影響稻米品質性狀的相關基因研究進展

張 濤,王子瑞,毛鑫晨,唐家琪,張 超,于恒秀

(揚州大學農學院/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/植物功能基因組學教育部重點實驗室/江蘇省作物基因組學和分子育種重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心,江蘇揚州 225009)

我國近60%的人口以水稻作為主食,國家明確指出糧食安全必須要得到保障,于是提高水稻的產量成為育種家首先要解決的問題。“超級稻”的概念從20世紀80年代開始分別由日本和國際水稻研究所提出并實施。我國于1996年啟動“中國超級稻育種”項目,在我國科學家的不斷努力探索下,目前我國超級雜交水稻的育種和應用技術已經在國際上保持領先水平[1]。但是隨著大眾生活質量和消費水平的提高,人們的需求已從原來的“吃飽飯”到如今的“吃好飯”,未來將會往“吃健康的飯”的方向發展,對外觀好、口感好、營養好的優質稻米的需求越來越大。因此,選育出優質、高產、營養價值高、更加受老百姓喜愛的水稻新品種成為育種家們近些年來的目標。

遺傳、環境以及田間栽培和管理技術等因素都會影響稻米的品質性狀。因此,僅通過常規育種手段的方法去進一步改良稻米的品質性狀已經不現實。科學家們在分子生物學理論與技術的基礎上發現分子標記輔助選擇(Maker-assisted selection,MAS)方法可以將功能不同的優良品質基因快速地導入到稻米中,從而達到改良稻米品質的目的。這就使得育種的效率得到顯著提升,因而在品質相關基因的定位、克隆以及功能研究方面也取得了很大的進展[2]。該研究綜述稻米品質性狀的主要組成,品質性狀相關基因定位、克隆以及功能的研究進展,以期為進一步改良稻米品質提供參考。

1 稻米品質性狀的分類

稻米品質是一個綜合性狀,是指從稻谷的種植、收獲到加工,再到進入市場被消費者直接購買的全部過程。在日常的生活中,由于我國國土面積大,地區差異明顯,人們對稻米的口味、喜好各不相同,因此對稻米品質的評價標準也有所差異。目前,國內外對于稻米品質的評價標準基本統一,主要包括碾磨品質(milling quality,MQ)、外觀品質(appearance quality,AQ)、蒸煮與食味品質(eating and cooking quality,ECQ)和營養品質(nutritional quality,NQ)4個指標,這4個指標都直接或間接地由水稻種子的結構和組成決定,且指標之間互相影響。

碾磨品質也稱為加工品質,是指在經過脫粒、去殼、除糙等簡單加工過程后的水稻表現出稻米完整性的品質特性。碾磨品質主要包括糙米率、精米率和整精米率3項指標。糙米率是指糙米重量與水稻總重量的比值。糙米的結構由米糠(果皮、糊粉等)、胚和胚乳組成。然而,由于糙米烹飪困難較大,且食用口感較為堅硬,只有胚乳殘留的精米更受歡迎,可以被消費者廣泛接受,因此,通常會將糙米加工成精米。精米是糙米經過加工碾磨后亮度增加的精白大米。精米率是指最終得到的精米重量與水稻總重量的比值。通常把長度超過稻米加工前完整籽粒長度的2/3的精米稱為整精米。整精米率則是指最終得到的整精米重量與水稻總重量的比值,整精米含量高的水稻加工時出米率高、碎米含量少、米粒整齊且食用品質好,是衡量碾磨品質最重要的一項指標[3]。

良好的外觀品質更容易受到消費者的歡迎,外觀品質性狀主要是由稻米籽粒粒型、籽粒堊白度、籽粒透明度3個指標來決定的,其中粒型和堊白度是外觀品質性狀改良最主要的研究方向。粒長、粒寬、粒厚和長寬比是影響粒型的4個性狀,但最主要的是粒長、粒寬和長寬比,三者之間也會互相影響[4-5]。堊白是指水稻籽粒白色不透明的部分,主要是由于水稻籽粒灌漿不充分導致籽粒胚乳中組織疏松而形成的,包括心白、腹白和背白。稻米的堊白性狀主要分為3個級別:一級,堊白粒率≤10%,稻米的外觀品質最好;二級,堊白粒率≤20%,稻米的外觀品質較好;三級,堊白粒率≤30%,稻米的外觀品質較差。可見,堊白的多少及發生程度對稻米品質的影響十分巨大。目前,市場上將粒型完整、堊白度低、透明度好作為優質外觀品質稻米的評價指標[6]。

蒸煮與食味品質是指稻米在蒸煮和食用過程中表現的各種理化及感官特性,是稻米品質的核心指標。一般來說,衡量蒸煮食味品質最常用的理化指標有直鏈淀粉含量(amylose content,AC)、糊化溫度(gelatinization temperature,GT)、膠稠度(gel consistency,GC)和淀粉黏滯性(rapid viscosity analyzer,RVA)等[7]。稻米直鏈淀粉含量是決定籽粒的透明度、適口性、黏性和消化特性等的主要因素,即與米飯的硬度、彈性、黏性有關。一般直鏈淀粉含量適中或者較低的米飯適口性更好、米質較軟、飯粒光澤度較好,而直鏈淀粉含量高的米飯適口性較差、米質較硬、彈性較低,但有預防糖尿病和肥胖癥等方面的作用。糊化溫度是指淀粉粒在熱水中迅速吸水膨脹導致淀粉粒變得更透明,黏滯性上升,有更多可溶性物質進入水中而不可逆轉時的溫度。差示熱量掃描儀(differentitial scanning calorimetry,DSC)可以直接用來測不同品種稻米淀粉的糊化溫度,其主要分為以下3種糊化溫度:高糊化溫度(>74 ℃)、中糊化溫度(70～74 ℃)和低糊化溫度(55～70 ℃)。糊化溫度越高,蒸煮的時間越長,最終會影響稻米的食味品質和外觀品質。聚合度(degree of polymerization,DP)為6～12的支鏈淀粉A鏈(Ap-A)與聚合度為13～24的B1鏈(Ap-B1)的比率增加,可能會導致降低糊化溫度和硬度,并且提高熟米飯的黏性,從而產生更好的米質和烹飪性能[8-10]。所以,一般認為中等糊化溫度對稻米的食味品質和外觀品質影響最小,最適合煮飯[11]。稻米淀粉經過稀堿糊化后成為米膠,米膠在水平放置的試管中冷卻一段時間后,會延伸到一定長度,此時測量的米膠長度即為膠稠度。它是衡量米飯軟硬的評判標準之一,一般認為膠稠度高的米質較軟,膠稠度低的米質相對較硬[12]。RVA是指快速黏度分析儀,適用于測定淀粉的基本特性,主要包括峰值黏度(peak viscosity,PKV)、峰值時間(peak time,PeT)、熱漿黏度(hot paste viscosity,HPV)、冷膠黏度(cool paste viscosity,CPV)和起漿溫度(pasting temperature,PaT)等特征值。特征值相減后即可獲得二級數據崩解值(breakdown value,BDV)、消減值(setback value,SBV)、回復值(consistence value,CSV)[13]。因此,飯粒完整且有香味、米質軟且不黏結、適口性好且易消化的稻米才能稱為優質米[14]。

稻米的營養品質主要包括蛋白質、脂肪、淀粉、維生素和對人體有益的微量元素等,主要以糙米的粗蛋白質含量作為評價營養品質的指標。由于稻米中的賴氨酸和蘇氨酸微量元素含量極為豐富,且稻米中的各種氨基酸的比值都是非常接近人體需要的,因此其生物價值較高。但稻米中的蛋白質含量會受到很多內外因素的影響、包括其自身遺傳因子的影響,生態環境因素的影響、田間栽培技術和管理方式的影響[15]。其中對稻米營養品質影響的最大因素是高溫[16]。如果在水稻孕穗、開花和灌漿的時期遭受高溫、低溫、缺水或者降水過多等極端條件影響,將會對稻米品質和產量造成極大的影響[17]。

2 稻米品質性狀相關基因的定位與克隆

2.1 碾磨品質的相關QTL定位從遺傳學上講,稻米碾磨品質由母體二倍體基因型、三倍體胚乳基因型和細胞質基因組控制,因此水稻碾磨品質的遺傳基礎十分復雜。目前,只精細定位了影響水稻碾磨品質的qBRR-10基因。Ren等[18]利用臺中1號(TN1)與春江06(CJ06)雜交獲得雙單倍體群體,研究了影響BRR的碾磨和外觀性狀的遺傳基礎。之后利用構建的分子連鎖圖譜,在第1、8、9和10染色體上分別檢測到了BRR的4個QTL。在qBRR-10位點建立了染色體片段代換系,最終qBRR-10被縮小到10號染色體上39.5 kb的區域,在該區域有2個候選基因LOC-Os10g32124和LOC-Os10g32190,它們在TN1和CJ06差異表達,這有助于qBRR-10基因的進一步克隆。qBRR-10的克隆和遺傳機理研究將有助于提高BRR,進而提高水稻產量和稻米碾磨品質。其他對水稻碾磨品質的遺傳研究還依舊停留在QTL層面。周海平等[19]通過雙向導入系和重組自交系的方法共定位到了29個影響稻米碾磨品質的主效QTL。Qiu等[20]利用272份秈稻種質資源在5個環境下定位到16個影響水稻加工品質的主效QTL。Nelson等[21]構建2套重組自交系共定位到6個影響整精米率的主效QTL。胡霞等[22]在南寧和三亞環境下定位到了qMR5、qMR6a、qHR1和qHR5b等影響糙米率、精米率和整精米率的QTL。

2.2 稻米外觀品質的相關基因粒型是水稻外觀品質最重要的性狀之一,加上水稻產量也受稻米粒型的影響,因此其相關基因的定位與克隆也備受育種家的關注[23]。粒長、粒寬、粒厚和長寬比是控制稻米粒型最主要的4個方面。近年來,國內外的研究發現,水稻稻米粒型會受到多個基因的調控且存在加性效應,其中粒長的遺傳中加性效應最明顯[24]。在粒寬的遺傳中,也存在加性效應,同時還受顯性效應、單基因、多基因和主效基因的控制,表現出細胞質效應[25]。芮重慶等[26]研究發現,水稻粒厚主要受多基因控制且遺傳受環境影響比較大,母性效應和加性效應較顯著。徐辰武等[27]認為長寬比的遺傳表達對稻米的外觀品質有著很大的影響,適中的長寬比是優質稻米的表現之一,且長寬比主要以母體加性效應為主。

粒型的研究已成為水稻遺傳學家和育種家的研究熱點。目前,已在水稻12條染色體上定位了400多個與粒型相關的數量性狀位點,克隆了80多個粒型相關的基因,而在育種實踐中有利用價值的基因主要包括控制粒長性狀的GS3、qGL3、GW7/GL7、DEP1/qPE9等基因[28-32],控制粒寬性狀的GW2、GW5/qSW5、GS5等基因[33-35],以及GS6、TGW6、GW8/OsSPL16、BG2、GW6a/Os-glHAT1、OsGRF4/GS2/GL2等粒型基因[36-41]。

目前鑒定和克隆最多的是水稻粒長基因,GS3編碼一個非標準Gγ亞基,是水稻中首個被克隆的粒長和粒重的QTL,該基因負調控粒長和粒重[42]。Mao等[28]研究發現,GS3編碼蛋白質的OSR結構域可以負向調節水稻籽粒的長度,導致短粒表型。另一類對粒長起調節作用的是qGL3,其編碼蛋白磷酸酶,在AVLDT基序中,由天冬氨酸向谷氨酸的轉變而導致長粒表型。GW7可以編碼TONNEAY 1,籽粒的長度和寬度與其基因表達量分別呈正負相關關系。GL7基因導致籽粒長度的增加和外觀品質的改善的原因是因為其位點上一個17.1 kb片段的串聯重復導致GL7的上調及其附近負調控因子的下調。由于GW7和GL7位于同一基因位點,因此GW7/GL7可以共同調節粒長性狀[30-31]。DEP1/qPE9編碼另一個非標準Gγ亞基,是水稻穗型和粒型的主要QTL[43-44]。DEP1/qPE9-1主要通過促進淀粉生物合成相關基因的表達來積極調節淀粉積累,從而延長灌漿過程的持續時間,最終影響粒型[43]。除GS3和DEP1外,G蛋白γ亞基還包括RGG1、RGG2和GGC2。籽粒長度由GGC2正向調節,由RGG1和RGG2負向調節[45-49]。有報道稱RGG1參與調節細胞分裂素含量,從而形成G蛋白細胞分裂素模塊來控制水稻粒型[50]。此外,遺傳分析表明,這些Gγ蛋白需要Gα(RGA1)和Gβ(RGB1)亞基來控制粒長[49]。最近的2項研究表明,UPP介導的籽粒尺寸調節涉及新的調節因子。一種是水稻3號染色體上DA1的同源物(HDR3),另一種是泛素相互作用基序(UIM)型活性泛素受體,可以與GW6a相互作用并穩定GW6a,以減緩其降解,從而促進細胞分裂并提高籽粒灌漿速率,最終正向調節粒長[51]。CLG1-1是一種E3泛素連接酶,可以泛素化和介導GS3的降解,從而改變G蛋白信號傳導和調節粒長[52]。

GW2是一個控制水稻粒寬和粒重的主效QTL,Choi等[53]研究發現,GW2主要對籽粒大小起負調節的作用。Lee等[54]研究發現,GW2可以調控籽粒大小的原因是因為它與參與碳水化合物代謝的蛋白質直接相互作用。Tian等[55]研究發現,GW5可以負向調節籽粒的大小。GS5位于第五號染色體,是一個控制粒寬、粒重和結實率的QTL,它可以促進細胞分裂,從而通過影響細胞大小和數目來調節籽粒粒寬[56]。

堊白是一種不良的性狀,堊白度較高的稻米不僅外觀品質差,而且也會影響稻米的食味品質。目前已經鑒定了大量與堊白相關的QTL和基因,主要包括:cyPPDK、G1F1、OsRab5a、Chalk5、PGC6.1、GSE5。Tan等[57]發現,定位于第5號染色體上的腹白和堊白率的共同座位RG360-C734a的貢獻率較大,他們發現控制堊白的位點可能存在23個,貢獻率在4.9%～87.2%。Kang等[58]克隆了cyPPDK,該基因會影響稻米籽粒胚乳灌漿,進而改變籽粒的堊白度。Wang等[59]克隆了G1F1,該基因突變時會提高籽粒的堊白度,且會降低該基因突變后的水稻籽粒的直鏈淀粉含量。Han等[60]克隆了OsRab5a,該基因功能喪失會阻礙水稻籽粒的淀粉體的形成等,從而影響籽粒的堊白度。Li等[61]從2個秈稻品種H94(低堊白度和優質)和珍汕97(高堊白度和優質)之間的雜交中培育了1個雙單倍體群體。利用該群體在5號染色體上的兩個分子標記RM593和RM574之間的區間內精細定位到了1個主要的稻米堊白QTLChalk5,其編碼液泡型H(+)-轉運焦磷酸酶,具有無機焦磷酸酶水解和H(+)-轉運活性,提高該基因表達將會使稻米胚乳中堊白增加。Misra等[62]通過全基因組關聯研究發現PGC6.1是一個影響低直鏈淀粉品種堊白度降低的QTL。GSE5為粒長顯性基因、粒寬和堊白半顯性基因,通過分子標記輔助選擇,將與GSE5密切相關的DNA片段導入到珍汕97B(ZB)中,得到改良后的珍汕97B的堊白度較低[63]。

2.3 蒸煮與食味品質的相關基因稻米的主要成分就是淀粉,它是一種半晶體顆粒,由兩種葡萄糖聚合物、直鏈淀粉、支鏈淀粉以及支鏈淀粉的精細結構組成,可以說稻米品質本質上是由淀粉品質決定的。

蠟質基因(Wx基因)是控制AC的主效QTL,它位于水稻的第六號染色體上,編碼GBSSI催化合成直鏈淀粉。目前已報道了Wx的多個復等位基因,包括wx、Wxa、Wxb、Wxop、Wxin、Wxmp、Wxhp和Wxmq等[64-70]。其中,Wxa控制高AC的形成,一般AC>25%;Wxb控制下的稻米AC一般為15%～18%;含Wxin等位型的稻米AC一般為18%～22%;含Wxop和Wxmq等位型的水稻胚乳表現為不透明,AC一般<10%;而含Wxmp和Wxhp等位型的稻米AC一般也<10%。Zhang等[71]發現,Wxlv是Wx的祖先等位型,該等位型的水稻的直鏈淀粉含量最高。Wxla/Wxmv可以用來改良出外觀品質好且直鏈淀粉含量低的水稻新品種[72-73]。支鏈淀粉的合成由淀粉合成酶(soluble starch synthase,SS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)、淀粉脫支酶(debranching enzyme,DBE)等多種酶相互協作完成。其中SS主要負責支鏈淀粉鏈的延伸[74]。水稻共有8種同工型,包括SSI、SSII-1(SSIIc)、SSII-2(SSIIb)、SSII-3(SSIIa)、SSIII-1(SSIIIb)、SSIII-2(SSIIIa)、SSIV-1(SSIVa)、SSIV-2(SSIVb)[75]。在水稻胚乳中占胚乳SS總酶活90%的SSI、SSII-2和SSII-3是SS中的最主要研究對象,三者之間的氨基酸序列同源性大于50%,共享同一基序KXGGL,該基序構成SSII的ADPG結合位點的一部分[76]。SSI約占SS胚乳總酶活的70%,主要負責支鏈淀粉短鏈(DP<12)的合成[77]。SSII-3也是定位于水稻的第六號染色體上。SSII-3中的關鍵氨基酸變異會影響其酶活性并導致糊化溫度的差異,加上其主要負責延伸支鏈淀粉的短支鏈(DP≤12),合成中等長度的支鏈(12≤DP≤24)[78],因此是控制糊化溫度(GT)的主效QTL。膠稠度也是由若干主效基因和諸多微效基因共同調控的數量性狀。Tian等[79]研究得出,膠稠度主要由與Wx緊密連鎖的1個基因以及第2、第7染色體上的QTL共同控制[80-81]。

香稻在市場上普遍受到消費者的歡迎,因此香味是衡量稻米食味品質好壞的主要性狀之一。從19世紀開始,研究者們就致力于對于香味基因的定位工作。He等[82]發現,控制水稻香味性狀的主基因(fgr)可以調控水稻香味主要成分2-乙酰-1-吡咯啉(2AP)的產生。之后Ziegler等[83]通過精細定位將香味基因定位在水稻第8號染色體的20 175 367～20 386 172 bp大約252 kb的區域內。后來,Chen等[84]克隆了BADH2基因,該基因表達量降低,會導致水稻體內2-乙酰-1-吡咯啉的積累而產生香味。BADH2-E7和BADH2-E2是BADH2的2個等位基因,其突變后使得水稻籽粒產生香味[85]。經過多年的研究發現,香味品質性狀屬于質量-數量性狀遺傳,其除了受2對獨立遺傳的隱性基因控制外,還會受到微效多基因的調控[86]。Kovach等[87]研究發現,Badh2香味基因有8種隱性等位基因,且Badh2.1是香稻中普遍存在的優勢等位基因。

2.4 營養品質的相關基因水稻的營養品質主要受到自身遺傳因子的影響,另外環境條件、田間栽培措施和管理方式以及其他人為等因素也會影響水稻的營養品質。稻米中營養品質最重要的蛋白質含量受多基因的調控,溫度、降水等環境因素對稻米的蛋白質含量影響極大[88]。楠谷彰人[89]在蛋白質的QTL定位和克隆研究中發現儲藏蛋白與稻米品質密切相關。研究表明,參與調控種子儲藏蛋白的含量的轉錄因子有OsRISBZ1和OsRPBF[90];水稻中已鑒定了至少15個編碼谷蛋白的結構基因,其與編碼稻米品質的基因相關[91]。Wang等[92]研究發現,OsRab5a突變后會影響谷蛋白從高爾基體向蛋白體的轉運,進而影響稻米的營養品質。谷蛋白和球蛋白的運輸受OsSar1a、OsSar1b和OsSar1c共同調控,其突變后籽粒表現出相同的粉質表型[93]。此外,Peng等[94]在研究中發現,OsAPP6過量表達能夠促進蛋白質的合成,最終提高水稻的營養品質。

另外,與蛋白質緊密相關的氨基酸含量同樣也受多基因控制。Simon-sarkadi等[95]發現,所有游離氨基酸和蛋白質的含量會受到單個氨基酸含量的影響。Lu等[96]研究發現,過表達OsAAP3基因的株系中賴氨酸、精氨酸、組氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、蘇氨酸和絡氨酸的濃度顯著升高。之后Wang等[97]又發現過表達OsAAP5基因的株系中賴氨酸、精氨酸、纈氨酸、丙氨酸的轉運和積累量均高于野生型。OsAAP1、OsAAP6、OsAAP10 等基因在幼穗中表達,它們可通過調控氨基酸跨膜轉運蛋白的活性來影響氨基酸含量。研究發現,在過表達OsAAP1基因的株系中自由氨基酸含量增加,而RNAi和 CRISPR敲除株系的自由氨基酸含量反而下降[98]。轉qPC1/OsAAP6基因的陽性植株中丙氨酸、亮氨酸、纈氨酸、脯氨酸、精氨酸、酸性氨基酸和氨基酸總量均顯著增加,而RNAi植株則降低[94]。OsAAP10的基因功能缺失會導致氨基酸含量顯著下降[99]。Guo等[100]利用日本晴背景下的OsLHT1突變系發現,OsLHT1基因對營養器官到生殖器官的氨基酸轉運起重要作用,主要影響籽粒的氨基酸含量和蛋白質含量。

3 展望

我國有14億人口,糧食安全問題是國之大計。我國育種家們致力于育成單產量較高的水稻品種,在一代又一代的育種家們不懈的努力下,水稻產量不斷提高,溫飽問題已經不需擔心,對于稻米品質的要求越來越高。不久的將來,人們會更青睞放心健康的優質稻米。因此,選育出人民滿意的、愿意消費的、吃著放心、健康的優質高產稻米品種已經成為育種家們的奮斗目標。

雖然現在已經定位和克隆了很多與稻米品質相關的基因,并且對其功能進行了深入的研究,但依舊存在很多問題。還有很多其他對稻米品質有影響的基因沒有被發現;基因與基因之間的互作機制還有待明晰;稻米品質性狀之間往往相互影響,即使來源于同一組合、擁有同一主效基因,其品質性狀也會有較大差異;對淀粉合成的遺傳調控機制還需完善;高產和優質常常會相互矛盾,需通過將分子育種與常規育種相結合的方式來平衡品質和產量的關系;改良的品種往往抗性也需提高;另外品種改良推進慢、科學種植水平低、收獲儲藏不規范、質量標準執行難、競爭秩序亂也是阻礙稻米品質改良的因素。

盡管稻米品質改良面臨諸多問題,但隨著社會經濟的快速發展、科學技術的不斷進步、國家政策的大力支持以及一代又一代的育種家們堅持不懈的努力,將會有更多的稻米品質相關基因被發現、更多優質高產的水稻品種被選育。