利用蠟質基因Wx改良稻米品質的研究進展

成太輝，楊 武

（1.廣州市番禺區(qū)農業(yè)科學研究所，廣東廣州 511450；2.廣東省農業(yè)科學院水稻研究所，廣東省水稻育種新技術重點實驗室，廣東廣州 510640）

引言

我國在世界上年產稻谷最多，高產一直是我國水稻育種的主要目標，而水稻品質的改良卻不夠重視，導致我國很多水稻品種雖然高產，卻不優(yōu)質。隨著人民生活水平的日益改善，人們對稻谷品質的需求也不斷提高，米質已經成為決定水稻品種特性最重要的指標之一[1]。

稻米品質主要包括外觀品質和食用品質，外觀品質包括粒型、堊白、透明度等，食用品質包括直鏈淀粉含量（AC，amylose content）、膠稠度（GC，gel consistency）、糊化溫度（GT，gelatinization temperature）、蛋白質含量、香味有無等。食用品質主要由AC、GC和GT決定。食味品質好的稻米，其AC往往較低，GC較高和GT較低，其中AC直接決定了米質的優(yōu)劣[2]。優(yōu)質秈稻米的AC一般應低于22%[3]。

長久以來，研究者做了大量工作來揭示稻米品質的分子機制，通過對米質性狀的QTL定位，基因克隆和基因功能的研究，來揭示其遺傳機制。顆粒結合型淀粉合成酶（GBSS，granule-bound starch synthase）包含GBSSⅠ和GBSSⅡ兩種同工酶，它們控制了直鏈淀粉的合成，能特異性的與淀粉粒結合，維持淀粉的穩(wěn)定性[4]。水稻蠟質基因Wx編碼的GBSSⅠ控制了種子中直鏈淀粉的合成。GBSSⅡ與GBSSⅠ氨基酸序列的同源性很高，控制了非存儲器官中直鏈淀粉的合成[5，6]。因此，Wx基因決定了水稻胚乳中的AC，目前已在水稻中鑒定出多個Wx基因的等位變異類型，這些新基因的挖掘與利用是稻米品質改良的重要基礎。

1 Wx基因的等位變異

Wx基因于1990年被克隆，其第一內含子5’端剪切處的第一個堿基決定了Wx基因的轉錄水平：若該位點為G，則Wx基因正常剪切，轉錄得到的mRNA含量高，最終生成的AC也較高；若該位點為T，則Wx基因無法正常剪切，轉錄得到的mRNA含量低，AC較低，該位點是水稻AC差異的最主要類型[7]。Wx基因同樣是水稻糯性的決定基因：糯稻Wx基因的第2外顯子上有2個23 bp的重復序列，而非糯稻Wx基因中只有1個，該片段為糯稻Wx基因特有[8]。此外，Wx基因第一內含子上游處的CT重復序列也影響著稻米的AC[9]。對Wx基因的等位變異和特性總結如下：

2 Wx基因的分子標記及應用

除了糯稻基因Wx外，Wx基因的大多等位變異都存在于較少的水稻品種中，這些品種由于來源有限，配合力差等，很難作為水稻米質改良的親本。目前，利用Wxb基因改良水稻AC是非常有效的一種方法。蔡秀玲等利用開發(fā)的PCR-AccI標記鑒定了63份水稻品種Wx位點的G/T類型，并測定了這些品種的AC，發(fā)現(xiàn)T型水稻品種的AC低于18%，G型的都高于20%[21]。Mao等設計了擴增G/T位點的PCR標記，但該標記在擴增時需要將退火溫度提高至67℃[22]。高利軍開發(fā)的M-Wx標記對水稻品種鑒定的基因型結果與測定的AC一致：在72份水稻品種中，G型水稻品種的AC都高于20.1%，T型的都低于15.6%[23]。孫華欽等開發(fā)了2個識別水稻糯性基因Wx的分子標記，可以直接檢測糯性基因的有無[24]。

-：表示沒有突變

將Wxb基因應用于米質改良，已經取得了較為理想的效果。利用分子標記PCR-AccI，龍?zhí)馗驼渖?7導入Wxb基因后，新品種的AC顯著降低[25]。聶元元等利用分子育種技術，對恢復系R225的AC進行改良，經過多次回交和標記，成功將R225的AC降低到11.6%～23.5%[26]。劉巧泉等利用Wxb基因替換掉特青中的Wxa基因，將稻米的AC從28.5%降低到15%[27]。姚姝等將Wxmp和Wxmp分別滲入到多個粳稻品種中，選育出寧2704、南粳46等米質優(yōu)良的水稻新品種[28]。Myint等利用Basmati370的Wxin基因，有效降低了水稻品種Manawthukha的AC，提高了該品種的生產價值[29]。此外，通過親本AC的差異，篩選出與Wx基因連鎖的SSR標記對稻米品質進行改良，也是一種有效的途徑。韓義勝等利用與Wx基因緊密連鎖的標記RM190，利用天豐B優(yōu)良米質的特性，成功將龍?zhí)仄諦的AC從26.5%降低到15.9%[30]。

3 研究展望

米質的遺傳機制較為復雜，但總的來說，Wx基因主要是通過影響成熟mRNA含量或者SNP變異導致的氨基酸變異，使GBSS Ⅰ的活性、淀粉及糖原合成過程中與ADP-葡萄糖的結合能力改變等，最終影響了AC的合成[7，15-17]。此外，Wx基因的表達受到環(huán)境等因素的影響。因此，在利用Wx基因對水稻米質進行改良時，需要同常規(guī)育種結合，選育綜合性狀優(yōu)良的水稻品種[14，31]。

3.1 Wx基因新等位變異的挖掘

目前雖然報道了多個Wx基因的等位變異類型，但水稻品種的AC變異豐富，直鏈淀粉的結構也存在豐富的變異，因此，還有更多Wx基因的新等位變異有待挖掘。在這方面，尤其應該擴大野生稻種質資源的研究，它們可能蘊含著更為豐富的變異類型，例如廣東的野生稻資源非常豐富，有可能為水稻優(yōu)質育種提供新的供體基因。

3.2 多基因聚合改良稻米品質

除了Wx基因主要控制稻米的AC外，SSII-3基因也影響著稻米的AC，同時決定了稻米的GT。此外，SSI、SSIII-2、PUL、AGPlar等基因微效調控AC，SBE3、ISAA等基因微效調控GC，SSIV-2、SBE3等基因微效調控GT[32-34]。因此，明確親本的米質基因型，通過多個主-微效基因的聚合，可以更大程度的改良稻米品質。

3.3 Wx基因分子機制的進一步加深

目前發(fā)現(xiàn)的Wx基因的等位變異類型大多都是由單個核苷酸的差異造成的，這些突變?yōu)楹螘淖僕x基因的表達水平？隨著米質遺傳機制的不斷解析，結合現(xiàn)代分子技術例如CRISPR技術等，能夠為水稻育種創(chuàng)造更多的便利。

由于Wx基因的遺傳機制，米質改良不同于抗性改良。目前廣泛使用的抗病基因多為顯性基因，例如三系雜交稻中的親本，只需要不育系或者恢復系含有純合的抗性基因，雜交種即具有抗病性。對于米質，若不育系和恢復系中只有單個親本的米質位點得到改良，其配組的雜交種米質可能未能得到較好的改良。因此，在對雜交水稻的米質進行改良時，親本的Wx位點都需要改良。雖然影響稻米品質的位點較多，試圖利用主效位點來改良稻米品質可能具有一定的局限性，但至少從分子育種角度，為選育米質優(yōu)良的水稻品種提供了可行的方向。

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