功能性水稻研究進展及前景展望

劉傳光，周新橋，陳達剛，郭 潔，陳平麗，陳 可，李逸翔,，陳友訂

（1.廣東省農業科學院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術重點實驗室/廣東省水稻工程實驗室，廣東 廣州 510640；2.廣東海洋大學濱海農業學院，廣東 湛江 524088）

隨著區域經濟發展與人們生活水平的提高，一些富裕人群由于膳食結構不合理、體力勞動強度和運動強度下降，導致肥胖、“三高”疾病（高血糖、高血壓、高血脂）、心血管疾病、糖尿病、慢性腎病等慢性疾病發病率越來越高。據報道，2017 年全球慢性腎病（Chronic kidney disease,CKD）發病率超過9.1%，我國總發病人數超過1.323 億人、發病率超過9.5%，表明CKD 已經成為影響大眾健康的重大疾病［1］。截至2019 年底，全球糖尿病患者總人數達到4.63 億，我國則達到1.16 億，并呈逐年增長的趨勢［2］。另一方面，貧困地區仍然存在著嚴重的營養缺乏問題，如蛋白質供給及攝入量明顯不足，食物中某些人體必需微量元素缺乏（如缺鐵、缺鋅、缺硒等），導致營養性貧血癥、維生素A 缺乏癥等地方病流行。因此，保證食物供應的營養和健康功能是未來食品科學、醫學和公眾營養科學共同關注的課題［3-4］。功能性水稻是一類具有特殊遺傳背景的水稻，在胚乳、胚和米糠中含有某種或多種較普通水稻品種高得多的具有生理調節功能的活性成分，其稻米供某些疾病患者、年老體弱者等特殊人群食用，既可以滿足日糧需求，又具有調節人體生理代謝、增進人體健康等多種功能。目前，已揭示出水稻中功能性成分有九大類，包括功能性蛋白質（低含量谷蛋白、26 kD 抗過敏蛋白）、活性多糖（抗性淀粉、膳食纖維及其類似物）、功能性油脂（富含不飽和脂肪酸）、功能性維生素（β胡蘿卜素等）、必需微量元素（鐵、鋅、硒等）、功能性黃酮類化合物、自由基清除劑、功能性肽和人體必需氨基酸等［5］。

我國65%以上人口以水稻為主糧［6］，廣東省居民傳統上以水稻為主食。近30 年來，隨著經濟發展與生活水平提高，肉類在食物結構中所占比重越來越高，特別是廣東人傳統上以雞、鴨、豬骨等肉類為食材的老火靚湯已成為日常飲食習慣，使得廣東地區慢性腎病、糖尿病發病率不斷提高，特別是慢性腎病發病率顯著高于全國其他地區［7］。腎病患者由于蛋白質代謝障礙，不宜食用蛋白質含量高的食物；缺鐵、缺鋅病人通常需要食用鐵、鋅含量高的食品以補充上述元素，達到治療與保健的功效；癌癥患者增補富硒食品可以提高對癌細胞擴散的抵抗力［5,8-9］。針對不同病患類型，應用常規育種技術與現代生物技術相結合，培育具有調節人體生理功能、對患者疾病有輔助治療和保健作用的功能性水稻新品種，對改善我國以稻米為主食人群的營養與健康狀況具有十分重要的意義。功能性水稻概念雖然在20 世紀90 年代才提出來，但其研究發展很快，已成為一個重要的水稻研究領域。本文就功能性水稻研究進展及其發展前景進行綜述。

1 功能性水稻分類

1.1 有色稻

有色稻為一類因果皮含有某種花色素物質而糙米表皮呈現出不同于普通稻米的特殊顏色的水稻，其中以果皮呈紫色的黑米和紅褐色的紅米最為常見。我國具有悠久的有色稻米栽培歷史，最早可追溯到晉代，并被中醫學視為藥食同源的重要滋補食品［10］。明李時珍著《本草綱目》記載補血糯（黑糯）有“滋陰補腎、健脾暖肝、明目活血”的保健功能，并有“補中益氣、治消渴、暖脾胃、虛寒泄痢、縮小便、收自汗”等功效［10］。在印度，有色稻由于可以提高人體免疫力而被稱為藥用稻，供免疫力低下、身體虛弱者食用，以提高身體免疫力［11］。隨著現代醫學的發展，有色米的保健功能得到進一步的科學證實，使有色米的開發應用成為功能性水稻研究的重要組成部分。

1.2 低谷蛋白水稻

水稻種子中絕大多數的蛋白質是貯藏蛋白。根據溶解性質的不同，水稻種子貯藏蛋白可分為堿溶性的谷蛋白、醇溶性的醇溶蛋白、水溶性的白蛋白和鹽溶性的球蛋白等4 種，其中谷蛋白含量最高，占蛋白質總量的80%左右［12］。谷蛋白和醇溶蛋白在胚乳中以蛋白體的形態存在，醇溶蛋白積淀在蛋白體PB-I 內，谷蛋白儲藏在蛋白體PB-II 中［13］。稻米貯藏蛋白一般在糠層和胚中含量較胚乳高，越向胚乳深層，含量越少；糊粉層和穎殼等外層組織中白蛋白和球蛋白含量較高，胚乳中則谷蛋白含量最高［14］。稻米儲藏蛋白的溶解性、生物價和能量吸收性能都很好，而且其氨基酸組成比較平衡，賴氨酸、蘇氨酸等必需氨基酸含量較高，是人類重要的蛋白質來源之一［14-15］。

臨床研究結果顯示，低蛋白飲食是CKD 臨床干預的重要手段，能有效延緩CKD 進展［16］。正常飲食達到充足能量攝入往往伴隨攝入的蛋白質增多，很難達到熱量充足、高效價、低蛋白的要求，而控制飲食減少食物攝入量雖然能滿足蛋白質限量要求，但常會出現熱量不足，容易引起營養不良［17］。天然種植低谷蛋白大米（谷蛋白含量低于4%）由于稻米中可消化吸收蛋白質含量較普通大米低，因而可用作腎病患者康復治療期間的主食，既能滿足患者正常代謝的能量需求，又能控制蛋白質攝入量，能顯著改善患者蛋白代謝壓力，有助于加快患者康復速度。低谷蛋白水稻作為腎病患者專用功能稻首先在日本開發成功，目前低谷蛋白大米已成為日本腎病患者的首選主糧［18］。

1.3 高抗性淀粉水稻

普通稻米具有較高的血糖指數（Glycemic index,GI），對于日益增多的廣大糖尿病患者尤其是非胰島素依賴的Ⅱ型糖尿病患而言，如何解決高血糖與饑餓的矛盾、促進患者康復治療與心身健康是當今面臨的嚴峻課題。抗性淀粉（Resistant starch,RS）是指在健康小腸中可以避開胰腺α-淀粉酶的水解而不被消化吸收的淀粉的降解產物的統稱［19］。RS 最早由Englyst 等［20］在測定不溶性膳食纖維時發現并命名。與不溶性膳食纖維相比，RS 具有相似的生理功能，但生化特性和消化特性等方面表現出巨大差異［20-22］。富含RS 的淀粉類食物消化慢，可作為緩慢釋放葡萄糖的載體，延長人體能量供給和飽腹感時間，但又基本不影響人體正常的能量代謝，因而在預防與控制人體代謝綜合癥（如Ⅱ型糖尿病、肥胖以及心血管疾病）方面有益，對維持腸道健康（如預防和控制結腸癌、大腸息肉以及腸炎等）方面亦具有重要應用價值［23-25］。臨床試驗結果表明，高RS 稻米對增加患者飽腹感、節制飲食和控制血糖指數功效顯著，而且還可有效防止便秘、腸炎和痔瘡等腸道疾病，對降血脂和控制體重有一定功效［26］。

1.4 富微營養水稻

微營養是指人體需求量少但不可或缺，或者非人體必需但對健康有益的微量元素、維生素、特殊氨基酸等營養物質。普通稻米中微營養含量低且生物有效性差，難以滿足人體代謝的基本需要。因此，在以谷物為主食的發展中國家及欠發達地區，人體微營養不良的情況非常普遍。據報道，全球約20 億人口表現鐵缺乏癥、每年近80萬兒童因缺鋅而致死，大量嬰幼兒因缺乏維生素A 造成智力發育不全、易感傳染病和失明等嚴重后果，給個人、家庭和社會均帶來沉重的精神負擔和經濟負擔［27-28］。應對各類微營養缺乏癥，最常用的方法是在食物中添加相應的元素或維生素以增加其攝入量，達到消除相關癥狀的目的。然而，食物添加微營養物質存在安全風險、費用較高等問題。

要安全有效、長期持續地解決人們微營養缺乏的問題，應用現代生物育種技術培育富含微營養物質的糧食作物，提高人體攝入量，是一種最為高效、經濟的方法［29］。水稻是世界上最重要的糧食作物之一，全世界超過50%的人口以水稻為主食，培育富鐵、富鋅、富維生素A 等的水稻品種將是解決相關人群微營養缺乏問題的重要途徑。要培育富微營養水稻品種，可以通過兩種途徑實現，首先是從品種資源中篩選、發掘富含微營養物質的種質資源，通過現代水稻育種技術培育產量、抗病性、適應性等綜合性狀符合生產要求的富微營養水稻新品種并推廣應用；其次是利用生物技術，克隆其他物種中存在的富微營養基因，通過轉基因技術導入水稻品種，培育富微營養水稻新品種。

1.5 藥物制造生物反應器水稻

植物為藥用重組蛋白質或多肽提供了一個非常好的生產平臺。基于植物的藥用重組蛋白質或多肽生產方法，與傳統的微生物發酵系統或哺乳動物細胞合成方法相比具有以下優點：生產成本低，易于控制生產規模，不受哺乳動物病原體的污染，以及藥物分子能夠在環境溫度下長期儲存而不降解［30］。水稻的栽培、收獲、加工和儲存設施在全世界范圍內都已非常完善，水稻種子作為生物反應器，一旦建立了完善的轉化系統，由于較高的稻谷產量和重組蛋白提取效率，與同等條件下的其他谷物相比具有特別的優越性［31］。此外，水稻種子中積累的重組蛋白在室溫下可穩定保存數月，無需冷藏而提高生產成本。即使在烹煮后，重組蛋白的活性仍能保持。除了注射用重組蛋白外，以大米種子為基礎的口服藥物因其能抵抗嚴酷的酸性環境和消化酶，因而還能被有效地輸送到腸道［30］。因此利用水稻作為藥用重組蛋白質、多肽、維生素和褪黑素等藥物的生物反應器，生產相關藥品，日益受到關注。

2 國內外功能性水稻研究進展

功能性水稻的研究于20 世紀80 年代由日本首先開展，并很快成為全球水稻遺傳育種學研究的熱點。國際水稻研究所（IRRI）于1990 年代開展富微量元素稻米遺傳育種研究，通過常規育種技術育成比普通稻米鐵、鋅含量高的富鐵、富鋅水稻品種。2004 年1 月，由國際熱帶農業研究所（CIAT）與國際食物政策研究所（IFPRI）兩個國際農業磋商小組成員組織成立了推進生物強化發展的HarvestPlus 國際合作計劃；同年5 月，由中國農業科學院范云六院士發起并在中國開始正式啟動該項目［10］。

2.1 有色稻研究進展

我國有著上千年的有色稻栽培歷史，擁有豐富的種質資源，目前國內作物品種資源庫保存的稻種資源中有色稻種占10%左右，其中紅米種質最多［32］。有色稻米的色素合成與沉積部位為種子的果皮部分，其隨穎果發育而逐漸沉積于果皮［33-34］。授粉后3 d，穎果的遠胚端即開始沉積少量的花色素；授粉后5 d，在穎果靠內稃一側大量沉積，并且貫穿胚端和遠胚端；授粉后6 d，花色素布滿整個穎果皮，但靠外稃的一側明顯少于靠內稃一側，即與胚同側的部位沉積較慢，而與胚異側的部位沉積較快；到授粉后7 d，整個穎果皮都沉積了花色素，而且均勻一致，不同水稻品種穎果著色程度有所差異［34］。

研究表明，紫色米皮受分別位于第1、3、4 染色體的3 個基因Kala 1、Kala 3和Kala 4共同作用。當基因Kala 4不存在時，果皮呈無色；當Kala 4基因存在、其他兩個基因不存在時，果皮呈棕色；當基因Kala 4和Kala 1同時存在時，果皮呈黑褐色；當基因Kala 4和Kala 3同時存在時，果皮呈棕褐色；Kala 1、Kala 3和Kala 4同時存在時，果皮呈紫黑色［35］。黑米色素含量表現數量遺傳特征，符合加性-顯性模型，高色素含量等位基因對低色素含量等位基因色表現為顯性［36］。水稻中決定紅色果皮的基因有兩個，分別是Rc與Rd［37］。Rc與Rd互補，Rc被定位在第7 染色體，而Rd位于第1 染色體。Rc負責產生水稻果皮的褐色色素，當只有Rc存在時產生紅褐色的種子；Rc與Rd都存在時，果皮呈深紅色；而只有Rd存在時，果皮沒有任何顏色［37］。精細定位結果顯示，Rc基因位于第7 染色體BAC克隆AP005098 于AP005779 的重疊區域［37］。進一步研究發現Rc基因實際上是一個編碼Helix-Loop-Helix 結構蛋白基因［27］。rc是一個空等位基因 (null-allele)，由于第6 外顯子一段14 bp 的堿基缺失引起移碼突變和啟動子提前終止，使基因失效，Rc對rc為顯性效應［38］。

有色稻遺傳育種方面，近20 年來應用現代水稻育種技術，大批有色稻品種在全國各地相繼育成。例如，中國水稻研究所通過體細胞無性系變異育成果皮烏黑色的黑珍米［39］、廣東省農業科學院生物技術研究所應用DNA 導入方法育成高產高糙米蛋白含量的黑優粘［40］、貴州省農業科學院水稻研究所育成紅米雜交稻組合金優紅［41］。廣東省農業科研單位與農業生產管理部門對有色稻米開發與應用非常重視，早在2009 年即在廣東省水稻新品種區域試驗中設立特用稻試驗圃，先后育成華小黑、軟紅米、紅荔絲苗、粵紅寶、南紅1 號和南紅3 號等一批有色稻品種通過審定并大力推廣［42-44］。目前廣東省有色稻年種植面積超過1.33 萬hm2。

華南農業大學劉耀光院士團隊利用Cre/loxP重組系統和新創建的不可逆重組的突變loxP 位點，開發了新一代的高效多基因載體系統TGS Ⅱ（TransGene Stacking Ⅱ），利用該系統將來自玉米和彩葉草的8 個花青素合成的關鍵基因導入水稻并在胚乳特異表達，培育出在胚乳中合成并沉積蝦青素的紫晶米水稻［45］。紫晶米的培育成功，為功能稻育種、合成生物學、復雜代謝途徑的基因工程操作以及涉及多個基因的重要農藝性狀的改良提供了新的方法。

2.2 低谷蛋白水稻研究進展

1993 年，Iida 等［46］通過化學誘變結合全蛋白SDS-PAGE 電泳技術篩選，獲得了低谷蛋白-高醇溶蛋白的突變體材料NM67，NM67 的總蛋白含量與原始親本接近，但谷蛋白含量明顯降低、13 ku 醇溶蛋白含量明顯上升、球蛋白含量也略有升高。SDS-PAGE 分析發現，NM67 4 個酸性亞基條帶中最大的一個帶缺失，3 個堿性亞基條帶中最小的一個帶其量減少，但沒有出現降解形成的新條帶。在2D-電泳相對應的酸性斑點中，最大的1 a 缺失而最小的4 a 減少［47-49］。對突變體后代分離群體分析發現，低谷蛋白與高醇溶蛋白的特性總是相伴出現，并受顯性單基因控制，不存在劑量效應。結合RFLP 標記將它們定位于第2染色體的XNpb243 和G365 之間，距XNpb243 標記為8.5 cM［47］。Wang 等［50］進一步將低谷蛋白基因LGC-1 定位于第2 染色體與RM1358 距離3.8 cM 的位置。以NM67 為親本，通過遺傳改良育成用于商業化生產的低谷蛋白品種LGC-1、Saikai 231 等，并作為腎臟病、糖尿病人專用的水稻品種應用于臨床試驗，效果顯著，受到日本各大醫院以及腎臟病和糖尿病患者的普遍歡迎［18,48-49,51］。隨后Satoh 等［52-53］、Qu 等［54］和曲樂慶等［55］通過MNU（N-甲基硝基脲）誘變，獲得α-1、α-2亞基減少的低谷蛋白突變體。Wang 等［56］通過對一個自然變異的水稻低谷蛋白突變體OsVPE1 基因的圖位克隆和功能分析，發現突變體和野生型間在該基因上只有一個核苷酸的差異，導致突變體中液泡加工酶OsVPE1 蛋白的269 位由Cys（半胱氨酸）突變為Gly（甘氨酸），功能互補試驗證實了OsVPE1 就是突變基因，該基因位于第4染色體長臂RM252～RM7187 之間。

中國農業科學院與南京農業大學合作，以LGC-1 和越光為親本，通過回交育種技術育成我國第一個粳型低谷蛋白水稻品種W3660，并實現商品化，深受北京、江蘇等地糖尿病和腎病患者的歡迎［57］。隨后又相繼育成W0868、W088等高產、優質、抗病粳型低谷蛋白水稻新品種，并實現商業化開發應用。廣東省農業科學院水稻研究所利用W3660 為親本，應用常規育種技術與分子標記選擇技術和蛋白質分析技術相結合，將低谷蛋白基因LGC-1 導入秈稻品種五山絲苗，育成秈型低谷蛋白水稻品種N198［58］；以N198 為親本，將LGC-1 導入含抗稻瘟病基因Pi-2和抗白葉枯病基因Xa23的絲苗型水稻育種雙抗中間材料，育成一批雙抗稻瘟病、白葉枯病的絲苗型低谷蛋白水稻新品系。

2.3 高抗性淀粉水稻研究進展

以水稻為原料開發的高抗性淀粉食品，最初比較常見的是煮谷米（Parboiled rice），其主要原理是通過高溫、高壓處理等加工方式提高RS 含量［59-60］。但是煮谷米在加工制作過程中會破壞稻米中部分營養成分，導致營養流失，而且價格高昂，普通消費者難以承受，因此篩選高RS 水稻品種資源、通過遺傳改良手段進行高RS 稻米新品種開發市場前景廣闊。

普通稻米RS 含量很低，熱米飯中RS 含量一般在1%以下，即使冷米飯中RS 含量也大多低于2%。Hu 等［61］對直鏈淀粉含量在0～26.7%的常規秈稻、常規粳稻和雜交秈稻品種（組合）的熱米飯RS 含量進行測定發現，僅個別品種RS 含量超過2%，絕大部分品種（組合）RS 含量在0.4%以下。同類型水稻品種（組合），RS 含量隨直鏈淀粉含量增加而增加，但RS 含量又不完全受AM 含量決定。因此，直接從生產上的主栽水稻品種中篩選高RS 品種難度較大，須從遺傳資源庫篩選或人工創造遺傳變異的方法發掘高RS 水稻種質。

Butardo 等［62］應用RNA 干擾技術，使得淀粉分支酶SBE Ⅱb 表達水平下調，獲得直鏈淀粉含量高達41.2%、RS 含量高達4.8%（較其原始親本Nipponbare 高10 倍）的轉化植株。浙江大學應用輻射誘變技術，培育出首個RS 含量高達3.6%的高RS 秈稻品種浙輻201，并以雜交水稻強優恢復系R7954 為起始材料，經航天搭載誘變，篩選培育出高RS 突變體RS111［63］。RS111 直鏈淀粉含量26.7%，其熱米飯中RS 含量比普通品種高2～4 倍，采取優化蒸煮方式熱米飯中RS 可高達10%［64］。浙江大學還利用來自美國的高RS種質RS102，應用雜交育種技術育成糖尿病患者專用高抗性淀粉粳稻品種宜糖1 號，其米飯中RS含量高達10.17%［65］。國際水稻研究所應用化學誘變技術對水稻品種Kinmaze 進行誘變處理，獲得1 份ae 突變體，并以ae 突變體與IR36 雜交獲得高RS 水稻突變體AE，其RS 含量高達8.25%［64］。上海市農業科學院應用花藥培養技術和常規育種技術相結合，育成高RS 粳稻新品種降糖稻1 號，其RS 含量高達14.86%［66］；應用CRISPR/Cas9系統編輯水稻淀粉分支酶基因SBE3，獲得RS 含量超過10%的高RS 水稻新品系［67］。云南省農業科學院從云南稻種質資源新平早秈群體中系統選育出功米3 號，其米飯中RS 含量高達10%以上［68］。

廣東省農業科學院水稻研究所科研人員從該所種質資源庫保存的1.8 萬份栽培稻資源中，通過對直鏈淀粉含量信息進行檢索，篩選出直鏈淀粉含量27%以上的資源466 份，對篩選出的高直鏈淀粉種質進行抗性淀粉檢測，篩選出RS 含量達8.3%的高RS 種質GDRS1120-3；隨后，應用雜交育種技術將GDRS1120-3 與現代水稻優良品種進行雜交，育成高抗性淀粉水稻新品系GDRS16-20 和GDRS16-33，其熱米飯RS 含量分別達8.3%、10.04%；參考Englyst［20］和Goni［22］的方法并進行優化，進一步研究抗性淀粉生化特性，用淀粉葡糖苷酶進一步降解α-胰淀粉酶消化后的稻米淀粉殘余物，發現降解產物能分離出葡萄糖和脂肪物質，按照Fuentes-Zaragoza 等［69］對抗性淀粉的分類方法，推測GDRS1120-3 的RS主要是RS5 型。

2.4 富微營養水稻研究進展

富微營養水稻研究目前多見于富含 γ-氨基丁酸（GABA）、維生素A、鐵、鋅、硒和鈣等微營養物質的水稻。

動物大腦中GABA 濃度很高，在抑制中樞神經系統和周圍組織中的神經傳遞方面起著基礎作用［70］。GABA 作為一種抑制性神經遞質與亨廷頓病、帕金森病、老年癡呆癥、癲癇、阿爾茨海默病、強直綜合征和精神分裂癥相關的信號通路改變有關，可以緩解患者病情［71］。GABA 具有激活肝和腎功能、促進胰島素分泌的作用，有助于糖尿病的治療［72］。此外，GABA 還具有降血壓、增進記憶力和提高免疫力等功效［73］。基于GABA 的諸多功效，日本、韓國和中國等以大米為主食的國家均非常重視高GABA 水稻培育。1981 年，Satoh 等［74］利用化學誘變劑MNU 處理水稻金南鳳品種合子細胞而率先獲得巨胚突變體（Giant embyro-ge），其胚比金南鳳大2～3 倍，其糙米經浸水處理后胚芽萌動初期GABA 合成急劇增加并累積；之后，通過遺傳改良先后育成Haiminori、北海269 和奧羽359 等巨胚稻新品種，其中Haiminori 通過3 年臨床試驗，并作為高血壓患者的專用米在全國定點種植專賣［10］。

韓國科學家從粳稻Hwachungbyeo 中篩選巨胚突變體，該突變體的賴氨酸、生育酚和維生素B1 含量均明顯高于野生型［75］。中國農業科學院水稻研究所、南京農業大學、福建農林大學等單位也通過不同途徑獲得相應的突變體材料，并育成可以商業化生產的巨胚稻新品種或雜交稻組合［76-77］。

研究表明、稻米中鐵、鋅、錳、銅等微量元素的含量存在顯著的基因型差異［78-79］。稻米的胚和米皮中微量元素含量比胚乳高得多［80-82］。富微量元素水稻育種目前以常規育種技術為主。李晨等［83］從189 份水稻種質中篩選獲得1 份糙米鐵含量高達52.65 mg/kg 的富鐵栽培稻種質；賴來展等［84］應用孤雌誘導及子房培養技術育成糙米鐵含量高達52.20 mg/kg 的富鐵水稻品種黑優粘3 號；IRRI 育成的富鐵水稻新品種IR164 已在菲律賓等東南亞國家推廣應用［85］。應用轉基因技術，將大豆、菜豆、豌豆等豆類植物的鐵蛋白基因導入水稻培育富鐵轉基因水稻，也是目前富鐵水稻育種的一條重要途徑。Goto 等［86］將大豆鐵蛋白基因轉入水稻，獲得鐵蛋白在水稻中能穩定表達積累的轉基因植株，其糙米中鐵含量比受體品種高3 倍；劉巧泉等［87］將菜豆鐵蛋白基因導入粳稻品種武香粳9 號，轉基因植株精米中鐵含量顯著提高；葉紅霞等［88］在105 份轉豌豆鐵蛋白基因水稻后代純系中，發掘到2 份鐵含量比受體親本分別提高4.82和3.46倍的富鐵轉基因水稻種質。

2005 年先正達（Syngenta）公司通過轉基因技術培育出稻米類胡蘿卜素含量高達 37 μg/g 的第二代“黃金大米”，為解決貧困地區維生素A 缺乏的狀況提供了可能［89］。楊樹明等［90］應用水稻雜交育種技術培育出高鈣紅米新品種功米1 號，其糙米Ca 含量達254 mg/kg。

硒對人類健康很重要，參與各種代謝過程，硒缺乏會增加癌癥和心血管疾病的風險。硒補充劑多用于治療自身免疫性甲狀腺疾病，但過量的硒使用也會提高代謝綜合癥發生的風險［91］。在育種實踐中，尚未篩選到相應的富硒遺傳資源材料，因此通過育種提高稻米硒含量目前還無法實現。生產上富硒稻米的開發都是通過在富硒土壤環境下種植或施用硒肥進行生物強化的方法提高稻米硒含量［92-93］。

2.5 藥物制造生物反應器水稻研究進展

利用水稻作為藥物制造生物反應器，目前最成功的是水稻重組人體白蛋白（OsrHSA）大規模生物合成與純化［31,94］。武漢大學楊代常團隊應用轉基因技術，將人體白蛋白基因導入水稻，轉基因水稻谷粒中人體白蛋白（HSA）含量占谷物總可溶性蛋白質的10.58%。大規模生產條件下，每公斤糙米可生產高達2.75 g 純度大于99%的OsrHSA。OsrHSA 的物理和生化特性顯示其與血漿提取的HSA（pHSA）具有相當的促細胞生長和治療肝硬變效率。此外，OsrHSA 在體內外免疫原性方面與pHSA 相似。動物試驗結果顯示OsrHSA安全性高，有助于滿足全世界對人血清白蛋白日益增加的需求［32］。

褪黑素是一種廣泛存在于動植物中的多功能生物分子，介導了許多重要功能，包括通過其潛在的抗氧化活性和激活有絲分裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase,MAPK）的功能刺激生長和激發脅迫耐受力［95-96］。褪黑素在人體健康方面的功能主要包括助眠［97］、神經退行性疾病治療［98］、抗氧化作用［99］、骨質疏松預防［100］等，富褪黑素食品已成為食品業未來發展的重要技術領域［101］。水稻也能合成褪黑素，而且通過生物技術手段可以顯著提高其合成水平。Choi 等［102］應用轉基因技術對水稻葉綠體咖啡酸O-甲基轉移酶過表達，提高了葉綠體褪黑素合成量。Lee 等［103］應用轉基因技術下調水稻N-乙酰5-羥色胺脫乙酰酶（N-acetylserotonin deacetylase,ASDAC）基因表達水平，顯著提高了褪黑素合成水平。以上研究為探索富褪黑素水稻育種提供了重要啟示。隨著生物技術的發展，通過生物技術手段開發褪黑素生物合成的水稻生物反應器，大規模生物合成與提取褪黑素用于人體醫療與保健將有巨大的發展空間。

3 功能性水稻研究展望

當前世界經濟發展不均衡的現象相當嚴重，在公眾營養方面朝兩個極端發展：一方面，在經濟發達地區，高血壓、高血脂和高血糖等“三高”病癥人數呈明顯增加趨勢；另一方面，在經濟落后地區，營養缺乏問題更加突出。因此，世界各國對功能性水稻的需求日益增大［3-4］。培育具有富含多種微營養成分（包括微量元素鐵鋅硒、維生素及有益氨基酸等）的水稻新品種對于改善公眾營養十分關鍵［79-80］。低谷蛋白水稻品種可以滿足有腎機能障礙的CKD 和糖尿病患者的低蛋白飲食要求，解決患者主糧問題，有利于患者康復治療與保健。日本將低谷蛋白稻米用于腎臟病患者治療期間作主糧取得良好效果［18］，目前低谷蛋白稻米已成為日本腎臟病患者首選主糧。高抗性淀粉含量水稻供糖尿病患者食用可明顯降低餐后血糖濃度上升速度和峰值，有利于有效控制患者病情［104-105］。通過常規育種、遠緣雜交育種、誘變育種等方法并綜合改良，進一步挖掘具有多種功能活性成分的功能性水稻顯得愈加重要，開展功能性水稻相關基礎理論研究和生理活性物質的作用機理研究，可以保障高效、合理利用營養物質，達到增進公眾健康、降低疾病的目的［106］。

近年來，功能性水稻的選育發展很快，國內外已經開發出包括保健型、輔助療效型及其他特殊用途的功能性水稻，其中輔助療效型功能性水稻是通過品種改良育成的一種含有較高水稻功能性成分比例的功能性水稻，對腎臟病、糖尿病、“三高”癥、肥胖、動脈硬化、骨質疏松等疾病的治療和康復保健具有重要輔助作用，患者治療期間作主食可以調節身體生理代謝，利于提早康復，達到輔助治療的效果。近年來，歐美和日本等國家非常重視稻米中必需成分和生理活性成分的研究。研究表明，稻米的胚和種皮富集64%以上營養元素和生理活性物質，稻米中也富集著各種具有生理效應的功能性因子，如鐵、鋅、硒等微量營養元素以及γ-氨基丁酸（GABA）、肌醇、谷維素、維生素E、谷胱甘肽、膳食纖維、N-去氫神經酰胺等多種功能性生理活性成分［107］。充分發掘利用稻米中功能成分的潛力巨大，應用遺傳育種手段提高稻米功能成分，不僅可望直接用于增強人體機能和代謝平衡，還可提高稻米的附加值，擴大稻米的利用范圍，使稻米既可以作為糧食也可作為一種新型功能保健品和食品工業的一種重要原材料，促使相關稻米加工產業升級，顯著提高水稻生產效益［106］。

功能性水稻育種未來將從功能的單一型向復合型過渡，由保健型向保健與輔助療效相結合轉變。未來如果培育出低谷蛋白有色稻品種，其既是有色稻，又是低谷蛋白水稻，這樣對身體虛弱的腎病患者即可實現低蛋白干預治療，又可增加花青素、黃酮類物質的攝入，對提高患者人體免疫力非常有利。將低谷蛋白水稻與高抗性淀粉水稻進行雜交育種，培育低谷蛋白高抗性淀粉水稻，對解決低蛋白、低熱量飲食需求的糖尿病患者尤其是糖尿病腎病患者的主糧問題有著非常重要的意義。

隨著相關基礎學科的發展，水稻遺傳育種與相關學科的交叉融合與相互促進作用日益重要。功能性水稻研究與生理學、營養學和醫學等學科間的緊密結合將是推動該領域研究不斷突破的前提基礎。在育種技術上，以多組學生物技術和常規育種相結合的方法，不斷挖掘與創制功能性水稻種質、培育功能性水稻新品種是功能性水稻研究的發展方向。