稻米品質性狀影響因素及相關基因研究進展

王慧 張從合陳金節(jié) 嚴志 周桂香 黃艷玲

（安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)部雜交稻新品種創(chuàng)制重點實驗室，合肥230088；第一作者：qygkwh@163.com；*通訊作者：zhangch7201@vip.sohu.com）

水稻是世界特別是亞洲地區(qū)的主要糧食作物。自1989年國際水稻研究所首次提出超級稻之后，中國科學家已在超級稻品種選育與應用方面取得了巨大成績[1]。隨著人們生活水平和消費水平的提高，人們對稻米品質特別是風味、口感和營養(yǎng)品質的需求也不斷提高[2]。糙米率、整精米率、堊白度和透明度等外觀和加工品質以及堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量等蒸煮食味品質在國家水稻品種審定中也一直是作為重要的評價指標。

稻米品質性狀大多數(shù)都是數(shù)量性狀，遺傳特征相當復雜，除了受遺傳控制外，還受光照、溫度、海拔、水肥等環(huán)境因素的影響。因此，利用常規(guī)育種手段改良品質難度較大。近年來，隨著分子生物學理論與技術的迅速發(fā)展，在品質相關基因的定位、克隆及機理研究方面也取得了很大的進展，利用分子標記輔助選擇的方法能夠快速導入優(yōu)良品質基因，大大提高育種效率。本文在介紹稻米品質性狀構成的基礎上，綜述了稻米品質性狀的影響因素、品質性狀的定位與基因克隆研究進展，以及稻米品質改良方式及育種研究，以期為進一步利用分子標記輔助選擇的育種方法改良水稻品質提供參考。

1 稻米品質性狀的構成

稻米品質性狀主要包括加工品質、外觀品質、蒸煮與食味品質以及營養(yǎng)品質，其中加工品質主要用糙米率、精米率和整精米率等指標來評價，而外觀品質主要由粒型、堊白、透明度和籽粒色澤等要素構成[3]。加工和外觀品質直接決定了水稻的商品價值。由于稻米主要食用的是胚乳，胚乳的主要成分又是淀粉，因此直鏈淀粉含量的高低直接影響蒸煮與食味品質，是其主要評價指標；膠稠度和糊化溫度與蒸煮食味品質也密切相關[4]；此外，延伸性的好壞、香味的類型及濃淡都會影響蒸煮與食味品質。

稻米營養(yǎng)成分包括蛋白質、氨基酸、脂肪、維生素和礦質元素等，目前衡量營養(yǎng)品質的指標主要是蛋白質含量[5]。秈稻的蛋白質含量普遍高于粳稻，高蛋白水稻品種多為秈稻[6]。蛋白質含量高且人體必需氨基酸含量高的稻米具有很好的營養(yǎng)價值[7-8]。

2 影響稻米品質性狀的因素

不同水稻品種的稻米品質是不同的，這主要是由遺傳特性所決定。但稻米品質性狀除了受遺傳控制外，還受自然生態(tài)環(huán)境、栽培技術以及水肥管理等因素的影響。

2.1 環(huán)境因素

2.1.1 高溫和干旱

高溫和干旱是影響稻米品質的首要生態(tài)因素。水稻生育期內(nèi)遇到高溫和干旱，會引起稻米長寬比變小，同時造成糙米率、精米率、整精米率的降低，進而導致加工品質變差[9]，特別是抽穗期遇到高溫和干旱，對稻米胚乳結構影響很大，使堊白粒率和堊白度提高，外觀品質降低；相關研究[10]得出，抽穗期高溫會導致直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值不同程度下降；但呂艷梅等[11]研究結果剛好相反，其認為花后高溫（37℃）會導致直鏈淀粉含量升高，明顯降低稻米的蒸煮食味。水稻在結實前后都需要一定的低溫環(huán)境，但是溫度太低或者太高都不利于蛋白質和氨基酸的形成，進而導致營養(yǎng)品質降低[12]。

2．1．2 光照和海拔

不同光照條件對稻米品質的影響不同。研究表明，稻米堊白度和透明度與光照時數(shù)密切相關，相關系數(shù)為 0．75 和－0．86[13]。灌漿期日照時數(shù)不夠，會降低水稻碳水化合物的積累，同時也會造成蛋白質含量和直鏈淀粉含量增加，引起食味品質降低[14]。在水稻生育期內(nèi)，增加秈稻日照時長，可使其蛋白質含量在一定程度上有所提高，從而提高秈稻的營養(yǎng)品質[15]。

種植地的海拔高度也是影響稻米品質不可忽視的環(huán)境因素。向遠鴻等[16]采用灰色關聯(lián)分析的方法研究了不同海拔高度稻米品質的變化規(guī)律，結果表明，在海拔500～1 000 m范圍內(nèi)，不同品種米質隨海拔高度的不同有所不同，米質越優(yōu)的品種其米質表現(xiàn)最優(yōu)的海拔也越高。蘇振喜等[17]研究得出，海拔對糙米率、精米率、粒型影響較小，對整精米率和堊白的影響較大，一般高海拔點的整精米率優(yōu)于低海拔點，隨著海拔的升高，堊白粒率有明顯下降的趨勢，并認為海拔對直鏈淀粉含量的影響較小，膠稠度隨海拔的升高而降低；李俊青等[18]則認為，高海拔地區(qū)秈稻的堊白大于低海拔地區(qū)，而粳稻則有相反趨勢，秈稻和粳稻稻谷的粗蛋白含量隨著海拔的升高而升高；但周廣洽等[12]認為，海拔800 m以內(nèi)蛋白質含量會隨著海拔升高而升高，但是超過800 m之后則成下降趨勢。

2.2 栽培管理

2．2．1 播期和栽插密度

雜交稻外觀品質和加工品質受播期的影響較大，且成熟后不及時收割會導致糙米率、堊白粒率和堊白度顯著增加，同時精米率和整精米率不同程度降低[19]。不同堊白度品種受播期的影響比較大，播期推遲使堊白度較高的品種堊白降低，堊白度較低的品種堊白升高[20]。直播稻在前茬騰茬時間允許的情況下早播，可以改善稻米的食味和蒸煮品質[21]。

此外，栽插密度過高或過低均不利于稻米綜合品質的提高，密度過高會使整精米率降低，密度過低會使直鏈淀粉含量增加、米飯變硬，加工品質和外觀品質變差，營養(yǎng)品質也會降低[22－23]。

2．2．2 肥料施用

氮素供應量是影響稻米蛋白質含量的重要因素[24]，在一定范圍內(nèi)氮肥施用量越多蛋白質和微量元素含量越高，但超過范圍則呈下降趨勢。有研究[25]認為，直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而降低，進而增加食味品質。張俊國等[26]則認為，多數(shù)稻米蛋白質含量、直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而上升，與此同時米飯的硬度增加，食味品質下降，在高氮時下降尤為明顯。

此外，在栽培管理中還應控制好不同肥料的比例。張進等[27]研究發(fā)現(xiàn)，噴施合理配比的鐵氮混配肥不僅能提高稻米中的蛋白質含量，也能提高糙米中鋅、鈣、鎂的含量。同時土壤水分對稻米微量元素的吸收有著至關重要的作用。胡樹林等[28]研究認為，土壤中Zn2+含量較高時，香稻的香味更濃。

3 稻米品質的基因定位與克隆

3.1 外觀品質的相關基因研究

粒型是與水稻外觀品質直接相關的重要性狀，同時與水稻的產(chǎn)量也有密切關系，其相關基因也是稻米外觀品質改良中最受關注的一類基因[3]。目前已經(jīng)從不同的水稻種質資源中分離了至少幾十個與粒型相關的基因，而在育種實踐中有利用價值的基因主要包括GS3、GL3.1/OsPPKL1、GW7/GL7等控制粒長性狀的基因[29－32]，GW2、GW5/qSW5、GS5 等控制粒寬性狀的基因[33－35]，以及 GS6、TGW6、GW8/OsSPL16、BG2、GW6a/OsglHAT1、OsGRF4/GS2/GL2 等粒型基因[36－41]。其中，GS3、GL3.1/OsPPKL1、GW2、GW5/qSW5、GS5、GW8 等基因已被克隆。位于第3染色體上的GS3和GL3.1/OsPPKL1主效基因對籽粒長度有明顯的調(diào)控作用，已經(jīng)應用于分子標記輔助選擇育種[29－30]。GW2基因是Song等利用小粒秈稻品種FAZ1和大粒粳稻品種WY3進行雜交、回交并構建群體后克隆到的1個粒寬和粒重基因，該基因通過調(diào)控穎花外殼的寬度進而增加粒重[33]。GW5可以通過改變籽粒外穎細胞數(shù)量來調(diào)節(jié)粒寬，與qSW5是同一個基因[34]。

堊白不僅能降低稻米的外觀品質，還能降低整精米率以及引起稻米的口感變差。目前已經(jīng)鑒定了大量與堊白相關的QTL和基因，已經(jīng)鑒定的QTL中，控制堊白的位點可能存在23個，貢獻率在4．9%～87．2%之間，其中，被Tan等定位于第5號染色體上的腹白和堊白率的共同座位RG360－C734a的貢獻率較大[42]。而已克隆的與堊白有關的基因僅有少數(shù)幾個，如Kang等[43]克隆了通過調(diào)節(jié)碳代謝而影響胚乳灌漿的粉質突變體基因cyPPDK；Wang等[44]克隆了G1F1，該基因通過編碼細胞壁轉化酶來調(diào)控籽粒灌漿初期的碳源分流，當其功能喪失時會造成高堊白，同時會造成直鏈淀粉含量降低。Wang等[45]克隆了胚乳粉質基因OsRab5a，該基因突變會干擾淀粉體的形成等。Li等[46]于2014年克隆了Chalk5，提高該基因表達將會使稻米胚乳中堊白增加。

3.2 加工品質的相關QTL定位

梅捍衛(wèi)等[47]利用Lemont與特青的重組自交系群體，通過RFLP連鎖圖和基于混合線性模型的復合區(qū)間作圖法，定位到1個控制精米率和4個控制整精米率的位點。穆平等[48]利用早稻IRAT109與越富的花培DH群體，在第1染色體RM295標記附近同時檢測到5 個 QTL（Qgcla、Qgclb、Qlwal、QMrlb、QHrl），分別控制粒長、長寬比、精米率和整精米率；同時分別在第3、第6、第7染色上檢測到控制堊白率、粒寬、糙米率、精米率和整精米率的QTL，得出糙米率、精米率和整精米率3個性狀間存在遺傳相關，在外觀和加工品質性狀間廣泛存在“一因多效”。翁建峰等[49]利用Asominori為遺傳背景具有IR24染色體片段的置換系（CSSL）群體，在4個環(huán)境下對稻米糙米率、精米率和整精米率QTL定位和穩(wěn)定性分析，共檢測到與稻米加工品質相關的30個QTL。劉家富等[50]利用以特青為遺傳背景的云南元江普通野生稻滲入系為材料，共定位了分別位于第1、第3、第4染色體上的3個糙米率QTL和1個位于第1染色體上的整精米率QTL。胡霞等[51]在南寧和三亞環(huán)境下檢測到4個影響糙米率QTL、5個精米率QTL和6個整精米率QTL。

3.3 蒸煮與食味品質相關基因

目前普遍認為蒸煮與食味品質主要是受胚乳基因型控制，其評價指標大部分是由淀粉理化性質決定的。

直鏈淀粉含量受主效和微效QTL共同影響。稻米直鏈淀粉的合成主要由編碼水稻蠟質基因Waxy和Wx的GBSSI來決定，其含量高低由該基因的不同等位變異決定[52]；截止目前已經(jīng)發(fā)表的Wx等位基因至少有8個[53]。早在上世紀90年代，水稻W(wǎng)x基因就已經(jīng)被克隆，其位于水稻第6條染色體的短臂上，直接影響水稻胚乳和花粉中直鏈淀粉的含量[54]。隨后在水稻中克隆了5個與直鏈淀粉相關的基因，分別為G1F1、Wxb、Wx-mp、Wxop以及 du-1[44，55－58]，其中，Wx-mp、Wxop與Wx等位。此外，Mikami等[59]于2013年克隆了Wxin等位基因，該基因會導致直鏈淀粉含量保持在18%～22%之間；Sato等[60]克隆了Wxmq軟米基因，該基因會使稻米直鏈淀粉含量降到10%左右。

香味的形成主要受一對隱性基因控制。Bradbury等[61]克隆了編碼Badh2（甜菜堿乙醛脫氫酶2）的香味基因gr，發(fā)現(xiàn)Badh2在香味水稻和非香味水稻中存在明顯差異，進一步研究發(fā)現(xiàn)，這種差異是在Badh2編碼區(qū)的第7個外顯子中出現(xiàn)一個8bp的缺失，而這個8bp的缺失存在于香稻品種中，推測Badh2基因控制米香性狀。Kovach等[62]深入研究了Badh2香味基因，有8種隱性等位基因被發(fā)現(xiàn)，得出香稻中普遍存在的優(yōu)勢等位基因是Badh2.1。

關于糊化溫度和膠稠度的研究較多。糊化溫度基因定位于水稻第6染色體上，He等[63]首次在Wx附近檢測到1個主效QTL，與Alk基因等位且控制糊化溫度。隨后多數(shù)學者[64－66]利用糊化溫度差別比較大的親本構建群體，驗證了He等的研究結果，且發(fā)現(xiàn)Wx基因也會引起糊化溫度的變化。Tian等[66]研究得出，與Wx緊密連鎖的1個基因主要控制膠稠度，也有學者認為膠稠度主要由第2、第7染色體上的QTL共同控制[63,65]。

關于米粒延伸性尚沒有基因被克隆，僅定位了幾個微效QTL。早在1993年，Ahn等[67]就在水稻第8染色體上鑒定了1個控制米粒延伸性的QTL；何予卿等[68]在水稻第6染色體Wx附近定位到1個多效性QTL控制米粒延伸性；Rathi等[69]鑒定了1個米粒延伸性QTL位于水稻第4染色體上。

3.4 營養(yǎng)品質的相關基因

蛋白質是稻米的第二大成分，也是稻米營養(yǎng)品質的主要構成因素。關于蛋白質的QTL定位和克隆方面研究較多，其中儲藏蛋白與品質密切相關，在秈稻和粳稻之間也存在一定的差異[7]；谷蛋白直接與稻米編碼基因有關，水稻中已鑒定了至少15個編碼谷蛋白的結構基因[70]。研究表明，轉錄因子OsRISBZ1和OsRPBF參與調(diào)控種子儲藏蛋白的含量[71]；Wang等[72]克隆了1個谷蛋白轉運的基因OsRab5a，該基因突變后能夠導致谷蛋白從高爾基體向蛋白體II轉運受阻。OsSar1a及其另外2個同源基因OsSar1b和OsSar1c共同調(diào)控谷蛋白和球蛋白的運輸，其突變后表現(xiàn)出相同的粉質表型[73]。此外，PENG過量表達主效基因OsAPP6能夠促進根部氨基酸吸收，提高蛋白質的合成[74]。

4 稻米品質改良方式及相關研究

4.1 利用雜交、回交方法改良水稻品質

水稻品質改良主要是利用2個親緣關系較遠且品質優(yōu)良的親本通過雜交、回交等方法，結合田間農(nóng)藝性狀選擇選育優(yōu)質水稻品種。李宏等[75]利用美國水稻品種Lemont和廣東省審定的品種豐澳占雜交，育成了產(chǎn)量較高、品質優(yōu)良的美香占2號，并圍繞美香占2號配置了大量雜交組合，成功選育了美絲占、齊新占等優(yōu)質品種于2006年通過廣東省審定；隨后又圍繞美絲占和齊新占進行配組，成功選育了美雅占、美油占和齊華占等食味品質較好的品種。賴穗春等[76]以優(yōu)質稻黃華占為母本，與豐秀占進行雜交，育成了早晚兼用型優(yōu)質、豐產(chǎn)水稻新品種黃豐占，并于2012年通過廣東省審定。

4.2 利用分子標記輔助選擇培育優(yōu)良水稻品種

育種工作者在傳統(tǒng)育種的基礎上結合分子標記輔助選擇選育優(yōu)良水稻品種，并取得了一定成果。王才林等[77]將日本優(yōu)質粳稻關東194與江蘇優(yōu)質高產(chǎn)粳稻武香粳14雜交，并結合分子標記輔助選擇，以及外觀和食味品質篩選，培育出了優(yōu)良粳稻新品種南粳46，于2008年通過江蘇省品種審定；之后又分別利用優(yōu)質高產(chǎn)粳稻武粳13和武香粳14為母本，與關東194雜交，結合暗胚乳突變基因Wx-mq的分子標記輔助選擇，分別育成優(yōu)質食味粳稻南粳5055和南粳9108，分別于2011年和2013年通過江蘇省品種審定[78-79]。Liu等[80]借助PCR-AccI分子標記，將Wxb基因導入秈型雜交稻重要親本龍?zhí)馗驼渖?7中，選育了低直鏈淀粉含量的改良保持系和恢復系，其所配組合直鏈淀粉含量也顯著降低，蒸煮與食味品質明顯提高。劉巧泉等[81]利用分子標記輔助選擇將Wxb基因導入秈稻特青中并替換了Wxa基因，使其直鏈淀粉含量顯著下降，改良特青與培矮64S雜交的后代直鏈淀粉含量也明顯降低。

5 問題及展望

大量的稻米品質相關基因被定位和克隆為稻米品質改良奠定了分子基礎。在稻米品質改良過程中仍會存在一些問題，比如研究稻米外觀和加工品質性狀，要密切關注其與產(chǎn)量、抗性等性狀之間是否存在矛盾，這也是水稻育種的關鍵。細長粒米可以提高稻米的外觀品質，但是會降低其整精米率和產(chǎn)量；寬粒水稻能夠增加粒重和產(chǎn)量，但是會增加稻米堊白度。育種家需根據(jù)育種目標在外觀品質、加工品質和產(chǎn)量之間作出一些選擇，一方面可利用分子標記輔助選擇技術結合常規(guī)育種選育達到增產(chǎn)目的的特定粒型，改善外觀和加工品質，進而提高水稻商品價值；另一方面，可根據(jù)消費者對稻米品質的不同需求來選育不同優(yōu)良品質的品種，并協(xié)調(diào)粒型、粒重和品質之間的關系，選擇最優(yōu)組合。

稻米品質表現(xiàn)是一個綜合性狀，雖然育種家在稻米品質性狀的影響因素、品質相關基因的定位和克隆以及在品質改良育種方面都取得了一些成績，但是大部分是集中在基礎研究方面，真正在育種上應用的相對較少，優(yōu)質水稻品種選育的突破性進展方面相對薄弱。這就需要進一步研究稻米品質性狀相關基因的分子機理，同時要進一步加大對優(yōu)良種質資源的挖掘，充分發(fā)掘一些關鍵優(yōu)良等位基因，繼續(xù)開發(fā)與優(yōu)良品質性狀基因緊密連鎖的分子標記供育種利用。由于稻米品質受環(huán)境因素的影響極大，通過導入單一品質性狀基因來改良水稻品質存在一定的局限性，還需深入研究將優(yōu)良米質相關基因聚合到同一水稻品種中。相信通過水稻育種工作者的不斷努力，將會選育出越來越多的突破性優(yōu)質高產(chǎn)水稻品種。