水稻品質(zhì)的遺傳與育種改良研究進(jìn)展

李然 錢前 高振宇

（中國(guó)水稻研究所，杭州 310006）

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，保證農(nóng)業(yè)發(fā)展是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的大事。水稻是我國(guó)的主要糧食作物之一，也是世界上食用人口最多的農(nóng)作物?，F(xiàn)階段，隨著人民生活水平的提高，對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求與日俱增。水稻高產(chǎn)已不再是育種家們追求的唯一目標(biāo)，在追求高產(chǎn)的同時(shí)，稻米品質(zhì)也成為育種工作者的重要選育指標(biāo)。

1 稻米品質(zhì)的定義與評(píng)價(jià)指標(biāo)

稻米品質(zhì)是指從稻米生產(chǎn)到加工成可以作為直接消費(fèi)品的全部過程中，作為商品所具備的各種基本特性，因此它是一個(gè)綜合性狀。一般認(rèn)為，稻米品質(zhì)優(yōu)劣主要由環(huán)境條件與遺傳共同作用。稻米品質(zhì)形成過程的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)同化及代謝過程，與光合產(chǎn)物的形成與運(yùn)輸、灌漿物質(zhì)的積累以及相關(guān)酶的作用密不可分。在適宜的氣候、土壤生態(tài)條件下，配以合理的栽培措施，不同水稻品種通過營(yíng)養(yǎng)器官如根、莖、葉等進(jìn)行糖類、淀粉、蛋白質(zhì)與氨基酸等物質(zhì)代謝，經(jīng)同化產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)阶蚜?，最終形成不同的品質(zhì)特性。

國(guó)內(nèi)外育種工作者與消費(fèi)者對(duì)稻米品質(zhì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)基本一致，它包括碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)4類［1］，這4類指標(biāo)間可相互影響［2］。碾磨品質(zhì)也稱為加工品質(zhì)，是指收獲的稻谷經(jīng)過脫殼、碾磨等簡(jiǎn)單加工后得到精米的過程中表現(xiàn)出的品質(zhì)特性。加工品質(zhì)主要有糙米率、精米率和整精米率3項(xiàng)指標(biāo)。這3項(xiàng)指標(biāo)是綜合品質(zhì)檢測(cè)的首要指標(biāo)，也是后續(xù)品質(zhì)檢測(cè)的前提，決定了最終得米率，其中整精米率在加工品質(zhì)衡量中尤為重要［3］。三項(xiàng)指標(biāo)在水稻不同品種間存在差異。張?jiān)瓶档龋?］分析了浙江省1 103份水稻品種的品質(zhì)性狀發(fā)現(xiàn)，糙米率與精米率之間存在極顯著正相關(guān)。王丹英等［5］又對(duì)來自全國(guó)各地的8 390份稻米品質(zhì)進(jìn)行了分析發(fā)現(xiàn)，3項(xiàng)指標(biāo)兩兩之間均存在極顯著正相關(guān)。

稻米的外觀品質(zhì)與加工品質(zhì)密切相關(guān)，是指稻谷經(jīng)過簡(jiǎn)單加工處理后的米粒在外觀各方面的特性，包括粒型、堊白、透明度等多項(xiàng)指標(biāo)，是體現(xiàn)稻米商品價(jià)值的重要特性。稻米外觀品質(zhì)一般要求粒型完整一致、堊白面積少甚至無堊白、透明度好、有光澤［6］。

稻米蒸煮食味品質(zhì)是指稻米在蒸煮過程中所表現(xiàn)的特性，是衡量稻米品質(zhì)的一項(xiàng)核心指標(biāo)。蒸煮食味品質(zhì)排除了人們直接品鑒的主觀意識(shí)與定量難度，包括稻米在蒸煮和食用過程中展現(xiàn)的所有物化特性和感官特性。一般來說，衡量蒸煮食味品質(zhì)的主要指標(biāo)有直鏈淀粉含量（AC）、糊化溫度（GT）、膠稠度（GC）、淀粉粘滯性（RVA）、米飯質(zhì)地和米飯食味等。其中，AC、GT、GC和RVA是最常用的理化指標(biāo)［7］。一般而言，優(yōu)質(zhì)米要求飯粒完整、潔白、清香、軟而彈且不黏結(jié)、適口、冷飯不硬等［8］。

稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)是指稻米（主要指精米）中包含的營(yíng)養(yǎng)成分的含量，如蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、維生素以及礦物質(zhì)元素含量等。

2 稻米品質(zhì)的遺傳

稻米品質(zhì)的形成除了受到土壤、氣候、水分等環(huán)境條件的影響，主要與其遺傳特性相關(guān)，而且大多數(shù)品質(zhì)性狀都是由多基因控制的數(shù)量性狀。因此，開展稻米品質(zhì)的遺傳研究是提高水稻米質(zhì)的基礎(chǔ)。

2.1 稻米加工品質(zhì)的遺傳

加工品質(zhì)既決定了水稻最終的出米率（加工后稻米總重量/加工前稻米總重量），又影響其銷售潛力。目前，稻米加工品質(zhì)的遺傳研究報(bào)道相對(duì)較少。加工品質(zhì)是多基因控制的數(shù)量性狀，主要受種子基因、細(xì)胞質(zhì)基因、母體基因等遺傳效應(yīng)的影響。由于三倍體胚乳和二倍體母體的組成差異，使加工品質(zhì)的遺傳研究變得復(fù)雜。梅捍衛(wèi)等［9］測(cè)定了Lemont與特青的重組自交系（RIL）群體的加工品質(zhì)性狀，定位到1個(gè)控制精米率的主效QTL qMR12和4個(gè)控制整精米率的主效QTL（qHR2、qHR4、qHR6、qHR7）。之后，梅德勇等［10］又利用秈秈交組合特青/IRBB的RIL群體檢測(cè)到12個(gè)控制稻米加工品質(zhì)的QTL，包括8個(gè)糙米率QTL、2個(gè)精米率QTL和2個(gè)整精米率QTL，其中位于水稻第5號(hào)染色體微衛(wèi)星（SSR）標(biāo)記RM15303-RM18038區(qū)間的QTL可同時(shí)控制糙米率和精米率。雖然至今已檢測(cè)到一些稻米加工品質(zhì)QTL位點(diǎn)，但區(qū)間范圍較大，目前僅克隆了影響整精米率的基因Chalk5［11］。

2.2 稻米外觀品質(zhì)的遺傳

稻米外觀品質(zhì)不僅影響其外觀，而且影響水稻產(chǎn)量和商品價(jià)值。粒型是稻米外觀品質(zhì)的重要因素，同時(shí)也與加工品質(zhì)密切相關(guān)。近幾十年來，遺傳學(xué)家已在水稻中發(fā)現(xiàn)了上百個(gè)粒型QTL，克隆的粒型QTL已超過12個(gè)，包括第一個(gè)克隆的水稻粒長(zhǎng)主效QTL：GS3基因［12-13］和首個(gè)水稻粒寬主效QTL：GW2基因［14］。研究發(fā)現(xiàn)，粒長(zhǎng)主效QTL qGL3.1與粒長(zhǎng)負(fù)調(diào)控基因GS3緊密連鎖，是GS3的增強(qiáng)子基因［15-17］。GS2是由 Hu等［18］克隆的稀有大粒主效QTL，其功能獲得型突變可以顯著提高粒重與產(chǎn)量，但堊白率和堊白度有所增加。GL7［19］和 GW7［20］是位于水稻第7號(hào)染色體同一位點(diǎn)的控制粒長(zhǎng)與粒寬的主效QTL，其表達(dá)量升高未見不利效應(yīng)。林鴻宣課題組［14］克隆的影響粒寬粒重的QTL GW2對(duì)細(xì)胞分裂起負(fù)調(diào)節(jié)作用，其突變?cè)斐闪朔g提前終止，細(xì)胞數(shù)目增多，最終導(dǎo)致粒寬和粒重增加。植物遺傳學(xué)家已在水稻第5號(hào)染色體鑒定到GW5［21-22］和GS5［23］兩個(gè)緊密連鎖的粒寬主效QTL。GW5通過泛素-蛋白酶體途徑調(diào)控細(xì)胞分裂，通過改變穎殼細(xì)胞數(shù)目控制水稻粒寬和粒重［21］。隨后，萬建民課題組［22］發(fā)現(xiàn)GW5/qSW5編碼鈣調(diào)素結(jié)合蛋白，該蛋白可與糖原合酶激酶GSK2互作并抑制其激酶活性，使細(xì)胞核中非磷酸化OsBZR1和DLT蛋白積累，調(diào)節(jié)油菜素內(nèi)酯響應(yīng)基因的表達(dá)，從而增加粒寬和粒重。編碼絲氨酸羧肽酶的GS5基因正向調(diào)控籽粒大小和灌漿速率來提高粒寬和粒重，成為首個(gè)克隆的粒寬正向調(diào)控QTL［23］。此外，GW8基因的高表達(dá)可促進(jìn)細(xì)胞分裂和籽粒灌漿，對(duì)水稻的粒寬和產(chǎn)量起正向調(diào)控作用［24］。何祖華課題組［25］克隆的GIF1基因編碼細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶，控制蔗糖的運(yùn)輸卸載和灌漿，從而改變水稻籽粒大小和粒重。

透明度是一較為復(fù)雜的多基因性狀［26］，關(guān)于透明度的遺傳及QTL定位的報(bào)道較少。李澤福等［27］利用日本晴/Kasalath/日本晴回交重組自交系（BIL）群體，采用復(fù)合區(qū)間作圖法定位到4個(gè)透明度QTL，性狀變異貢獻(xiàn)率為5.6%-25.2%，其中qET-3和qET-8位點(diǎn)上來自Kasalath的等位基因可顯著提高籽粒透明度。沈圣泉等［28］利用珍汕97B與密陽46構(gòu)建的RIL群體在兩個(gè)環(huán)境下進(jìn)行聯(lián)合分析，共檢測(cè)到5個(gè)控制透明度的主效QTL，其中qTR6-1與環(huán)境存在顯著的互作效應(yīng)。透明度受環(huán)境、生長(zhǎng)期、堊白等因素的影響，其中堊白影響較大，有關(guān)堊白的QTL定位報(bào)道較多。chalk5基因是第一個(gè)克隆的控制稻米堊白的主效QTL［11］，該基因位于水稻第5號(hào)染色體短臂，其表達(dá)水平的上升會(huì)引起液泡中氫離子濃度提高，影響pH平衡和抑制蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致胚乳儲(chǔ)藏物質(zhì)減少和出現(xiàn)氣泡，使稻米的堊白增加。目前，雖然堊白方面的遺傳研究較多，但因其受環(huán)境影響較大，表型鑒別困難，使研究難度加大。Wang等［19］在日本晴或浙輻802背景下過表達(dá)GL7基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻米長(zhǎng)寬比增加的同時(shí)，堊白率和堊白度顯著減少。錢前團(tuán)隊(duì)［29］利用9311和培矮64S構(gòu)建的RIL群體檢測(cè)到19個(gè)堊白相關(guān)QTL，并開展了位于第9號(hào)染色體的qACE9的精細(xì)定位和候選基因挖掘。

2.3 稻米蒸煮食味品質(zhì)的遺傳

淀粉是胚乳的主要組成成分（占干重的90%），淀粉的含量、組成和結(jié)構(gòu)決定了稻米的蒸煮食味品質(zhì)。淀粉合成需要多種酶的催化，主要包括ADP葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、顆粒結(jié)合型淀粉合成酶（GBSS）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉分支酶（SBE）和淀粉去分支酶（DBE）等，直鏈淀粉由AGPase和GBSS 合成［30］。

調(diào)控淀粉合成或降解的基因?qū)Φ久椎恼糁笫澄镀焚|(zhì)起了重要作用。位于水稻第6號(hào)染色體的蠟質(zhì)基因（Wx基因）是控制AC的主效QTL，編碼GBSSI催化合成直鏈淀粉。稻米的糯性與非糯性是由Wx基因的變異引起的，糯性基因型為wxwx，由Wx的隱性缺失突變等位基因wx組成［31］。目前已報(bào)道了Wx的多個(gè)復(fù)等位基因，包括wx、Wxa、Wxb、Wxin、Wxop、Wxmq、Wxmp和 Wxhp等［32～38］。其中，Wxa控制高AC的形成（AC＞25%），Wxb控制下的稻米AC一般為15%-18%，含Wxin等位型的稻米AC為18%-22%，攜帶Wxop和Wxmq的水稻胚乳表現(xiàn)為不透明，AC 一般 ＜10%，而 Wxmp［37］和 Wxhp［38］AC 也＜10%。有關(guān)Wx基因的表達(dá)調(diào)控研究報(bào)道較多，其轉(zhuǎn)錄水平?jīng)Q定了AC的高低。Wx基因第一內(nèi)含子的5′端第一個(gè)堿基（G或T）與稻米AC（高或低）緊密連鎖，是造成AC差異的主要變異類型［39］。姚彩萍等［40］用外切核酸酶Exo II使Wx基因翻譯起始點(diǎn)（ATG）5′上游調(diào)控區(qū)序列發(fā)生缺失，得到的12個(gè)不同長(zhǎng)度的缺失片段分別與GUS基因融合導(dǎo)入水稻原生質(zhì)體進(jìn)行GUS酶活測(cè)定，在轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)上游除TATA盒外發(fā)現(xiàn)了與基因表達(dá)強(qiáng)度相關(guān)的區(qū)段。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，在上述區(qū)段中有一31 bp序列（-839--809 bp）使GUS報(bào)告基因表達(dá)水平比對(duì)照高2-3倍，表明此序列為Wx基因表達(dá)調(diào)控的順式作用元件［41］。隨后又發(fā)現(xiàn)水稻bZIP蛋白轉(zhuǎn)錄因子REB能夠結(jié)合Wx基因啟動(dòng)子的雙元胚乳盒中的GCN4基序，可能與基因的組織特異性表達(dá)有關(guān)［42］。Zeng等［43］圖位克隆了暗胚乳基因DU1，該基因通過影響Wxb的剪接和其他水稻淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)來調(diào)節(jié)胚乳淀粉的生物合成。

控制糊化溫度的主效QTL：ALK（SSSIIa）基因也位于水稻第6號(hào)染色體短臂，高振宇等［44］圖位克隆了編碼可溶性淀粉合成酶（SSSII-3）的ALK基因，其參與支鏈淀粉分支的形成，決定胚乳內(nèi)淀粉粒的結(jié)構(gòu)，最終控制GT。對(duì)不同水稻品種中ALK基因序列的比較發(fā)現(xiàn)，該基因編碼區(qū)內(nèi)的兩處引起氨基酸改變的堿基替換造成了SSSII-3酶活性的變化，從而引起GT的改變［45］。SSSI基因編碼水稻SSSI，F(xiàn)ujita等［46］利用逆轉(zhuǎn)座子Tos17 插入獲得4 份SSSI缺陷的日本晴突變體，發(fā)現(xiàn)當(dāng)SSSI 缺乏時(shí)，其他淀粉合成同工酶能部分補(bǔ)償其功能，但改變了支鏈淀粉的支鏈長(zhǎng)度，從而影響稻米的GT。SSSIIIa（Flo5）基因編碼控制水稻淀粉合成的關(guān)鍵酶SSSIIIa，通過調(diào)控水稻籽粒中支鏈淀粉的結(jié)構(gòu)和淀粉粒理化性質(zhì)來影響 GT［47］。萬建民團(tuán)隊(duì)［48］構(gòu)建了 SSSIIa/SSSIIIa的雙抑制株系，株系呈現(xiàn)出AC增加、GT升高、黏度減小，短（聚合度DP 5-6）和長(zhǎng)（DP 12-23）支鏈淀粉鏈含量降低，中長(zhǎng)型（DP 7-11）支鏈淀粉含量增加。雙突變并不表現(xiàn)出加性特征，表明在淀粉合成過程中SSSIIa和SSSIIIa基因間存在互作，并得到酵母雙雜實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支持。因此，支鏈淀粉的鏈合成是SSSI、SSSIIa、SSSIIIa等酶協(xié)同完成的。姚姝等［49］以SSSIIa和SSSIIIa表現(xiàn)多態(tài)性而其他淀粉合成基因無多態(tài)的武粳13和關(guān)東194雜交后代衍生的64個(gè)半糯品系為材料，分析發(fā)現(xiàn)兩基因的互作對(duì)GT有顯著影響，為半糯粳稻蒸煮食味品質(zhì)的改良提供了理論依據(jù)。

膠稠度也是由若干主效基因和諸多微效基因共同調(diào)控的數(shù)量性狀。GC和AC呈顯著負(fù)相關(guān)，Wx同時(shí)也是控制GC的基因，GC主效QTL qGC-6已被證實(shí)位于 Wx位點(diǎn)［50］。黃祖六等［51］利用 CT9993（硬GC）和KDML105（軟GC）構(gòu)建的RIL群體在水稻第3號(hào)染色體檢測(cè)到2個(gè)控制稻米GC的主效QTL，貢獻(xiàn)率分別為19.9%和20.0%。錢前團(tuán)隊(duì)［52］利用兩優(yōu)培九衍生的RIL群體檢測(cè)到分布于第5、6、10號(hào)染色體的3個(gè)調(diào)控稻米GC的QTL，其中qGC-6和qGC-10的表型貢獻(xiàn)率達(dá)10%以上，且在杭州和海南兩環(huán)境穩(wěn)定遺傳，并最終將qGC-10精細(xì)定位于插入缺失（Indel）標(biāo)記GC19和GC25之間約350 kb的區(qū)間。此外，主要控制GT的ALK也是GC的微效基因［45］；Chalk5基因不僅決定稻米堊白，對(duì)AC和GC 也有一定影響［11］。

稻米蒸煮食味品質(zhì)（ECQ）是由淀粉合成相關(guān)基因（SSRGs）的相互作用共同決定的。除了上述基因外，淀粉代謝途徑中的其他基因也對(duì)稻米ECQ 起作用，如 AGPase［53］和 PUL［54］等。在胚乳中，蔗糖經(jīng)過糖酵解可轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?1-磷酸，后者在AGPase作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榈矸酆铣汕绑w：腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）。AGPase是由兩個(gè)大亞基和兩個(gè)小亞基組成的四聚體：大亞基是酶活性的調(diào)節(jié)中心，可增強(qiáng)小亞基的激活因子親和性和降低小亞基的抑制因子親和性；小亞基則是酶活性的催化中心，對(duì)淀粉合成起關(guān)鍵作用。水稻中每個(gè)亞基都由不同基因編碼，包括2個(gè)編碼小亞基的基因OsAGPS1、OsAGPS2和4個(gè)編碼大亞基的基因OsAGPL1、OsAGPL2、OsAGPL3、OsAGPL4［55～61］。

稻米淀粉的黏滯特性（RVA）也是反映蒸煮食味品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。包勁松等［62］以窄葉青8號(hào)與京系17構(gòu)建的DH群體為研究對(duì)象發(fā)現(xiàn)，稻米淀粉黏滯性主要受Wx基因控制，之后還發(fā)現(xiàn)了影響RVA的兩個(gè)基因SBE1和SBE3［63］。張巧鳳等［64］用武育粳3號(hào)和Aichi 106構(gòu)建的F2群體研究了精米粉8個(gè)RVA譜特征值的遺傳規(guī)律發(fā)現(xiàn)，RVA譜特征值與食味品質(zhì)、外觀品質(zhì)均有不同程度的相關(guān)性。隨后又用熱研2號(hào)和密陽23構(gòu)建RIL群體，檢測(cè)到34個(gè)RVA相關(guān)QTL，其中熱漿黏度、冷膠黏度、消減值、崩解值、回復(fù)值這5個(gè)特征值均檢測(cè)到位于 Wx位點(diǎn)的 QTL。Wang等［65］利用 CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)揚(yáng)粳158、武運(yùn)粳30、南粳9108和品系17GTM11的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsAPP10開展基因編輯，結(jié)果發(fā)現(xiàn)突變體的AC降低，RVA譜的峰值黏度和崩解值升高、回復(fù)值下降，食味值提升。嚴(yán)長(zhǎng)杰等［54］以桂朝2號(hào)和蘇御糯互為供體和輪回親本構(gòu)建了PUL的近等基因系，分析發(fā)現(xiàn)其與輪回親本在AC、GC等指標(biāo)上無顯著差異，但其RVA特征值和熱力學(xué)特征值變化顯著。有報(bào)道稱，可溶性淀粉合成酶SSSIIIa可通過控制淀粉B2-B4鏈比例來影響RVA 譜［47］。

目前的研究認(rèn)為，稻米香味主要由定位在水稻8號(hào)染色體的BADH2/fgr基因控制。BADH2基因的第7外顯子內(nèi)8 bp的堿基缺失可使其作用底物香味物質(zhì)2-乙酰基-1-吡咯啉（2AP）不能有效降解，從而使稻米累積香味［66］。因此，下調(diào)BADH2基因的表達(dá)可以提升稻米香味。

2.4 稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的遺傳

水稻的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)受遺傳、栽培措施、環(huán)境條件、收獲加工、烹飪技術(shù)等因素影響，其中遺傳是主要影響因素。稻米的蛋白質(zhì)含量易受外界環(huán)境條件的影響，遺傳力相對(duì)較低。先前研究發(fā)現(xiàn)，稻米的PC屬于多基因控制的數(shù)量性狀［67］。焦愛霞［68］利用遼優(yōu)518與當(dāng)?shù)厮酒贩N雜交構(gòu)建的RIL群體進(jìn)行PC的QTL分析，共檢測(cè)到分布在水稻第1、3、9號(hào)染色體上的3個(gè)PC相關(guān)QTL。張濤等［69］以中優(yōu)早與豐錦的RIL群體作為定位群體，檢測(cè)到6個(gè)控制糙米PC的QTL，分別位于水稻第3、6、7、8和11號(hào)染色體上。Peng等［70］克隆了正向調(diào)控PC的主效QTL qPC1/OsAAP6，OsAAP6可調(diào)控蛋白的合成和積累，增大蛋白體PBII，過表達(dá)該基因能使根系對(duì)多種氨基酸的吸收增加，互補(bǔ)和超表達(dá)植株的種子PC顯著提高、AC增加、GC顯著降低，而RNA干擾（RNAi）植株的種子PC下降。嚴(yán)長(zhǎng)杰課題組［71］利用秈稻Habataki和粳稻Sasanishiki雜交衍生的染色體單片段代換系（CSSL）群體進(jìn)行QTL定位，在3種環(huán)境下檢測(cè)到18個(gè)籽粒PC相關(guān)QTL，其中qGPC-1和qGPC-10可被重復(fù)檢測(cè)到。對(duì)qGPC-10開展了進(jìn)一步精細(xì)定位，克隆的OsGluA2基因可增加籽粒中存儲(chǔ)蛋白含量和氨基酸總量，使蛋白體Ⅱ的數(shù)量和體積都增加，從而正調(diào)控籽粒PC，提高稻米的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。

與蛋白質(zhì)緊密相關(guān)的氨基酸含量同樣也受多基因控制。Simon-sarkadi等［72］發(fā)現(xiàn)調(diào)控單個(gè)氨基酸含量會(huì)影響所有游離氨基酸含量和蛋白質(zhì)含量。鄭希等［73］利用汕優(yōu)63的RIL與親本雙向回交產(chǎn)生的BClFl和BC2Fl群體，共檢測(cè)到10個(gè)控制組氨酸含量的QTL和8個(gè)控制精氨酸含量的QTL，其中7個(gè)QTL具有顯著的環(huán)境互作效應(yīng)。周旭升等［74］利用川香29B和中國(guó)香稻的RIL群體，兩年相繼檢測(cè)到32個(gè)和21個(gè)氨基酸合成相關(guān)QTL，其中位于水稻第1號(hào)染色體的RM259-RM580區(qū)間可影響多種氨基酸的含量。水稻中一些氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白編碼基因的啟動(dòng)子和編碼區(qū)的自然變異與氨基酸吸收和籽粒PC相關(guān)性較強(qiáng)。方中明課題組［75］利用35S和ubi啟動(dòng)子構(gòu)建的OsAAP3基因的過表達(dá)載體轉(zhuǎn)化粳稻中花11，過表達(dá)株系的賴氨酸、精氨酸、組氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、蘇氨酸和絡(luò)氨酸的濃度顯著升高。之后，又通過高效液相色譜和原生質(zhì)體氨基酸吸收實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)OsAAP5基因的株系中堿性氨基酸（賴氨酸、精氨酸）和中性氨基酸（纈氨酸、丙氨酸）的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累量均高于野生型，而RNAi株系則相反［76］。在穗中表達(dá)的OsAAP1、OsAAP3、OsAAP5、OsAAP6、OsAAP10 等基因可通過調(diào)控氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性來影響氨基酸含量。OsAAP1能吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)中性氨基酸，研究發(fā)現(xiàn)在中花11中過表達(dá)OsAAP1，其自由氨基酸含量增加，而RNAi和CRISPR敲除株系的表型則相反［77］。轉(zhuǎn)qPC1/OsAAP6基因的陽性植株，其籽粒的丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、脯氨酸、精氨酸、酸性氨基酸和氨基酸總量均顯著增加，而RNAi植株則相反［70］。OsAAP10的基因功能缺失突變體的氨基酸含量和PC也顯著下降［65］。徐國(guó)華課題組［78］利用日本晴背景下的OsLHT1突變系發(fā)現(xiàn)，OsLHT1基因?qū)I(yíng)養(yǎng)器官到生殖器官的氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)起重要作用，主要影響籽粒的氨基酸含量和蛋白質(zhì)含量。

脂肪含量遺傳方面，吳長(zhǎng)明等［79］曾利用Asominori/IR24構(gòu)建的RIL群體在水稻第10號(hào)染色體上檢測(cè)到控制稻米粗脂肪含量的QTL Fat1。糙米中的脂肪含量相對(duì)較高，Liu等［80］用DH和回交群體檢測(cè)到14個(gè)糙米脂肪含量相關(guān)QTL，分布在水稻第1、3、5和9號(hào)染色體，其中5號(hào)染色體的主效QTL qCFC5可被重復(fù)檢測(cè)。至今克隆的脂肪含量調(diào)控基因僅有編碼脂肪轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的OsLTPL36，其表達(dá)量的下調(diào)可使稻米脂質(zhì)含量降低［81］。稻米中含有催化脂質(zhì)氧化的脂肪酸氧化酶（LOX），使稻米失去原有香味而陳化，同時(shí)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)也下降。目前，水稻中已克隆了3個(gè)編碼LOX的基因（LOX-1、LOX-2、LOX-3），其中 LOX-3 占主導(dǎo)地位［82-84］。Long 等［84］用圖位克隆法確定了編碼LOX-3的候選基因 LOC_Os03g49260。有研究發(fā)現(xiàn)，脂肪酸氧化酶LOX-1和LOX-2在進(jìn)攻膜脂和啟動(dòng)膜脂過氧化過程中作用大于LOX-3，但僅研究了LOX同工酶與終產(chǎn)物丙二醛（MDA）之間的關(guān)系，未對(duì)直接產(chǎn)物和稻米的過氧化值進(jìn)行測(cè)定，因此3種LOX同工酶的調(diào)控機(jī)制還有待闡明［85］。

稻米維生素含量相關(guān)QTL的報(bào)道較少。Sookwong等［86］在水稻第1、3、9號(hào)染色體上共定位到5個(gè)VE相關(guān)QTL。之后，張曉娜等［87］對(duì)稻米VE的8個(gè)異構(gòu)體（α、β、γ、δ-生育酚和α、β、γ、δ-生育三烯酚）含量進(jìn)行了QTL定位，共檢測(cè)到27個(gè)VE含量相關(guān)的QTL，其中主效QTL qT3α2、qTy2α、qTα2 和 qTa/γ2 均位于水稻第 2號(hào)染色體RM497-RM530區(qū)間內(nèi)，相鄰區(qū)間的qT3γ2和qT3δ2與它們形成QTL簇。

水稻的礦物質(zhì)元素含量也受相關(guān)QTL的調(diào)控。孫明茂等［88］曾檢測(cè)到45個(gè)與籽粒Fe、Se、Zn、Cu、Mn、Ca、Mg、K、Na等10種元素含量相關(guān)QTL。崔文剛等［89］共檢測(cè)到14個(gè)籽粒Fe、Zn、Cu、Mn礦質(zhì)元素含量相關(guān)QTL，其中與Fe含量相關(guān)的QTL有7個(gè)，包括位于水稻第1號(hào)染色體RM6464-RM6340區(qū)間的主效QTL qFe1-1，Mn含量?jī)H檢測(cè)到第8號(hào)染色體上的一個(gè)主效QTL qMn8。孫正海等［90］檢測(cè)到1個(gè)控制稻米Cr含量的主效QTL，位于水稻第6號(hào)染色體RM19489-RM19491區(qū)間。鐘林等［91］在海南和成都試驗(yàn)點(diǎn)共檢測(cè)到14個(gè)控制籽粒Ca、Fe、Mn、Zn和Cr含量的QTL，其中包含控制Mn含量的兩個(gè)主效QTL qHMn-3和qSMn-3。Norton等［92］利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）檢測(cè)到大量控制As、Cu、Mo和Zn含量的相關(guān)位點(diǎn)，其中17個(gè)可在5個(gè)環(huán)境中重復(fù)檢出。

3 稻米品質(zhì)的育種改良

水稻品質(zhì)改良的目標(biāo)受市場(chǎng)和廣大群眾的需求而改變，但主要路線仍然是在高產(chǎn)前提下提高出米率與食味品質(zhì)，在此基礎(chǔ)上改良外觀品質(zhì)和香味，使稻米粒型完好、透明度好、有光澤、有清香。利用定位或克隆的稻米品質(zhì)QTL/基因以及各種繁育改良方法可用于提升稻米品質(zhì)。

3.1 稻米加工品質(zhì)的改良

稻米加工品質(zhì)的改良多與粒型、堊白等性狀關(guān)系密切。通常細(xì)長(zhǎng)型、高堊白水稻品種的糙米率和精米率低于短圓型、低堊白的水稻品種。近年來，稻米加工品質(zhì)的改良已頗見成效，研發(fā)出的水稻品種的糙米率和精米率都有一定程度提升，如華浙優(yōu)1號(hào)的糙米率達(dá)83.4%，整精米率達(dá)68.2%；中浙優(yōu)H7糙米率和整精米率分別達(dá)到80.9%和67.0%。

3.2 稻米外觀品質(zhì)的改良

利用優(yōu)質(zhì)水稻種質(zhì)資源改良現(xiàn)有高產(chǎn)水稻的外觀品質(zhì)已取得一系列成果。王才林等［93］利用日本優(yōu)質(zhì)粳稻關(guān)東194與江蘇高產(chǎn)粳稻武運(yùn)粳7號(hào)等雜交，外觀品質(zhì)達(dá)到國(guó)際一級(jí)的F4或F5代，其下一代的外觀品質(zhì)達(dá)國(guó)標(biāo)一級(jí)的仍有70%。方珊茹等［94］采用選擇回交導(dǎo)入法、結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇（MAS）和農(nóng)藝性狀篩選，將GS3和其他外觀品質(zhì)相關(guān)基因?qū)隝I-32B中，得到4個(gè)外觀品質(zhì)改良株系，粒長(zhǎng)由原來的8.04 mm增加到8.99 mm，粒寬由3.02 mm降至2.85 mm，長(zhǎng)寬比從2.67提高到3.16；堊白率和堊白度也顯著降低，由改良前的55.6%和14.3%分別降至23.9%和4.6%。通常，優(yōu)質(zhì)粳稻品種的長(zhǎng)寬比為2.5左右，錢前團(tuán)隊(duì)與嘉興市農(nóng)科院等單位合作成功聚合了Dep1和GS3基因，開發(fā)出籽粒長(zhǎng)寬比達(dá)到3.0的雜交粳稻品種嘉禾212和嘉禾 218［95］。

3.3 稻米蒸煮食味品質(zhì)的改良

直鏈淀粉含量是決定米飯質(zhì)地和食味的重要因素之一，目前對(duì)稻米蒸煮食味品質(zhì)的改良以降低AC為主。日本水稻育種家已利用突變基因Wxmq育成了AC偏低（約8.5%）、食味品質(zhì)優(yōu)良的水稻品種，如 MilkyQueen［96］和 New-hikari［97］等。由于 Wx 基因的表達(dá)可直接影響稻米AC，對(duì)其運(yùn)用MAS可改良稻米的蒸煮食味品質(zhì)。蔡秀玲等［39］開發(fā)的PCRAccI標(biāo)記可用于區(qū)分等位型Wxa和Wxb；Liang等［98］利用分子標(biāo)記對(duì)Wx基因的CT重復(fù)進(jìn)行鑒別，用于Wx基因改良品系的選擇；毛艇等［99］開發(fā)了基于PCR技術(shù)的功能性標(biāo)記，可簡(jiǎn)易區(qū)分Wx的多對(duì)等位基因；侯軍亮等［100］利用MAS技術(shù)成功將香稻R15的Wxa基因替換為Wxb，培育出AC約14%的新純合株系深華R16。

Tanaka等［101］在BEIIb缺失突變體株系中過表達(dá)BEIIb，發(fā)現(xiàn)其具分支的水溶性多聚糖過量積累，而支鏈淀粉減少。因此，操控BEIIb的活性成為創(chuàng)制新淀粉類型的有效策略，可應(yīng)用于食品和工業(yè)生產(chǎn)。高抗性淀粉（RS）食物是包括糖尿病、結(jié)腸癌、腹瀉、慢性腎或肝病在內(nèi)的疾病患者的福音。Yang等［102］將粳稻突變體降糖稻1號(hào)（RS含量11.67%）與秈稻密陽23（RS含量0.41%）進(jìn)行雜交，對(duì)后代的遺傳分析將抗性淀粉貢獻(xiàn)率達(dá)60.4%的突變基因sbe3-rs精細(xì)定位在兩個(gè)InDel標(biāo)記間的573.3 kb區(qū)間內(nèi)。隨后與密陽23、秀水123、滬稻55進(jìn)行雜交，并利用該基因的功能CAPS標(biāo)記經(jīng)連續(xù)自交和輔助選育，最終培育出3個(gè)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的高RS功能性水稻品系RS23、RS123和RS55。

除了利用MAS方法選擇有利基因，CRISPR技術(shù)敲除不利基因也可用于稻米蒸煮食味品質(zhì)的改良。馮璇等［103］利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，針對(duì)雜交水稻親本209B和Y58S分別進(jìn)行糯性和香味改良，對(duì)稻米AC負(fù)調(diào)控基因Wx和香味基因Badh2分別進(jìn)行基因定點(diǎn)編輯，獲得了品質(zhì)優(yōu)良的新型雜交稻親本材料。楊平等［104］利用CRISPR/Cas9系統(tǒng)也成功編輯了水稻的Wx和Badh2基因，獲得了AC降至4.9%-12.2%且?guī)в邢阄兜闹性?5突變體。周俊飛等［105］利用CRISPR/Cas9技術(shù)編輯BADH2基因，改良超級(jí)稻品種龍粳31的香味品質(zhì)，使香味物質(zhì)含量顯著提高，為香稻超級(jí)稻育種提供了基礎(chǔ)材料。最近，胡培松團(tuán)隊(duì)［106］利用CRISPR/Cas9技術(shù)在非香型粳稻寧粳一號(hào)和秈稻黃華占的遺傳背景下創(chuàng)制了新的BADH2等位基因，改良株系籽粒中的香味物質(zhì) 2-AP 的含量分別達(dá)到 26.16 μg/kg 和 18.74 μg/kg，并利用含該等位基因的黃華占與桃農(nóng)1A雜交獲得了籽粒具有香味的三系雜交稻品種。

3.4 稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的改良

稻米雖然是我國(guó)的主糧，但其蛋白質(zhì)和維生素含量低，無法滿足人們的營(yíng)養(yǎng)需求，而且稻米中還含有植酸等抗?fàn)I養(yǎng)因子。因此，改善稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)成為稻米品質(zhì)改良的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)育種方式無法在短時(shí)間內(nèi)改良品質(zhì)，而水稻遺傳轉(zhuǎn)化技術(shù)的應(yīng)用，促進(jìn)了稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的改良。

水稻是谷物中蛋白質(zhì)含量較低的作物，在籽粒中蛋白質(zhì)的平均含量?jī)H為8%左右。所以在一定范圍內(nèi)進(jìn)一步提高稻米的蛋白質(zhì)含量，是稻米品質(zhì)改良的重要目標(biāo)之一。豆類蛋白質(zhì)的部分氨基酸與稻米蛋白質(zhì)互補(bǔ)，Singh等［107］通過聚乙二醇（PEG）誘導(dǎo)法分別將菜豆和豌豆的球蛋白基因?qū)胨局胁⒊晒Ρ磉_(dá)。洪亞輝等［108］采用花粉管通道法將密穗高粱總DNA導(dǎo)入水稻品種鄂宜105，從變異材料中選育出籽粒蛋白質(zhì)含量達(dá)到9.8%的高粱稻新品系。Wenefrida等［109］通過細(xì)胞誘變水稻品種Cypress開發(fā)出高蛋白品種Frontière，其稻米的平均蛋白質(zhì)含量達(dá)11%。

提高賴氨酸含量可以改良籽粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，然而當(dāng)賴氨酸含量增加時(shí)，賴氨酸分解關(guān)鍵酶：賴氨酸-酮戊二酸還原酶/酵母氨酸脫氫酶（LKR/SDH）的活性也會(huì)增強(qiáng)，加快了賴氨酸的降解，阻止了種子中賴氨酸的有效積累［110］。王為民等［111］運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得了含馬鈴薯高賴氨酸蛋白質(zhì)基因sb401的水稻。Yang等［112］通過超表達(dá)反饋抑制不敏感的天冬氨酸激酶（AK）和二氫吡啶二羥酸合酶（DHPS）同時(shí)抑制LKR/SDH的表達(dá)，獲得了游離賴氨酸含量提高25.3倍的水稻品種。之后，他們通過同時(shí)表達(dá)修飾的AK2和DHPS1基因并抑制LKR/SDH表達(dá)構(gòu)建了兩個(gè)轉(zhuǎn)基因株系，其游離氨基酸水平分別比野生型和含天然AK、DHPS的轉(zhuǎn)基因水稻高58.5倍和39.2倍，而種子外觀與野生型相似［113］。對(duì)巨胚等位基因GED的研究表明，GE功能缺失促進(jìn)了水稻胚的能量代謝、氨基酸代謝和脂質(zhì)代謝，除粒型增大外，其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量也高于野生型，具有改良籽粒營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的潛力［114］。

LOX基因的缺失可以有效阻止脂質(zhì)的氧化作用，從而減緩稻米變質(zhì)和香味喪失。因此，通過下調(diào)LOX-2和LOX-3的表達(dá)可以延遲脂肪酸降解，從而使稻米維持適口性、香氣和營(yíng)養(yǎng)成分等。目前已利用MAS選育出LOX-3缺失水稻品種［115］。

維生素缺乏會(huì)導(dǎo)致人類的一些疾病，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)提高稻米的維生素含量是改良水稻營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的有效途徑。Ye等［116］利用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法成功將VA合成的關(guān)鍵酶：番茄紅素β-環(huán)化酶、八氫番茄紅素合成酶、細(xì)菌八氫番茄紅素去飽和酶導(dǎo)入水稻，首次利用基因工程技術(shù)使水稻產(chǎn)生自身缺乏的營(yíng)養(yǎng)元素。富含類胡蘿卜素的轉(zhuǎn)基因水稻為緩解發(fā)展中國(guó)家人民營(yíng)養(yǎng)不良提供了解決方案。Peter等［117］利用黃水仙基因psy、lcy和噬夏孢歐文菌基因crtl成功培育出第一代“黃金大米”，其胡蘿卜素含量約1.6 μg/g；之后，Botella-Pavía等［118］使用玉米 psy基因替代黃水仙psy基因培育出第二代“黃金大米”的胡蘿卜素含量高達(dá)37 μg/g。目前，菲律賓已經(jīng)批準(zhǔn)了“黃金大米”的商業(yè)化生產(chǎn)。

提高有益礦質(zhì)元素的含量，增強(qiáng)有害元素的抗性，是稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)改良的另一重點(diǎn)。選育有益礦物質(zhì)含量較高的水稻通常有兩個(gè)方向：增加該礦物質(zhì)在水稻中的絕對(duì)含量或者提高其生物有效性。Goto等［119］用農(nóng)桿菌介導(dǎo)法將大豆鐵蛋白基因轉(zhuǎn)入水稻，獲得了鐵含量為對(duì)照3倍的轉(zhuǎn)基因水稻。徐曉暉等［120］曾利用CaMV35S啟動(dòng)子將豌豆鐵蛋白基因Fer轉(zhuǎn)化到粳稻品種秀水11中，轉(zhuǎn)基因水稻鐵含量提高2倍左右。低植酸水稻品種的各項(xiàng)籽粒品質(zhì)往往比普通水稻品種高。已有研究表明，食用低植酸突變水稻可以增強(qiáng)人體對(duì)礦物質(zhì)的吸收［121］。由此可見，低植酸（低抗?fàn)I養(yǎng)因子）水稻礦物質(zhì)的生物有效性比普通水稻品種高。Larson等［122］最先從爪哇稻品種Kaybonnet中獲得低植酸突變體lpa1，突變體籽粒中的植酸部分由71%降低至39%，無機(jī)部分由5%提高到32%，但總磷含量沒有變化。Lucca等［123］將菜豆的鐵蛋白基因pfe、煙曲霉的植酸酶基因phyA和內(nèi)源金屬硫蛋白基因rgMT導(dǎo)入水稻，獲得了在水稻胚乳中特異性表達(dá)3種基因的轉(zhuǎn)基因水稻，使稻米中鐵含量提高了2倍。

4 存在問題和展望

隨著人民生活水平的提高，人們對(duì)飲食的要求不再只是溫飽。水稻作為我國(guó)的主食，同時(shí)也要滿足保健、輔療和加工食品等需求。隨著養(yǎng)生已成為一種趨勢(shì)，提高稻米中有益活性物質(zhì)的比例、創(chuàng)制對(duì)人體具有保健功效的稻米，市場(chǎng)前景廣大。雖然水稻品質(zhì)的遺傳與改良研究在國(guó)內(nèi)外已取得了一些成果，但仍然存在諸多問題亟待解決。

至今，雖然已經(jīng)克隆了大量稻米品質(zhì)相關(guān)基因/QTL（表1）并開展了功能研究，但大多數(shù)基因與其他基因的互作機(jī)制有待明晰，以便有效應(yīng)用于水稻的品質(zhì)育種。此外，稻米品質(zhì)性狀之間往往相互影響，即使來源于同一組合、擁有同一主效基因，其品質(zhì)性狀也會(huì)有較大差異。在對(duì)品質(zhì)QTL定位的同時(shí)，還需要培育相應(yīng)的中間材料用于水稻育種。

表1 已克隆的水稻品質(zhì)相關(guān)基因/QTLTable 1 Cloned genes related to rice quality /QTLs

加工品質(zhì)易受粒型、堊白和外界因素影響。目前，加工品質(zhì)的研究報(bào)道多停留在QTL初定位階段，直接控制加工品質(zhì)的主效QTL/基因的相關(guān)報(bào)道很少。因此，精準(zhǔn)解析調(diào)控糙米率等QTL/基因的遺傳機(jī)制將為水稻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供更多可能。而且，加工品質(zhì)與產(chǎn)量直接相關(guān)，同時(shí)與其他品質(zhì)性狀關(guān)系密切，未來可通過粒型、堊白的研究使加工品質(zhì)的遺傳改良得以深入。

外觀品質(zhì)方面，挖掘與水稻粒型連鎖的單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記以及候選基因，可為水稻優(yōu)良遺傳資源的發(fā)現(xiàn)和利用提供依據(jù)。細(xì)長(zhǎng)型稻米的外觀品質(zhì)佳，但往往產(chǎn)量和整精米率有所下降；寬粒型稻米雖然粒重和產(chǎn)量較高，但堊白率一般較高。因此，處理好外觀品質(zhì)和產(chǎn)量之間的平衡協(xié)調(diào)從而給出最優(yōu)解是目前迫切需要解決的問題。減少堊白是目前稻米外觀品質(zhì)改良的主要方向。由于堊白的研究難度大，研究進(jìn)展相對(duì)遲緩。堊白主效基因與其他有利基因的連鎖、基因的不利連鎖和互作使優(yōu)質(zhì)與高產(chǎn)的矛盾凸顯，是目前降低堊白的難點(diǎn)，因此急需打破這些不利連鎖。南方高溫會(huì)使稻米堊白率提高，因此挖掘抗高溫種質(zhì)材料和相關(guān)基因可望解決堊白的難題。

BADH2基因的表達(dá)影響稻米香味，但香氣的累積易受環(huán)境影響。利用不同材料在不同環(huán)境下的試驗(yàn)來挖掘香味種質(zhì)資源，明確其調(diào)控機(jī)理或發(fā)現(xiàn)新的香味物質(zhì)對(duì)于未來發(fā)掘優(yōu)質(zhì)香稻具有重要意義。之前的研究表明，2AP的含量還與受體材料的來源有關(guān)，對(duì)不同受體材料進(jìn)行同樣操作敲除BADH2基因，改良水稻的香味程度存在差異［105］；有些香稻品種并未攜帶BADH2功能缺失等位基因，2AP含量卻較高［125］。因此，香味性狀的產(chǎn)生存在其他基因或因素的影響，需要遺傳學(xué)家進(jìn)一步深入挖掘。

營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面，蛋白質(zhì)的缺乏會(huì)引起人體代謝失衡，由于缺乏高蛋白的水稻種質(zhì)資源，并且蛋白質(zhì)含量易受環(huán)境條件影響，加上蛋白含量高的轉(zhuǎn)基因水稻往往產(chǎn)量較低，使研究進(jìn)展相對(duì)緩慢。因此，需要加強(qiáng)對(duì)高蛋白種質(zhì)資源的挖掘，深入研究稻米蛋白質(zhì)合成的遺傳機(jī)理，以攻克這一難題。

對(duì)水稻品質(zhì)的提升不僅僅局限于目前已克隆的基因，水稻品質(zhì)相關(guān)基因還有待進(jìn)一步發(fā)掘。隨著水稻生物學(xué)和功能基因組學(xué)的發(fā)展，在不久的將來，將有更多有利品質(zhì)基因用于培育和創(chuàng)制出各種高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)逆境和適宜機(jī)械化生產(chǎn)的功能性超級(jí)水稻。