特種稻研究進(jìn)展

杜 明 李潛龍 康云海 鄭國利 趙玉軍 方 玉，2

（1 上海中科荃銀分子育種技術(shù)有限公司，上海 200030；2 安徽荃銀高科股份有限公司，合肥 230088）

水稻是我國重要的糧食作物，在我國糧食生產(chǎn)中占據(jù)重要的地位。全球大約有65%的人口以大米作為主食[1]。專用稻是指稻谷、米?；蛑仓昃哂袑ｉT用途的栽培稻。目前，隨著我國飼料工業(yè)、食品加工業(yè)和旅游業(yè)的迅速發(fā)展，專用稻的需求在增加。一方面，隨著人民生活水平的提高，對(duì)于肉、蛋、奶的需求逐年增加，而人均口糧消費(fèi)在減少，從而導(dǎo)致飼料用糧增加。另一方面，伴隨著高血壓、高血脂和糖尿病等疾病的發(fā)生，根據(jù)“藥食同源”的概念，功能稻作為一種營養(yǎng)保健食品的需求量在增加。此外，伴隨著我國鄉(xiāng)村旅游和休閑農(nóng)業(yè)的發(fā)展，彩色稻逐漸成為一種發(fā)展農(nóng)村文化創(chuàng)意，拓展農(nóng)業(yè)多功能發(fā)展的特用稻。本文綜述了水稻作為特種稻方面的研究進(jìn)展及部分調(diào)節(jié)機(jī)制，以期為我國水稻產(chǎn)業(yè)多樣化發(fā)展提供參考信息。

1 飼用稻

通常情況下有兩種飼用稻，一種是栽培品種作為食用稻收獲，僅谷物作為精飼料用于喂養(yǎng)家禽和動(dòng)物，另一種是全作物青貯稻，其栽培品種在黃熟期收獲，包括穗、葉和莖的全稻植物被加工成青貯飼料，用于飼喂養(yǎng)牛。到目前為止，將水稻作為飼料利用的國家和地區(qū)較多，但是利用率普遍比較低，大多數(shù)都是直接進(jìn)行秸稈還田，且沒有形成規(guī)模。20 世紀(jì)90 年代初，水稻栽培專家青先國率先提出飼料稻研究開發(fā)，隨后，在1994 年和1996 年國家將其列為重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃。通過對(duì)飼料稻的選育和飼用價(jià)值進(jìn)行研究，得到了一批具有“三高”特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)飼用稻，如威優(yōu)56、高蛋白食飼兩用稻湘早秈24 號(hào)、金早47 等，同時(shí)這些品種都得到了國家或當(dāng)?shù)夭块T的推廣與應(yīng)用。在“十一五”期間，盧永根院士提出對(duì)全株飼料稻的篩選和加工進(jìn)行研究。野生稻相對(duì)于普通栽培稻，具有栽培稻已經(jīng)消失或不具備的優(yōu)良特性，其抗病蟲性較強(qiáng)、蛋白含量較高、生物量大及具有廣親和性，因此將野生稻開發(fā)成全株飼料稻有很大的前景。對(duì)14 個(gè)野生稻品種進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分野生稻的粗蛋白含量、分蘗能力高于現(xiàn)栽培的飼料稻，干物質(zhì)量接近或者大于現(xiàn)栽培的飼料稻；此外，野生稻在某個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)（如蛋白含量）具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以作為飼料稻改良的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)材料[2]。

秸稈具有纖維素含量低、半纖維素含量高等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有蛋白質(zhì)、纖維素和糖等成分，而飼喂試驗(yàn)表明，利用脆稈稻草進(jìn)行湖羊的飼養(yǎng)，可以增加羊群的采食量[3]，因此，脆稈育種成為當(dāng)下的一個(gè)新的育種內(nèi)容。1963 年第1 個(gè)脆稈性狀基因bc1被發(fā)現(xiàn)，截至目前，已鑒定出的脆稈基因有bc1、bc3、bc7等20 多個(gè)，通過作用于不同的細(xì)胞器從而進(jìn)一步導(dǎo)致細(xì)胞壁纖維素合成酶的變異，最終導(dǎo)致秸稈的機(jī)械強(qiáng)度發(fā)生改變（圖1）。BC3/DRP2B編碼一個(gè)發(fā)動(dòng)蛋白OsDRP2B，其突變后會(huì)降低水稻莖稈的機(jī)械強(qiáng)度；BC10突變后會(huì)增加水稻莖稈和葉片的脆性；在水稻突變體中，由于質(zhì)膜上的OsCESA 蛋白數(shù)量減少，造成植株矮化，薄壁細(xì)胞塌陷，從而導(dǎo)致纖維素含量降低；BC14突變后會(huì)降低莖稈的機(jī)械強(qiáng)度；BC15突變后會(huì)減少細(xì)胞壁中的纖維素含量；OsCESA4編碼纖維素合成酶中的催化亞基，其突變后會(huì)產(chǎn)生bc7和bc11兩種不同突變位點(diǎn)的突變體，后代都表現(xiàn)出莖稈纖維素含量下降[4]。2008 年中國水稻研究所采用復(fù)合雜交技術(shù)培育出印水型水稻不育系中脆A，被鑒定為可以廣泛用于選配兩系脆稈雜交稻新組合[5]。中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所離子束生物工程與綠色農(nóng)業(yè)研究中心利用重離子誘變得到了一個(gè)半顯性水稻脆稈突變體sdbc1，其表型表現(xiàn)出莖稈和葉片都較脆，2018年科輻粳7 號(hào)成為首個(gè)通過審定的脆稈品種，2019年進(jìn)行示范推廣，利用理想脆稈基因IBC培育出了水稻新品種科脆粳1 號(hào)，其半纖維素含量相對(duì)于對(duì)照增加15.7%[6]。利用脆稈137 為底盤材料，與連粳7 號(hào)、徐稻3 號(hào)雜交，采用回交的方式導(dǎo)入脆稈基因，從而得到兩個(gè)脆稈新品系CG16-3 和CG16-9[7]。

圖1 細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)及其合成過程

2 功能稻

2.1 抗性淀粉類抗性淀粉（RS，Resistant starch）指的是在健康個(gè)體小腸中未被吸收的淀粉和降解產(chǎn)物的總和，具有調(diào)節(jié)人體血糖水平，促進(jìn)礦物質(zhì)吸收，保護(hù)腸道及調(diào)控體重等作用，其含量會(huì)受到環(huán)境與基因型的影響[8]。根據(jù)來源和性質(zhì)，抗性淀粉可以分為5 種，分別為物理包埋淀粉RS1、天然抗性淀粉RS2、回生淀粉RS3、化學(xué)改性淀粉RS4和淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物RS5。在水稻中，淀粉的生物合成代謝途徑比較明確，水稻籽粒中的淀粉含量為70%～80%，通過對(duì)水稻籽粒淀粉合成途徑進(jìn)行歸納分析可以明確抗性淀粉在淀粉合成途徑中的位置，從而為增加水稻籽粒中抗性淀粉含量提供重要的理論依據(jù)（圖2）。蠟質(zhì)基因Wx和RS 之間是顯著相關(guān)的，為調(diào)控RS 的主效基因，采用全基因組關(guān)聯(lián)分析的方法進(jìn)一步得到了與淀粉合成相關(guān)的Wx、SSIIa、ISA1和AGPS1基因都與RS 的含量有關(guān)，而抗性淀粉含量由少數(shù)主效基因和多個(gè)微效基因及非等位基因間的相互作用來調(diào)控[9]。通過對(duì)OsSBE3進(jìn)行基因編輯，得到了抗性淀粉含量超過10%的水稻材料，而當(dāng)OsSBE3基因發(fā)生單堿基突變時(shí)也會(huì)提高RS 含量[10]。研究表明，淀粉合成酶SSIIa 能夠調(diào)節(jié)抗性淀粉中RSm 的含量，OsSSIIIa基因通過調(diào)節(jié)AGpase 和PPDK 的活性來提高胚乳中抗性淀粉的含量，在水稻突變體OsSSIIIa中，而WxaSSIIa能夠顯著提高抗性淀粉的含量[11]。楊瑞芳等[12]指出利用航天搭載誘變獲得抗性淀粉突變體RS111，優(yōu)化蒸煮方法，米飯中的抗性淀粉含量可以達(dá)到10%；通過輻射誘變獲得了高抗性淀粉突變體浙輻201，其抗性淀粉含量為3.6%；以高抗性淀粉11JD64（降糖稻1 號(hào)）為母本、滬稻55 為父本雜交選育而成的優(yōu)糖稻3 號(hào)，抗性淀粉含量為13.2%，是普通大米的20 倍以上；將ae突變體與IR36 雜交選育得到的高抗性淀粉水稻AE，抗性淀粉含量為8.25%；以R7954與粳稻突變體RS102雜交，得到糖尿病患者專用的水稻品種宜糖米1 號(hào)，蒸煮后其抗性淀粉含量為10.17%。此外，如寧農(nóng)黑粳、功米3號(hào)、優(yōu)糖稻2 號(hào)、降糖稻1 號(hào)等也富含抗性淀粉。

圖2 抗性淀粉生物合成途徑

2.2 富含微量元素類據(jù)報(bào)道，在稻米皮層中含有較多的人們所需要的微量元素，如鐵、硒、鋅。其中鐵可以預(yù)防貧血癥，硒具有保護(hù)心血管、預(yù)防腫瘤的功效，而鋅具有提高免疫力的作用[13]。

由蘇資2 號(hào)和螃蟹谷雜交選育而成的龍睛4號(hào)經(jīng)美國農(nóng)業(yè)部?jī)和癄I養(yǎng)研究中心和中國食品工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心分析，富含鐵、硒等微量元素和人體必需氨基酸。利用云南紫糯和（75069×香糯7-2）復(fù)合雜交選育而成的香血糯新品種，經(jīng)研究表明其微量元素鐵為普通糯米的3 倍，鋅元素的含量也高于普通糯米[14]。1986 年上海農(nóng)學(xué)院從早季晚熟、感溫性秈稻品種馴化得到的烏貢1 號(hào)，其Fe、Zn 元素含量明顯高于普通大米[15]。2016 年寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院對(duì)102 份水稻種質(zhì)資源材料進(jìn)行了Zn 含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)楊和白皮稻、大粒稻、寧大62 和常規(guī)稻-5 等籽粒Zn 含量較高，通過方差分析發(fā)現(xiàn)Zn含量與籽粒的大小、長(zhǎng)寬比和千粒重呈正相關(guān)[16]。

2.3 花青素、γ-氨基丁酸類花青素又稱為花色素，廣泛分布在各種植物體內(nèi)，是一種黃酮類的次生代謝物。研究表明紫米、黑米和紅米富含花青-3-葡萄糖苷及生物堿物質(zhì)，能夠抵抗癌癥、心血管疾病，起到延緩衰老、養(yǎng)肝補(bǔ)血等作用[17]。

了解花青素的生物合成途徑，對(duì)了解花青素在籽粒中的分布情況有重要作用?；ㄇ嗨睾驮ㄇ嗨刈鳛轭慄S酮合成途徑中的產(chǎn)物，需要一系列酶的參與，同時(shí)，對(duì)與花青素相關(guān)的基因的功能機(jī)制也比較明確（圖3）。研究表明，PAL、CHS、CHI、F3H、DFR和ANS可以催化花青素的合成，ANR和LAR催化形成原花青素，CHI突變導(dǎo)致水稻穎殼顏色呈現(xiàn)深棕色，總黃酮的含量提高，超表達(dá)OsANS基因，能夠提高水稻品種的黃酮含量及增強(qiáng)抗氧化能力[18]。bHLH 家族轉(zhuǎn)錄因子OsB1 和OsB2 需要與MYB 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合才能參與水稻中花青素的調(diào)控，OsB2 可以與OsCHS的啟動(dòng)子結(jié)合，激活OsCHS基因的表達(dá)。將OsC1、OsB2和OsPAC1導(dǎo)入白米粳稻品種Chao2 和中花11 中超量表達(dá)，Chao2 和中花11 中超表達(dá)OsC1后，花青素代謝基因表達(dá)上調(diào)；OsPAC1超表達(dá)后，能夠使OsCHS、OsCHI、OSANS和OsUFGT表達(dá)上調(diào)；OsB2在2 個(gè)品種中超表達(dá)后，OsCHS、OsCHI、OsANS、OsUFGT和OsF3’H表達(dá)量上調(diào)[19]。對(duì)93-11（白米）、SB7（紅米）、IR1552（紫葉）和豫南黑秈糯（黑米）4 種水稻材料研究發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)基本表達(dá)基因OsPAL、OsCHS和OsCHI在葉片、花期和花后1～2 周表達(dá)；而OsANS在黑米和紫米中表達(dá)[20]。將彩葉草中的CHS、CHI、F3H、DFR和ANS以及玉米轉(zhuǎn)錄因子中的Lc和PI導(dǎo)入同一載體，利用水稻胚乳特異性啟動(dòng)子轉(zhuǎn)化水稻，得到富含花青素的紫晶米[21]。此外，鴨血糯、秈型香糯黑米閩紫香1 號(hào)、寧農(nóng)黑粳和閩紫香2 號(hào)也是富含花青素的水稻品種。

圖3 花青素的生物合成途徑

γ-氨基丁酸（GABA，γ-Aminobutiric acid）由谷氨酸脫酸酶脫羧形成的一種四碳非蛋白組成性氨基酸。研究表明，國內(nèi)的水稻品種GABA 的含量大多在6～8mg/100g，GABA 在胚中的含量較高，而在主食大米中含量很低，胚芽中的蛋白質(zhì)分解酶催化谷氨酸轉(zhuǎn)化為GABA，在谷氨酸脫羧酶的作用下合成GABA。GABA 天然存在，具有治療癲癇和帕金森病，降血壓、防止動(dòng)脈硬化、調(diào)節(jié)心律失常、抗疲勞和衰老等作用[22]。

在水稻中，以谷氨酸為前體物質(zhì)，經(jīng)過谷氨酸脫羧酶和谷氨酸脫氫酶的聯(lián)合作用轉(zhuǎn)化為γ-氨基丁酸，此外，一部分GABA 通過多胺衍生途徑和GABA 分解作用，以鳥氨酸作為前體物質(zhì)進(jìn)行合成（圖4）。方慧敏等[23]指出利用RNA 干擾技術(shù)，構(gòu)建OsGABA-T1RNi載體，導(dǎo)入寧粳1 號(hào)中，降低OsGABA-T1的表達(dá)，導(dǎo)致糙米和精米中GABA 的含量相對(duì)于寧粳1 號(hào)增加；利用N-甲基-N 亞硝基對(duì)金南風(fēng)進(jìn)行誘變處理，從而得到了巨大胚突變體ge，相對(duì)于原品種胚增加2～3 倍。胡時(shí)開等[24]指出利用95-20 為父本、巨胚稻花晴M-2-565-11-3-B 為母本選育出GABA 含量為7.8mg/100g 的巨胚粳1 號(hào)；對(duì)高產(chǎn)糯稻恢復(fù)系嘉糯恢2 號(hào)采用Co60輻射得到的福巨糯2 號(hào)與巨胚不育系TgeA、1813geA 進(jìn)行組配，獲得了富含GABA 的巨胚雜交稻組合T 優(yōu)巨胚2 號(hào)和1813 優(yōu)巨胚2 號(hào)；以黑帥為母本，與巨胚1 號(hào)/早25 雜交，得到GABA 含量較高并且具有降壓功能的黑珍珠[25]。王迎超等[26]提出巨胚稻中的γ-氨基丁酸含量高于常規(guī)稻米。通過對(duì)黑龍江7 個(gè)粳稻品種的研究，篩選出了肯糯2 以及龍粳31 兩個(gè)富含γ-氨基丁酸的品種[27]。此外，富含GABA 的水稻品系還有Haiminori、龍?zhí)仄諥 和龍?zhí)仄諦 的突變體、巨胚一號(hào)、伽馬-1、奧羽359、巨胚香糯1547、墾糯2號(hào)、6601、白巨胚米1575、MhgeR 和西巨胚1 號(hào)等。

圖4 γ-氨基丁酸的生物合成途徑

2.4 低谷蛋白類根據(jù)溶解度的不同將蛋白分為水溶性的白蛋白、鹽溶性的球蛋白、堿溶性的谷蛋白和醇溶性的醇溶蛋白。據(jù)報(bào)道，2017 年全球大約120 萬人死于慢性腎臟疾病，該類疾病主要是由于尿蛋白的不平衡導(dǎo)致，低蛋白飲食被證實(shí)是除了藥物以外能夠有效控制尿蛋白水平的重要方法[28]。因此，發(fā)展和培育低谷蛋白水稻新品種是當(dāng)下水稻育種的一個(gè)新目標(biāo)。

目前，水稻谷蛋白基因多數(shù)已經(jīng)得到克隆，按照其序列的相似性分為GluA 和GluB 兩類，根據(jù)低谷蛋白突變體材料NM67 育成的Lgc-1，揭示了GluB 亞家族基因GluB4和被剪切了部分片段的GluB5基因以尾對(duì)尾反向重復(fù)形成的結(jié)構(gòu)從而導(dǎo)致Lgc-1的低谷蛋白特性[29]。張莉萍等[30]提到日本學(xué)者利用化學(xué)誘變得到了谷蛋白含量下降4%的LGC-1；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)通過將低谷蛋白基因?qū)氩糠种髟云贩N，培育出了W3660、W204 等低谷蛋白含量增加的新品種；以超級(jí)粳稻寧粳4 號(hào)為母本、W1721 為父本，選育出產(chǎn)量較高、農(nóng)藝性狀較好的低谷蛋白新品種W0868；利用分子輔助與常規(guī)技術(shù)相結(jié)合的方法，將低谷蛋白基因LGC-1導(dǎo)入五山絲苗，得到了秈型低谷蛋白新品種N198，以及利用武育粳3 號(hào)與LGC-1進(jìn)行雜交，后代利用分子標(biāo)記輔助選擇及SDS-PAGE 驗(yàn)證，得到了農(nóng)藝性狀優(yōu)良的低谷蛋白粳稻新品種。此外，培育出的低谷蛋白水稻品種還有低谷1 號(hào)、武2812、春陽、LGC-jun等。

2.5 富含其他營養(yǎng)元素目前，隨著基因工程的快速發(fā)展，研究人員利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)和CRISPR/CaS9基因編輯技術(shù)進(jìn)一步改善和提高水稻中其他一些元素含量。據(jù)報(bào)道，先正達(dá)利用玉米種鑒定的八氫番茄紅素合成酶（psy）與產(chǎn)生黃金大米的歐文氏菌胡蘿卜素去飽和酶（crtl）結(jié)合，培育出胡蘿卜素含量高達(dá)37μg/g 的第2 代“黃金大米”[31]。維生素B9（葉酸）被證實(shí)能夠治療貧血，降低心血管疾病等作用，用基因工程的方法將擬南芥ADCS和GCH1基因連接到水稻胚乳特異性啟動(dòng)子gluB1和glb-1，會(huì)提高水稻中葉酸的含量（1723μg/100g），為對(duì)照的100 倍[32]。將小麥HPPK/DHPS導(dǎo)入水稻，發(fā)現(xiàn)水稻葉酸含量會(huì)提高75%[33]。此外，利用基因工程技術(shù)選育出了能夠促進(jìn)大腦發(fā)育、預(yù)防心肌梗死和腦梗死的富含α-亞麻酸的水稻品種寧粳1-FAD3，以及能夠降低血糖和血脂的富含降血糖短肽的龍稻5-mGLP 品種。

3 觀賞稻

觀賞植物作為重要的栽培植物，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的作用，是21 世紀(jì)的“朝陽產(chǎn)業(yè)”。2007 年趙則勝在《特種稻研究與利用》中首次提出觀賞稻。而彩色水稻作為特有的品種，被越來越多的人所了解，其不僅具有觀賞作用，同時(shí)也可以食用，最終可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和農(nóng)民的增收。

對(duì)于觀賞稻，常見的顏色主要有紫葉、黃葉和白色條紋葉稻等。日本是開展觀賞稻育種較早的國家，其經(jīng)常用觀賞水稻品種的紫穗作為紫花的替代品。在國內(nèi)，西昌學(xué)院戴紅燕研究員對(duì)觀賞稻的研究較多，利用日本稻縞稻為母本、Labell 為父本，經(jīng)過有目的性的多代選擇，培育出性狀較為穩(wěn)定的白拂；以縞稻為母本、北谷4 作父本，以其雜交后代中紫穗單株作為母本與日本稻C239 雜交，后代連續(xù)選擇，得到新的觀賞稻綠葉紅妝；此外，利用日本稻紅浪漫、阿久根糯、C239、北谷3 赤穗、水紫、胡枝香、對(duì)馬A46、PLW、縞稻相鄰種植，使其自然雜交，后代定向選擇紅芒和黑芒的植株，得到新的觀賞稻彩云和紫薇[34]。2019 年江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所利用矮稈叢生突變體與受體親本雜交，后代利用分子標(biāo)記輔助選擇，得到了一種盆景觀賞稻培育方法[35]。福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所利用抗病矮稈綠色葉水稻品種作為輪回親本，分別與不同顏色、株型的品種進(jìn)行雜交，后代與輪回親本多代回交，從而得到一種新的觀賞彩色稻品種的選育方法[36]。

4 問題與展望

目前，伴隨著人民生活水平的提高，大多數(shù)育種工作者的研究方向主要以優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和抗病作為主要目標(biāo)，對(duì)于飼料稻、功能稻和觀賞稻的關(guān)注較少，從而導(dǎo)致特種稻的發(fā)展較為緩慢。通過對(duì)一些國內(nèi)外特種稻的發(fā)展形式進(jìn)行分析，明確了當(dāng)前特種稻發(fā)展急需解決的問題。首先，對(duì)于飼料稻，大多數(shù)的水稻種植者主要收獲稻谷，而秸稈主要適用于還田，或是在收割之后堆積起來進(jìn)行焚燒，或是被當(dāng)作垃圾處理掉，導(dǎo)致秸稈利用率較低；對(duì)于脆稈水稻，近年來的研究雖然較多，有許多基因被克隆（如bc1、bc12等），但是對(duì)于脆稈相關(guān)的生物合成代謝途徑還相對(duì)比較薄弱。其次，對(duì)于功能稻米，雖然市場(chǎng)上其售價(jià)比較高，但我國現(xiàn)有的功能稻品種較少，且缺少功能稻米品牌。此外，消費(fèi)者對(duì)于功能稻米的認(rèn)識(shí)程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，國內(nèi)也缺乏可以參照的功能稻米及其制品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于觀賞稻，國內(nèi)的種質(zhì)資源比較短缺，大多數(shù)是通過引進(jìn)的品種作為底盤材料進(jìn)行改良，研究的內(nèi)容比較單一。此外，缺乏配套的栽培技術(shù)，用途也比較單一。

基于上述問題，未來特種稻的發(fā)展方向應(yīng)該重點(diǎn)發(fā)展以下幾個(gè)方面：（1）加強(qiáng)對(duì)特種稻品種的選育，結(jié)合當(dāng)代全基因組育種來進(jìn)一步解析特種稻功能成分的生物合成代謝途徑；（2）加強(qiáng)對(duì)特種稻的推廣，使其達(dá)到產(chǎn)業(yè)化，從而提高消費(fèi)者對(duì)于特種稻的認(rèn)識(shí)度和接受度；（3）改變部分特種稻的育種方式，如目前花卉市場(chǎng)比較豐富，因此通過對(duì)觀賞稻的改良，將其作為花卉進(jìn)行盆栽；（4）加大特種稻種質(zhì)資源的創(chuàng)新力度，完善特種稻的審定標(biāo)準(zhǔn)。