(gè)親本的米質(zhì)位點(diǎn)得到改良，其配組的雜交種米質(zhì)可能未能得到較好的改良。因此，在對雜交水稻的米質(zhì)進(jìn)行改良時(shí)，親本的Wx位點(diǎn)都需要改良。雖然影響稻米品質(zhì)的位點(diǎn)較多，試圖利用主效位點(diǎn)來改良稻米品質(zhì)可能具有一定的局限性，但至少從分子育種角度，為選育米質(zhì)優(yōu)良的水稻品種提供了可行的方向。

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