稻米品質(zhì)遺傳改良現(xiàn)狀及展望

陳宏法，胡時(shí)開，唐紹清，胡培松

中國(guó)水稻研究所國(guó)家水稻改良中心，浙江 杭州 311401

水稻是世界上主要糧食作物之一，是中國(guó)確?！翱诩Z絕對(duì)安全”的重要基礎(chǔ)。高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)是過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)水稻品種培育中永恒的主題，在確保糧食安全前提下，如何在品種選育中兼顧高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)特性，是現(xiàn)階段育種家重點(diǎn)關(guān)注的方向。稻米品質(zhì)內(nèi)涵隨著水稻育種技術(shù)不斷發(fā)展和市場(chǎng)需求的變化而不斷豐富，現(xiàn)階段品質(zhì)性狀主要包括外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、食味品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)、安全品質(zhì)等，是受遺傳與環(huán)境因素共同調(diào)控的復(fù)雜性狀。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)水稻育種及品種審定過(guò)程中以高產(chǎn)、抗病蟲等重要農(nóng)藝性狀為目標(biāo)導(dǎo)向，導(dǎo)致稻米品質(zhì)相關(guān)研究相對(duì)滯后。外觀品質(zhì)在過(guò)去高產(chǎn)品種中被部分育種家所兼顧，但食味品質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)安全品質(zhì)等性狀因鑒定方法等限制，未被高效地推進(jìn)。對(duì)消費(fèi)者而言，優(yōu)質(zhì)大米最直觀的體現(xiàn)是大米外觀品質(zhì)和食味品質(zhì)，也是當(dāng)前決定稻米市場(chǎng)價(jià)值的主要因素。目前，市場(chǎng)上長(zhǎng)粒香型優(yōu)質(zhì)食味大米需求不斷增加，其價(jià)格往往比普通大米價(jià)格高出幾倍。加工品質(zhì)是大米生產(chǎn)加工企業(yè)最看重的品質(zhì)之一，品種的出米率(精米率)直接決定了企業(yè)效益。因此，在高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，要不斷提升稻米的綜合品質(zhì)，以支撐稻米產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

為此，筆者綜述了稻米品質(zhì)研究進(jìn)展和遺傳改良現(xiàn)狀，對(duì)分子標(biāo)記輔助選擇、基因編輯技術(shù)在稻米品質(zhì)改良中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)稻米品質(zhì)未來(lái)研究方向進(jìn)行了展望，以期為稻米品質(zhì)遺傳改良以及優(yōu)質(zhì)稻品種培育提供參考。

1 稻米品質(zhì)的遺傳

1.1 稻米外觀品質(zhì)遺傳

稻米外觀品質(zhì)是稻米品質(zhì)最直觀的體現(xiàn)，是決定稻米價(jià)格和用途的重要因素。稻米外觀品質(zhì)與稻米其他品質(zhì)性狀如加工、蒸煮食味等密切相關(guān)［1-2］。在我國(guó)南方地區(qū)，米粒細(xì)長(zhǎng)、無(wú)堊白、透明度高的稻米往往更易得到消費(fèi)者的認(rèn)可，而北方地區(qū)一般喜歡短圓粒、無(wú)堊白、透明度高的稻米。稻米粒型主要由粒型相關(guān)基因決定，在水稻中已克隆出幾十個(gè)粒型基因，在12條染色體上均有分布［3］。目前已發(fā)現(xiàn)的粒型基因涉及到的調(diào)控途徑主要有G-蛋白信號(hào)途徑、MAPK信號(hào)途徑、泛素蛋白酶途徑、激素途徑以及表觀修飾作用。每種途徑調(diào)控方式并不是獨(dú)立存在的，而是存在一定相互作用。如異三聚體G蛋白α亞基基因D1，該基因突變后會(huì)導(dǎo)致植株矮小并且伴隨籽粒變小，但同時(shí)表現(xiàn)為對(duì)油菜素內(nèi)酯(BR)處理敏感度降低，表明該途徑調(diào)控籽粒大小也與BR信號(hào)傳導(dǎo)有關(guān)［4］。Epi-d1突變體表現(xiàn)為不穩(wěn)定的矮稈小粒，后續(xù)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該性狀是由于D1基因發(fā)生表觀修飾引起，并且這種表觀修飾是雙向可變的［5］。

在眾多已克隆的粒型基因中有部分基因存在一因多效性，并不能特異調(diào)控籽粒大小。如參與BR合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的D2、D61、SDG725、SMG1、OsBSK3、XIAO等，這些基因的突變?cè)趯?dǎo)致籽粒變小的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致株型的較大改變。因此，上述基因很難在育種中直接發(fā)揮改良作用［6-16］。目前在育種過(guò)程中可潛在利用的基因主要為GS3、GL3.1、GL7/GW7、GW2、GW5等［17-25］。GS3是控制水稻粒重和粒長(zhǎng)的主效QTL，為調(diào)控籽粒粒長(zhǎng)的負(fù)調(diào)控因子，其編碼異三聚體G蛋白γ亞基，研究人員通過(guò)利用大粒品種‘明恢63’和小粒親本‘川7’進(jìn)行連續(xù)回交，利用近等基因系，最終定位到GS3基因。GS3基因包含4個(gè)結(jié)構(gòu)域，分別是N 端的OSR結(jié)構(gòu)域、跨膜區(qū)、TNFR/NGFR富半胱氨酸結(jié)構(gòu)域和C端的VWFC結(jié)構(gòu)域。OSR結(jié)構(gòu)是GS3發(fā)揮功能最重要的區(qū)域，該位置的突變會(huì)導(dǎo)致形成較長(zhǎng)的籽粒。C端VWFC功能域的缺失則會(huì)導(dǎo)致極短籽粒的形成，其他部位的缺失則會(huì)產(chǎn)生中長(zhǎng)粒的表型。在‘明恢63’中正是因?yàn)榈诙怙@子的突變導(dǎo)致翻譯提前終止，破壞了OSR結(jié)構(gòu)域從而使其表現(xiàn)為長(zhǎng)粒型［17-18］。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)GS3與DEP1或GGC2競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合G蛋白β亞基RGB1和α亞基RGA1，從而縮短粒長(zhǎng)［19］。GL3.1是控制粒長(zhǎng)、粒重和產(chǎn)量的一個(gè)主效QTL位點(diǎn)，編碼一個(gè)屬于PPKL家族的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，大粒品種中WY3-GL3.1通過(guò)對(duì)籽粒中蛋白質(zhì)進(jìn)行磷酸化從而加速小穗中細(xì)胞分裂使籽粒變長(zhǎng)，粒重加大［20］。GL7/GW7控制粒長(zhǎng)和粒寬的基因，研究人員利用秈稻細(xì)長(zhǎng)粒品種‘P13’和‘日本晴’構(gòu)建F2群體，其中GL7/GW7就在控制籽粒粒長(zhǎng)的5個(gè)主效QTL中，GL7/GW7編碼與擬南芥同源的LONGIFOLIA蛋白，該蛋白可以調(diào)控細(xì)胞縱向伸長(zhǎng)?！毡厩纭尘暗慕然蛳底蚜Ｒ脖憩F(xiàn)為較‘日本晴’細(xì)長(zhǎng)。同時(shí)分別在粳稻品種‘日本晴’和秈稻品種‘浙輻802’中過(guò)表達(dá)GL7/GW7，在‘日本晴’2個(gè)獨(dú)立過(guò)表達(dá)系中籽粒粒長(zhǎng)增加幅度約為10%，而‘浙輻802’中籽粒粒長(zhǎng)增加達(dá)21%［21］。GW2基因與擬南芥中DA2同源，主要調(diào)控籽粒粒寬。GW2主要通過(guò)蛋白酶體對(duì)其底物進(jìn)行降解，從而負(fù)調(diào)控細(xì)胞分裂，該基因突變后導(dǎo)致穎殼外側(cè)細(xì)胞數(shù)目的增加，并且有加速灌漿的作用，從而使籽粒粒寬增加，粒重增大［22-23］。GW5編碼鈣調(diào)素結(jié)合蛋白，是一個(gè)控制粒寬和粒重的主效基因，對(duì)粒寬有負(fù)調(diào)控作用，在自然品種中并不是由于其編碼區(qū)發(fā)生變化從而影響籽粒粒寬，而是由于不同品種啟動(dòng)子區(qū)域存在多態(tài)造成的結(jié)果。大多數(shù)粳稻在其啟動(dòng)子包含1.2 kb InDel 使其表現(xiàn)為寬粒表型，而少數(shù)的寬粒秈稻啟動(dòng)子存在2個(gè)突變分別是950 bp的缺失和367 bp的插入，同時(shí)GW5基因的第一個(gè)外顯子有G到A的替換，而在窄粒秈稻中并不存在序列的缺失和變化［24-25］。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷突破，相信未來(lái)科研工作者們定會(huì)挖掘出更多新的粒型相關(guān)基因及優(yōu)異等位變異，為稻米粒型改良提供寶貴的基因資源。

稻米外觀品質(zhì)受堊白程度的影響，堊白粒率和堊白度較高的稻米外觀品質(zhì)差，很難具有較高的商品價(jià)值。由于堊白在稻米中存在的位置不同，將帶有堊白的稻米分為腹白、心白、背白、粉質(zhì)等［26］。堊白遺傳機(jī)制十分復(fù)雜，不但受胚乳效應(yīng)和母體效應(yīng)的影響，還可能受細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)甚至細(xì)胞質(zhì)基因型的影響［27］。當(dāng)前針對(duì)堊白機(jī)理的研究主要通過(guò)QTL群體定位，以及圖位克隆來(lái)進(jìn)行。LI等［28］通過(guò)V20A×Glaberrima BC3F1群體在12號(hào)染色體上定位到qPGWC-12，該位點(diǎn)在RM5568-RM453之間，對(duì)堊白度具有較大的貢獻(xiàn)率。YANG等［29］利用單片段代換系鑒定出qPGC8.1和qPGC8.2且這2個(gè)位點(diǎn)不受高溫影響。ZHOU等［30］使用‘培矮64’和‘9311’的染色體片段代換系C51與‘9311’回交，通過(guò)構(gòu)建次級(jí)分離群體，將qPGWC-7精細(xì)定位到44 kb的區(qū)間，區(qū)域內(nèi)包含13個(gè)基因。SUN等［31］利用‘ZS97’背景的‘日本晴’染色體代換系以堊白度和堊白粒率進(jìn)行定位，結(jié)果定到10個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)區(qū)域，其中8號(hào)染色體上的堊白粒率位點(diǎn)qPGC8-2解釋了堊白粒率3.3%的變異。Chalk5基因是最先被克隆的堊白基因，其編碼一個(gè)H+易位焦磷酸酶(V-PPase)，該酶具有無(wú)機(jī)焦磷酸酶(PPi)水解和H+易位活性。當(dāng)其表達(dá)量升高時(shí)會(huì)引起內(nèi)膜系統(tǒng)pH的穩(wěn)態(tài)紊亂，導(dǎo)致蛋白前提生物合成受到影響，從而導(dǎo)致籽粒中淀粉粒排列不緊密形成空隙［32］。粉質(zhì)是堊白的極端體現(xiàn)，是研究稻米堊白性狀的重要材料。目前已克隆出一系列FLO類基因。FLO2基因在發(fā)育的種子中大量表達(dá)，通過(guò)調(diào)控籽粒中的貯藏物質(zhì)積累從而影響籽粒大小和稻米品質(zhì)，該基因突變后籽粒變小，嚴(yán)重粉質(zhì)［33］。丙酮酸磷酸雙激酶基因OsPPDKB位于5號(hào)染色體上，是水稻灌漿過(guò)程中，淀粉和脂肪生物合成時(shí)碳流通的重要調(diào)節(jié)因子，其T-DNA插入突變體籽粒表現(xiàn)為內(nèi)部粉質(zhì)心白而外部胚乳透明的狀況，并且伴隨籽粒粒重下降［34］。flo5突變體是由可溶性淀粉合酶Ⅲ基因(OsSSIIIa)突變后引起的，該酶在水稻淀粉合成中扮演重要角色，突變后導(dǎo)致支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布發(fā)生變化，淀粉顆粒變小，籽粒中心粉質(zhì)或全部粉質(zhì)［35］。

1.2 稻米蒸煮食味品質(zhì)遺傳

食味品質(zhì)是稻米品質(zhì)的最重要組成部分，是體現(xiàn)稻米市場(chǎng)價(jià)值的重要指標(biāo)之一。由于淀粉在稻米中占比最多，因此稻米食味蒸煮品質(zhì)與淀粉的組成及結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。通常人們對(duì)米飯的感官評(píng)鑒會(huì)夾帶個(gè)人的主觀感受，為此國(guó)家制定了相關(guān)的稻米理化性質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以直鏈淀粉含量(amylose content，AC)、膠稠度(gel consistency，GC)、糊化溫度(gelatinization temperature，GT)作為3個(gè)經(jīng)典的評(píng)價(jià)指標(biāo)［36］，其中AC是影響稻米食味品質(zhì)的最主要因素［37］。

Wx是直鏈淀粉合成的主要基因并編碼GBSS1，攜帶不同Wx等位基因型的品種一般具有不同的直鏈淀粉含量。截至目前在自然界中至少有10種Wx等位基因型已被報(bào)道［38］。Wxa是一種高直鏈淀粉的等位基因型，一般存在秈稻中，其直鏈淀粉含量一般高于25%，最高可到30%以上。在Wxa等位基因型的基礎(chǔ)上第一內(nèi)含子5’UTR第一個(gè)堿基由G變?yōu)門，導(dǎo)致Wx基因3.3 kb RNA前體剪切效率降低，減少了GBSSI的含量，從而減少了直鏈淀粉的合成，含有Wxa等位基因型的水稻品種一般米飯食味口感偏硬。Wxb的等位基因直鏈淀粉含量在一般在18%到20%之間，為中等直鏈淀粉含量。除了以上常見的Wx等位基因型外，還有一些稀有的等位基因型存在，這些稀有的等位基因型存在極大地豐富了稻米直鏈淀粉含量的分布，造就了不同口感的稻米品種［38］。Wx的等位基因還有Wxin、Wxop、Wxhp、Wxmq、Wxmp、Wxmw、Wxlv［39-44］等。近些年針對(duì)Wx的不同等位基因進(jìn)行了細(xì)致的工作，發(fā)現(xiàn)存在地方品種的Wxmw直鏈淀粉含量在12%～14%之間，其食味品質(zhì)與Wxmp相仿，但Wxmw的稻米外觀更加透明、更好［43］。此外還發(fā)現(xiàn)了高直鏈淀粉、低粘滯性的Wx等位基因Wxlv，并且通過(guò)進(jìn)化分析發(fā)現(xiàn)，該等位基因是Wx的祖先基因，其他等位基因都是在此基因型基礎(chǔ)上進(jìn)化過(guò)來(lái)［44］。

膠稠度是指米糊在水平光滑試管中自由流淌，待冷卻凝固后管底到最大延伸處的距離。代表了稻米的軟硬程度，一般分為3個(gè)級(jí)別，分別是軟(>60 mm)、中(41～60 mm)、硬(<40 mm)。SU等［45］利用DH群體在在6號(hào)染色體上鑒定了一個(gè)影響膠稠度的主效QTL(qGC-6)，最后精細(xì)定位到11 kb的區(qū)間里，序列分析和互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)均證明該位點(diǎn)所在基因?yàn)閃x，該結(jié)果證實(shí)Wx不僅影響稻米直鏈淀粉含量，還對(duì)膠稠度的長(zhǎng)短有較大的貢獻(xiàn)效應(yīng)。

糊化溫度是稻米淀粉在加熱條件下溶脹、失去結(jié)晶性形成均勻糊狀溶液的溫度。研究發(fā)現(xiàn)ALK是控制糊化溫度的主效基因，編碼淀粉合酶Ⅱ(OsSSⅡa)。當(dāng)ALK突變后，淀粉合成酶活性發(fā)生變化，通過(guò)影響支鏈淀粉的中等長(zhǎng)度分支鏈的合成，導(dǎo)致淀粉晶體結(jié)構(gòu)改變，最終表現(xiàn)為糊化溫度發(fā)生改變［46］。酵母雙雜實(shí)驗(yàn)印證了SSⅡa與SSⅢa存在互作關(guān)系，兩者的雙突植株表現(xiàn)為更嚴(yán)重的堊白表型，同時(shí)伴隨著糊化溫度升高、直鏈淀粉含量增加、粘度降低等現(xiàn)象［47］。環(huán)境因素特別是灌漿期的溫度，可以影響SSⅡa基因的表達(dá)，進(jìn)而影響支鏈淀粉鏈長(zhǎng)分布。

除AC、GC和GT對(duì)稻米食味品質(zhì)的影響，稻米香味的有無(wú)也會(huì)影響稻米的食味品質(zhì)。1983年BUTTERY首次發(fā)現(xiàn)2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)是形成香味的最重要化合物［48］，已有研究發(fā)現(xiàn)BADH2是控制稻米香味的主效基因，其發(fā)揮正常功能時(shí)可以將γ-氨基丁醛(GABald)轉(zhuǎn)化為γ-氨基丁酸(GABA)，而當(dāng)BADH2基因功能缺失后γ-氨基丁醛主要轉(zhuǎn)化為2-AP的前體物質(zhì)，從而導(dǎo)致香味的形成或增加。

1.3 稻米加工品質(zhì)遺傳

稻米的加工品質(zhì)是指稻谷從收獲到最終在市場(chǎng)面向消費(fèi)者所經(jīng)歷的去殼、除糙、拋光等一系列過(guò)程。稻米加工品質(zhì)相關(guān)性狀主要包括糙米率、精米率以及整精米率。針對(duì)稻米加工品質(zhì)的研究目前基本上都是基于群體的QTL定位。在21世紀(jì)初期，TAN等［49］利用‘珍汕97B’和‘明恢63’構(gòu)建的重組自交系進(jìn)行QTL定位，分別定位到了1個(gè)整精米率、2個(gè)精米率和1個(gè)糙米率的位點(diǎn)。梅捍衛(wèi)等［50］利用‘特青’和‘Lemont’的重組自交系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1個(gè)位于第12號(hào)染色體上控制精米率的位點(diǎn)，4個(gè)分別位于第2、4、6、7染色體影響整精米率的位點(diǎn)。劉家富等［51］使用120個(gè)元江野生稻滲入系定位到3個(gè)糙米率位點(diǎn)，以及1個(gè)整精米率的位點(diǎn)。其中，整精米率的位點(diǎn)qPHR1與糙米率位點(diǎn)qPBR1在同一區(qū)域，整精米率位點(diǎn)的貢獻(xiàn)率13% 左右，效應(yīng)方來(lái)自元江野生稻。翁建峰等［52］通過(guò)‘Asominori’和‘IR24’的片段代換系，在4個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到30個(gè)與稻米加工品質(zhì)相關(guān)的QTL，其中糙米率相關(guān)位點(diǎn)10個(gè)，精米率相關(guān)位點(diǎn)14個(gè)，整精米率相關(guān)位點(diǎn)6個(gè)，其中qHR-3位點(diǎn)與TAN在3號(hào)染色體的整精米率位點(diǎn)一致，qMR-6與qMR-8在4個(gè)環(huán)境中均可以被檢測(cè)出來(lái)。前面提到控制堊白主效基因Chalk5也與稻米整精米率相關(guān)，由于淀粉粒排列不緊密，從而造成米粒硬度下降，使用機(jī)器對(duì)稻米打磨時(shí)易造成米粒斷裂，從而導(dǎo)致整精米率降低，一些堊白度高和堊白粒率多的稻米也會(huì)出現(xiàn)相似的情況。

1.4 稻米營(yíng)養(yǎng)安全品質(zhì)遺傳

水稻作為人們?nèi)粘５闹魇常丝梢詾槿祟愄峁┏渥闾妓衔锿?，還包括蛋白質(zhì)、脂類、氨基酸、礦物質(zhì)等。蛋白質(zhì)是種子中第二大貯藏物質(zhì)，約占種子干重的8%～10%。根據(jù)功能不同，可以將稻米胚乳中的蛋白質(zhì)分成2類。第1類是維持細(xì)胞正常代謝的貯藏蛋白，第2類是儲(chǔ)藏物質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白［53］。稻米中蛋白質(zhì)主要為貯藏蛋白，結(jié)構(gòu)蛋白總量極少。生產(chǎn)上所指的蛋白質(zhì)一般是貯藏蛋白。貯藏蛋白包括谷蛋白、醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白，在精米中谷蛋白的含量最高，谷蛋白中賴氨酸含量豐富，易被人體吸收，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值［54］。優(yōu)良食味水稻品種通常具有較低的蛋白含量［55］。低蛋白稻米因其具有特殊的功效而受到特殊人群的喜愛(ài)，對(duì)于糖尿病和腎病患者，食用低蛋白稻米，可以減少其腎臟負(fù)擔(dān)，達(dá)到醫(yī)療保健效果［56-57］。

目前已經(jīng)克隆出一批與稻米蛋白含量相關(guān)的基因。PENG等［58］首先通過(guò)粳稻品種‘Nanyangzhan’和秈稻品種‘珍汕 97’的190份重組自交系，鑒定到了一個(gè)與蛋白含量相關(guān)的主效QTL并命名為qPC1，隨后對(duì)其精細(xì)定位發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)對(duì)應(yīng)OsAAP6基因。OsAAP6能夠正向調(diào)控籽粒中的蛋白含量，可以通過(guò)增強(qiáng)根系對(duì)氨基酸的吸收，從而提高稻米蛋白含量。WANG等［59］獲得了一個(gè)水稻谷蛋白突變體，該突變體表現(xiàn)為具有更多的57 ku谷蛋白前體積累，隨后對(duì)其定位發(fā)現(xiàn)該基因編碼一個(gè)半胱氨酸蛋白酶，并將其命名為OsVPE1。該基因第269位半胱氨酸變?yōu)楦拾彼釓亩鴮?dǎo)致酶活喪失，導(dǎo)致蛋白加工成熟過(guò)程異常，最終導(dǎo)致成熟蛋白降低。YANG等［60］通過(guò)‘Sasanishiki’和‘Habataki’的片段代換系SL431與‘Sasanishiki’雜交，最后成功定位到OsGluA2基因，發(fā)現(xiàn)OsGluA2可以正向調(diào)節(jié)籽粒中貯藏蛋白含量，尤其是谷蛋白含量。并且啟動(dòng)子區(qū)域的一個(gè)SNP影響了OsGluA2基因的表達(dá)，可以較好地解釋秈粳之間貯藏蛋白含量的差異。除此以外OsSar1、GZF1、GPA3、OsRab5a、OsNHX5等發(fā)生突變都會(huì)對(duì)籽粒中蛋白含量造成一定影響［61-65］。通過(guò)調(diào)控影響種子中貯藏蛋白含量的基因來(lái)改良稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)成為越來(lái)越有效的方法，此外，稻米蛋白含量與稻米食味品質(zhì)或口感存在一定相關(guān)性。

稻米主要成分為淀粉，其內(nèi)部脂肪酸含量較少且分布不均。脂肪酸在胚乳中雖然占比不高，但對(duì)稻米的食味同樣具有較大影響。適度的提高稻米中脂肪酸的含量有利于提高米粒的光澤程度與米飯口感，并且稻米中的脂肪酸多為不飽和脂肪酸，具有良好的營(yíng)養(yǎng)保健功能［66-68］。 KANG等［69］通過(guò)‘Milyan923’與‘Gihibyeo’的重組自交系群體報(bào)道了一個(gè)位于7號(hào)染色體的控制粗脂肪的QTL位點(diǎn)。隨后吳長(zhǎng)明等［70］利用‘Asominori’和‘IR24’的重組自交系檢測(cè)到一個(gè)位于10號(hào)染色體的控制粗脂肪的位點(diǎn)，該位點(diǎn)貢獻(xiàn)率為19%，且等位基因效應(yīng)來(lái)自‘Asominori’。于永紅等［71］利用‘密陽(yáng)46’與‘協(xié)青早B’的重組自交系群體檢測(cè)到qLc-3、qLc-5、qLc-6和qLc-8共4個(gè)控制脂肪含量的QTL位點(diǎn)，分別位于3、5、6、8號(hào)染色體上，其中qLc-5的效應(yīng)最大，貢獻(xiàn)率達(dá)12.0%。目前針對(duì)稻米脂質(zhì)的QTL定位多處于粗定位或功能標(biāo)記開發(fā)階段，這可能是由于稻米脂肪酸含量較低和檢測(cè)方法效率不高所導(dǎo)致，也為脂肪酸功能基因的挖掘工作增添了一定難度。當(dāng)前已經(jīng)克隆的水稻脂類合成基因主要為脂肪酸去飽和酶(FAD)類、參與超長(zhǎng)鏈脂肪酸(VLCFA)合成酶類以及脂肪酸代謝過(guò)程中的關(guān)鍵酶［72-78］。在水稻中OsFAD3是第一個(gè)被克隆的與脂肪酸合成相關(guān)的基因，它編碼ω-3脂肪酸去飽和酶可以催化亞油酸向α-亞麻酸轉(zhuǎn)化，同時(shí)其表達(dá)水平受低溫誘導(dǎo)［72］。隨后LIU等［73］通過(guò)用胚乳特異啟動(dòng)子GluC和Ubi-1啟動(dòng)子驅(qū)動(dòng)FAD3基因籽粒中高表達(dá)使種子中α-亞麻酸由0.36 mg/g提升到 10.06 mg/g，再次證明了該基因的功能并成功創(chuàng)制了高α-亞麻酸稻米。

稻米中適量有益礦質(zhì)元素也是稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的重要體現(xiàn)。礦質(zhì)元素在體內(nèi)需求量不高，但卻是人體構(gòu)成不可或缺的部分。有研究指出人體所需的礦質(zhì)元素至少有22種，然而這些元素并不能在人體合成而是要通過(guò)合理膳食來(lái)獲?。?9］。例如，F(xiàn)e是人體內(nèi)含量最高的微量元素，參與血紅蛋白的形成促進(jìn)造血，人體缺鐵不但會(huì)造成貧血還會(huì)增加母嬰死亡率，降低嬰兒智力發(fā)育［80］。鋅是人體必需的微量元素，是人體多種生物酶的活性基團(tuán)，在體內(nèi)起到極其重要的生理功能［81］。硒具有預(yù)防心血管疾病、防止衰老、抗癌，解除人體重金屬毒性等功效［82］。水稻中已有大量和籽粒中鐵、鋅、硒含量相關(guān)的QTL被鑒定出來(lái)［83-84］，CALAYUGAN等［83］通過(guò)利用IR05F102與 IR69428雙單倍體群體鑒定出了6個(gè)和離子含量相關(guān)的QTL位點(diǎn)，其中2個(gè)和鐵含量相關(guān)的位點(diǎn)qFe9.1和qFe12.1分別在6號(hào)和12號(hào)染色體上，來(lái)源于親本‘IR69428’。4個(gè)和鋅含量相關(guān)的位點(diǎn)qZn1.1、qZn5.1、qZn9.1、qZn12.1，分別位于1、5、9和12號(hào)染色體上，其中，qZn12.1的效應(yīng)最高，解釋15.26%的表型變異。NORTON等［84］通過(guò)‘Bala’和‘Azucena’重組自交系群體，當(dāng)以葉片為檢測(cè)組織時(shí)候可定位到3個(gè)鐵元素相關(guān)的位點(diǎn)，qFe1、qFe3、qFe6；1個(gè)鋅元素相關(guān)位點(diǎn)，qZn7；2個(gè)硒元素相關(guān)位點(diǎn)，qSe3和qSe7。而以籽粒為檢測(cè)組織時(shí)可檢測(cè)到與鐵元素相關(guān)的4個(gè)位點(diǎn)：qFe1、qFe3、qFe4、qFe7；鋅元素相關(guān)的4個(gè)位點(diǎn)：qZn6、qZn7、qZn10.1、qZn10.2；硒元素相關(guān)的6個(gè)位點(diǎn)：qSe1.1、qSe1.2、qSe3、qSe6、qSe7、qSe9。其中qFe1、qFe3、qZn7、qSe3、qSe7位點(diǎn)在2種組織部位中均可以檢測(cè)到。這些QTL的定位說(shuō)明礦物質(zhì)元素在水稻品種內(nèi)存在一定的遺傳差異，為后續(xù)的生物強(qiáng)化育種提供重要理論支撐與材料基礎(chǔ)。

相關(guān)研究已明確了部分影響種子中鐵含量的基因［85-87］。OsYSL15基因在缺鐵的情況下表達(dá)量增加，可將Fe3+的復(fù)合物吸附到根的外側(cè)細(xì)胞中。osysl15表現(xiàn)為種子中鐵含量下降，過(guò)表達(dá)則會(huì)導(dǎo)致種子中鐵含量增加［85-86］。煙草胺是一種重要的金屬螯合劑，由3個(gè)S-腺苷甲硫氨酸分子通過(guò)煙草胺合酶合成。在擬南芥中4個(gè)煙草胺合酶基因已被證明對(duì)鐵的分布存在作用。水稻中有3個(gè)基因編碼煙草胺合酶基因，分別是OsNAS1，OsNAS2和OsNAS3。其中，已有實(shí)驗(yàn)表明OsNAS3突變后會(huì)導(dǎo)致劍葉和種子中的鐵含量降低，過(guò)表達(dá)則表現(xiàn)出相反的結(jié)果［87-89］。水稻鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族基因OsVIT1 和OsVIT2可以將鐵儲(chǔ)存在劍葉的液泡中，減少鐵元素通過(guò)韌皮部向種子中轉(zhuǎn)移。敲除突變體表現(xiàn)為液泡中鐵含量降低，種子中鐵含量增加［90］。此外，OsYSL2、OsYSL9、OsHRZ1、OsHRZ2、OsIRT1、OsFRDL1、OsVMT/OsZIFL12等均直接或間接對(duì)籽粒中鐵含量具有調(diào)控作用［91-96］。在關(guān)注籽粒中有益礦物質(zhì)元素積累的同時(shí)，也要警惕稻米中重金屬元素的富集。稻米中砷、鎘、鉛、汞元素的超標(biāo)已成為威脅糧食安全的又一大課題，如何培育出健康安全營(yíng)養(yǎng)的稻米成為科學(xué)家和育種工作者追尋的新目標(biāo)。OsNRAMP5基因是目前水稻鎘吸收的最主效基因，當(dāng)其發(fā)生突變時(shí)會(huì)降低鎘元素進(jìn)入植株體內(nèi)，導(dǎo)致籽粒中鎘含量的極顯著降低，且不影響農(nóng)藝性狀［97-98］。OsASTOL1基因的第566位堿基G突變?yōu)锳導(dǎo)致絲氨酸突變?yōu)樘於０窂亩怪参镌鰪?qiáng)對(duì)硫、硒的同化，同時(shí)減少砷在稻米中的積累［99］。

2 環(huán)境因素對(duì)稻米品質(zhì)的影響

稻米品質(zhì)的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，是品種遺傳特性、環(huán)境生態(tài)條件、栽培技術(shù)等共同作用的結(jié)果，是基因與環(huán)境共同作用的結(jié)果。

2.1 溫度

溫度對(duì)稻米品質(zhì)影響主要在稻米品質(zhì)形成的關(guān)鍵時(shí)期即抽穗至灌漿期間。沈泓等［100］通過(guò)對(duì)稻米灌漿期不同時(shí)段高溫對(duì)稻米淀粉理化特性的影響分析，發(fā)現(xiàn)灌漿前段高溫(齊穗1～15 d)對(duì)稻米淀粉的損害程度大于灌漿后段，會(huì)導(dǎo)致糙米率、精米率、整精米率顯著性下降，堊白粒率和堊白度顯著升高，加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)變差，食味品質(zhì)明顯下降。朱碧巖等［101］也認(rèn)為灌漿結(jié)實(shí)期溫度對(duì)堊白的影響存在時(shí)段效應(yīng)，水稻抽穗后20 d內(nèi)溫度對(duì)堊白的影響最大。高溫會(huì)加快灌漿進(jìn)程，影響光合產(chǎn)物的積累運(yùn)輸，使堊白率升高，進(jìn)而導(dǎo)致稻米外觀品質(zhì)變差。

2.2 氮肥

增施氮肥一定程度上會(huì)促進(jìn)水稻產(chǎn)量的提高，但不利于對(duì)稻米品質(zhì)的改善。蒙秀菲等［102］認(rèn)為，只有后期追施氮肥才能改善米質(zhì)，而又不降低產(chǎn)量。張三元等［103］研究發(fā)現(xiàn)，氮肥后移的比重加大使得稻米的糙米率、精米率、蛋白質(zhì)的含量以及膠稠度提高，堊白率和直鏈淀粉含量下降，而直鏈淀粉含量與米飯的粘性、柔軟性、光澤度等食味品質(zhì)有密切關(guān)系［104］。因此，氮肥的施用總量不變或減少，氮肥施用由生育前期向中后期轉(zhuǎn)移，可促進(jìn)米質(zhì)的改善。

2.3 水分對(duì)稻米品質(zhì)的影響

土壤水分含量對(duì)稻米品質(zhì)的具有重要影響。土壤中水分減少，會(huì)使糙米中的蛋白質(zhì)含量提高，灰分含量降低。鄭家國(guó)等［105］研究指出，灌漿期間隨著大田排水時(shí)間推遲，稻米的灌漿程度隨之提高，糙米率、精米率、整精米率等指標(biāo)逐漸增加，堊白度、堊白率逐漸降低，加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)都有較好表現(xiàn)。熊若愚等［106］通過(guò)對(duì)‘泰優(yōu)871’與‘榮優(yōu)華占’進(jìn)行常規(guī)灌溉(CK)、間歇灌溉(AWD)和持續(xù)淹水灌溉(CFI)等處理發(fā)現(xiàn)，間歇灌溉方式提高了稻米的加工與食味品質(zhì)，但不利于外觀品質(zhì)的改良。而持續(xù)淹水灌溉方式則有利于改善稻外觀品質(zhì)。此外，栽培方式、CO2的濃度、病蟲草害、收獲時(shí)間等均會(huì)對(duì)稻米品質(zhì)的形成造成一定影響［107-110］。

除上述環(huán)境因素外，品種種植的海拔高度(涉及光、溫協(xié)同)、種植密度、土壤結(jié)構(gòu)成分等對(duì)稻米品質(zhì)尤其是食味品質(zhì)具有決定性作用。同一品種在不同區(qū)域種植，稻米品質(zhì)表現(xiàn)出的顯著性差異，也證明了環(huán)境因素對(duì)稻米品質(zhì)形成的重要性。

3 稻米品質(zhì)的育種改良技術(shù)

3.1 分子標(biāo)記輔助選擇改良稻米品質(zhì)

分子標(biāo)記輔助選擇可以在分子水平對(duì)目的性狀連鎖的基因進(jìn)行直接選擇，具有高效、準(zhǔn)確、易操作的特點(diǎn)，大大縮短育種周期與育種成本。目前分子標(biāo)記廣泛運(yùn)用于品種改良與新品種選育過(guò)程中［44, 111-114］。ZHANG等［43］根據(jù)Wxmw第6外顯子A/C處堿基差異開發(fā)了SNP分子標(biāo)記，經(jīng)過(guò)回交篩選成功將Wxmw等位基因型導(dǎo)入到粳稻品種‘2261’中，改良后品種稻米具有更好的透明性，直鏈淀粉含量降低、膠稠度增加，RVA譜分析顯示其具有較高的崩解值，同時(shí)具有較低的回生值，食味品質(zhì)更優(yōu)。CHEN等［115］通過(guò)以‘Kanto 194’為供體親本將抗性基因Stv-bi和低直鏈淀粉基因Wxmq成功導(dǎo)入到‘武育粳3’中，最終成功獲得了改良后的株系K01和K04，條紋葉枯病抗性和食味品質(zhì)得到顯著提升。YI等［112］以‘Basmati370’為較低直鏈淀粉和香味基因供體，通過(guò)MAS成功將高直鏈淀粉、無(wú)香味的緬甸品種‘Manawthukha’改良為優(yōu)質(zhì)的香稻品種，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民增收獲益。QAMAR等［113］首先通過(guò)輻射誘變成功創(chuàng)造了低植酸突變材料Lpa5、Lpa9和Lpa59，隨后將突變體與‘Basmati370’進(jìn)行回交并結(jié)合MAS技術(shù)，成功選育出高產(chǎn)、低植酸的香稻材料。JIANG等［114］發(fā)現(xiàn)5號(hào)染色體上RM598-RM169-RM289對(duì)粒型和堊白具有較大影響，隨后以此開發(fā)標(biāo)記對(duì)‘珍汕97B’和‘珍汕97A’進(jìn)行分子標(biāo)記輔助改良，最后成功改良了2個(gè)品種的外觀品質(zhì)，改良后的‘珍汕97B’籽粒粒長(zhǎng)極顯著增加、粒寬極顯著下降，堊白明顯減少。

3.2 基因編輯改良稻米品質(zhì)

近些年以CRISPR/Cas9為首的基因編輯技術(shù)得到極大的發(fā)展，通過(guò)CRISPR/Cas9來(lái)定向改良稻米品質(zhì)成為可能。ZENG等［116］首先通過(guò)CRISPR/Cas9在Wxa背景下對(duì)其啟動(dòng)子和5’UTR內(nèi)含子編輯達(dá)到了定量調(diào)控直鏈淀粉的作用。通過(guò)對(duì)高直鏈淀粉品種‘天豐B’(直鏈淀粉含量24.6%)Wxa啟動(dòng)子CAAT-box進(jìn)行基因編輯成功創(chuàng)制了直鏈淀粉含量為分別為19.6%、18.1% 和17.8%且不改變外觀品質(zhì)的編輯株系。對(duì)Wxa基因5’端內(nèi)含子區(qū)域編輯后導(dǎo)致了內(nèi)含子剪切方式發(fā)生改變，mRNA構(gòu)象發(fā)生變化導(dǎo)致直鏈淀粉含量達(dá)到軟米水平，分別為10.6%、11.5%和9.8%，但籽粒透明度有所降低。上述研究證明了可以利用CRISPR/Cas9對(duì)Wx基因的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控和轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控2種策略來(lái)調(diào)控稻米直鏈淀粉含量［116］。HUANG等［117］也證明了通過(guò)對(duì)Wx基因啟動(dòng)子區(qū)域TATA box元件進(jìn)行編輯從而達(dá)到微調(diào)直鏈淀粉的作用。研究人員選擇含有Wxb等位基因型的‘日本晴’作為編輯材料，突變體直鏈淀粉含量適度降低，達(dá)到微調(diào)效果，研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)新的Wx等位變異材料直鏈淀粉含量受溫度影響。SHEN等［118］通過(guò)構(gòu)建CRISPR/Cas9多基因敲系統(tǒng)成功對(duì)BADH2、DEP1、Gn1a、Hd1、EP3、LPA1、GW2和GS3共8個(gè)基因進(jìn)行敲除，同時(shí)對(duì)包括稻米食味品質(zhì)、外觀品質(zhì)、農(nóng)藝性狀等多個(gè)性狀進(jìn)行同時(shí)改良。香味是稻米食味品質(zhì)重要的一個(gè)性狀，HUI等［119］首先利用CRISPR/Cas9基因編輯對(duì)‘黃華占’的BADH2基因進(jìn)行編輯，成功獲得了香味物質(zhì)2-AP含量增加的編輯株系，隨后利用挑選出的T-DNA free單株與香型三系不育系桃農(nóng)1A雜交，成功改良了三系雜交組合桃優(yōu)香占的香味性狀。TANG等［97］利用CRISPR/Cas9技術(shù)對(duì)兩系雜交稻品種‘隆兩優(yōu)華占’雙親本進(jìn)行OsNRAMP5基因敲除，在鎘污染嚴(yán)重土壤中仍能保持籽粒中鎘含量的低積累。

4 展望

稻米品質(zhì)決定稻米價(jià)值的最終體現(xiàn)，其形成機(jī)理復(fù)雜，受多基因遺傳及環(huán)境的共同作用。進(jìn)一步培育食味好、外觀佳、營(yíng)養(yǎng)安全的稻米，需要對(duì)稻米品質(zhì)形成的關(guān)鍵基因及優(yōu)異等位變異進(jìn)行深入挖掘，理清環(huán)境與基因、基因與基因的互作規(guī)律，收集整理鑒定優(yōu)異種質(zhì)，利用傳統(tǒng)育種手段與現(xiàn)代生物育種技術(shù)相結(jié)合，各環(huán)節(jié)協(xié)同開展，培育出更多品質(zhì)優(yōu)良的水稻新品種。

根據(jù)現(xiàn)有稻米品質(zhì)調(diào)控理論和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，水稻育種目標(biāo)在滿足大眾消費(fèi)的同時(shí)，也要考慮不同消費(fèi)群體、不同地域、不同加工工藝等需要。如減肥人群或糖尿病病人需要抗性淀粉含量相對(duì)較高的稻米，在滿足咀嚼口感的同時(shí)減少淀粉向葡萄糖的轉(zhuǎn)化。腎病病人需要低谷蛋白的稻米，以減少米飯中蛋白對(duì)腎臟的壓力?？旃?jié)奏的社會(huì)導(dǎo)致人們更傾向于“點(diǎn)外賣”的就餐方式，因此需要較不易回生的稻米。南北方消費(fèi)者對(duì)稻米的需求也不盡相同，南方消費(fèi)者習(xí)慣食用長(zhǎng)寬比較大、籽粒較長(zhǎng)的米飯，而北方消費(fèi)群體則更喜歡短圓粒的“珍珠米”。少數(shù)民族聚集區(qū)有習(xí)慣食用黑米、紅米等特殊稻米的習(xí)慣。傳統(tǒng)節(jié)日食品糍粑、粽子、米糕等需要優(yōu)質(zhì)糯米來(lái)制作。而米餅、米粉等都需要用富含高直鏈淀粉和高膠稠度的專用稻米來(lái)制作。這些特殊品質(zhì)的需求提示研究人員，稻米品質(zhì)的改良不能簡(jiǎn)單地追求理化性質(zhì)指標(biāo)，而是要面向消費(fèi)者和市場(chǎng)需求，進(jìn)行多元化的研發(fā)和投入。

基因編輯技術(shù)的快速發(fā)展為品質(zhì)育種工作帶了機(jī)遇與挑戰(zhàn)，通過(guò)基因編輯創(chuàng)制研究材料，定向改良品種品質(zhì)性狀已成為較易獲取的手段。目前基因編輯技術(shù)由最早的單基因敲除，發(fā)展到多基因同時(shí)編輯、單堿基替換、DNA片段插入或缺失、靶向染色體重排以及增加目的基因表達(dá)等，可以對(duì)稻米品質(zhì)性狀進(jìn)行正向或負(fù)向的精準(zhǔn)調(diào)控［120-121］。盡管基因編輯技術(shù)在植物領(lǐng)域中發(fā)展迅猛，但如何進(jìn)一步完善其在品質(zhì)改良中的作用，保證編輯產(chǎn)品安全和合法合規(guī)使用等方面將是研究人員面臨的新課題、新挑戰(zhàn)。