稻谷耐儲(chǔ)性研究進(jìn)展

許惠濱，江敏榕，連　玲，朱永生，蔣家煥，謝鴻光，謝華安，張建福

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所　350019)

水稻作為我國第一大糧食作物，總產(chǎn)量居世界第一；種植面積居世界第二，僅次于印度。我國65%以上的人口以稻米為主食。這就賦予其保障我國糧食安全的重要地位[1-2]。種子儲(chǔ)藏是保存植物遺傳資源最有效且應(yīng)用最廣泛的方法，特別是對于那些種子可以被干燥至含有較低水分，進(jìn)而冷凍保存以延長壽命的物種[3]。水稻種子的壽命和活力是鑒別稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，它們都與稻谷的耐儲(chǔ)性密切相關(guān)[4]。由于種子儲(chǔ)藏后的活力和發(fā)芽率降低等原因造成的直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額驚人[5]，特別是在像中國這樣受季風(fēng)性氣候影響的亞洲國家，高溫、高濕天氣加速了種子的老化變質(zhì)[6]，引起國內(nèi)外學(xué)者對稻谷耐儲(chǔ)性的廣泛關(guān)注。導(dǎo)致稻谷儲(chǔ)藏?fù)p失的主要原因是稻谷的新陳代謝、微生物、鼠類及倉儲(chǔ)害蟲等因素造成稻谷品質(zhì)下降和數(shù)量損失。雖然，通過建設(shè)大型的冷庫和氣調(diào)庫以控制稻谷儲(chǔ)藏環(huán)境的溫度和濕度，可以實(shí)現(xiàn)延長稻谷儲(chǔ)藏時(shí)間的目的[7]，但卻是建立在巨額成本的基礎(chǔ)上。因此，通過創(chuàng)制耐儲(chǔ)藏水稻新品種以提高稻谷耐儲(chǔ)性意義重大。盡管目前已有大量有關(guān)種子耐儲(chǔ)性的研究報(bào)道，但都只是側(cè)重于其與儲(chǔ)藏環(huán)境的關(guān)系[8]，其分子機(jī)理仍不是很明確。本文著重對稻谷耐儲(chǔ)性研究的主要成果進(jìn)行綜述，期望為培育耐儲(chǔ)藏水稻新品種提供借鑒。

1　稻谷耐儲(chǔ)性評價(jià)指標(biāo)與方法

水稻的耐儲(chǔ)性主要包括兩個(gè)方面：作為稻米消費(fèi)，經(jīng)歷長時(shí)間儲(chǔ)藏后依然保持稻米原有的風(fēng)味；作為種子或種質(zhì)保存，經(jīng)過長時(shí)間儲(chǔ)藏后仍具有較強(qiáng)的生活力和生長勢[9]。目前國內(nèi)外有關(guān)水稻耐儲(chǔ)性的研究主要集中在后者。作為種子，稻谷是一個(gè)具有生命的有機(jī)體，在儲(chǔ)藏過程中仍然進(jìn)行著各種代謝活動(dòng)，從而造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞、儲(chǔ)藏養(yǎng)分的衰竭、化學(xué)組成的改變及酶活性的喪失等一系列變化，最終導(dǎo)致種子遺傳完整性的喪失，表現(xiàn)為種子活力的下降[10]。通常采用發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢和半衰期等指標(biāo)來評價(jià)水稻的耐儲(chǔ)藏性能[11]。其中，發(fā)芽率和發(fā)芽勢的測定方法相對簡單且貼近生產(chǎn)，所以較多地應(yīng)用于稻谷耐儲(chǔ)性研究[5]。

對稻谷耐儲(chǔ)性的研究主要有兩種方法：自然老化法和人工老化法[12-13]。自然老化法是指利用稻谷在自然儲(chǔ)藏條件下發(fā)芽力逐漸喪失的現(xiàn)象來評價(jià)水稻的耐儲(chǔ)藏性能。它雖然比較符合種子儲(chǔ)藏的自然特性，但周期較長，需要好幾個(gè)月甚至好幾年的時(shí)間，所以很難在實(shí)際研究中推廣應(yīng)用[14]。因此，人們通常利用人工老化法來代替自然老化法。人工老化法主要是利用提高儲(chǔ)藏環(huán)境的溫度和濕度來加速種子老化的過程，并以此來評估種子的活力和預(yù)測種子的耐儲(chǔ)藏性能[15]。由于它能夠克服自然老化法所需時(shí)間較長的不足而被大量應(yīng)用于種子的耐儲(chǔ)性研究。

自從Suzuki 等人利用脂肪氧化酶3(LOX3)的單克隆抗體，從水稻種質(zhì)庫中篩選到多份LOX3基因缺失的耐儲(chǔ)藏材料[16]，隨后，相繼出現(xiàn)了多種針對脂肪酶和脂肪氧化酶活性缺失型材料的篩選方法，如胡蘿卜素漂白法[17]、脂肪酸比色法[18]和淀粉-KI-I2顯色法[19]等，不斷豐富耐儲(chǔ)藏種質(zhì)鑒定技術(shù)，為選育耐儲(chǔ)藏水稻新材料奠定了基礎(chǔ)。

2　稻谷老化機(jī)理

盡管水稻耐儲(chǔ)性的機(jī)理涉及很多因素，但目前普遍認(rèn)為脂質(zhì)降解是導(dǎo)致谷物儲(chǔ)藏期間種子活力喪失、米質(zhì)劣變的主要原因[5]。稻谷儲(chǔ)藏過程中，伴隨脂質(zhì)過氧化程度的增加，引起膜完整性喪失、能量代謝減少、RNA和蛋白質(zhì)合成受損、蛋白異天冬氨酸殘基形成、DNA降解等一系列反應(yīng)，最終導(dǎo)致活性氧(ROS)與活性羰基化合物(RCCs)的積累，加速了種子劣變[20-21]。脂質(zhì)過氧化是導(dǎo)致種子劣變進(jìn)而破壞細(xì)胞膜完整性的主要原因[22]，脂肪氧化酶則是催化多元不飽和脂肪酸過氧化生成共軛的不飽和脂肪酸氫過氧化物的關(guān)鍵酶[23]，稻谷在有氧及高溫條件下儲(chǔ)藏，可引起脂肪酶與脂質(zhì)的直接接觸，從而導(dǎo)致稻谷中的脂肪發(fā)生水解氧化，致使稻谷產(chǎn)生劣變。前人研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥磷脂酶D(PLD)激活引起的脂質(zhì)降解是種子老化的原因，同時(shí)引起儲(chǔ)藏稻谷種胚中OsPLDα1和α3的轉(zhuǎn)錄水平上升[21]。脂質(zhì)過氧化物的積累導(dǎo)致活性羰基化合物α,β-不飽和醛和活性羰基化合物α,β-不飽和酮的產(chǎn)生，包括丙二醛(MDA)、丙烯醛等，它們最具活性和毒性，可以滲透細(xì)胞膜進(jìn)而破壞細(xì)胞的氨基酸和核酸結(jié)構(gòu)[24]，引起種子老化。鑒于稻谷儲(chǔ)藏過程中脂質(zhì)過氧化物和RCCs的積累降低了種子的活力，因此去除這些化合物的毒性可能提高種子的耐儲(chǔ)性。

老化可以看作是生物體內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)與其內(nèi)在生化過程中不斷積累的生物損傷相互抗衡的結(jié)果。一般情況下，損傷蛋白質(zhì)能夠通過重新合成來修復(fù)。然而，有些時(shí)候生物體不得不在無法進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的情況下修復(fù)損傷的蛋白質(zhì)[22]。植物的種子就是處于一種低新陳代謝和低物質(zhì)供給的狀態(tài)，這意味著蛋白質(zhì)合成幾乎停止。為了在老化條件下保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，植物種子必須利用一種低資源和低能量損耗的方式來修復(fù)損傷，而不需要重新合成蛋白質(zhì)[25]。蛋白質(zhì)中天冬氨酸和天冬酰胺自發(fā)形成的異構(gòu)天冬氨酸殘基是稻谷組織細(xì)胞中常見的蛋白質(zhì)共價(jià)損傷，這種損傷蛋白在老化種子中大量存在，可影響種子的壽命和活力[22]。

3　稻谷耐儲(chǔ)性相關(guān)基因

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對水稻耐儲(chǔ)藏性主效基因和相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)進(jìn)行了定位。Miura等人以Nipponbare/Kasalath的回交群體為材料，鑒定了3個(gè)與水稻種子耐儲(chǔ)藏性能相關(guān)的QTL，它們分別位于第2號、4號和9號染色體上[26]。萬建民等利用LOX3基因缺失材料DawDam對LOX3基因進(jìn)行遺傳標(biāo)記分析，并將其定位在第3號染色體上[27]。隨后，陸續(xù)出現(xiàn)一些與耐儲(chǔ)藏性相關(guān)的QTL的報(bào)道，主要分布在第1號、2號、3號、4號、8號、9號、11號和12號染色體上[5]。大量的分子標(biāo)記與高分辨率的遺傳圖譜的開發(fā)，為研究水稻數(shù)量性狀定位，近等基因系的構(gòu)建，以及基因克隆等技術(shù)提供了強(qiáng)有力的工具。

伴隨種子耐儲(chǔ)性遺傳學(xué)研究水平的提高，研究人員已經(jīng)鑒定出幾個(gè)參與調(diào)節(jié)種子劣變的關(guān)鍵基因。過量表達(dá)擬南芥PIMT1可以減少L-天冬氨酰殘基在種子蛋白質(zhì)組的積聚，進(jìn)而提高種子耐儲(chǔ)性[28]。擬南芥轉(zhuǎn)蓮花金屬結(jié)合蛋白基因NnMT2a和金屬硫蛋白基因NnMT3可明顯提高種子耐儲(chǔ)性[29]。DNA修復(fù)基因作用在種子萌發(fā)早期，DNA連接酶-I 的表達(dá)可明顯提高擬南芥種子的活力[30]。利用基于激活標(biāo)簽突變體驗(yàn)證種子耐儲(chǔ)性的研究，發(fā)現(xiàn)一個(gè)可以提高種子耐儲(chǔ)性的泛素連接酶RSLLa[31]。利用反義基因技術(shù)抑制水稻胚乳LOX3基因的表達(dá)，并通過轉(zhuǎn)基因種子的人工老化和自然老化分析，證實(shí)降低胚乳LOX3含量能夠顯著提高種子的活力和耐儲(chǔ)性[19]。越來越多的與種子耐儲(chǔ)性相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)，為今后更好地研究水稻耐儲(chǔ)性打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4　討論與展望

由于近年來世界范圍內(nèi)對大米數(shù)量和質(zhì)量的要求不斷提高，而傳統(tǒng)的儲(chǔ)藏方式不但成本高且損失大，使得全球大米市場面臨潛在的威脅。因此，進(jìn)入21世紀(jì)后，有關(guān)稻谷耐儲(chǔ)性的研究出現(xiàn)了前所未有的高潮。目前國內(nèi)外有關(guān)稻谷耐儲(chǔ)性的研究主要集中在其作為種子或種質(zhì)的耐儲(chǔ)性，旨在實(shí)現(xiàn)種子或種質(zhì)資源的長時(shí)間儲(chǔ)藏。

作為種子，稻谷是一個(gè)具有生命的有機(jī)體，在儲(chǔ)藏過程中仍然進(jìn)行著各種代謝活動(dòng)，從而造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞、儲(chǔ)藏養(yǎng)分的衰竭、化學(xué)組成的改變及酶活性的喪失等一系列變化，最終導(dǎo)致種子遺傳完整性的喪失，表現(xiàn)為種子活力的下降。耐儲(chǔ)性是水稻生產(chǎn)與研究、種質(zhì)資源保護(hù)與利用方面的一個(gè)非常重要的性狀，它是一個(gè)受多基因控制的數(shù)量性狀[5，26]，容易受生長環(huán)境影響。盡管目前已有不少關(guān)于種子耐儲(chǔ)性分子機(jī)理的研究報(bào)道，但是由于種子在儲(chǔ)藏過程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)，同時(shí)也受到一系列基因的聯(lián)合調(diào)控。因此，只有深入研究稻谷耐儲(chǔ)性相關(guān)基因的協(xié)同作用機(jī)理，才能從根本上解決稻谷儲(chǔ)藏問題，這也是今后有關(guān)稻谷耐儲(chǔ)性研究需要努力的一個(gè)方向。

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