稻米淀粉合成和食味品質(zhì)改良研究進(jìn)展

劉巖 傲雁 徐茂森 張濤 唐家琪 李堯卿 張超 于恒秀

摘要：稻米品質(zhì)主要由碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等組成。隨著生活條件的逐步提升，人們對(duì)蒸煮與食味品質(zhì)優(yōu)良的稻米需求越來(lái)越高。而淀粉是稻米胚乳的主要成分，是影響其食味品質(zhì)的重要因素，育種家們基于對(duì)淀粉合成相關(guān)基因與稻米蒸煮食味品質(zhì)間的關(guān)聯(lián)分析結(jié)果，利用常規(guī)育種和CRISPR/Cas9等技術(shù)創(chuàng)建了一系列具有優(yōu)良食味品質(zhì)的水稻新品種（系）。本文總結(jié)了稻米品質(zhì)的組成和影響因素、高等植物淀粉的生物合成途徑、淀粉合成底物ADPG的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑、直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成途徑、淀粉合成基因與稻米蒸煮食味品質(zhì)改良的關(guān)系以及Wx基因等位變異在稻米品質(zhì)改良中應(yīng)用的研究進(jìn)展，為以后稻米蒸煮食味品質(zhì)改良提供參考。

關(guān)鍵詞：水稻;食味品質(zhì);直鏈淀粉;支鏈淀粉;生物合成;品種改良

中圖分類號(hào)：S511.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2021）16-0018-08

水稻是世界上超過(guò)50%人口的食糧，也是我國(guó)重要的糧食作物，水稻生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位十分重要[1]。在新時(shí)代，糧食安全的問(wèn)題不容樂(lè)觀，育種工作的嚴(yán)峻性依然不容輕視，我們要走一條中國(guó)特色糧食安全之路。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)水稻的生產(chǎn)和研究注重產(chǎn)量，對(duì)水稻的品質(zhì)研究有所忽視，因此，生產(chǎn)的稻米品質(zhì)并不能完全滿足國(guó)民的需求，且在國(guó)際市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力并不強(qiáng)。所以，培育優(yōu)良食味品質(zhì)的水稻品種便成了我國(guó)水稻育種工作重要的一部分，以達(dá)到滿足市場(chǎng)需求的目的。目前，利用基因編輯技術(shù)調(diào)控水稻胚乳淀粉合成的相關(guān)基因表達(dá)，是改良稻米食味品質(zhì)行之有效的方法。

1 稻米品質(zhì)的組成及影響因素

1.1 稻米品質(zhì)的組成

在不同的地域，人們對(duì)稻米品質(zhì)的偏好和要求各有差異，因此評(píng)價(jià)稻米品質(zhì)的指標(biāo)也有不同。在“中國(guó)好糧油-稻谷”LS/T3108—2017國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)優(yōu)質(zhì)大米的指標(biāo)做了量化，由碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)等共同組成稻米品質(zhì)。而稻米的蒸煮食味品質(zhì)有著密切的關(guān)系是稻米直鏈淀粉和支鏈淀粉的組成比。

1.2 稻米品質(zhì)的影響因素

稻米研磨品質(zhì)很受稻米加工企業(yè)的關(guān)注。稻谷在加工過(guò)程中會(huì)有多個(gè)步驟，最終以糙米率、精米率、整精米率3個(gè)數(shù)值來(lái)表示研磨品質(zhì)。但是，這些指標(biāo)也受到成熟期的田間溫度、濕度、收割等操作以及貯藏條件的影響。

外觀品質(zhì)主要表現(xiàn)直接影響了籽粒的透明度，肉眼觀察以透明、半透明、不透明3種情況呈現(xiàn)，堊白多的水稻品種，碾米時(shí)容易碎米，出米率也低，因此，根據(jù)堊白對(duì)稻米外觀的影響，常用堊白粒率和堊白大小2個(gè)指標(biāo)表示。目前，國(guó)際市場(chǎng)上，長(zhǎng)粒型米因其堊白粒率較低而較為受歡迎。

蒸煮食味品質(zhì)是稻米品質(zhì)的核心。通過(guò)品嘗的方式?jīng)Q定往往有不易定量化和受主觀影響判斷較大，現(xiàn)多用測(cè)定稻米理化特性來(lái)表示：包括直鏈淀粉含量、糊化溫度、膠稠度、快速黏滯性譜等[2]。稻米直鏈淀粉含量與米飯的黏性、硬度、吸水性等均有緊密的相關(guān)性。直鏈淀粉含量低時(shí)，蒸煮時(shí)干燥而蓬松，色暗，冷卻后回生變硬。糊化溫度是指淀粉粒在受熱吸收水分開(kāi)始膨脹時(shí)的溫度，這種變化是不可逆性。常用差示掃描量熱儀直接測(cè)糊化溫度，在稻米淀粉糊化溫度中，有以下3種：高（>74 ℃）、中（70～74 ℃）和低（<70 ℃）。煮飯所需時(shí)間與糊化溫度呈正相關(guān)。所以，稻米一旦蒸煮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)食味品質(zhì)和外觀造成影響，所以認(rèn)為中等糊化溫度的稻米食味品質(zhì)最合適[3]。膠稠度是稻米淀粉膠體特性，是衡量米飯軟硬的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為膠稠度的增加會(huì)使米質(zhì)變軟[4]。RVA是稻米米粉勻漿在加熱、持續(xù)高溫和冷卻過(guò)程中黏度變化的動(dòng)態(tài)圖。用最高黏度、熱漿黏度、冷膠黏度、崩解值、消減值、回復(fù)值、峰值時(shí)間和糊化溫度[5]。所以通過(guò)RVA譜比較可以很好地反映稻米品質(zhì)。

營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)主要是指稻米中的蛋白質(zhì)和可吸收氨基酸含量。通常稻米中蛋白質(zhì)含量越高，表示營(yíng)養(yǎng)價(jià)值越高，但蛋白質(zhì)可以和除淀粉之外的多聚糖結(jié)合形成堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，使稻米的彈性變差，變硬，稻米的蒸煮食味品質(zhì)會(huì)降低。蛋白質(zhì)含量除受大米本身的遺傳因子影響外，受環(huán)境因素和栽培技術(shù)影響也很大[6]。高溫是對(duì)稻米品質(zhì)影響的最大因素，也是從事水稻研究、生產(chǎn)人員密切關(guān)注的科研方向[7]。并且水稻孕穗、開(kāi)花和灌漿期處于一年中溫度最高的時(shí)間區(qū)，該時(shí)期反常的極端天氣將會(huì)對(duì)水稻各組分合成和積累造成重要的影響，間接降低稻米的品質(zhì)和產(chǎn)量[8]。相關(guān)研究表明，高溫可以導(dǎo)致胚乳中光合產(chǎn)物積累不足，在籽粒灌漿期，高溫處理會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉含量和膠稠度都降低，蛋白質(zhì)含量增加，但是淀粉粒結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化[9]，同時(shí)還會(huì)增加碎米和堊白而降低稻米蒸煮食味品質(zhì)[10]。

2 植物淀粉的生物合成途徑及相關(guān)基因的研究進(jìn)展2.1 高等植物中淀粉的生物合成途徑

高等植物中，淀粉的主要合成位置是葉綠體和造粉體，淀粉是谷物中主要儲(chǔ)藏物，被用作碳骨架的主要儲(chǔ)存物，用于生物代謝。在水稻中白晝?cè)谌~綠體中合成的淀粉用于夜晚細(xì)胞代謝的其他途徑（圖1）。葉綠體中合成的是臨時(shí)淀粉，造粉體中合成的是貯藏淀粉。蔗糖在細(xì)胞液中通過(guò)酶的水解作用形成果糖及UDP-葡萄糖，果糖被果糖激酶水解形成6-磷酸果糖，而后通過(guò)磷酸葡聚糖異構(gòu)酶的作用或者葡萄糖磷酸異位酶的催化作用形成6-磷酸葡萄糖或1-磷酸葡萄糖。UDP-葡萄糖可以形成1-磷酸葡萄糖，在AGPase酶的作用下形成腺苷二磷酸葡萄糖，最終再經(jīng)過(guò)一系列淀粉合成相關(guān)酶的作用下合成淀粉[11]，從而為種子生長(zhǎng)和發(fā)育供應(yīng)所需要的能量和營(yíng)養(yǎng)，在種子萌發(fā)和幼苗早期生長(zhǎng)發(fā)育起著至關(guān)重要的作用[12-13]。

淀粉合成的網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)基因參與的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)過(guò)程。淀粉的合成是在ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、可溶性淀粉合（成）酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶四類關(guān)鍵性酶協(xié)同下，才能完成淀粉的生物合成[13]。

2.2 淀粉合成底物ADP-葡萄糖焦磷酸化酶的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑

淀粉合成過(guò)程中的第一個(gè)關(guān)鍵酶是腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶，它具有催化1-磷酸葡萄糖和磷酸腺苷反應(yīng)生成腺苷二磷酸葡萄糖，并且釋放焦磷酸的功能。因此，淀粉合成的限速酶是ADP-葡萄糖焦磷酸化酶[14]。在高等植物中，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶是由2個(gè)大亞基和2個(gè)小亞基組成的異源四聚體[13]。水稻中鑒定到6個(gè)ADP-葡萄糖焦磷酸化酶家族的成員，分別編碼腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的2個(gè)小亞基和4個(gè)大亞基，命名為AGPS1、AGPS2和AGPL1、AGPL2、AGPL3、AGPL4[15]。其中AGPS2（8號(hào)染色體）存在AGPS2a和AGPS2b這2種剪接形式。并且這2種ADP-葡萄糖焦磷酸化酶蛋白存在很高的功能和結(jié)構(gòu)相似性[16-17]。AGPL1和AGPS1在葉綠體中互作形成全酶，催化淀粉生物合成。在幼苗地上部，AGPL1和AGPS1均在葉片、葉鞘和基節(jié)等全部器官中表達(dá)。在初生根和冠根中，2種基因的表達(dá)都局限于根尖的伸長(zhǎng)和成熟區(qū)以及靠近根尖的區(qū)域[18]。AGPL1在水稻種子發(fā)育中期優(yōu)勢(shì)表達(dá)，其表達(dá)和培養(yǎng)細(xì)胞中淀粉含量受蔗糖和脫落酸濃度的協(xié)同調(diào)控[15]。穎果發(fā)育過(guò)程中，AGPL2在水稻籽粒灌漿和淀粉合成中發(fā)揮重要的調(diào)控作用[19]。AGPL2和AGPS2b相互作用，對(duì)水稻胚乳貯藏物質(zhì)如淀粉和蛋白的積累十分重要。在缺少AGPL2時(shí)，AGPS2b可能不能自身互作形成高分子量聚合體。因此，水稻AGPase組裝的分子機(jī)制可能與擬南芥存在差異[20]。AGPL4影響淀粉合成，進(jìn)而影響花粉育性，因此，AGPL4突變會(huì)阻礙淀粉合成，而導(dǎo)致花粉不育[21]。

2.3 直鏈淀粉的合成

稻米胚乳直鏈淀粉是蠟質(zhì)基因（Wx）編碼的蛋白質(zhì)顆粒結(jié)合淀粉合酶Ⅰ催化的，Wx基因?qū)Φ久着呷橹辨湹矸鄣暮慨a(chǎn)生最直接影響，對(duì)大米的烹煮和食用品質(zhì)屬性具有重要的影響[22-23]。

稻米直鏈淀粉是α-D-葡萄糖通過(guò)α-1，4-糖苷鍵連接形成的數(shù)千個(gè)單位長(zhǎng)的葡聚糖鏈狀分子，幾乎沒(méi)有分支或者分支極少[24]。直鏈淀粉的合成發(fā)生在淀粉和蔗糖代謝及糖酵解/糖異生過(guò)程中，與淀粉和蔗糖代謝直接相關(guān)[25-26]。主要由顆粒淀粉合成酶催化合成[26]，顆粒結(jié)合淀粉合酶是一種葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶，專門負(fù)責(zé)延長(zhǎng)直鏈淀粉聚合物，Wx基因是在不影響支鏈淀粉的情況下直接控制直鏈淀粉含量的唯一靶點(diǎn)。在水稻中，顆粒結(jié)合淀粉合成酶分別為GBSSⅠ和GBSSⅡ，GBSSⅡ主要在葉片中表達(dá)，參與葉綠體中臨時(shí)淀粉的合成，GBSSⅠ主要在胚乳中表達(dá)，與胚乳中淀粉的生物合成有關(guān)聯(lián)。

相關(guān)研究表明，擬南芥中直鏈淀粉合成也需要靶向淀粉的蛋白（PTST）。PTST是一種具有N-末端卷曲結(jié)構(gòu)域和C-末端糖結(jié)合模塊（CBM）的可塑性蛋白。顆粒結(jié)合淀粉合酶通過(guò)卷曲結(jié)構(gòu)域與PTST發(fā)生物理作用。此外，還發(fā)現(xiàn)PTST的CBM結(jié)構(gòu)域介導(dǎo)了其與淀粉顆粒的相互作用，這也是正確的顆粒結(jié)合淀粉合酶定位所必需的。熒光標(biāo)記的擬南芥顆粒結(jié)合淀粉合酶在煙草或擬南芥葉片中表達(dá)，都需要擬南芥PTST的存在來(lái)定位淀粉顆粒。PTST的CBM突變導(dǎo)致顆粒結(jié)合淀粉合酶留在質(zhì)體基質(zhì)中。而擬南芥中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)PTST的3個(gè)同源基因：PTST1、 PTST2和PTST3。PTST實(shí)現(xiàn)了一種以前未知的功能，即靶向顆粒結(jié)合淀粉合酶淀粉，揭示了靶向生物合成酶的重要性。重要的是PTST代表了一個(gè)有希望的新的基因靶點(diǎn)，使生物技術(shù)修飾淀粉成分成為可能，目前只有PTST1參與直鏈淀粉的合成[27]。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥ptst1突變體無(wú)法合成直鏈淀粉，顆粒結(jié)合淀粉合酶蛋白顯著減少，并且在表型上與缺乏顆粒結(jié)合淀粉合酶的突變體相似。因此，目前新鑒定出了水稻顆粒結(jié)合淀粉合酶結(jié)合蛋白OsGBP，很大可能就是PTST1同源基因，而osgbp突變體與野生型相比，突變體葉片和籽粒中直鏈淀粉含量會(huì)降低[28]。

2.4 支鏈淀粉的合成

稻米支鏈淀粉是由α-D-葡萄糖通過(guò)α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵共同連接形成的高度分支的葡萄糖聚合物[29]。支鏈淀粉的生物合成也是受多種酶的協(xié)同完成的，每一種酶都扮演著不同的角色。其中SS會(huì)通過(guò)影響支鏈淀粉的延伸達(dá)到對(duì)支鏈淀粉合成的調(diào)控（圖2）[30]。并且存在8種同工型，分別為SSⅠ、SSⅡ-1（SSⅡc）、SSⅡ-2（SSⅡb）、SSⅡ-3（SSⅡa）、SSⅢ-1（SSⅢb）、SSⅢ-2（SSⅢa）、SSⅣ-1（SSⅣa）和SSSⅣ-2（SSⅣb）[31]。SSⅠ和SSⅡa分別主要負(fù)責(zé)合成支鏈淀粉短鏈和支鏈淀粉短支鏈（DP≤12），對(duì)直鏈淀粉含量的影響較小[1，32]。SSⅡa/SSⅢa的雙突變體與野生型相比，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致籽粒出現(xiàn)堊白、直鏈淀粉含量增加、糊化溫度升高、黏度降低的現(xiàn)象[33-35]。水稻胚乳產(chǎn)生特有的復(fù)合顆粒，在一個(gè)淀粉體中含有幾十個(gè)多面體淀粉顆粒，其他一些谷物品種產(chǎn)生簡(jiǎn)單型顆粒，即每個(gè)淀粉體只有1個(gè)淀粉顆粒[36]。SSⅢa和SSⅣb突變會(huì)導(dǎo)致水稻胚乳淀粉顆粒形態(tài)由多面體變?yōu)榍蛐蝃37]。過(guò)表達(dá)SSⅣ會(huì)導(dǎo)致擬南芥葉片淀粉積累水平增加30%～40%，株系表現(xiàn)出較高的生長(zhǎng)率[38]。在長(zhǎng)期貯藏的淀粉器官如馬鈴薯塊莖中，觀察到SSⅣ表達(dá)增強(qiáng)導(dǎo)致淀粉含量的增加。表明SSⅣ是控制淀粉在質(zhì)體中積累量的調(diào)控步驟之一[39]。

在水稻中淀粉分支酶存在3種同工型：SBE1（SBEⅠ）、SBE3（SBEⅡb）、SBE4（SBEⅡa）[40]。SBE1編碼1個(gè)糖苷水解酶13家族蛋白[41]。SBE1的突變會(huì)導(dǎo)致幼苗白化、葉綠體發(fā)育異常，在三葉期死亡[42]。作用是催化葡萄糖鏈產(chǎn)生由α-1，6糖苷健連接的分支酶。純化酶體外試驗(yàn)表明，SBEⅡb形成了DP7和DP6的外部短鏈[43]。SBE3突變會(huì)導(dǎo)致支鏈淀粉鏈長(zhǎng)減少，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉和抗性淀粉含量明顯上調(diào)[44-45]。從SBE同工酶的氨基酸序列同源性方面看，SBE4更類似于SBE3[46]。

淀粉去分支酶分為2類：間接去分支酶和直接去分支酶。間接去分支酶存在于動(dòng)物、酵母中[47]。直接去分支酶起水解α-1，6-糖苷鍵的作用，包括異淀粉酶ISA1、ISA2、ISA3和普魯蘭酶[13]。ISA編碼基因突變后會(huì)使支鏈淀粉的積累無(wú)法達(dá)到正常情況。相關(guān)研究表明，ISA1的突變會(huì)導(dǎo)致籽粒淀粉含量減少，可溶性葡聚糖和糖原大量積累，呈現(xiàn)為糖質(zhì)胚乳，并且容易穗發(fā)芽[48-49]。水稻中過(guò)表達(dá)ISA2會(huì)導(dǎo)致所有的ISA1形成異源寡聚體，使淀粉的合成受到影響[50]。

3 淀粉合成基因與稻米蒸煮食味品質(zhì)的關(guān)系

通過(guò)淀粉的生物學(xué)合成途徑以及淀粉的組成精細(xì)結(jié)構(gòu)研究表明，淀粉合成相關(guān)基因都直接或間接性地對(duì)稻米的蒸煮食味品質(zhì)產(chǎn)生影響（圖3）[51]。到目前為止，只有Wx基因是即對(duì)稻米直鏈淀粉含量，又可以對(duì)膠稠度的產(chǎn)生影響的主效基因[52-53]。除此之外，在SS Ⅱ基因中，SS Ⅱ-3是作為唯一控制糊化溫度的主效基因，在胚乳中最高的表達(dá)量，是通過(guò)酶活降低或缺失導(dǎo)致支鏈淀粉A鏈增加，B1鏈減少的方式，酶活降低的主要原因是關(guān)鍵氨基酸的變異。且SS Ⅱ-3基因和Wx基因位于水稻6號(hào)染色體上相鄰位置。目前已經(jīng)有同時(shí)對(duì)SS Ⅱ-3基因和Wx基因進(jìn)行編輯從而達(dá)到改良稻米蒸煮食味品質(zhì)研究。為此，國(guó)內(nèi)各機(jī)構(gòu)和高校紛紛展開(kāi)對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)改良的研究，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)按Wx基因型分類，通過(guò)多代回交，對(duì)21個(gè)純合GC型供試品種和39個(gè)TT型供試品種進(jìn)行糊化溫度分析，分析結(jié)果表明，稻米糊化溫度與直鏈淀粉之間不存在著顯著的相關(guān)性;直鏈淀粉含量有差異的水稻品種，糊化溫度也高低不一;因此，推斷控制糊化溫度的基因位點(diǎn)和Wx基因位點(diǎn)無(wú)關(guān)系。而稻米的直鏈淀粉含量和膠稠度則存在著不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，是由Wx基因控制的。同時(shí)，亦說(shuō)明稻米的膠稠度也是由Wx基因或與其連鎖的基因控制的[54]。同樣，西南科技大學(xué)證明了Wx基因與SS Ⅲ-2基因互作，且Wx基因?qū)S Ⅲ-2基因有顯性上位性[55]。李錢峰等把日本晴背景的SS Ⅱ-2 RNAi轉(zhuǎn)基因材料與直鏈淀粉含量相近的軟米對(duì)照在不同含水量情況下的籽粒外觀進(jìn)行比較，SSⅡ-2 RNAi轉(zhuǎn)基因稻米在低含水量下仍保持良好的透明度，未出現(xiàn)類似于軟米暗胚乳（半透明）缺陷，而抑制SS Ⅱ-2 基因的表達(dá)在非糯背景中可協(xié)同調(diào)控直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成進(jìn)而改良稻米蒸煮食味品質(zhì)[56]。對(duì)抗條紋葉枯病武運(yùn)粳8號(hào)的SS Ⅱ-2基因的RNA干擾轉(zhuǎn)基因植株研究成果也類似，直鏈淀粉含量降低的情況下，糊化溫度會(huì)上升，蒸煮的米飯光澤、外觀、口感、黏度均有所提升，對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)改良達(dá)到顯著效果[57]。研究水稻淀粉合成相關(guān)基因與稻米直鏈淀粉含量、膠稠度和糊化溫度之間的遺傳關(guān)系，不僅對(duì)膠稠度和糊化溫度的遺傳機(jī)制及相關(guān)基因的定位克隆有幫助，而且對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)的改良效果更明顯。這對(duì)于常規(guī)栽培水稻品種的品質(zhì)研究也有指導(dǎo)作用，同時(shí)為稻米品質(zhì)改良的遺傳研究提供了理論基礎(chǔ)。

近期四川農(nóng)業(yè)大學(xué)任萬(wàn)軍教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)稻米食味值的已有研究基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)西南地區(qū)36個(gè)常規(guī)秈稻品種食味值研究，劃分為3個(gè)食味類型：（高食味類型食味值=72.76;中食味類型食味值=68.2;低食味類型食味值=61.7）。高食味類型的含義是直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量都比較低，峰值黏度和崩解值比較高，熱漿黏度、回復(fù)值和最終黏度低，為評(píng)價(jià)秈稻米的食味品質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)[58]，也為不同背景的秈稻米食味品質(zhì)材料積累了基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

4 Wx基因等位變異在稻米品質(zhì)改良中的應(yīng)用

水稻W(wǎng)x基因的自然等位變異是導(dǎo)致不同水稻品種淀粉含量不同的主要因素。非糯性基因（Wx）對(duì)糯性基因（wx）表現(xiàn)為不完全顯性，存在著較為顯著的劑量效應(yīng)[59]。在自然界中，Wx基因主要有2種常見(jiàn)的類型，一是Wxa，常見(jiàn)于直鏈淀粉含量較高的秈稻（25%）;二是Wxb，常見(jiàn)于直鏈淀粉含量較低的粳稻（AC-16%）[26]。由于直鏈淀粉的含量屬于轉(zhuǎn)錄后的調(diào)控，與內(nèi)含子的表達(dá)能力有著重要的關(guān)系[52]，因此，目前研究方向是通過(guò)對(duì)Wx基因轉(zhuǎn)錄水平的表達(dá)調(diào)控來(lái)達(dá)到影響淀粉含量的目的，以期達(dá)到改良稻米蒸煮食味品質(zhì)[60-61]。此外，研究人員通過(guò)序列分析研究表明，相較于Wxa而言，Wxb的第1內(nèi)含子5′端剪切時(shí)的突變（G→T），會(huì)導(dǎo)致第1內(nèi)含子剪接出錯(cuò)，結(jié)果會(huì)以直鏈淀粉含量下降的形式呈現(xiàn)[62]。而糯性基因wx屬于Wx基因的突變，造成的功能性缺失[63]。正是因?yàn)閃x基因的自然等位變異導(dǎo)致水稻品種直鏈淀粉含量和蒸煮食味品質(zhì)存在廣泛差異[64]，發(fā)現(xiàn)Wx基因的表達(dá)受到抑制或者增強(qiáng)時(shí)候，對(duì)轉(zhuǎn)基因水稻主要農(nóng)藝性狀的影響最小。

基于以上研究基礎(chǔ)，近年來(lái)，育種家們通過(guò)CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)Wx基因進(jìn)行編輯，調(diào)節(jié)淀粉相關(guān)基因的表達(dá)，以期達(dá)到改良稻米蒸煮食味品質(zhì)。浙江大學(xué)作物科學(xué)研究所對(duì)水稻品種哈勃601 Wx基因進(jìn)行定向突變，進(jìn)而培育出精米與親本相似純合突變系，精米為橢圓形，但米粒呈蠟質(zhì)狀，不透明，與哈勃601米粒透亮外觀形成顯著對(duì)比[65]。因此，通過(guò)CRISPR/Cas9技術(shù)將淀粉合成相關(guān)基因進(jìn)行編輯快速獲得不同基因型的純合突變體是改良稻米蒸煮食味品質(zhì)的一個(gè)重要途徑[66]。

基于Wx基因復(fù)等位基因的同源重組和淀粉合成相關(guān)基因的重組創(chuàng)建新型水稻種質(zhì)資源（Wxmw/Wxla），而達(dá)到直鏈淀粉含量降低改良稻米蒸煮食味品質(zhì)的目的。除此之外，Wxop、Wxmp、Wxmq等復(fù)等位基因控制介于粳稻和糯稻之間的低直鏈淀粉含量品種;Wxin等位基因控制介于秈稻和粳稻之間的中等直鏈淀粉含量品種[23，63，67-68]。研究表明，攜帶Wxmp基因的水稻品種中，直鏈淀粉含量約為10%（南粳46為10.6%），且主要分布于江滬一帶[69]。而該品種是市場(chǎng)上較為流行的“軟米”，具有米飯柔軟、富有彈性、冷卻后不易變硬等優(yōu)點(diǎn)，因此Wxop、Wxmp、Wxmq等復(fù)等位基因也被成為“軟米基因”[70-71]。由于直鏈淀粉含量受環(huán)境條件的影響比較大，如高溫、高濕度等氣候因素，且江蘇地理上南北走向較大，因此培育適合各地的優(yōu)良食味品質(zhì)的稻米品種成為科學(xué)家的目標(biāo)。目前，江蘇地區(qū)推廣較廣的是南粳5055、南粳46和南粳9108，這些品種可以適合江蘇省各不同地區(qū)種植，即江蘇省不同地區(qū)均有了適合種植的優(yōu)質(zhì)軟米。

在作物育種中，將遺傳變異引入到優(yōu)異推廣品種中，是快速推進(jìn)育種進(jìn)程的重要手段。伴隨著CRISPR/Cas9 系統(tǒng)的基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展，為作物基因組單堿基編輯方法的建立起到了重要作用。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所在前期工作基礎(chǔ)上，在小麥、水稻和玉米基因組中實(shí)現(xiàn)高效、精確的單堿基定點(diǎn)突變?；谧魑锘蚪M單堿基編輯方法的成熟，揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院劉巧泉教授課題組利用CRISPR/Cas9編輯技術(shù)對(duì)Wx基因進(jìn)行編輯，在Wxb背景下創(chuàng)建了6種直鏈淀粉含量微調(diào)的新型Wx等位基因，新型Wx等位變異的直鏈淀粉含量介于粳稻和軟米之間，且互相之間存在差異，但籽粒外觀仍然保持高度透明，且在不同的溫度條件下稻米蒸煮食味品質(zhì)均有所改良[72]。

同時(shí)，伴隨著基因組編輯效率和精度的提高，遺傳變異和高效的篩選體系將不再是困擾作物育種的重要因素。分子模塊設(shè)計(jì)育種的發(fā)展也逐步開(kāi)始進(jìn)入研究。

5 結(jié)論與展望

隨著基因工程技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)稻米食味品質(zhì)的快速改良已經(jīng)成為了可能。特別是通過(guò)對(duì)稻米淀粉合成相關(guān)基因的功能分析，已經(jīng)日趨完善對(duì)淀粉合成的遺傳調(diào)控機(jī)制理解[73-74]，將會(huì)給常規(guī)育種工作中的難題帶來(lái)解決方案。從國(guó)家糧食安全角度出發(fā)，要加強(qiáng)稻麥等主要糧食作物的遺傳育種研究，如加強(qiáng)種質(zhì)資源的保護(hù)，推進(jìn)種子庫(kù)的建立，以及將常規(guī)育種技術(shù)與生物技術(shù)結(jié)合以推進(jìn)育種目標(biāo)符合市場(chǎng)的需求。目前市場(chǎng)上備受追捧的主要是東北大米、江蘇大米和泰國(guó)大米等優(yōu)良食味品種，我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊、氣候環(huán)境多樣的大國(guó)，擁有著豐富的種質(zhì)資源待開(kāi)發(fā)和利用。不過(guò)隨著生物技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來(lái)CRISPR/Cas9技術(shù)在水稻育種中成熟應(yīng)用及與傳統(tǒng)育種技術(shù)的結(jié)合，將會(huì)有利于基因發(fā)掘，也將快速地應(yīng)用到育種實(shí)踐中。可喜的是我國(guó)水稻和小麥2個(gè)最基本口糧已完全自主選育品種，并且產(chǎn)量較高，基本滿足人們的需要，但是，不同人群以及不同的加工產(chǎn)品對(duì)稻米品質(zhì)的要求越來(lái)越高，對(duì)水稻育種工作的要求也越來(lái)越高。隨著對(duì)淀粉合成相關(guān)基因研究的不斷深入，圍繞Wx基因和SS基因表達(dá)調(diào)控改良稻米品質(zhì)的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展?？v觀過(guò)去多年全國(guó)各地作物研究所在水稻育種中取得的成績(jī)，已經(jīng)在稻米食味品質(zhì)改良中有了一定的基礎(chǔ)，通過(guò)降低稻米直鏈淀粉含量，來(lái)提高稻米蒸煮食味品質(zhì)已經(jīng)有了突出成果，達(dá)到全民由“吃得飽”到“吃得好”的跨越，這也是育種工作者的目標(biāo)。相信通過(guò)常規(guī)育種與現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)結(jié)合也將會(huì)培育出更多的適合于中國(guó)廣袤的土地生長(zhǎng)的優(yōu)質(zhì)水稻新品種（系）。

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