中國有色稻米功能性成分遺傳與育種研究進展

鄭菲艷，鄭建華，王洪飛，朱永生，游晴如，周 鵬，陳春霞，涂詩航，董瑞霞，鄭家團，黃庭旭

（福建省農業科學院水稻研究所/福州國家水稻改良分中心，福建 福州 350018）

0 引言

稻米是全世界一半以上人口的主食，米麩中含有許多對人體抗癌、抗菌、抗氧化、預防糖尿病等慢性疾病具有重要作用的活性物質[1]。有色稻米是花青素在稻谷的種皮內累積，使得糙米的色澤不同于普通白米，由于花青素含量不同，使有色稻糙米種皮呈現紫（黑）、紅、黃和綠等不同顏色，以紫（黑）米和紅米最為常見，迄今未發現在自然狀態下胚乳有色澤的品種[2]。研究發現，與白色稻米相比，有色稻米具有更豐富的營養成分和保健價值，如富含維生素E、微量元素、花青素和黃酮類等[3?4]。有色稻米具有提高人體免疫力、預防疾病的功效，可以通過進食有色稻米補充某些人體必需的物質和元素[5]。富含功能性成分的紫黑米、紫米等有色稻米加工制品也越來越受到國內外消費者的青睞。中、日、韓等東南亞國家有悠久的消費有色稻米的歷史，《本草綱目》中記載：補血糯（黑糯）有健脾暖肝、滋陰補腎、活血、明目等功效，并有暖胃、補氣、治虛寒瀉痢、治消渴、縮小便、收自汗等保健功效。現代醫學也證實了有色稻米具有營養價值和保健功效，使有色稻米的開發應用成為功能性水稻研究的重要組成部分[6]。

然而，有色稻種質資源廣泛存在于野生稻中，野生稻來源的有色稻種質因具有易落粒、休眠性強等特點，并不適用于生產，逐漸地在人為選擇中被淘汰，白米稻則成為主要的栽培稻[7]。隨著人們對食品保健功能要求的不斷提高，既天然健康又營養豐富的食物受到消費者的追捧，有色稻米因此受到消費者歡迎，與有色稻米相關的研究工作得以迅速開展。前人廣泛系統地對有色稻種質資源及其開發利用價值、遺傳學與品種選育等方面進行研究，為有色稻產業創新發展奠定了重要基礎。據統計，我國有色稻品種資源占全世界的90%[8]。鑒于我國有悠久的有色稻栽培史，且擁有豐富的種質資源，本文通過查閱文獻資料，對我國有色稻分布和功能性成分利用、相關遺傳學及育種等方面研究進展進行綜述，旨在為深入挖掘和利用我國寶貴的有色稻種質資源，加強現代水稻育種技術和方法在有色稻米品種選育上的融合，推動有色稻品種在生產上推廣應用提供借鑒。

1 有色稻種質資源的分布與利用

有色稻品種起源于野生稻，在我國水稻種質資源豐富、生態多樣性較好的地區均有分布。

1.1 有色稻種質資源的分布

我國地域遼闊，地形、氣候等生態環境復雜，具有悠久的有色稻種植歷史，較早就形成了多種生態型的有色稻品種。我國擁有的有色稻品種資源占全世界的90%，其余10%的有色稻品種主要分布在印度、孟加拉國、印尼、日本、越南、菲律賓等東南亞國家[8]。經過2 次的農作物種質資源普查，目前我國的有色稻品種占已保存的水稻種質資源的10%左右，其中以紅米資源最為豐富，共有8 963 份[9]。

有色稻源于野生稻祖先，但在人類栽培馴化過程中，因有色稻所攜帶的控制花青素合成的基因與控制種子的落粒性、休眠性基因緊密連鎖，栽培時表現為有色品種易落粒、發芽率低。因此，經過長期的人工選擇和自然選擇，多數有色稻品種逐漸被淘汰。后來在育種家的努力下，一些性狀優異的有色稻品種經篩選、培育后得以在生產上實現應用。隨著市場需求的增加及相關研究的深入，我國育種家逐漸培育出了許多各具特色的地方有色稻品種，為水稻的遺傳學、基因組學等基礎研究和品種改良提供了條件。有色稻品種在我國的云南、廣西、貴州、湖南、廣東、福建等生態多樣性和品種資源豐富的地區都有一定規模的種植。

1.2 有色稻米功能性成分與利用價值

1.2.1 功能性成分研究 紫米和黑米等有色稻米的糙米種皮中累積了豐富的具有抗氧化活性的花青素。當前，國內外有關有色稻米功能性成分的研究主要圍繞花青素的含量、成分和遺傳學展開，研究進展也最為顯著，對其他有效成分如γ-谷維素、黃酮、多酚、胡蘿卜素、維生素E 和微量元素的相關研究也取得一定進展。

目前已發現的黑米花青素共14 種。我國學者研究認為，黑米中以芍藥素-3-葡萄糖苷和矢車菊素-3-葡萄糖苷為主，而其余12 種成分含量相對較低[10]。黑米中含有5 種黃酮類物質，其中以槲皮素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素3-D-蕓香糖甙為主；類胡蘿卜素以葉黃素、番茄紅素、玉米黃質和β-胡蘿卜素為主；而γ-谷維素則是菜油甾醇阿魏酸酯、24-亞甲基環木菠蘿醇阿魏酸酯、環木菠蘿烯醇阿魏酸酯和β-谷甾醇阿魏酸酯的混合物[10]。這與日本學者的研究結果一致[11]。此外，日本學者還對黑米、紅米和白米進行了包括γ-谷維醇、花青素、黃烷-3-醇、綠原酸、黃酮和黃酮醇等重要功能性成分在內的物質進行比較分析，研究結果發現：花青素含量最高的是黑米，其次是紅米；黃烷-3-醇含量最高的是紅米，其次是黑米[11]（表1）；白米中只含有γ-谷維醇、黃酮和黃酮醇。研究結果表明：黑米和紅米中功能性物質的種類和含量均高于普通白米。我國學者研究認為，多酚主要存在于稻米的麩皮中，黑米和紅米麩皮多酚分別占總酚的84%和86%，自由/結合酚分別占總酸的85%和65%，而普通大米多酚和自由/結合酚分別占總酚和總酸的60%和41%，均顯著低于黑米和紅米[12]。曾亞文對云南稻核心種質紫糙米的總黃酮、鉀、鈣等物質含量進行測定的結果，紫米中上述物質含量均極顯著高于普通白糙米[3,13]。趙騰芳等對7 個不同來源的有色稻米品種進行營養成分分析，發現黑米中賴氨酸、色氨酸、維生素B1、維生素B2和蛋白質等營養物質的含量均顯著高于普通白米[14]。馬靜等在紅米中檢測到了顯著高于普通大米的高密度脂蛋白膽固醇（HDL）、GSH-Px 和SOD 含量（活性）[15]。此外，有研究表明：花青素具有與鈣、鎂、鐵、鋁等金屬元素絡合的特性，這使得紫黑米中鈣、鐵、錳、硒、鋅等多種礦質元素含量都高于普通白米[9,16?17]。

表 1 有色稻米與白米中重要功能性成分的含量比較Table 1 Major functional components in colored rice and white rice （單位：%）

綜上所述，雖然前人的研究結果不盡相同，但有色稻米中主要功能性成分，包括花青素、γ-谷維醇、黃烷-3-醇、綠原酸、黃酮和黃酮醇、胡蘿卜素、膳食纖維、維生素、氨基酸、蛋白質及微量元素等的含量均高于普通白米。

1.2.2 營養與藥用價值 近年來，隨著人們生活水平的提高，膳食結構發生了較大的改變，“三高”人群越來越多，各類心血管等慢性病、癌癥的發生率趨高。人們越來越關注飲食結構中食物的合理搭配，對天然的健康食品更是趨之若鶩。有色稻米含有許多花青素、維生素、黃酮、多酚等功能性成分，能有效預防和緩解各種慢性疾病的癥狀。

近年來，有色稻米功能性成分在醫藥上的應用以花青素及其提取物為主，而對其他功能成分的研究相對滯后[5]。研究表明，利用有色稻米的花青素生產的復方膠囊能有效防治肝臟損傷[18]，特別是對血脂高的人群具有明顯的輔助降血脂效果[19]。在日常飲食中適當補充有色稻米或有色稻米提取物有利于預防脂肪肝、高血糖和高血脂等疾病[20]。黑米麩含有21 種物質，它對促進人體健康和防治多種疾病具有顯著的效果。添加黑米麩飼喂老鼠2 周后發現其腫瘤體積減小1/3，其有效成分可以抑制巨噬細胞、誘發細胞自然死亡和促進血管再生，從而達到抑制腫瘤的效果[21]。從黑米中提取的花青素為矢車菊-3-葡萄糖苷和花青素-3-葡萄糖苷的混合物，除了能有效抑制腫瘤外，占黑米麩花青素含量88%的矢車菊素-3-葡萄糖苷還可通過抑制小鼠巨噬細胞中氧化氮合酶的表達來減少細胞毒性，從而對肝臟健康起到重要的保護作用[22?23]。有色稻米麩中含有的親脂性母育酚、親水性花青素、γ-谷維素可以抑制脂肪酸和膽固醇氧化、減少動物血漿膽固醇水平，從而有效預防由包括心血管疾病在內的許多其他慢性病引起的炎癥[24?26]。有色稻米中豐富的維生素E、多酚和纖維素等物質具有抗癌、降血糖、消炎、抗疲勞、抗衰老、預防老年癡呆癥等保健效果[27?28]。

此外，在有色稻米的提取物及其應用方面也取得了一定的進展。研究表明，可溶性己烷可誘導結腸癌細胞凋亡，而紫米乙醇粗提物的抗氧化效果比可溶性己烷更強，紫米提取物還可通過改變結腸環境而預防結腸癌[29?30]。通過口服有色稻米的稻殼提取物，能夠使高血糖病人的胰島和肝臟細胞恢復正常，將這些提取物添加在食物中可有效防止因糖尿病引起的氧化脅迫和炎癥，從而保護胰島細胞正常分泌胰島素[31]。口服有色稻米的花青素粗提物，可有效降低膽固醇和血漿甘油三酸酯，進而改善人體脂質結構、增強血小板的穩定性[32]，還可抗乳腺癌[33]、減輕人體乙醇傷害[34]、抑制血管增殖和遷移[35]、預防視網膜光化學損傷和抑制熒光燈誘導的視網膜凋亡[36]。

1.3 有色稻米的綜合利用

有色稻米具有諸多的營養成分和藥用價值，如何將這些有價值的成分有效攝入成為研究的關鍵。除了有益于人體，有色稻米中的花青素還是重要的化工和食品原料，可用于食品、藥物和其他日用品的生產等。

1.3.1 在傳統食品中的應用 用黑米等有色稻米可以加工成各式各樣的食品供消費者選擇，但限于成本壓力，傳統的加工工藝仍為主流，如制成傳統的八寶粥、米果、米粉、粉絲、鍋巴、米面包等。隨著人們需求提升和消費升級，市場出現了一些新工藝和深加工產品，如黑米雙歧酸奶[37]、香酥片[38]、黑米冰淇淋[39]、黑米果茶[40]等。這些食品色澤鮮艷、營養豐富而又口感獨特，深受消費者喜愛。此外，將有色稻米與發酵工藝結合也具有良好的開發前景，用優質有色稻米生產的黑米啤酒[41]、米酒[42]、米醋[43]、米飲料[44]等都是深受歡迎的產品。

1.3.2 有色稻米的保健產品開發 有色稻米除了含有花青素、黃酮等抗氧化天然色素外，還含有其他豐富的具有藥用價值的活性成分。根據這些功能性成分的理化性質和化學結構等特性，結合現代化學工藝技術，篩選適合的溶劑和方法進行穩定化處理，通過成分配比調配可生產出更為精細的類藥保健品[45]。

1.3.3 色素的開發和利用 有色稻米中的多種天然色素不僅能溶于水和乙醇等有機溶劑，還能與奶油、食用油、冰淇淋等混溶，并能使肉類食品著色，用途廣泛。該色素無異味、色澤鮮艷、著色均勻、色調穩定且使用安全、方便，可調配成不同色調，廣泛應用在低溫或常溫下對酸性食品的著色。該色素可作為天然的食品添加劑，如營養強化液、甜味劑和色素等，這些產品均可針對有色稻米成分特性進行提取和加工，使有色稻米提取物更廣泛地應用于食品加工業中，進一步提高有色稻米的商品價值[46]。

2 有色稻米相關遺傳學研究

鑒于有色稻米的重要應用價值，利用遺傳學方法分析和研究控制有色稻米色素及有效成分的相關基因顯得十分重要。只有明確了關鍵基因的遺傳規律，才能夠利用分子設計、基因工程等技術手段與現代育種技術相結合，持續推進有色稻米品種的種質創新和遺傳改良。

雖然針對有色稻米顏色控制基因的研究結論不盡相同，但截至目前，多數的研究結果都表明：有色稻米的色素合成受2 對基因互作控制，而有色和無色受1 對基因控制，稻米的有色表型屬于質量性狀。Nagao 等利用紅米稻自然突變體為研究材料，通過構建群體和進行遺傳分析后發現，紅米種皮色素是由Rc和Rd兩對互補基因控制。當兩者同時存在時稻米種皮為紅色，只有Rc存在時為棕色，Rc功能缺失為普通的白色[47]。隨后學者們分別對Rc和Rd展開了基因定位研究[48?50]。進一步分析發現，Rc基因編碼了1 個myc 類轉錄因子，生物信息學分析發現在普通白米中Rc基因的第6 外顯子存在14 個堿基的缺失[51]。進一步研究表明，除了在第6 外顯子上的堿基缺失外，Rc基因在第8 外顯子上還有9 個堿基的刪除和6 個堿基的插入，互補驗證進一步證實了Rc就是編碼bHLH 結構的轉錄因子[52]。隨后，Brooks 等研究發現1 個顯性的新基因位點Rc-g，該位點中存在1 個堿基的缺失逆轉了rc基因的ORF（開放閱讀框），使白色突變體水稻材料發生了回復突變[53]。王麗華等對紅米稻品種紅寶石進行遺傳分析和基因定位，發現紅米的種皮顏色僅受1 對基因控制，該基因位于水稻第7 染色體上[54]。而Dong等研究認為，控制顏色的基因不屬于質量性狀，而屬于數量性狀QTL 控制，并檢測出4 個數量性狀位點，分別位于第1、7、9、11 號染色體上[55]，這與前述的研究結果不同。綜上，學者們使用不同遺傳背景的材料和不同的研究方法進行試驗，得出了不完全一致的研究結論，但目前大多數學者認為：是Rc和Rd基因的互作影響紅米色素的表達和形成。

與紅米控制基因的研究結果類似，紫（黑）米的表型也受2 對基因互作控制。Hsieh 利用水稻的自然突變體進行研究，發現紫米種皮色素由2 對互補基因Pa和Pb控制，當同時存在Pa和Pb基因時，種皮呈紫色；當只有Pb時，種皮呈棕色；當沒有Pb時種皮呈白色[56]。隨后國內外學者們分別利用不同遺傳背景的水稻品種和突變體，對Pa和Pb基因進行了定位[48]。研究發現：Pb基因與其他文獻中報道的Ra基因為等位基因。進一步的生物信息學分析發現，與白米品種相比，黑米品種中Ra基因的第7 外顯子存在1 個GT 的缺失，該結果表明水稻紫色種皮表型可能由Ra基因第7 外顯子內的GT 缺失引起[57]。

事實上，與所有其他表型一樣，都是受基因和環境同時影響。有色稻米種皮色素的形成除了受色素基因表達控制和基因間的互作影響外，環境也會對有色稻米色素的積累造成影響。如：高溫能使紅米著色程度加深，而低溫使黑米著色程度加深[58]。可見，不同基因型對環境條件的反應并不一致。

3 有色稻育種研究

近年來，學者們對于有色稻種質資源的收集、評價和相關基因的研究及分子標記開發方面取得了一定的進展，在學科交叉和資源、信息共享的大背景下，育種家們獲取了很多有價值的信息，并將其應用到育種工作中，在有色稻品種的種質創新、新品種選育和推廣應用等方面也取得了突破。

3.1 種質創新與新品種選育

從20 世紀70 年代開始，我國對地方有色稻米品種資源進行了系統的收集和整理。各地育種單位在此基礎之上，早期利用自然變異、系統選育的方法育成了農黑糯、舟山紅米、紅1 號、紅4 號、云陸29 號、湘晚秈12 等有色稻品種[59]。近年來，傳統雜交育種技術與誘變手段和現代生物技術相結合，在有色稻品種資源的創新上取得了新的進展，如：利用輻射誘變育成的紫香糯861、赤峰1 號等[60?61]。韓龍植等利用雜交聚合技術，選育出一系列具有有色種皮、巨胚、香味、甜味、軟米等單一特殊性狀和聚合2 個以上上述性狀的特種稻資源[62]。湖南、廣東、浙江、江西、安徽、廣西等地的育種單位利用體細胞無性變異、遺傳工程技術、全基因組DNA導入和航天誘變等方法與現代育種技術相結合，選育出黑珍米、黑優粘、贛晚秈33、金優紅、固紅優寶3 號、紅香玉、南紅寶、桂紅占等優質有色稻米品種[59]。從國外引進的優良有色稻品種主要有印度的ASD17、美國的A-201 和日本的筑紫紅糯等[63]。

隨著對水稻雜種優勢研究的深入和雜交水稻的大面積推廣，有色雜交稻品種的市場需求也日漸加大，相關研究也越來越受到重視。雜交稻除了具有綜合雙親的雜種優勢而具有較高的產量外，還可以利用雙親在抗病性、品質、農藝性狀和遺傳背景上的互補性，充分利用親本間適當的遺傳距離產生的亞種間雜種優勢，選育出品質優、抗性好、產量高、農藝性狀優良的有色稻雜交品種。基于這樣的理論背景，并在當前的市場導向下，福建省農業科學院水稻研究所近年來進行了大量的研究和試驗，分別從不育系和恢復系兩方面著手，在國內率先選育出以紫392S 和閩紅249S 為代表的優質紫米和紅米兩系不育系，以福恢737 為代表的紫糯恢復系，測配出紫兩優737、紫兩優3 號、閩紅兩優727、閩紅兩優3 號等系列有色稻米品種通過省級以上審定。其中紫兩優737 品質優、產量高、易于種植，深受農戶和市場歡迎，在云南省、福建省的推廣面積逐年上升，有效促進了種糧戶的積極轉型，顯著提高了農民的種糧效益。

3.2 分子標記的開發與利用

分子標記輔助選擇與傳統的雜交技術相結合具有通量高、準確性好、速度快等優點。針對水稻育種的周期性，針對控制有色稻米的基因序列與普通大米存在顯著差異，開發有效的分子標記，可以在苗期即對分離群體進行檢測，篩選出攜帶目標基因的株系。

王芳權根據已克隆的紫色種皮Pb 與白色種皮pb 等位基因第7 外顯子的差異，設計出酶切擴增片段長度多態性標記CAPSPb，可以作為紫米育種的基因功能標記[64]。魏文嵩等選用控制種皮顏色的紅米基因Rc、香味基因fgr 的功能性分子標記，通過優化dNTPs 及引物濃度，建立了一套多重PCR 體系，同時能檢測水稻紅米基因和香味基因的基因型，利用該體系可對紅米和白香米水稻雜交后高世代群體進行檢測[65]。劉盼通過對控制紅米品種培雜191 的紅色種皮性狀的基因進行定位，設計出3 對可以準確鑒定水稻紅色種皮性狀并區分基因的顯隱性的特異性分子標記，其中標記HS-3 擴增穩定、帶型清晰，是理想的水稻紅色種皮特異性分子標記[66]。邵雅芳根據黑米Ra 基因第10 外顯子存在2 個堿基的缺失、紫葉白米Ra 基因第2 外顯子（5′-UTR 區）8 個堿基的缺失和紫葉白米的第6 內含子存在30 個堿基的缺失，分別設計了3 對共顯性分子標記RaMarker1、RaMarker2 和RaMarker3。將這些標記分別用于黑米和白米重組自交系的檢測和驗證，發現這3 個分子標記可用于黑色種皮的分子標記輔助育種[67]。

除了專門針對有色稻米的種皮顏色的特異性分子標記以外，在有色稻米品種的選育過程中，也要像普通水稻育種一樣重視抗病、抗蟲、抗逆等綜合農藝性狀，相關的分子標記也可綜合利用，為優質、多抗、高產有色稻米新種質的創制和品種選育提供支撐。

4 討論與展望

4.1 制約有色稻米產業發展的問題

截至目前，有色稻米的相關研究主要集中在花青素含量受所控制基因表達、環境、種皮部位及色素沉積時期等因素的影響，缺少對其他重要功能性成分含量及穩定性的影響因素的相關研究。雖然用有色稻米加工功能性食品的產業日趨成熟，且針對有色稻米中的花青素、多酚類、黃酮類、阿魏酸和咖啡酸等功能性成分的相關研究進展迅速，其藥學機理的研究也逐漸明晰。但對于不同有色稻品種的色素分布、細分種類、提取分離技術，以及其成分的活性、穩定性的維持等方面仍需開展大量的、深入的研究。有色稻米功能食品用于防治人類慢性病研究進展緩慢，新型有色稻米功能食品和藥品尚待開發。紫米和黑米是國內市場上消費最多的有色稻米，但除了目前在生產上推廣的少數雜交紫、黑米品種外，多數生產上推廣的紫、黑米品種的產量較低，其育種水平和規模與普通白米品種相比明顯滯后，嚴重影響了有色稻米的產業化進程和產業鏈的形成。

4.2 關于促進有色稻米產業發展的建議

得益于市場和科研人員的共同關注，從基礎研究到應用研究，從聯合協作到學科交叉，有色稻的相關研究越來越受到重視。但還需要科研工作者繼續攻關和努力，持續開展對有色稻米品種資源的基礎研究和應用研究。首先，有色稻品種是一種原始而特殊的種質資源，是長期進化過程形成的栽培稻的祖先，有色稻中必然還有未被發現的潛在價值，需要對其進行專門的收集和保護，同時拓寬水稻育種中存在的親本遺傳背景狹窄的問題，也可對水稻基因組的功能和進化研究進行補充和完善；其次，隨著科學技術的發展和研究的深入，有色稻豐富的營養價值和獨特的藥用價值將被挖掘，具有很大的市場潛力，目前對有色稻米功能性成分的研究主要集中于花青素，應加強其他功能成分分子機理、提取工藝及醫療保健作用等領域的研發；第三，有色稻米富含的花青素等活性物質不僅具有重要的藥用價值，還可作為天然的食品添加劑應用于食品和藥品的加工中。因此，系統有效地開展有色稻米的綜合研究，是人類健康和時代發展的要求，也是市場和產業發展的需要，建議建立有色稻米資源利用與育種中心，聯合醫藥保健及功能食品研發中心，加速其功能食品的研發，提升有色稻米防治人類慢性病的影響力，推動其產業化進程。

4.3 促進有色稻米產業創新發展的研究方向

農業經濟的發展歸根結底在于種質資源的創新、品種的改良和種植模式的更新。有色稻米雖然在有效成分的含量上遠高于普通白米，但有色稻米的功能性成分多集中在種皮上，其主要的食用部位胚乳和普通大米并無顯著差異。在這種背景下，華南農業大學劉耀光團隊通過分析不同稻米中花青素通路基因序列，提出轉基因堆疊策略，應用相關技術使水稻胚乳同時表達8 個花青素路徑基因。結果產出的紫色胚乳稻米的花青素含量和胚乳的抗氧化活性都顯著較高[68]。該研究為使用該轉基因堆疊向量系統，修改涉及其他重要營養物質和藥用成分產出的植物生物反應器提供了理論依據，也給從事有色稻米品種研究的科研人員帶來了福音。與傳統育種和轉基因（RNAi 或者基因工程）育種方法相比，基因編輯能夠準確編輯目標基因，而且不需要雜交和回交過程，省時方便，可以大大提高有色稻米品種培育效率。隨著科學技術的發展和研究的深入，有色稻米中的功能性成分控制基因的遺傳基礎及其調控規律等越來越清晰。今后，除了利用基因堆疊向量系統外，還需要充分依托現代生物技術，利用SSNs（包括TALEN、ZFN 和CRISPR）技術進行分子設計育種，提高品種選育效率和育種后代材料的表型可預見性，為綜合性狀優良的水稻新品種選育提供技術支撐。