水稻堊白形成機(jī)制的研究進(jìn)展

程新杰，施偉，張夢(mèng)龍，岳紅亮，代金英，胡蕾，朱國(guó)永

（江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇鹽城 224000）

0 引言

水稻產(chǎn)量一直是育種研究中的重心之一，隨著人民生活水平的日益提高，消費(fèi)者對(duì)稻米品質(zhì)的要求也不斷提高。近年來育種工作者對(duì)水稻品質(zhì)的改良也逐步加以重視，但目前培育的水稻品種品質(zhì)差強(qiáng)人意。因此，研究水稻品質(zhì)遺傳機(jī)理，改良稻米品質(zhì)，培育出品質(zhì)優(yōu)良的水稻新品種或新組合，提高國(guó)內(nèi)稻米的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，已成為水稻科研工作者的新任務(wù)。稻米品質(zhì)主要包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。由于高堊白稻米在加工過程中整精米率低且極易破碎，另外在蒸煮后米飯蓬松中空、蒸煮食味品質(zhì)較差。因此，堊白能夠不僅影響稻米的外觀品質(zhì)，也會(huì)影響蒸煮食味品質(zhì)。

水稻堊白是由于胚乳中淀粉體與蛋白質(zhì)體松散包裝形成的白色不透明部分。根據(jù)其在胚乳上或胚乳內(nèi)的位置不同，可分為心白、背白和腹白[1]。水稻堊白作為一種不良性狀，對(duì)稻米外觀品質(zhì)以及碾磨、食用和烹調(diào)品質(zhì)均有不利影響[2]。目前主要以堊白度、堊白米率和堊白大小3 項(xiàng)指標(biāo)對(duì)稻米外觀品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)[3]。堊白度是指堊白米的堊白面積總和占試樣米粒面積總和的百分比。堊白米率則指的是有堊白的米粒占整個(gè)試樣米?？倲?shù)的百分率。堊白大小是指堊白米粒平方時(shí)堊白面積占整個(gè)米粒投影面積的比率[4]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 17891—2017 優(yōu)質(zhì)稻谷》中堊白度作為稻米分級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)之一[5]。秈稻一級(jí)米要求堊白度不高于2.0%，二級(jí)米要求堊白度不高于5.0%，三級(jí)米要求堊白度不高于8.0%；粳稻一級(jí)米要求堊白度不高于2.0%，二級(jí)米要求堊白度不高于4.0%，三級(jí)米要求堊白度不高于6.0%。因此堊白度越低，稻米外觀品質(zhì)越好。

堊白作為衡量稻米外觀品質(zhì)的重要指標(biāo)闡明其形成機(jī)理與遺傳機(jī)制具有重要意義。本研究系統(tǒng)綜述了水稻堊白形成受生理機(jī)制、遺傳機(jī)制及環(huán)境因素的影響，基于這些研究結(jié)果，利用現(xiàn)今發(fā)展的分子育種等技術(shù)，完善對(duì)水稻堊白進(jìn)行改良的育種思路，加速育種進(jìn)程，為育成具有優(yōu)良外觀及食味品質(zhì)的水稻新品種提高理論基礎(chǔ)。

1 影響水稻形成的內(nèi)在因素

1.1 生理機(jī)制

稻米品質(zhì)主要是由灌漿過程中碳和氮代謝產(chǎn)生的淀粉與蛋白質(zhì)儲(chǔ)藏的化學(xué)組成決定的。其中，灌漿前期是堊白形成的關(guān)鍵時(shí)期，這一時(shí)期植株氮素營(yíng)養(yǎng)水平對(duì)水稻品質(zhì)形成影響較大。研究表明，追施氮素穗肥能夠加快籽粒灌漿啟動(dòng)，增強(qiáng)灌漿初期強(qiáng)度，提高灌漿速率，延長(zhǎng)活躍灌漿持續(xù)時(shí)間，促進(jìn)籽粒灌漿，提高干物質(zhì)積累[6]，因此增施穗肥在一定程度上能夠降低堊白度、堊白率[7]。

目前大部分研究均采用“源”、“庫(kù)”、“流”學(xué)說解釋堊白的形成，即葉片（源）進(jìn)行光合作用生成的有機(jī)物質(zhì)通過輸導(dǎo)組織（流）運(yùn)輸?shù)阶蚜＃◣?kù)）進(jìn)而形成胚乳。“源庫(kù)”關(guān)系中，若同化產(chǎn)物供應(yīng)不足，即“源”小“庫(kù)”大時(shí)，胚乳總貯藏物質(zhì)填充不充分，容易產(chǎn)生堊白。因此，抽穗期穎花所占葉面積越小，堊白粒率越大；抽穗期及灌漿前期剪葉處理即減“源”會(huì)提高堊白粒率，剪穎花處理即減“庫(kù)”可以減少堊白[8]。隗華軍等[9]以長(zhǎng)江上游中秈遲熟優(yōu)質(zhì)稻組合為試驗(yàn)材料也有類似的發(fā)現(xiàn)，“源庫(kù)比”較低的雜交稻組合中，源庫(kù)比與堊白粒率呈負(fù)相關(guān)，而在“源庫(kù)”比中等的雜交稻組合中沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)性，因此能夠通過調(diào)整“源庫(kù)”比例來減少堊白粒率。

同時(shí)，水稻同化產(chǎn)物向胚乳運(yùn)輸?shù)摹傲鳌币矊?duì)堊白的產(chǎn)生具有影響。研究表明，低堊白品種的輸導(dǎo)組織較高堊白品種更為發(fā)達(dá)，低堊白品種的籽粒背部維管束中導(dǎo)管數(shù)量較多，導(dǎo)管直徑與篩管區(qū)寬帶較大，珠心突起且糊粉層細(xì)胞層數(shù)較多，厚度較大[10]。灌漿速率也是“源”同化產(chǎn)物生產(chǎn)能力和“流”物質(zhì)運(yùn)輸能力的綜合體現(xiàn)，因此，灌漿速率的動(dòng)態(tài)變化也會(huì)影響堊白的產(chǎn)生。

1.2 遺傳機(jī)理

水稻堊白性狀屬于數(shù)量性狀，受到多基因控制[11]。由于水稻胚乳細(xì)胞是通過雙受精過程中兩個(gè)極核與精核融合發(fā)育形成的，屬于三倍體子代，在發(fā)育時(shí)又受母體基因型影響，因此胚乳堊白性狀的遺傳表現(xiàn)極為復(fù)雜，在研究過程中也存在諸多難點(diǎn)。

由于數(shù)量性狀極易受環(huán)境的影響，很多群體試驗(yàn)是在特定環(huán)境下完成，導(dǎo)致遺傳圖譜中分子標(biāo)記密度較低[12]。近年來，隨著功能基因組學(xué)和分子標(biāo)記的快速發(fā)展，水稻堊白性狀的QTLs 定位也得到了幫助。目前，Gramene(https://archive.gramene.org/)網(wǎng)站上已記錄82 個(gè)與堊白性狀相關(guān)的QTLs 位點(diǎn)，分別分布在水稻的11條染色體上（除第4號(hào)染色體以外），其中第8號(hào)染色體上存在的QTLs位點(diǎn)數(shù)量最多，第10號(hào)染色體上QTLs 位點(diǎn)數(shù)目最少。這些QTLs 位點(diǎn)是不同研究團(tuán)隊(duì)分別通過F2 群體、重組自交系群體、單雙倍體群體等不同的遺傳群體進(jìn)行定位得到的。其中，大部分QTLs 位點(diǎn)控制水稻堊白率，共有51 個(gè)，如：晁園等[13]利用川香29B/中國(guó)香稻群體定位的qPGWC-2、qPGWC-4、qPGWC-6-1、qPGWC-6-2、qPGWC-6-3等位點(diǎn)，還有周立軍等[14]利用越光/Kasalath 群體定位的qPGWC-1a、qPGWC-1b、qPGWC-3、qPGWC-4等位點(diǎn)；而與堊白大小相關(guān)的QTLs位點(diǎn)有13個(gè)，如：Li等[15]利用日本晴/Kasalath 群體定位了qACE-1、qACE-3、qACE-5、qACE-6等位點(diǎn)；最后，與堊白度有關(guān)的QTLs位點(diǎn)則有21個(gè)，如：Wan等[16]利用Asominori/IR24群體定位了qDEC-1a、qDEC-1b、qDEC-2等位點(diǎn)。對(duì)這些QTLs位點(diǎn)功能進(jìn)行分析，堊白性狀的主效QTLs位點(diǎn)如表1所示。

表1 水稻堊白性狀主效QTLs

目前大部分研究人員還停留在堊白性狀QTLs的初步定位上面，只有少量的完成了精細(xì)定位。如Zhou等[19]利用9311和培矮64S構(gòu)建了染色體片段代換系群體，檢測(cè)到兩個(gè)控制水稻堊白率的QTL位點(diǎn)：qPGWC-6和qPGWC-7，分別位于水稻的第6 和第7 號(hào)染色體，其中qPGWC-7已精細(xì)定位至44 kb范圍內(nèi)。Guo等[25]則利用一個(gè)秈稻和粳稻的重組自交系衍生的染色體片段代換系群體，檢測(cè)到一個(gè)位于第8 號(hào)染色體上的控制堊白率的QTL位點(diǎn)，并將其精細(xì)定位至140 kb范圍內(nèi)。

由于堊白性狀受多種因素的影響，目前已克隆的水稻堊白性狀相關(guān)基因數(shù)量較少，如表2所示，其中利用自然變異所克隆的堊白相關(guān)基因僅有Chalk5[26]、GW2[27]和GL7[28]。Li等[26]則利用兩個(gè)回交群體，對(duì)第5號(hào)染色體上的一個(gè)微效QTL進(jìn)行精細(xì)定位，區(qū)間約為16.8 kb，最后已將其分離克隆，并將該QTLs位點(diǎn)命名為Chalk5。

表2 已克隆的水稻堊白相關(guān)基因

這些已克隆的基因?qū)λ緢装仔誀畹恼{(diào)控機(jī)理已有一定的研究。Chalk5編碼液泡膜質(zhì)子轉(zhuǎn)運(yùn)焦磷酸酶，在胚乳特異表達(dá)，可正調(diào)控水稻腹白率，影響水稻籽粒堊白的形成和精米率。GW2是一個(gè)控制粒寬和粒重的主效QTL 位點(diǎn)。GW2編碼一個(gè)定位于2 號(hào)染色體上的環(huán)型E3 泛素連接酶，而GW2功能的缺失導(dǎo)致泛素?zé)o法轉(zhuǎn)移到靶蛋白上，因而使得本應(yīng)降解的底物不能被特異識(shí)別，進(jìn)而激活穎花外殼細(xì)胞的分裂，從而增加穎花外殼的寬度，另一方面，間接地，灌漿速率也得到了提高，胚乳的大小隨之也得到了增加，最終使得稻谷的寬度、粒重以及產(chǎn)量都得到了增加[27]。GL7位于水稻7 號(hào)染色體上，是一個(gè)控制粒長(zhǎng)和粒寬的主效QTL。GL7位點(diǎn)上17.1-kb的串聯(lián)重復(fù)，使得GL7表達(dá)水平上調(diào)，同時(shí)下調(diào)GL7鄰近負(fù)調(diào)控因子的表達(dá)水平，從而使得水稻粒長(zhǎng)增長(zhǎng)并提高了稻米的外觀品質(zhì)[28]。

研究人員還通過T-DNA 插入、輻射誘變、化學(xué)誘變等技術(shù)獲得了堊白突變體，進(jìn)而構(gòu)建遺傳群體，克隆相關(guān)基因。利用上述方法已克隆的基因有SSⅢa[29]、OsPPDKB[30]、GIF1[31-32]、OsRab5a[33]、Flo2[34]和ms-h[35]。SS Ⅲa 定位于8 號(hào)染色體，是一個(gè)編碼淀粉合成酶Ⅲa 的基因，主要參與直鏈淀粉B2-B4 的延伸[29]。OsPPDKB是一個(gè)位于5號(hào)染色體上，編碼丙酮酸磷酸雙激酶的基因，主要表達(dá)部位為胚乳和糊粉層[30]。GIF1則是一個(gè)位于4 號(hào)染色體上的編碼細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶的基因，主要參與灌漿早期碳源分配過程[32]。OsRab5a位于12 號(hào)染色體上，編碼小分子GTP 酶，對(duì)胚乳細(xì)胞器內(nèi)膜形成和貯藏蛋白向蛋白體PBII 運(yùn)輸具有重要作用[33]。Flo2定位于4 號(hào)染色體，所編碼的蛋白具有一個(gè)TRR結(jié)構(gòu)域，該基因在籽粒灌漿過程中高表達(dá)，預(yù)測(cè)可能參與蛋白質(zhì)互作[34]。ms-h位于9 號(hào)染色體上，編碼UDP 葡萄糖磷酸酶，主要控制水稻的育性，但該基因的突變也會(huì)出現(xiàn)堊白表型[35]。這些基因的突變體大都表現(xiàn)為高堊白，在育種工作中利用難度較大，無法直接利用，但有助于科研人員研究堊白形成的遺傳機(jī)理。

目前也有研究表明，植物激素同樣參與了堊白形成相關(guān)的分子調(diào)控通路。Xie等[36]以‘湘早秈24’及其母本‘湘早秈11’和父本‘湘早秈7’為研究材料，并結(jié)合轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)植物激素含量和多種激素信號(hào)在堊白穎果中存在顯著差異，特別是ABA 和生長(zhǎng)素，通過多種轉(zhuǎn)錄因子及其下游調(diào)控因子的相互作用，調(diào)控了水稻堊白的形成。

2 影響水稻形成的外部因素

2.1 環(huán)境因素

堊白的形成受多種環(huán)境因素的調(diào)控[36]，如生育期間的溫度、光照、水分、土壤類型等。高溫與干旱的逆境脅迫下，會(huì)強(qiáng)烈促進(jìn)稻米堊白的形成。灌漿期是籽粒形成的關(guān)鍵時(shí)期，有研究表明，水稻授粉至灌漿早期，水稻對(duì)高溫反應(yīng)最為敏感，若在這一時(shí)期進(jìn)行短暫的高溫處理，會(huì)導(dǎo)致稻米灌漿充實(shí)不佳，使得堊白明顯增加，且增長(zhǎng)幅度大于灌漿期進(jìn)行高溫處理[37]。同時(shí)，也有研究發(fā)現(xiàn)，夜間高溫更容易導(dǎo)致堊白的產(chǎn)生，這主要是通過植物激素增加堊白，可以通過外源施用油菜素內(nèi)酯、維生素C、維生素E和茉莉酸甲酯部分消除高溫引起的堊白增加[38]。

隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，育種科研人員逐漸關(guān)注大氣二氧化碳和臭氧的濃度對(duì)稻米品質(zhì)的影響，并進(jìn)一步進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳濃度的提高會(huì)增加水稻品種的堊白粒率和堊白度；當(dāng)大氣二氧化碳濃度與冠層溫度同時(shí)提高時(shí)，白粒率和堊白度的提高幅度會(huì)加大，二者對(duì)于堊白的增加具有累加效應(yīng)，可以通過增施氮肥與磷肥減少堊白，改善外觀品質(zhì)[39-40]。在臭氧處理下，水稻葉片養(yǎng)分供應(yīng)受到影響，短鏈支鏈淀粉含量增加，同時(shí)堊白程度也表現(xiàn)出增加[41]。也有研究表明，在大氣二氧化碳和臭氧濃度同時(shí)增加時(shí)，水稻堊白度受到的影響甚微[42]。

2.2 栽培條件因素

栽培學(xué)家根據(jù)多年田間試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)播期、栽插密度、肥料施用等栽培措施對(duì)稻米品質(zhì)均有不同程度的影響[43]。

播期影響稻米品質(zhì)的主要因素是溫度，且灌漿期溫度對(duì)稻米品質(zhì)的影響極大。研究表明，對(duì)于早熟和中熟品種，要適當(dāng)推遲播期，對(duì)于晚熟品種，推遲播期對(duì)稻米品質(zhì)則會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，總體而言，適宜的播期有利于改善稻米的外觀品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)[44]。

栽插密度不僅能夠影響產(chǎn)量，對(duì)稻米的加工和外觀品質(zhì)也有著較大的影響。適宜的栽插密度可避免田間植株生長(zhǎng)郁蔽或稀植栽培下水稻次生分蘗增加導(dǎo)致稻米堊白粒率或堊白度增加，同樣有利于提高稻米品質(zhì)[45]。

稻米外觀品質(zhì)受種植方式的影響較大[46]，一般情況下，直播稻的外觀品質(zhì)較優(yōu)，手栽與機(jī)插稻米的外觀品質(zhì)優(yōu)劣則取決于稻米自身品質(zhì)，而缽苗機(jī)插和擺栽稻米的堊白粒率與堊白度均有一定程度的提升，使得外觀品質(zhì)降低。

肥料的施加對(duì)于稻米品質(zhì)有著重要影響。氮肥作為影響稻米品質(zhì)的重要因素，不同地區(qū)，適宜的基蘗肥與穗肥比率，能夠降低堊白利率，提高稻米的加工與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[47]。磷、鉀肥作為水稻生長(zhǎng)的關(guān)鍵肥料，其施加量對(duì)于稻米的外觀品質(zhì)也有著較大的影響。黃麗芬等[48]、王偉妮等[49]發(fā)現(xiàn)，施用磷肥能顯著降低堊白度和堊白大??；但龔金龍等[50]則發(fā)現(xiàn)施磷過量會(huì)導(dǎo)致堊白粒率提高，而鉀肥施用量的增加則會(huì)使得堊白度與堊白粒率先下降后上升。由于氮、磷、鉀肥間存在互作效應(yīng)，因此三者配施能夠有效降低稻米堊白度[49]。有機(jī)肥的施用則能夠降低堊白粒率和堊白度[51]。

3 水稻堊白的遺傳改良

由于田間堊白性狀測(cè)量較為麻煩，而傳統(tǒng)水稻遺傳育種中，對(duì)于堊白性狀只進(jìn)行表型選擇，因此導(dǎo)致堊白性狀的改良效率較低，這也是目前優(yōu)質(zhì)稻米育種工作中遇到的重點(diǎn)難題。另外，水稻堊白是由多個(gè)QTLs控制的數(shù)量性狀，且環(huán)境對(duì)堊白性狀具有極大的影響[52]。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，育種人員對(duì)于堊白性狀改良的方法也在不斷的進(jìn)步。對(duì)于已穩(wěn)定的QTLs 位點(diǎn)可進(jìn)行進(jìn)一步的研究，對(duì)其進(jìn)行精細(xì)定位、分離和克隆，解析其調(diào)控堊白性狀的分子機(jī)理，這能夠?yàn)楹罄m(xù)低堊白優(yōu)質(zhì)稻米遺傳育種提供理論基礎(chǔ)。也能夠利用分子標(biāo)記輔助選擇育種，聚合有利的等位基因位點(diǎn)，同時(shí)去除增加堊白性狀的等位基因位點(diǎn)，能夠更快速的選育出優(yōu)良品種，降低時(shí)間成本。

但傳統(tǒng)育種存在耗時(shí)長(zhǎng)，改良效率低等問題。因此，利用目前已精細(xì)定位的QTLs 位點(diǎn)和控制堊白的QTLs基因，不僅可以進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種或基因聚合。同時(shí)還能夠使用轉(zhuǎn)基因技術(shù)改良水稻的堊白品質(zhì)。目前堊白性狀的相關(guān)基因的分離、克隆大部分來源于水稻突變體的研究成果。但這些突變體大都表現(xiàn)出堊白面積大或堊白率高的表型，在大田育種過程中，這些基因的利用難度較大。但這些基因都能作為稻米品質(zhì)遺傳改良的資源，為水稻的品質(zhì)改良提供指導(dǎo)作用。近年來，隨著基因工程的快速發(fā)展，可通過RNAi等轉(zhuǎn)基因技術(shù)抑制秈稻品種中mRNA的表達(dá)，改良秈稻的堊白性狀，進(jìn)而提高稻米品質(zhì)。例如，由于目前轉(zhuǎn)基因技術(shù)在應(yīng)用中還存在一定爭(zhēng)議，這些轉(zhuǎn)基因品種在實(shí)際推廣種植中較難應(yīng)用。

4 展望

堊白作為水稻品質(zhì)的重要性狀之一，且對(duì)稻米的外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)均具有重要的作用。因而，水稻的堊白品質(zhì)能夠衡量稻米的品質(zhì)和市場(chǎng)價(jià)格。但是堊白性狀作為一個(gè)多位點(diǎn)控制的數(shù)量性狀，存在多個(gè)QTLs 控制堊白性狀，同時(shí)，環(huán)境與栽培因素對(duì)堊白性狀也具有較大的影響作用，堊白形成涉及的“源庫(kù)流”理論，在水稻生長(zhǎng)過程中，若三者中任何一個(gè)發(fā)生變化或其關(guān)系不穩(wěn)定，都能導(dǎo)致稻米產(chǎn)生或增加堊白。因此，堊白性狀的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，對(duì)其進(jìn)行改良也是極為艱難。

當(dāng)前快速發(fā)展的功能基因組學(xué)和生物學(xué)分子技術(shù)，對(duì)于人們研究控制堊白性狀的相關(guān)基因與QTLs位點(diǎn)的研究具有極大的促進(jìn)作用。這也加快了堊白性狀的相關(guān)基因與QTLs 位點(diǎn)的挖掘與定位，同時(shí)有助于后續(xù)堊白性狀的遺傳機(jī)理和分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究。這也為分子標(biāo)記輔助選擇、轉(zhuǎn)基因技術(shù)在育種上的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。未來的育種工作，可在傳統(tǒng)的雜交、回交等育種方式的基礎(chǔ)上，輔以全基因組選擇育種、分子標(biāo)記輔助選擇育種等手段，實(shí)現(xiàn)堊白相關(guān)基因和QTLs 位點(diǎn)的轉(zhuǎn)移與聚合，能夠縮短水稻堊白性狀改良的時(shí)間，更為高效地實(shí)現(xiàn)育種目標(biāo)。另外，還可運(yùn)用基因工程等手段，將遠(yuǎn)緣物種的優(yōu)良基因轉(zhuǎn)入現(xiàn)有水稻品種中，快速定點(diǎn)改良水稻的堊白性狀。但轉(zhuǎn)基因技術(shù)在育種工作中仍舊存在爭(zhēng)議，在實(shí)際育種工作中還需進(jìn)一步探討。