王慧 張從合陳金節(jié) 嚴(yán)志 周桂香 黃艷玲

（安徽荃銀高科種業(yè)股份有限公司/農(nóng)業(yè)部雜交稻新品種創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥230088；第一作者：qygkwh@163.com；*通訊作者：zhangch7201@vip.sohu.com）

水稻是世界特別是亞洲地區(qū)的主要糧食作物。自1989年國(guó)際水稻研究所首次提出超級(jí)稻之后，中國(guó)科學(xué)家已在超級(jí)稻品種選育與應(yīng)用方面取得了巨大成績(jī)[1]。隨著人們生活水平和消費(fèi)水平的提高，人們對(duì)稻米品質(zhì)特別是風(fēng)味、口感和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的需求也不斷提高[2]。糙米率、整精米率、堊白度和透明度等外觀和加工品質(zhì)以及堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量等蒸煮食味品質(zhì)在國(guó)家水稻品種審定中也一直是作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

稻米品質(zhì)性狀大多數(shù)都是數(shù)量性狀，遺傳特征相當(dāng)復(fù)雜，除了受遺傳控制外，還受光照、溫度、海拔、水肥等環(huán)境因素的影響。因此，利用常規(guī)育種手段改良品質(zhì)難度較大。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)理論與技術(shù)的迅速發(fā)展，在品質(zhì)相關(guān)基因的定位、克隆及機(jī)理研究方面也取得了很大的進(jìn)展，利用分子標(biāo)記輔助選擇的方法能夠快速導(dǎo)入優(yōu)良品質(zhì)基因，大大提高育種效率。本文在介紹稻米品質(zhì)性狀構(gòu)成的基礎(chǔ)上，綜述了稻米品質(zhì)性狀的影響因素、品質(zhì)性狀的定位與基因克隆研究進(jìn)展，以及稻米品質(zhì)改良方式及育種研究，以期為進(jìn)一步利用分子標(biāo)記輔助選擇的育種方法改良水稻品質(zhì)提供參考。

1 稻米品質(zhì)性狀的構(gòu)成

稻米品質(zhì)性狀主要包括加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮與食味品質(zhì)以及營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，其中加工品質(zhì)主要用糙米率、精米率和整精米率等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，而外觀品質(zhì)主要由粒型、堊白、透明度和籽粒色澤等要素構(gòu)成[3]。加工和外觀品質(zhì)直接決定了水稻的商品價(jià)值。由于稻米主要食用的是胚乳，胚乳的主要成分又是淀粉，因此直鏈淀粉含量的高低直接影響蒸煮與食味品質(zhì)，是其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)；膠稠度和糊化溫度與蒸煮食味品質(zhì)也密切相關(guān)[4]；此外，延伸性的好壞、香味的類型及濃淡都會(huì)影響蒸煮與食味品質(zhì)。

稻米營(yíng)養(yǎng)成分包括蛋白質(zhì)、氨基酸、脂肪、維生素和礦質(zhì)元素等，目前衡量營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的指標(biāo)主要是蛋白質(zhì)含量[5]。秈稻的蛋白質(zhì)含量普遍高于粳稻，高蛋白水稻品種多為秈稻[6]。蛋白質(zhì)含量高且人體必需氨基酸含量高的稻米具有很好的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[7-8]。

2 影響稻米品質(zhì)性狀的因素

不同水稻品種的稻米品質(zhì)是不同的，這主要是由遺傳特性所決定。但稻米品質(zhì)性狀除了受遺傳控制外，還受自然生態(tài)環(huán)境、栽培技術(shù)以及水肥管理等因素的影響。

2.1 環(huán)境因素

2.1.1 高溫和干旱

高溫和干旱是影響稻米品質(zhì)的首要生態(tài)因素。水稻生育期內(nèi)遇到高溫和干旱，會(huì)引起稻米長(zhǎng)寬比變小，同時(shí)造成糙米率、精米率、整精米率的降低，進(jìn)而導(dǎo)致加工品質(zhì)變差[9]，特別是抽穗期遇到高溫和干旱，對(duì)稻米胚乳結(jié)構(gòu)影響很大，使堊白粒率和堊白度提高，外觀品質(zhì)降低；相關(guān)研究[10]得出，抽穗期高溫會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉含量、膠稠度和堿消值不同程度下降；但呂艷梅等[11]研究結(jié)果剛好相反，其認(rèn)為花后高溫（37℃）會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉含量升高，明顯降低稻米的蒸煮食味。水稻在結(jié)實(shí)前后都需要一定的低溫環(huán)境，但是溫度太低或者太高都不利于蛋白質(zhì)和氨基酸的形成，進(jìn)而導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)降低[12]。

2．1．2 光照和海拔

不同光照條件對(duì)稻米品質(zhì)的影響不同。研究表明，稻米堊白度和透明度與光照時(shí)數(shù)密切相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為 0．75 和－0．86[13]。灌漿期日照時(shí)數(shù)不夠，會(huì)降低水稻碳水化合物的積累，同時(shí)也會(huì)造成蛋白質(zhì)含量和直鏈淀粉含量增加，引起食味品質(zhì)降低[14]。在水稻生育期內(nèi)，增加秈稻日照時(shí)長(zhǎng)，可使其蛋白質(zhì)含量在一定程度上有所提高，從而提高秈稻的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)[15]。

種植地的海拔高度也是影響稻米品質(zhì)不可忽視的環(huán)境因素。向遠(yuǎn)鴻等[16]采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法研究了不同海拔高度稻米品質(zhì)的變化規(guī)律，結(jié)果表明，在海拔500～1 000 m范圍內(nèi)，不同品種米質(zhì)隨海拔高度的不同有所不同，米質(zhì)越優(yōu)的品種其米質(zhì)表現(xiàn)最優(yōu)的海拔也越高。蘇振喜等[17]研究得出，海拔對(duì)糙米率、精米率、粒型影響較小，對(duì)整精米率和堊白的影響較大，一般高海拔點(diǎn)的整精米率優(yōu)于低海拔點(diǎn)，隨著海拔的升高，堊白粒率有明顯下降的趨勢(shì)，并認(rèn)為海拔對(duì)直鏈淀粉含量的影響較小，膠稠度隨海拔的升高而降低；李俊青等[18]則認(rèn)為，高海拔地區(qū)秈稻的堊白大于低海拔地區(qū)，而粳稻則有相反趨勢(shì)，秈稻和粳稻稻谷的粗蛋白含量隨著海拔的升高而升高；但周廣洽等[12]認(rèn)為，海拔800 m以內(nèi)蛋白質(zhì)含量會(huì)隨著海拔升高而升高，但是超過800 m之后則成下降趨勢(shì)。

2.2 栽培管理

2．2．1 播期和栽插密度

雜交稻外觀品質(zhì)和加工品質(zhì)受播期的影響較大，且成熟后不及時(shí)收割會(huì)導(dǎo)致糙米率、堊白粒率和堊白度顯著增加，同時(shí)精米率和整精米率不同程度降低[19]。不同堊白度品種受播期的影響比較大，播期推遲使堊白度較高的品種堊白降低，堊白度較低的品種堊白升高[20]。直播稻在前茬騰茬時(shí)間允許的情況下早播，可以改善稻米的食味和蒸煮品質(zhì)[21]。

此外，栽插密度過高或過低均不利于稻米綜合品質(zhì)的提高，密度過高會(huì)使整精米率降低，密度過低會(huì)使直鏈淀粉含量增加、米飯變硬，加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)變差，營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)也會(huì)降低[22－23]。

2．2．2 肥料施用

氮素供應(yīng)量是影響稻米蛋白質(zhì)含量的重要因素[24]，在一定范圍內(nèi)氮肥施用量越多蛋白質(zhì)和微量元素含量越高，但超過范圍則呈下降趨勢(shì)。有研究[25]認(rèn)為，直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而降低，進(jìn)而增加食味品質(zhì)。張俊國(guó)等[26]則認(rèn)為，多數(shù)稻米蛋白質(zhì)含量、直鏈淀粉含量隨著施氮量的增加而上升，與此同時(shí)米飯的硬度增加，食味品質(zhì)下降，在高氮時(shí)下降尤為明顯。

此外，在栽培管理中還應(yīng)控制好不同肥料的比例。張進(jìn)等[27]研究發(fā)現(xiàn)，噴施合理配比的鐵氮混配肥不僅能提高稻米中的蛋白質(zhì)含量，也能提高糙米中鋅、鈣、鎂的含量。同時(shí)土壤水分對(duì)稻米微量元素的吸收有著至關(guān)重要的作用。胡樹林等[28]研究認(rèn)為，土壤中Zn2+含量較高時(shí)，香稻的香味更濃。

3 稻米品質(zhì)的基因定位與克隆

3.1 外觀品質(zhì)的相關(guān)基因研究

粒型是與水稻外觀品質(zhì)直接相關(guān)的重要性狀，同時(shí)與水稻的產(chǎn)量也有密切關(guān)系，其相關(guān)基因也是稻米外觀品質(zhì)改良中最受關(guān)注的一類基因[3]。目前已經(jīng)從不同的水稻種質(zhì)資源中分離了至少幾十個(gè)與粒型相關(guān)的基因，而在育種實(shí)踐中有利用價(jià)值的基因主要包括GS3、GL3.1/OsPPKL1、GW7/GL7等控制粒長(zhǎng)性狀的基因[29－32]，GW2、GW5/qSW5、GS5 等控制粒寬性狀的基因[33－35]，以及 GS6、TGW6、GW8/OsSPL16、BG2、GW6a/OsglHAT1、OsGRF4/GS2/GL2 等粒型基因[36－41]。其中，GS3、GL3.1/OsPPKL1、GW2、GW5/qSW5、GS5、GW8 等基因已被克隆。位于第3染色體上的GS3和GL3.1/OsPPKL1主效基因?qū)ψ蚜ｉL(zhǎng)度有明顯的調(diào)控作用，已經(jīng)應(yīng)用于分子標(biāo)記輔助選擇育種[29－30]。GW2基因是Song等利用小粒秈稻品種FAZ1和大粒粳稻品種WY3進(jìn)行雜交、回交并構(gòu)建群體后克隆到的1個(gè)粒寬和粒重基因，該基因通過調(diào)控穎花外殼的寬度進(jìn)而增加粒重[33]。GW5可以通過改變籽粒外穎細(xì)胞數(shù)量來(lái)調(diào)節(jié)粒寬，與qSW5是同一個(gè)基因[34]。

堊白不僅能降低稻米的外觀品質(zhì)，還能降低整精米率以及引起稻米的口感變差。目前已經(jīng)鑒定了大量與堊白相關(guān)的QTL和基因，已經(jīng)鑒定的QTL中，控制堊白的位點(diǎn)可能存在23個(gè)，貢獻(xiàn)率在4．9%～87．2%之間，其中，被Tan等定位于第5號(hào)染色體上的腹白和堊白率的共同座位RG360－C734a的貢獻(xiàn)率較大[42]。而已克隆的與堊白有關(guān)的基因僅有少數(shù)幾個(gè)，如Kang等[43]克隆了通過調(diào)節(jié)碳代謝而影響胚乳灌漿的粉質(zhì)突變體基因cyPPDK；Wang等[44]克隆了G1F1，該基因通過編碼細(xì)胞壁轉(zhuǎn)化酶來(lái)調(diào)控籽粒灌漿初期的碳源分流，當(dāng)其功能喪失時(shí)會(huì)造成高堊白，同時(shí)會(huì)造成直鏈淀粉含量降低。Wang等[45]克隆了胚乳粉質(zhì)基因OsRab5a，該基因突變會(huì)干擾淀粉體的形成等。Li等[46]于2014年克隆了Chalk5，提高該基因表達(dá)將會(huì)使稻米胚乳中堊白增加。

3.2 加工品質(zhì)的相關(guān)QTL定位

梅捍衛(wèi)等[47]利用Lemont與特青的重組自交系群體，通過RFLP連鎖圖和基于混合線性模型的復(fù)合區(qū)間作圖法，定位到1個(gè)控制精米率和4個(gè)控制整精米率的位點(diǎn)。穆平等[48]利用早稻IRAT109與越富的花培DH群體，在第1染色體RM295標(biāo)記附近同時(shí)檢測(cè)到5 個(gè) QTL（Qgcla、Qgclb、Qlwal、QMrlb、QHrl），分別控制粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、精米率和整精米率；同時(shí)分別在第3、第6、第7染色上檢測(cè)到控制堊白率、粒寬、糙米率、精米率和整精米率的QTL，得出糙米率、精米率和整精米率3個(gè)性狀間存在遺傳相關(guān)，在外觀和加工品質(zhì)性狀間廣泛存在“一因多效”。翁建峰等[49]利用Asominori為遺傳背景具有IR24染色體片段的置換系（CSSL）群體，在4個(gè)環(huán)境下對(duì)稻米糙米率、精米率和整精米率QTL定位和穩(wěn)定性分析，共檢測(cè)到與稻米加工品質(zhì)相關(guān)的30個(gè)QTL。劉家富等[50]利用以特青為遺傳背景的云南元江普通野生稻滲入系為材料，共定位了分別位于第1、第3、第4染色體上的3個(gè)糙米率QTL和1個(gè)位于第1染色體上的整精米率QTL。胡霞等[51]在南寧和三亞環(huán)境下檢測(cè)到4個(gè)影響糙米率QTL、5個(gè)精米率QTL和6個(gè)整精米率QTL。

3.3 蒸煮與食味品質(zhì)相關(guān)基因

目前普遍認(rèn)為蒸煮與食味品質(zhì)主要是受胚乳基因型控制，其評(píng)價(jià)指標(biāo)大部分是由淀粉理化性質(zhì)決定的。

直鏈淀粉含量受主效和微效QTL共同影響。稻米直鏈淀粉的合成主要由編碼水稻蠟質(zhì)基因Waxy和Wx的GBSSI來(lái)決定，其含量高低由該基因的不同等位變異決定[52]；截止目前已經(jīng)發(fā)表的Wx等位基因至少有8個(gè)[53]。早在上世紀(jì)90年代，水稻W(wǎng)x基因就已經(jīng)被克隆，其位于水稻第6條染色體的短臂上，直接影響水稻胚乳和花粉中直鏈淀粉的含量[54]。隨后在水稻中克隆了5個(gè)與直鏈淀粉相關(guān)的基因，分別為G1F1、Wxb、Wx-mp、Wxop以及 du-1[44，55－58]，其中，Wx-mp、Wxop與Wx等位。此外，Mikami等[59]于2013年克隆了Wxin等位基因，該基因會(huì)導(dǎo)致直鏈淀粉含量保持在18%～22%之間；Sato等[60]克隆了Wxmq軟米基因，該基因會(huì)使稻米直鏈淀粉含量降到10%左右。

香味的形成主要受一對(duì)隱性基因控制。Bradbury等[61]克隆了編碼Badh2（甜菜堿乙醛脫氫酶2）的香味基因gr，發(fā)現(xiàn)Badh2在香味水稻和非香味水稻中存在明顯差異，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種差異是在Badh2編碼區(qū)的第7個(gè)外顯子中出現(xiàn)一個(gè)8bp的缺失，而這個(gè)8bp的缺失存在于香稻品種中，推測(cè)Badh2基因控制米香性狀。Kovach等[62]深入研究了Badh2香味基因，有8種隱性等位基因被發(fā)現(xiàn)，得出香稻中普遍存在的優(yōu)勢(shì)等位基因是Badh2.1。

關(guān)于糊化溫度和膠稠度的研究較多。糊化溫度基因定位于水稻第6染色體上，He等[63]首次在Wx附近檢測(cè)到1個(gè)主效QTL，與Alk基因等位且控制糊化溫度。隨后多數(shù)學(xué)者[64－66]利用糊化溫度差別比較大的親本構(gòu)建群體，驗(yàn)證了He等的研究結(jié)果，且發(fā)現(xiàn)Wx基因也會(huì)引起糊化溫度的變化。Tian等[66]研究得出，與Wx緊密連鎖的1個(gè)基因主要控制膠稠度，也有學(xué)者認(rèn)為膠稠度主要由第2、第7染色體上的QTL共同控制[63,65]。

關(guān)于米粒延伸性尚沒有基因被克隆，僅定位了幾個(gè)微效QTL。早在1993年，Ahn等[67]就在水稻第8染色體上鑒定了1個(gè)控制米粒延伸性的QTL；何予卿等[68]在水稻第6染色體Wx附近定位到1個(gè)多效性QTL控制米粒延伸性；Rathi等[69]鑒定了1個(gè)米粒延伸性QTL位于水稻第4染色體上。

3.4 營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的相關(guān)基因

蛋白質(zhì)是稻米的第二大成分，也是稻米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的主要構(gòu)成因素。關(guān)于蛋白質(zhì)的QTL定位和克隆方面研究較多，其中儲(chǔ)藏蛋白與品質(zhì)密切相關(guān)，在秈稻和粳稻之間也存在一定的差異[7]；谷蛋白直接與稻米編碼基因有關(guān)，水稻中已鑒定了至少15個(gè)編碼谷蛋白的結(jié)構(gòu)基因[70]。研究表明，轉(zhuǎn)錄因子OsRISBZ1和OsRPBF參與調(diào)控種子儲(chǔ)藏蛋白的含量[71]；Wang等[72]克隆了1個(gè)谷蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的基因OsRab5a，該基因突變后能夠?qū)е鹿鹊鞍讖母郀柣w向蛋白體II轉(zhuǎn)運(yùn)受阻。OsSar1a及其另外2個(gè)同源基因OsSar1b和OsSar1c共同調(diào)控谷蛋白和球蛋白的運(yùn)輸，其突變后表現(xiàn)出相同的粉質(zhì)表型[73]。此外，PENG過量表達(dá)主效基因OsAPP6能夠促進(jìn)根部氨基酸吸收，提高蛋白質(zhì)的合成[74]。

4 稻米品質(zhì)改良方式及相關(guān)研究

4.1 利用雜交、回交方法改良水稻品質(zhì)

水稻品質(zhì)改良主要是利用2個(gè)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)且品質(zhì)優(yōu)良的親本通過雜交、回交等方法，結(jié)合田間農(nóng)藝性狀選擇選育優(yōu)質(zhì)水稻品種。李宏等[75]利用美國(guó)水稻品種Lemont和廣東省審定的品種豐澳占雜交，育成了產(chǎn)量較高、品質(zhì)優(yōu)良的美香占2號(hào)，并圍繞美香占2號(hào)配置了大量雜交組合，成功選育了美絲占、齊新占等優(yōu)質(zhì)品種于2006年通過廣東省審定；隨后又圍繞美絲占和齊新占進(jìn)行配組，成功選育了美雅占、美油占和齊華占等食味品質(zhì)較好的品種。賴穗春等[76]以優(yōu)質(zhì)稻黃華占為母本，與豐秀占進(jìn)行雜交，育成了早晚兼用型優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)水稻新品種黃豐占，并于2012年通過廣東省審定。

4.2 利用分子標(biāo)記輔助選擇培育優(yōu)良水稻品種

育種工作者在傳統(tǒng)育種的基礎(chǔ)上結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇選育優(yōu)良水稻品種，并取得了一定成果。王才林等[77]將日本優(yōu)質(zhì)粳稻關(guān)東194與江蘇優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)粳稻武香粳14雜交，并結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇，以及外觀和食味品質(zhì)篩選，培育出了優(yōu)良粳稻新品種南粳46，于2008年通過江蘇省品種審定；之后又分別利用優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)粳稻武粳13和武香粳14為母本，與關(guān)東194雜交，結(jié)合暗胚乳突變基因Wx-mq的分子標(biāo)記輔助選擇，分別育成優(yōu)質(zhì)食味粳稻南粳5055和南粳9108，分別于2011年和2013年通過江蘇省品種審定[78-79]。Liu等[80]借助PCR-AccI分子標(biāo)記，將Wxb基因?qū)攵i型雜交稻重要親本龍?zhí)馗驼渖?7中，選育了低直鏈淀粉含量的改良保持系和恢復(fù)系，其所配組合直鏈淀粉含量也顯著降低，蒸煮與食味品質(zhì)明顯提高。劉巧泉等[81]利用分子標(biāo)記輔助選擇將Wxb基因?qū)攵i稻特青中并替換了Wxa基因，使其直鏈淀粉含量顯著下降，改良特青與培矮64S雜交的后代直鏈淀粉含量也明顯降低。

5 問題及展望

大量的稻米品質(zhì)相關(guān)基因被定位和克隆為稻米品質(zhì)改良奠定了分子基礎(chǔ)。在稻米品質(zhì)改良過程中仍會(huì)存在一些問題，比如研究稻米外觀和加工品質(zhì)性狀，要密切關(guān)注其與產(chǎn)量、抗性等性狀之間是否存在矛盾，這也是水稻育種的關(guān)鍵。細(xì)長(zhǎng)粒米可以提高稻米的外觀品質(zhì)，但是會(huì)降低其整精米率和產(chǎn)量；寬粒水稻能夠增加粒重和產(chǎn)量，但是會(huì)增加稻米堊白度。育種家需根據(jù)育種目標(biāo)在外觀品質(zhì)、加工品質(zhì)和產(chǎn)量之間作出一些選擇，一方面可利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)結(jié)合常規(guī)育種選育達(dá)到增產(chǎn)目的的特定粒型，改善外觀和加工品質(zhì)，進(jìn)而提高水稻商品價(jià)值；另一方面，可根據(jù)消費(fèi)者對(duì)稻米品質(zhì)的不同需求來(lái)選育不同優(yōu)良品質(zhì)的品種，并協(xié)調(diào)粒型、粒重和品質(zhì)之間的關(guān)系，選擇最優(yōu)組合。

稻米品質(zhì)表現(xiàn)是一個(gè)綜合性狀，雖然育種家在稻米品質(zhì)性狀的影響因素、品質(zhì)相關(guān)基因的定位和克隆以及在品質(zhì)改良育種方面都取得了一些成績(jī)，但是大部分是集中在基礎(chǔ)研究方面，真正在育種上應(yīng)用的相對(duì)較少，優(yōu)質(zhì)水稻品種選育的突破性進(jìn)展方面相對(duì)薄弱。這就需要進(jìn)一步研究稻米品質(zhì)性狀相關(guān)基因的分子機(jī)理，同時(shí)要進(jìn)一步加大對(duì)優(yōu)良種質(zhì)資源的挖掘，充分發(fā)掘一些關(guān)鍵優(yōu)良等位基因，繼續(xù)開發(fā)與優(yōu)良品質(zhì)性狀基因緊密連鎖的分子標(biāo)記供育種利用。由于稻米品質(zhì)受環(huán)境因素的影響極大，通過導(dǎo)入單一品質(zhì)性狀基因來(lái)改良水稻品質(zhì)存在一定的局限性，還需深入研究將優(yōu)良米質(zhì)相關(guān)基因聚合到同一水稻品種中。相信通過水稻育種工作者的不斷努力，將會(huì)選育出越來(lái)越多的突破性優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)水稻品種。