品質支撐農作物產業與未來發展

張愛民，李 欣，劉冬成，孫家柱，陽文龍

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品質支撐農作物產業與未來發展

張愛民，李 欣，劉冬成，孫家柱，陽文龍

（中國科學院遺傳與發育生物學研究所/植物細胞與染色體工程國家重點實驗室，北京 100101）

品質是農作物最重要的經濟性狀，品質的優劣決定了產品的應用價值和市場競爭力。克隆重要農作物品質形成的功能基因，解析品質形成的調控網絡，建立品質改良的分子育種體系，對于作物品質的遺傳改良，提高人們的生活水平，使人們在溫飽的基礎上吃好、吃的營養、吃的健康具有重要意義，是社會健康持續發展的最基本保障。

長期以來，由于受到人口增長壓力和糧棉油等產品總量的制約，中國農作物品種改良對品質重視不夠。品質性狀遺傳改良的基礎研究滯后，致使大多數農作物品種品質不優，產品不僅沒有足夠的國際市場競爭力，而且很難滿足日益增長的人民生活需求。品質問題成為制約中國農業健康發展的關鍵因素之一。隨著中國加入世界貿易組織協定，農產品品質以及作物品質改良在一段時間內受到相應的重視。但近幾年，由于強調糧食總量要求，品質改良的要求又有所降低或被忽視，統計上的優質農作物種植面積與實際種植面積相差甚遠[1-2]。因此，在國家農業研究領域多個重大項目支持下，依據中國農產品質量和社會發展的實際需求，科技工作者深入系統地開展農作物品質改良的基礎研究，目標是克隆控制重要農作物品質性狀形成的關鍵基因并獲得自主知識產權，解析品質形成的分子生物學基礎，努力提升中國作物品質改良的理論和技術水平，增強中國農產品國際競爭力。品質性狀重要功能基因克隆以水稻、小麥、玉米、大豆和棉花五大作物為主要研究對象，采用功能基因組學方法，對作物品質性狀基因開展深入系統的基礎性研究。研究的品質性狀包括農產品的外觀商品品質、加工品質、營養品質、貯藏品質等，也包括健康品質與生物品質等，力求闡明優質性狀形成的機理，建立品質性狀分子改良的技術體系，培育農作物優質新品種，提高農產品質量，改善人們的生活水平，滿足人們日益增進的營養和健康需求。

經過近十年不懈的努力，中國科學家在作物品質基因克隆和分子生物學研究領域取得了長足的進展，獲得了一系列原創性、高水平的研究成果。本期推出的4篇關于水稻、小麥、大豆和棉花品質研究的綜述性文章，總結回顧了中國科學家在品質研究領域的進展，同時也介紹了國際上關于農作物品質研究的發展和趨勢，將有助于讀者和同行們了解國內外品質研究現狀，為作物育種家們提供可能的基因資源與信息，推動農作物品質改良的進一步深入。

根據作物最終用途與加工產品不同，對其品質需求也不盡相同。

稻米品質性狀的組成較為復雜，主要包括碾磨加工品質、外觀品質、蒸煮食味品質和營養品質等四個方面[3]。《稻米品質性狀基因的克隆與功能研究進展》一文圍繞這4個方面，全面介紹了所克隆的新基因及其功能，重要性狀，如淀粉合成等，多基因參與的復雜調控網絡，明確了一批重要基因的有利等位變異，并對如何利用這些重要功能基因進行水稻品質改良進行了展望。

小麥是世界上種植面積最廣、總產量和營養價值最高、加工食品種類最多的糧食作物。它是世界上35%左右人口的主要碳水化合物來源，也是植物蛋白質的主要提供者。小麥面粉含有其他作物所不具備的面筋，因此，適于制作面條、面包、饅頭、餅干、糕點等多種食品。隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對以小麥粉為原料生產的精制面食、保健食品和營養食品的需求不斷增加，并且對小麥相關產品的品質要求也越來越高。人們不僅要吃飽吃好，還要吃的營養，吃的健康。因此，在以加工品質研究為主的基礎上，營養和健康品質正在成為小麥品質改良的重要研究方向和育種目標[4]。《小麥營養和健康品質研究進展》一文從籽粒微量營養元素、膳食纖維和對人體健康有益的次生代謝產物等方面介紹了國內外在基因資源篩選、測定方法、基因克隆以及育種改良等方面取得的重要進展，為中國開展小麥營養和健康品質研究提供了參考和借鑒。

大豆是重要的經濟作物，其種子蛋白質和油脂含量都比較高，為人類生活提供了優質的食用油和植物蛋白[5]。中國是世界大豆原產國，但近年來中國大豆產業發展不夠景氣，這與中國大豆的品質水平不高不無關系。大豆的脂肪酸含量、蛋白含量以及異黃酮含量決定了其經濟價值。針對生產上大豆品質存在的主要問題，中國科學家開展了控制和提高大豆脂肪酸含量和蛋白含量的深入研究，從基因克隆到調控網絡，從大豆本身及其外緣種中克隆了許多重要的功能基因和調控基因，初步明確了脂肪酸和蛋白合成積累過程。《大豆品質調控基因克隆和功能研究進展》總結了相關領域的研究進展，對在大豆基因組測序完成的基礎上，利用傳統的雜交育種結合分子標記、合成生物學和基因編輯等新一代植物育種技術進行大豆品質改良的前景進行展望。

棉花是世界最重要的經濟作物之一。全球有80多個國家種植商業棉，150多個國家從事棉花進出口貿易，經濟產值每年高達5000億美元。自20世紀90年代以來，隨著紡織工業的發展，棉紡企業強調以較強、較細和纖維更整齊的棉纖維作為紡織原料。因此，棉花品質育種從以前側重外在品質轉變為側重內在品質，即在一定絨長的基礎上主要強調纖維強度和麥克隆值等。與此相適應，世界棉花市場將棉花定價依據由原來的絨長改成纖維強度等綜合品質。隨著棉花纖維發育和品質性狀研究的深入，越來越多的政府機構和企業對這一領域產生了興趣，并投入大量資金，力圖揭示棉花纖維發育的分子調控機制，發掘棉花纖維品質相關的關鍵基因，進而創造棉花優質品種，占領世界棉花市場。中國將棉花纖維品質改良列為重大研究目標，開展了棉花基因組研究、棉纖維發育和優質纖維形成相關基因克隆和功能研究。《棉花纖維品質改良相關基因研究進展》一文闡述了中國科學家在此領域取得的重要進展和原創性成果。中國科學家在世界上率先完成了棉花A、D兩個二倍體棉花、四倍體陸地棉和海島棉的基因組測序[6]，克隆了一大批調控棉花纖維起始、發育、成熟的重要基因，為棉花品質育種奠定了基因資源的重要基礎。

應當認識到，作物品種類型豐富，品質變異極為復雜。參與作物品質形成的基因眾多，多數基因特別是幾個關鍵基因又都存在多個等位變異。然而，目前對于這些基因的功能及其變異的效應研究大多數僅集中于個別基因、多數研究也都只是在少數作物品種中開展，對于這些基因及復等位基因之間的相互關系和互作效應等，都還了解很少。對這些問題的深入研究，將為作物品質的設計改良提供非常重要的線索。另外，需要將健康品質和生物品質的研究提上議事日程。國際上提倡谷物消費，重視健康品質，包括微量元素（如鐵，硒等）在種子中的含量，次生代謝產物含量（如葉酸，維生素，類黃酮等含量），注重降低和減少作物中的過敏源，如大豆中的過敏蛋白，小麥中的多種過敏蛋白等。這些方面的研究在國際上已經起步，中國應給予重視和開展部署，特別是在基因克隆方面的部署有利于國際競爭，取得優勢。

References

[1] 關二旗, 魏益民, 張波, 郭進考, 張國權, 劉彥軍, 羅勤貴, 班進福. 黃淮冬麥區部分區域小麥品種構成及品質性狀分析. 中國農業科學, 2012, 45(6): 1159-1168.

GUAN E Q, WEI Y M, ZHANG B, GUO J K, ZHANG G Q, LIU Y J, LUO Q G, BAN J F. Analysis of the variety composition and quality properties of wheat in a part of the Yellow-Huai River Zone., 2012, 45(6): 1159-1168. (in Chinese)

[2] 胡培松, 翟虎渠, 萬建民. 中國水稻生產新特點與稻米品質改良. 中國農業科技導報, 2002, 4(4): 33-39.

HU P S, ZHAI H Q, WAN J M. New characteristics of rice production and quality improvement in China., 2002, 4(4): 33-39. (in Chinese)

[3] Bao j s. Genes and QTLs for rice grain quality improvement//Yan W G, Bao J S, Editors.. InTech Open Access publisher. 2014: 239-278.

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[5] Wilson R F. Seed composition//Boerma H R, Specht J E, editors.. Agron. Monogr. No. 16. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI. 2004: 621-677.

[6] Li F G, Fan G Y, Wang K B, Sun F M, Yuan Y L, Song G L, Li Q, Ma Z Y, Lu C R, Zou C S, et al. Genome sequence of the cultivated cotton., 2014, 46: 567-572.

（責任編輯 李莉）

Quality - the future of crop production

Zhang Ai-min, Li Xin, Liu Dong-cheng, Sun Jia-zhu, Yang Wen-long

(Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS/The state Key laboratory of Plant Cell and Chromosome engineering, Beijing 100101)