影響稻米品質(zhì)性狀的相關(guān)基因研究進(jìn)展

張 濤,王子瑞,毛鑫晨,唐家琪,張 超,于恒秀

(揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物基因組學(xué)和分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇揚(yáng)州 225009)

我國近60%的人口以水稻作為主食,國家明確指出糧食安全必須要得到保障,于是提高水稻的產(chǎn)量成為育種家首先要解決的問題?！俺壍尽钡母拍顝?0世紀(jì)80年代開始分別由日本和國際水稻研究所提出并實(shí)施。我國于1996年啟動“中國超級稻育種”項(xiàng)目,在我國科學(xué)家的不斷努力探索下,目前我國超級雜交水稻的育種和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)在國際上保持領(lǐng)先水平[1]。但是隨著大眾生活質(zhì)量和消費(fèi)水平的提高,人們的需求已從原來的“吃飽飯”到如今的“吃好飯”,未來將會往“吃健康的飯”的方向發(fā)展,對外觀好、口感好、營養(yǎng)好的優(yōu)質(zhì)稻米的需求越來越大。因此,選育出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、營養(yǎng)價(jià)值高、更加受老百姓喜愛的水稻新品種成為育種家們近些年來的目標(biāo)。

遺傳、環(huán)境以及田間栽培和管理技術(shù)等因素都會影響稻米的品質(zhì)性狀。因此,僅通過常規(guī)育種手段的方法去進(jìn)一步改良稻米的品質(zhì)性狀已經(jīng)不現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)家們在分子生物學(xué)理論與技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)分子標(biāo)記輔助選擇(Maker-assisted selection,MAS)方法可以將功能不同的優(yōu)良品質(zhì)基因快速地導(dǎo)入到稻米中,從而達(dá)到改良稻米品質(zhì)的目的。這就使得育種的效率得到顯著提升,因而在品質(zhì)相關(guān)基因的定位、克隆以及功能研究方面也取得了很大的進(jìn)展[2]。該研究綜述稻米品質(zhì)性狀的主要組成,品質(zhì)性狀相關(guān)基因定位、克隆以及功能的研究進(jìn)展,以期為進(jìn)一步改良稻米品質(zhì)提供參考。

1 稻米品質(zhì)性狀的分類

稻米品質(zhì)是一個綜合性狀,是指從稻谷的種植、收獲到加工,再到進(jìn)入市場被消費(fèi)者直接購買的全部過程。在日常的生活中,由于我國國土面積大,地區(qū)差異明顯,人們對稻米的口味、喜好各不相同,因此對稻米品質(zhì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也有所差異。目前,國內(nèi)外對于稻米品質(zhì)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)基本統(tǒng)一,主要包括碾磨品質(zhì)(milling quality,MQ)、外觀品質(zhì)(appearance quality,AQ)、蒸煮與食味品質(zhì)(eating and cooking quality,ECQ)和營養(yǎng)品質(zhì)(nutritional quality,NQ)4個指標(biāo),這4個指標(biāo)都直接或間接地由水稻種子的結(jié)構(gòu)和組成決定,且指標(biāo)之間互相影響。

碾磨品質(zhì)也稱為加工品質(zhì),是指在經(jīng)過脫粒、去殼、除糙等簡單加工過程后的水稻表現(xiàn)出稻米完整性的品質(zhì)特性。碾磨品質(zhì)主要包括糙米率、精米率和整精米率3項(xiàng)指標(biāo)。糙米率是指糙米重量與水稻總重量的比值。糙米的結(jié)構(gòu)由米糠(果皮、糊粉等)、胚和胚乳組成。然而,由于糙米烹飪困難較大,且食用口感較為堅(jiān)硬,只有胚乳殘留的精米更受歡迎,可以被消費(fèi)者廣泛接受,因此,通常會將糙米加工成精米。精米是糙米經(jīng)過加工碾磨后亮度增加的精白大米。精米率是指最終得到的精米重量與水稻總重量的比值。通常把長度超過稻米加工前完整籽粒長度的2/3的精米稱為整精米。整精米率則是指最終得到的整精米重量與水稻總重量的比值,整精米含量高的水稻加工時(shí)出米率高、碎米含量少、米粒整齊且食用品質(zhì)好,是衡量碾磨品質(zhì)最重要的一項(xiàng)指標(biāo)[3]。

良好的外觀品質(zhì)更容易受到消費(fèi)者的歡迎,外觀品質(zhì)性狀主要是由稻米籽粒粒型、籽粒堊白度、籽粒透明度3個指標(biāo)來決定的,其中粒型和堊白度是外觀品質(zhì)性狀改良最主要的研究方向。粒長、粒寬、粒厚和長寬比是影響粒型的4個性狀,但最主要的是粒長、粒寬和長寬比,三者之間也會互相影響[4-5]。堊白是指水稻籽粒白色不透明的部分,主要是由于水稻籽粒灌漿不充分導(dǎo)致籽粒胚乳中組織疏松而形成的,包括心白、腹白和背白。稻米的堊白性狀主要分為3個級別:一級,堊白粒率≤10%,稻米的外觀品質(zhì)最好;二級,堊白粒率≤20%,稻米的外觀品質(zhì)較好;三級,堊白粒率≤30%,稻米的外觀品質(zhì)較差。可見,堊白的多少及發(fā)生程度對稻米品質(zhì)的影響十分巨大。目前,市場上將粒型完整、堊白度低、透明度好作為優(yōu)質(zhì)外觀品質(zhì)稻米的評價(jià)指標(biāo)[6]。

蒸煮與食味品質(zhì)是指稻米在蒸煮和食用過程中表現(xiàn)的各種理化及感官特性,是稻米品質(zhì)的核心指標(biāo)。一般來說,衡量蒸煮食味品質(zhì)最常用的理化指標(biāo)有直鏈淀粉含量(amylose content,AC)、糊化溫度(gelatinization temperature,GT)、膠稠度(gel consistency,GC)和淀粉黏滯性(rapid viscosity analyzer,RVA)等[7]。稻米直鏈淀粉含量是決定籽粒的透明度、適口性、黏性和消化特性等的主要因素,即與米飯的硬度、彈性、黏性有關(guān)。一般直鏈淀粉含量適中或者較低的米飯適口性更好、米質(zhì)較軟、飯粒光澤度較好,而直鏈淀粉含量高的米飯適口性較差、米質(zhì)較硬、彈性較低,但有預(yù)防糖尿病和肥胖癥等方面的作用。糊化溫度是指淀粉粒在熱水中迅速吸水膨脹導(dǎo)致淀粉粒變得更透明,黏滯性上升,有更多可溶性物質(zhì)進(jìn)入水中而不可逆轉(zhuǎn)時(shí)的溫度。差示熱量掃描儀(differentitial scanning calorimetry,DSC)可以直接用來測不同品種稻米淀粉的糊化溫度,其主要分為以下3種糊化溫度:高糊化溫度(>74 ℃)、中糊化溫度(70～74 ℃)和低糊化溫度(55～70 ℃)。糊化溫度越高,蒸煮的時(shí)間越長,最終會影響稻米的食味品質(zhì)和外觀品質(zhì)。聚合度(degree of polymerization,DP)為6～12的支鏈淀粉A鏈(Ap-A)與聚合度為13～24的B1鏈(Ap-B1)的比率增加,可能會導(dǎo)致降低糊化溫度和硬度,并且提高熟米飯的黏性,從而產(chǎn)生更好的米質(zhì)和烹飪性能[8-10]。所以,一般認(rèn)為中等糊化溫度對稻米的食味品質(zhì)和外觀品質(zhì)影響最小,最適合煮飯[11]。稻米淀粉經(jīng)過稀堿糊化后成為米膠,米膠在水平放置的試管中冷卻一段時(shí)間后,會延伸到一定長度,此時(shí)測量的米膠長度即為膠稠度。它是衡量米飯軟硬的評判標(biāo)準(zhǔn)之一,一般認(rèn)為膠稠度高的米質(zhì)較軟,膠稠度低的米質(zhì)相對較硬[12]。RVA是指快速黏度分析儀,適用于測定淀粉的基本特性,主要包括峰值黏度(peak viscosity,PKV)、峰值時(shí)間(peak time,PeT)、熱漿黏度(hot paste viscosity,HPV)、冷膠黏度(cool paste viscosity,CPV)和起漿溫度(pasting temperature,PaT)等特征值。特征值相減后即可獲得二級數(shù)據(jù)崩解值(breakdown value,BDV)、消減值(setback value,SBV)、回復(fù)值(consistence value,CSV)[13]。因此,飯粒完整且有香味、米質(zhì)軟且不黏結(jié)、適口性好且易消化的稻米才能稱為優(yōu)質(zhì)米[14]。

稻米的營養(yǎng)品質(zhì)主要包括蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、維生素和對人體有益的微量元素等,主要以糙米的粗蛋白質(zhì)含量作為評價(jià)營養(yǎng)品質(zhì)的指標(biāo)。由于稻米中的賴氨酸和蘇氨酸微量元素含量極為豐富,且稻米中的各種氨基酸的比值都是非常接近人體需要的,因此其生物價(jià)值較高。但稻米中的蛋白質(zhì)含量會受到很多內(nèi)外因素的影響、包括其自身遺傳因子的影響,生態(tài)環(huán)境因素的影響、田間栽培技術(shù)和管理方式的影響[15]。其中對稻米營養(yǎng)品質(zhì)影響的最大因素是高溫[16]。如果在水稻孕穗、開花和灌漿的時(shí)期遭受高溫、低溫、缺水或者降水過多等極端條件影響,將會對稻米品質(zhì)和產(chǎn)量造成極大的影響[17]。

2 稻米品質(zhì)性狀相關(guān)基因的定位與克隆

2.1 碾磨品質(zhì)的相關(guān)QTL定位從遺傳學(xué)上講,稻米碾磨品質(zhì)由母體二倍體基因型、三倍體胚乳基因型和細(xì)胞質(zhì)基因組控制,因此水稻碾磨品質(zhì)的遺傳基礎(chǔ)十分復(fù)雜。目前,只精細(xì)定位了影響水稻碾磨品質(zhì)的qBRR-10基因。Ren等[18]利用臺中1號(TN1)與春江06(CJ06)雜交獲得雙單倍體群體,研究了影響B(tài)RR的碾磨和外觀性狀的遺傳基礎(chǔ)。之后利用構(gòu)建的分子連鎖圖譜,在第1、8、9和10染色體上分別檢測到了BRR的4個QTL。在qBRR-10位點(diǎn)建立了染色體片段代換系,最終qBRR-10被縮小到10號染色體上39.5 kb的區(qū)域,在該區(qū)域有2個候選基因LOC-Os10g32124和LOC-Os10g32190,它們在TN1和CJ06差異表達(dá),這有助于qBRR-10基因的進(jìn)一步克隆。qBRR-10的克隆和遺傳機(jī)理研究將有助于提高BRR,進(jìn)而提高水稻產(chǎn)量和稻米碾磨品質(zhì)。其他對水稻碾磨品質(zhì)的遺傳研究還依舊停留在QTL層面。周海平等[19]通過雙向?qū)胂岛椭亟M自交系的方法共定位到了29個影響稻米碾磨品質(zhì)的主效QTL。Qiu等[20]利用272份秈稻種質(zhì)資源在5個環(huán)境下定位到16個影響水稻加工品質(zhì)的主效QTL。Nelson等[21]構(gòu)建2套重組自交系共定位到6個影響整精米率的主效QTL。胡霞等[22]在南寧和三亞環(huán)境下定位到了qMR5、qMR6a、qHR1和qHR5b等影響糙米率、精米率和整精米率的QTL。

2.2 稻米外觀品質(zhì)的相關(guān)基因粒型是水稻外觀品質(zhì)最重要的性狀之一,加上水稻產(chǎn)量也受稻米粒型的影響,因此其相關(guān)基因的定位與克隆也備受育種家的關(guān)注[23]。粒長、粒寬、粒厚和長寬比是控制稻米粒型最主要的4個方面。近年來,國內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn),水稻稻米粒型會受到多個基因的調(diào)控且存在加性效應(yīng),其中粒長的遺傳中加性效應(yīng)最明顯[24]。在粒寬的遺傳中,也存在加性效應(yīng),同時(shí)還受顯性效應(yīng)、單基因、多基因和主效基因的控制,表現(xiàn)出細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)[25]。芮重慶等[26]研究發(fā)現(xiàn),水稻粒厚主要受多基因控制且遺傳受環(huán)境影響比較大,母性效應(yīng)和加性效應(yīng)較顯著。徐辰武等[27]認(rèn)為長寬比的遺傳表達(dá)對稻米的外觀品質(zhì)有著很大的影響,適中的長寬比是優(yōu)質(zhì)稻米的表現(xiàn)之一,且長寬比主要以母體加性效應(yīng)為主。

粒型的研究已成為水稻遺傳學(xué)家和育種家的研究熱點(diǎn)。目前,已在水稻12條染色體上定位了400多個與粒型相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn),克隆了80多個粒型相關(guān)的基因,而在育種實(shí)踐中有利用價(jià)值的基因主要包括控制粒長性狀的GS3、qGL3、GW7/GL7、DEP1/qPE9等基因[28-32],控制粒寬性狀的GW2、GW5/qSW5、GS5等基因[33-35],以及GS6、TGW6、GW8/OsSPL16、BG2、GW6a/Os-glHAT1、OsGRF4/GS2/GL2等粒型基因[36-41]。

目前鑒定和克隆最多的是水稻粒長基因,GS3編碼一個非標(biāo)準(zhǔn)Gγ亞基,是水稻中首個被克隆的粒長和粒重的QTL,該基因負(fù)調(diào)控粒長和粒重[42]。Mao等[28]研究發(fā)現(xiàn),GS3編碼蛋白質(zhì)的OSR結(jié)構(gòu)域可以負(fù)向調(diào)節(jié)水稻籽粒的長度,導(dǎo)致短粒表型。另一類對粒長起調(diào)節(jié)作用的是qGL3,其編碼蛋白磷酸酶,在AVLDT基序中,由天冬氨酸向谷氨酸的轉(zhuǎn)變而導(dǎo)致長粒表型。GW7可以編碼TONNEAY 1,籽粒的長度和寬度與其基因表達(dá)量分別呈正負(fù)相關(guān)關(guān)系。GL7基因?qū)е伦蚜ｉL度的增加和外觀品質(zhì)的改善的原因是因?yàn)槠湮稽c(diǎn)上一個17.1 kb片段的串聯(lián)重復(fù)導(dǎo)致GL7的上調(diào)及其附近負(fù)調(diào)控因子的下調(diào)。由于GW7和GL7位于同一基因位點(diǎn),因此GW7/GL7可以共同調(diào)節(jié)粒長性狀[30-31]。DEP1/qPE9編碼另一個非標(biāo)準(zhǔn)Gγ亞基,是水稻穗型和粒型的主要QTL[43-44]。DEP1/qPE9-1主要通過促進(jìn)淀粉生物合成相關(guān)基因的表達(dá)來積極調(diào)節(jié)淀粉積累,從而延長灌漿過程的持續(xù)時(shí)間,最終影響粒型[43]。除GS3和DEP1外,G蛋白γ亞基還包括RGG1、RGG2和GGC2。籽粒長度由GGC2正向調(diào)節(jié),由RGG1和RGG2負(fù)向調(diào)節(jié)[45-49]。有報(bào)道稱RGG1參與調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂素含量,從而形成G蛋白細(xì)胞分裂素模塊來控制水稻粒型[50]。此外,遺傳分析表明,這些Gγ蛋白需要Gα(RGA1)和Gβ(RGB1)亞基來控制粒長[49]。最近的2項(xiàng)研究表明,UPP介導(dǎo)的籽粒尺寸調(diào)節(jié)涉及新的調(diào)節(jié)因子。一種是水稻3號染色體上DA1的同源物(HDR3),另一種是泛素相互作用基序(UIM)型活性泛素受體,可以與GW6a相互作用并穩(wěn)定GW6a,以減緩其降解,從而促進(jìn)細(xì)胞分裂并提高籽粒灌漿速率,最終正向調(diào)節(jié)粒長[51]。CLG1-1是一種E3泛素連接酶,可以泛素化和介導(dǎo)GS3的降解,從而改變G蛋白信號傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)粒長[52]。

GW2是一個控制水稻粒寬和粒重的主效QTL,Choi等[53]研究發(fā)現(xiàn),GW2主要對籽粒大小起負(fù)調(diào)節(jié)的作用。Lee等[54]研究發(fā)現(xiàn),GW2可以調(diào)控籽粒大小的原因是因?yàn)樗c參與碳水化合物代謝的蛋白質(zhì)直接相互作用。Tian等[55]研究發(fā)現(xiàn),GW5可以負(fù)向調(diào)節(jié)籽粒的大小。GS5位于第五號染色體,是一個控制粒寬、粒重和結(jié)實(shí)率的QTL,它可以促進(jìn)細(xì)胞分裂,從而通過影響細(xì)胞大小和數(shù)目來調(diào)節(jié)籽粒粒寬[56]。

堊白是一種不良的性狀,堊白度較高的稻米不僅外觀品質(zhì)差,而且也會影響稻米的食味品質(zhì)。目前已經(jīng)鑒定了大量與堊白相關(guān)的QTL和基因,主要包括:cyPPDK、G1F1、OsRab5a、Chalk5、PGC6.1、GSE5。Tan等[57]發(fā)現(xiàn),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(xiàn)率較大,他們發(fā)現(xiàn)控制堊白的位點(diǎn)可能存在23個,貢獻(xiàn)率在4.9%～87.2%。Kang等[58]克隆了cyPPDK,該基因會影響稻米籽粒胚乳灌漿,進(jìn)而改變籽粒的堊白度。Wang等[59]克隆了G1F1,該基因突變時(shí)會提高籽粒的堊白度,且會降低該基因突變后的水稻籽粒的直鏈淀粉含量。Han等[60]克隆了OsRab5a,該基因功能喪失會阻礙水稻籽粒的淀粉體的形成等,從而影響籽粒的堊白度。Li等[61]從2個秈稻品種H94(低堊白度和優(yōu)質(zhì))和珍汕97(高堊白度和優(yōu)質(zhì))之間的雜交中培育了1個雙單倍體群體。利用該群體在5號染色體上的兩個分子標(biāo)記RM593和RM574之間的區(qū)間內(nèi)精細(xì)定位到了1個主要的稻米堊白QTLChalk5,其編碼液泡型H(+)-轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸酶,具有無機(jī)焦磷酸酶水解和H(+)-轉(zhuǎn)運(yùn)活性,提高該基因表達(dá)將會使稻米胚乳中堊白增加。Misra等[62]通過全基因組關(guān)聯(lián)研究發(fā)現(xiàn)PGC6.1是一個影響低直鏈淀粉品種堊白度降低的QTL。GSE5為粒長顯性基因、粒寬和堊白半顯性基因,通過分子標(biāo)記輔助選擇,將與GSE5密切相關(guān)的DNA片段導(dǎo)入到珍汕97B(ZB)中,得到改良后的珍汕97B的堊白度較低[63]。

2.3 蒸煮與食味品質(zhì)的相關(guān)基因稻米的主要成分就是淀粉,它是一種半晶體顆粒,由兩種葡萄糖聚合物、直鏈淀粉、支鏈淀粉以及支鏈淀粉的精細(xì)結(jié)構(gòu)組成,可以說稻米品質(zhì)本質(zhì)上是由淀粉品質(zhì)決定的。

蠟質(zhì)基因(Wx基因)是控制AC的主效QTL,它位于水稻的第六號染色體上,編碼GBSSI催化合成直鏈淀粉。目前已報(bào)道了Wx的多個復(fù)等位基因,包括wx、Wxa、Wxb、Wxop、Wxin、Wxmp、Wxhp和Wxmq等[64-70]。其中,Wxa控制高AC的形成,一般AC>25%;Wxb控制下的稻米AC一般為15%～18%;含Wxin等位型的稻米AC一般為18%～22%;含Wxop和Wxmq等位型的水稻胚乳表現(xiàn)為不透明,AC一般<10%;而含Wxmp和Wxhp等位型的稻米AC一般也<10%。Zhang等[71]發(fā)現(xiàn),Wxlv是Wx的祖先等位型,該等位型的水稻的直鏈淀粉含量最高。Wxla/Wxmv可以用來改良出外觀品質(zhì)好且直鏈淀粉含量低的水稻新品種[72-73]。支鏈淀粉的合成由淀粉合成酶(soluble starch synthase,SS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)、淀粉脫支酶(debranching enzyme,DBE)等多種酶相互協(xié)作完成。其中SS主要負(fù)責(zé)支鏈淀粉鏈的延伸[74]。水稻共有8種同工型,包括SSI、SSII-1(SSIIc)、SSII-2(SSIIb)、SSII-3(SSIIa)、SSIII-1(SSIIIb)、SSIII-2(SSIIIa)、SSIV-1(SSIVa)、SSIV-2(SSIVb)[75]。在水稻胚乳中占胚乳SS總酶活90%的SSI、SSII-2和SSII-3是SS中的最主要研究對象,三者之間的氨基酸序列同源性大于50%,共享同一基序KXGGL,該基序構(gòu)成SSII的ADPG結(jié)合位點(diǎn)的一部分[76]。SSI約占SS胚乳總酶活的70%,主要負(fù)責(zé)支鏈淀粉短鏈(DP<12)的合成[77]。SSII-3也是定位于水稻的第六號染色體上。SSII-3中的關(guān)鍵氨基酸變異會影響其酶活性并導(dǎo)致糊化溫度的差異,加上其主要負(fù)責(zé)延伸支鏈淀粉的短支鏈(DP≤12),合成中等長度的支鏈(12≤DP≤24)[78],因此是控制糊化溫度(GT)的主效QTL。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。Tian等[79]研究得出,膠稠度主要由與Wx緊密連鎖的1個基因以及第2、第7染色體上的QTL共同控制[80-81]。

香稻在市場上普遍受到消費(fèi)者的歡迎,因此香味是衡量稻米食味品質(zhì)好壞的主要性狀之一。從19世紀(jì)開始,研究者們就致力于對于香味基因的定位工作。He等[82]發(fā)現(xiàn),控制水稻香味性狀的主基因(fgr)可以調(diào)控水稻香味主要成分2-乙酰-1-吡咯啉(2AP)的產(chǎn)生。之后Ziegler等[83]通過精細(xì)定位將香味基因定位在水稻第8號染色體的20 175 367～20 386 172 bp大約252 kb的區(qū)域內(nèi)。后來,Chen等[84]克隆了BADH2基因,該基因表達(dá)量降低,會導(dǎo)致水稻體內(nèi)2-乙酰-1-吡咯啉的積累而產(chǎn)生香味。BADH2-E7和BADH2-E2是BADH2的2個等位基因,其突變后使得水稻籽粒產(chǎn)生香味[85]。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn),香味品質(zhì)性狀屬于質(zhì)量-數(shù)量性狀遺傳,其除了受2對獨(dú)立遺傳的隱性基因控制外,還會受到微效多基因的調(diào)控[86]。Kovach等[87]研究發(fā)現(xiàn),Badh2香味基因有8種隱性等位基因,且Badh2.1是香稻中普遍存在的優(yōu)勢等位基因。

2.4 營養(yǎng)品質(zhì)的相關(guān)基因水稻的營養(yǎng)品質(zhì)主要受到自身遺傳因子的影響,另外環(huán)境條件、田間栽培措施和管理方式以及其他人為等因素也會影響水稻的營養(yǎng)品質(zhì)。稻米中營養(yǎng)品質(zhì)最重要的蛋白質(zhì)含量受多基因的調(diào)控,溫度、降水等環(huán)境因素對稻米的蛋白質(zhì)含量影響極大[88]。楠谷彰人[89]在蛋白質(zhì)的QTL定位和克隆研究中發(fā)現(xiàn)儲藏蛋白與稻米品質(zhì)密切相關(guān)。研究表明,參與調(diào)控種子儲藏蛋白的含量的轉(zhuǎn)錄因子有OsRISBZ1和OsRPBF[90];水稻中已鑒定了至少15個編碼谷蛋白的結(jié)構(gòu)基因,其與編碼稻米品質(zhì)的基因相關(guān)[91]。Wang等[92]研究發(fā)現(xiàn),OsRab5a突變后會影響谷蛋白從高爾基體向蛋白體的轉(zhuǎn)運(yùn),進(jìn)而影響稻米的營養(yǎng)品質(zhì)。谷蛋白和球蛋白的運(yùn)輸受OsSar1a、OsSar1b和OsSar1c共同調(diào)控,其突變后籽粒表現(xiàn)出相同的粉質(zhì)表型[93]。此外,Peng等[94]在研究中發(fā)現(xiàn),OsAPP6過量表達(dá)能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成,最終提高水稻的營養(yǎng)品質(zhì)。

另外,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[95]發(fā)現(xiàn),所有游離氨基酸和蛋白質(zhì)的含量會受到單個氨基酸含量的影響。Lu等[96]研究發(fā)現(xiàn),過表達(dá)OsAAP3基因的株系中賴氨酸、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Wang等[97]又發(fā)現(xiàn)過表達(dá)OsAAP5基因的株系中賴氨酸、精氨酸、纈氨酸、丙氨酸的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累量均高于野生型。OsAAP1、OsAAP6、OsAAP10 等基因在幼穗中表達(dá),它們可通過調(diào)控氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的活性來影響氨基酸含量。研究發(fā)現(xiàn),在過表達(dá)OsAAP1基因的株系中自由氨基酸含量增加,而RNAi和 CRISPR敲除株系的自由氨基酸含量反而下降[98]。轉(zhuǎn)qPC1/OsAAP6基因的陽性植株中丙氨酸、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植株則降低[94]。OsAAP10的基因功能缺失會導(dǎo)致氨基酸含量顯著下降[99]。Guo等[100]利用日本晴背景下的OsLHT1突變系發(fā)現(xiàn),OsLHT1基因?qū)I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。

3 展望

我國有14億人口,糧食安全問題是國之大計(jì)。我國育種家們致力于育成單產(chǎn)量較高的水稻品種,在一代又一代的育種家們不懈的努力下,水稻產(chǎn)量不斷提高,溫飽問題已經(jīng)不需擔(dān)心,對于稻米品質(zhì)的要求越來越高。不久的將來,人們會更青睞放心健康的優(yōu)質(zhì)稻米。因此,選育出人民滿意的、愿意消費(fèi)的、吃著放心、健康的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)稻米品種已經(jīng)成為育種家們的奮斗目標(biāo)。

雖然現(xiàn)在已經(jīng)定位和克隆了很多與稻米品質(zhì)相關(guān)的基因,并且對其功能進(jìn)行了深入的研究,但依舊存在很多問題。還有很多其他對稻米品質(zhì)有影響的基因沒有被發(fā)現(xiàn);基因與基因之間的互作機(jī)制還有待明晰;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)性狀也會有較大差異;對淀粉合成的遺傳調(diào)控機(jī)制還需完善;高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)常常會相互矛盾,需通過將分子育種與常規(guī)育種相結(jié)合的方式來平衡品質(zhì)和產(chǎn)量的關(guān)系;改良的品種往往抗性也需提高;另外品種改良推進(jìn)慢、科學(xué)種植水平低、收獲儲藏不規(guī)范、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行難、競爭秩序亂也是阻礙稻米品質(zhì)改良的因素。

盡管稻米品質(zhì)改良面臨諸多問題,但隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、國家政策的大力支持以及一代又一代的育種家們堅(jiān)持不懈的努力,將會有更多的稻米品質(zhì)相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)、更多優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的水稻品種被選育。