吳婷李霞黃鳳林胡標林*

（1江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/水稻國家工程實驗室，南昌330200；2湖南省水稻研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游秈稻遺傳育種重點實驗室，長沙 410125；第一作者：kuaileting1989＠126.com；*通訊作者：hubiaolin992＠126.com）

鋅是人體和水稻生長發(fā)育必需的微量元素，具有重要的生理功能，是人體內(nèi)多種酶活性催化的輔助因子和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)元件，直接參與核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子合成、骨骼發(fā)育、能量代謝及氧化還原過程。缺鋅（Zn）是人類最易遭受的3種微量營養(yǎng)素（Zn、Fe和VA）缺乏癥之一[1]，Zn缺乏會導(dǎo)致發(fā)育延緩、免疫力下降、糖尿病等慢性病[2]。因此，鋅缺乏相關(guān)問題日漸引起社會各界的極大關(guān)注。

鋅在人體內(nèi)無法自行合成，必須從膳食中攝取。鋅在海鮮、動物內(nèi)臟等動物類食物中最高，全谷類食物中較低，特別是精制谷類食物中含量更低[3]。稻米是全球超過50%人口的主食，是東南亞和南亞人們營養(yǎng)和能量的主要來源[4-5]。據(jù)國際水稻研究所（IRRI）報道，精米中的鋅含量平均為12 mg/kg，而根據(jù)中國營養(yǎng)學(xué)會推薦的大米日攝入量，其中鋅含量僅為 3.6～6.0 mg，這遠低于WHO和FAO每日建議膳食攝入量12～15 mg的標準[6]，從而導(dǎo)致了以禾谷類作物為主食的國家和地區(qū)鋅營養(yǎng)不良現(xiàn)象普遍發(fā)生。

據(jù)報道，全世界超過20億人口存在不同程度的“隱性饑餓”，即缺乏鋅、鐵等礦質(zhì)元素和維生素，每年近40萬的兒童因患鋅缺乏癥而死亡[7]，61%的亞洲人群存在鋅攝入量不足的風(fēng)險，且該趨勢仍在不斷加劇，鋅已成為影響人類健康的全球性重要因素[2]。解決鋅缺乏問題傳統(tǒng)的策略是使用保健品、強化食品和微量元素補充劑，但難以滿足龐大的鋅缺乏群體，尤其是低收入人口的現(xiàn)實需求[8]。由于稻米消費量巨大，其鋅含量略微提高將有助于緩解人體鋅缺乏問題[9-10]。其次，稻米Zn含量與其生物有效性極顯著相關(guān)[11]。因此，提高稻米鋅含量及增加其生物有效性利用，是解決缺鋅性營養(yǎng)危機最為有效的辦法，特別是對我國的低收入群體意義重大。

因此，開展稻米鋅含量遺傳、QTL定位及其基因功能等方面的研究，具有重要理論價值和現(xiàn)實意義。本文綜述了稻米鋅含量的遺傳變異、分布模式、遺傳模式、QTL定位和基因克隆等方面研究進展，以為稻米鋅含量遺傳育種提供參考和依據(jù)。

1 稻米鋅含量不同基因型的遺傳差異性研究

由于育種選擇和遺傳進化等因素，稻米Zn含量在不同基因型種質(zhì)間存在顯著的遺傳差異性，秈稻稻米Zn含量普遍高于粳稻[4]。不同報道中的糙米Zn含量不同，有報道認為是在 13.5～58.4 mg/kg 之間[10]，也有人認為是在 15.7～65.0 mg/kg 之間[12]，表明通過遺傳改良提高稻米Zn含量是可行的。PINSON等[12]對全球1 763份水稻種質(zhì)在淹水和非淹水栽培模式下糙米中Zn等16種礦質(zhì)含量的研究表明，非淹水下Zn等元素含量的遺傳變異高于淹水下的遺傳變異，從而說明糙米鋅含量遺傳變異不僅由基因型差異決定，還受環(huán)境因素的影響。為了了解不同水稻類型的糙米礦質(zhì)含量的遺傳變異性，曾亞文等[13]測定了653份云南稻種資源的糙米鋅含量，表明糙米Zn含量的遺傳多樣性粳稻要高于秈稻。

2 鋅在稻米不同部位的分布模式

稻米可分為糙米和精米，精米是加工過程中糙米除去8%～10%麩皮（主要為種皮和胚）的剩余部分[14]。由于飲食習(xí)慣和口感，人們?nèi)粘Ｊ秤玫牡久字饕獮榫?，盡管其營養(yǎng)價值低于糙米。因此，了解鋅在稻米不同部位的含量及分布模式非常必要。

研究發(fā)現(xiàn)，精米Zn含量為糙米的70%～82%[14-18]，可能與其在稻米中轉(zhuǎn)運和分布模式密切相關(guān)。在水稻穎果發(fā)育過程中，胚乳的表層向內(nèi)至數(shù)層細胞會形成糊粉層組織，主要涉及轉(zhuǎn)移母體組織的脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和礦質(zhì)元素等灌漿營養(yǎng)物質(zhì)至胚和胚乳中積累[19]。Zn從稻米的糊粉層到胚乳均有分布[20]。而HANSEN等[21]研究表明，在加工過程中精米Zn元素的損失量相差也高達5倍。

3 稻米鋅含量的經(jīng)典遺傳研究

鋅含量等稻米營養(yǎng)品質(zhì)遺傳同時受胚、胚乳、母體植株基因以及細胞質(zhì)的影響。ZHANG等[22]利用種子胚乳數(shù)量性狀的遺傳模型分析糙米鋅含量的遺傳效應(yīng)，表明受種子效應(yīng)、母體效應(yīng)和細胞質(zhì)效應(yīng)控制，種子加性效應(yīng)起主要作用，狹義遺傳力較高；賴來展等[23]分析了稻谷中鋅含量的配合力效應(yīng)和遺傳模型，結(jié)果表明，鋅含量受加性和非加性效應(yīng)控制，以加性效應(yīng)為主，表現(xiàn)為加性-顯性模型。張名位等[24]利用7份材料進行完全雙列雜交，研究配合力和穩(wěn)定性，表明糙米鋅含量受加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)控制，以加性效應(yīng)為主，且還受環(huán)境因子影響，表現(xiàn)為基因型與環(huán)境互作。可見，稻米鋅含量主要受加性和非加性效應(yīng)控制，以加性效應(yīng)為主，基因間存在上位性效應(yīng)，同時又受到微效多基因的影響，屬于多基因控制的數(shù)量性狀。

4 稻米鋅含量的QTL定位

在水稻中總共檢測到99個Zn含量QTL，包括糙米Zn含量QTL 85個和精米Zn含量14個（見表1）。這些QTL廣泛分布于水稻的12條染色體上，其中第8染色體最多，表型貢獻率介于2.8%～35.4%之間，其中主效QTL達55個。

在第1染色體長臂和短臂上分別檢測到6個和1個Zn含量QTL中，其中HUANG等[25]檢測到糙米Zn含量微效QTL qZn1-1位于短臂上，貢獻率為6.9%；而長臂上的6個稻米Zn含量QTL成簇分布相似的染色體區(qū)域[25-32]，其中YU等[32]檢測到qZn1控制精米Zn含量，DU 等[26，29]檢測的 QTL 為主效 QTL，貢獻率分別為14.0%和15.0%。在第2染色體長臂上的9個糙米Zn含量QTL中，黃瑩瑩等[33]定位到的Zn含量QTL qZn-2，表型貢獻率最大，為35.4%。在第3染色體長臂和短臂上檢測到的7個和3個Zn含量QTL，其中短臂上3個糙米Zn含量QTL位于同一染色體區(qū)域[30，34-35]，而ANURADHA等[34]鑒定到的qZn3.1表型貢獻最大，為31.0%；在長臂上的 7 個 Zn 含量 QTL 中，YU 等[32，36]檢測的主效QTL控制精米Zn含量，其余5個QTL控制糙米Zn含量[5，26，30]第4染色體長臂上檢測到的6個糙米 Zn 含量 QTL 成簇分布相似的染色體區(qū)域[25，31，35，37-39]，其中，HUANG 等[25，35]鑒定到的 QTL 為微效 QTL，其余 4個QTL均為主效QTL。在第5染色體長臂和短臂上分別檢測到3個和5個Zn含量QTL。短臂上的3個稻米Zn含量QTL位于相同染色體區(qū)域，其中qZN-5為控制精米Zn含量的主效QTL[40]，另2個QTL控制糙米Zn 含量[31，41]；長臂上 5 個 QTL 中，黃瑩瑩等[33]鑒定到的糙米Zn含量qZn-5為主效QTL；其余4個QTL為微效 QTL，且成簇分布相似染色體區(qū)間[25，32，39]，其中 qZn5控制精米Zn含量[32]。在第6染色體的長臂和短臂上分別檢測到6個和8個Zn含量QTL，短臂上的8個QTL成簇分布于相似染色體區(qū)域[27，28，32，37-39，42-43]，其中 qZn6控制精米Zn含量，其余7個QTL控制糙米Zn含量。在長臂上6個QTL位于相似的染色體區(qū)域，其中qZn6控制精米Zn含量[36]，其余QTL控制糙米Zn含量[30-31，35，37]。在第7染色體的長臂和短臂上分別檢測到8個和1個Zn含量QTL，沈希宏等[5]和NORTON等[27]分別檢測到1個主效Zn糙米含量QTL，位于長臂相同染色體區(qū)域；而 3 個精米含量 QTL[35，36，40]和 3 個糙米 Zn 含量[34，39]成簇分布于長臂上的另一染色體區(qū)域，ANURADHA等[34]在染色體短臂上檢測到的糙米Zn含量QTL qZn7.3表型貢獻率為29.0%。在第8染色體的共鑒定到8個Zn含量QTL，其中4個糙米Zn含量QTL[26，27，30，41]和 1 個精米 Zn 含量 QTL[36]成簇分布于短臂上的相同區(qū)域；而SWAMY等[30-31]分別定位到1個糙米Zn含量QTL位于長臂上的相同染色體區(qū)域。在第9染色體長臂上相同區(qū)間共檢測到6個糙米Zn含量QTL，其中黃瑩瑩等[33]報道的QTL表型貢獻率最高，為24.1%，SWAMY 等[30]報道的 QTL 表型貢獻率最小，只有4.0%。在第10染色體長臂和短臂上分別檢測到4個和3個Zn含量QTL，其中3個糙米Zn含量QTL位

于短臂上的相同區(qū)域[30，39]。NORTON等[27]在長臂上檢測到2個主效的糙米Zn含量，其中1個QTL qZn10.2的染色體區(qū)域分別與1個糙米Zn含量QTL[44]和1個同時控制糙米和精米Zn含量QTL[35]相同。在第11染色體上共鑒定到5個Zn含量QTL，其中，YU等[32-41]分別檢測到的主效和微效QTL位于相同染色體區(qū)域，均控制精米Zn含量，其余3個QTL控制糙米Zn含量[28，31，42]。第 12 染色體共鑒定到 9 個糙米 Zn 含量 QTL 和1個精米Zn含量QTL，其中XU等[36]檢測的精米Zn含量QTL qZn12與ANURADHA等[34]報道的糙米Zn含量QTL qZn12.1的染色體區(qū)域相同。另外8個糙米Zn含量QTL中，SWAMY等[30，35]檢測到的Zn含量 QTL位于染色體短臂上的相同區(qū)域，且其增效等位基因來自野生稻；而 STANGOULIS 等[29，33，41]共同檢測到 Zn 含量QTL位于長臂上的相同區(qū)域。上述QTL報道中的24套遺傳群體主要為秈秈交、秈粳交和粳粳交組合，其中5 套為野栽交群體[30，35，41，44]，表明野生稻稻米 Zn 含量基因發(fā)掘及QTL研究相對薄弱。不同研究中稻米Zn含量QTL的染色體區(qū)間和遺傳效應(yīng)差異大，不僅受遺傳組合、群體大小、分子標記、遺傳圖譜密度及統(tǒng)計方法等影響，可能還與遺傳異質(zhì)性有關(guān)，說明稻米礦質(zhì)遺傳機制非常復(fù)雜。其次，這些QTL的準確率、作圖效率和表型貢獻率均較低，只是染色體上一個較大的置信區(qū)間。

表1 部分文獻內(nèi)容

因此，進一步精細定位尤為必要。YU等[32]將第6染色體短臂上的稻米Zn含量QTL qZn6精細定位至區(qū)間 RM19410～Si2944，物理位置約 29.9 kb，包含 3 個注釋基因。ISHIKAWA等[44]將第9染色體上稻米Zn含量QTL qGZn9a精細定位至 190 kb區(qū)間 RM24211～RM24218，含8個推定基因，其中Os09g0384900是一個強有力的候選基因。ANURADHA等[34]從重組自交群體中檢測控制Zn含量QTL，篩選出11個Zn含量高于80 mg/kg的株系，其中株系176（M）中提高Zn含量的QTL最多，其糙米Zn含量為94 mg/kg。上述研究為將來稻米Zn含量分子育種提供了有益的參考。

同時，很多研究發(fā)現(xiàn)，稻米Zn與不同礦質(zhì)元素含量具有相同的QTL。如DU等[26]檢測到的控制糙米Zn含量QTL區(qū)間RM1111～SSIII2共同影響糙米K、Mg、Fe和Mn含量，這將有助于通過標記輔助選擇來協(xié)同提高稻米中不同的礦質(zhì)含量。另一方面，稻米Zn與Cd、As和 Pb等重金屬含量具有相同的 QTL，如ZHANG等[59]對16種糙米元素含量進行QTL分析，共檢測134個QTL，在8個控制糙米Zn含量QTLs中有3個與控制Cd、As和Pb等重金屬含量的QTLs連鎖；類似地，XU 等[36]檢測了 22個精米 Fe、Zn、Cd和 Pb含量的QTL中，9個控制精米Zn、Cd和Pb含量QTL分別分布于4個基因重疊區(qū)域（GO-I–VI）：其GO-I包含 qZn3 和 qCd3b，GO-III包含 qZn6 和 qCd6，GO-IV包含qZn7和qPb7，GO-V 包含qZn8、qCd8和qPb8。這些Zn含量與重金屬含量QTL研究可為標記輔助選擇方法來針對性的選擇Zn含量QTL，消除重金屬或植酸抗營養(yǎng)因子QTL的不利連鎖，精準實現(xiàn)Zn含量分子設(shè)計育種具有指導(dǎo)意義。

5 稻米鋅含量相關(guān)的基因克隆

稻米鋅含量的高低與水稻基因型、環(huán)境因子（土壤質(zhì)地、肥力水平、pH值等）密切相關(guān)，涉及吸收、轉(zhuǎn)運、累積等信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，基因調(diào)控等復(fù)雜機制，導(dǎo)致基因克隆的復(fù)雜與困難。然而隨著生物技術(shù)和生物信息學(xué)發(fā)展，相繼獲得了一批稻米Zn含量相關(guān)基因。

目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個與Zn吸收、轉(zhuǎn)運和積累機制相關(guān)的基因，如煙酰胺合成酶基因家族（OsNAS1、Os-NAS2、OsNAS3）、 寡 肽 轉(zhuǎn) 運 基 因 家 族（OsPT2、OsYSL15）、ZIP（ZRT/IRT相關(guān)蛋白）基因家族（OsZIP1、OsZIP3、OsZIP4、OsZIP5、OsZIP7、OsZIP8）、液泡膜轉(zhuǎn)運蛋 白 （OsVIT1、OsVIT2）、OsFER2、OsIRT1、OsMTP1、OsHMA2和OsFRDL1等[8-9，45-46]。JOHNSON 等[47]研究發(fā)現(xiàn)，水稻NAS基因OsNAS1、OsNAS2和OsNAS3的過表達可顯著提高糙米Zn含量。其中，OsNAS3基因上調(diào)表達不僅可以增強植株對Zn缺乏的耐受力，還能忍受過量Zn元素的脅迫，其轉(zhuǎn)基因植株籽粒中Zn含量提高了2.3倍。LEE等[48]報道，過表達OsNAS2可提高精米Zn 含量 2.4～2.9 倍。PAUL 等[49]發(fā)現(xiàn)，過表達水稻鐵蛋白基因OsFER2提高鋅含量1.4倍。TAKAHASHI等[50]構(gòu)建了OsSUT1啟動子控制的OsHMA2過表達載體轉(zhuǎn)化水稻，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，精米Zn含量得到少量的提高。ZIP家族參與Zn2+轉(zhuǎn)運，OsZIP1和OsZIP3主要負責(zé)從土壤中吸收 Zn，OsZIP4、OsZIP5和OsZIP8主要負責(zé) Zn由根部向莖部的運輸，而OsZIP4和OsZIP8主要負責(zé)Zn轉(zhuǎn)運至稻谷中。ISHIMARU等[51]將由CaMV35S作為啟動子的OsZIP4基因過表達載體導(dǎo)入水稻中，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因水稻根部的Zn含量是對照組的10倍，但其莖稈中Zn含量減少到對照組的1/5，籽粒中Zn含量也減少為對照組的1/4。LEE等[52]將OsZIP5基因的過表達載體轉(zhuǎn)入水稻中，發(fā)現(xiàn)OsZIP5的表達模式及功能與OsZIP4相似，OsZIP5過表達水稻根部鋅大量積累，而其地上部分的Zn含量較對照組低。LEE等[53]對OsZIP8轉(zhuǎn)基因水稻鋅元素分布的研究也證實，過表達OsZIP8基因可促進根細胞對Zn的吸收并干擾Zn向地上部分運輸，導(dǎo)致植株出現(xiàn)秸稈變矮、籽粒減產(chǎn)等Zn缺乏的癥狀。

6 富鋅水稻的育種研究

微營養(yǎng)元素Zn的缺乏是導(dǎo)致人體“隱形饑餓”最重要的因素之一，稻米Zn含量的提高有助于緩解人體鋅缺乏的問題。合理廣泛鑒定富Zn的水稻種質(zhì)資源是高鋅水稻育種的基礎(chǔ)。

ANURADHA等[34]應(yīng)用重組自交群體進行糙米Zn含量QTL分析，從中篩選出11個Zn含量高于80 mg/kg的株系，其中株系176（M）中攜帶Zn含量的QTL最多，而其糙米Zn含量高達94 mg/kg。KUMAR等[54]從Palman579和PAU201雜交F2群體中篩選得到Zn含量高達157.4 mg/kg的優(yōu)良系。雷國方等[55]利用功親1號和功親2號雜交，選育出紫米新品種功米2號，其Zn含量有77.90 mg/kg，是普通稻米的2倍多。吳敬德等[56]等從國際水稻研究所引進5份富Zn水稻種質(zhì)IR41994-50-2-1-3（S1）、IR62141-114-3-2-2-2（S2）、IR63429-23-1-3-3（S3）、Rexmont（S4） 和 IR68144-213-2-2-3（S5），其精米Zn含量較常規(guī)水稻要高，而且其中的S1和S5的Fe含量也高于常規(guī)水稻，可以作為富Zn水稻種質(zhì)資源親本開展高Zn水稻品種選育。張琳琳等[57]利用Co60-γ射線輻射誘變YN56獲得高Zn突變體，經(jīng)過多代獲得富Zn新品系——粒粒滋，經(jīng)檢測在杭州和余姚種植收獲的籽粒精米Zn含量分別高達32.8 mg/kg 和 34.1 mg/kg。

7 展望

相對于保健品、補充劑、藥劑等，人們更傾向于選擇富含微量元素且不改變外觀、口感和烹調(diào)特性的生物強化作物[58]。鋅缺乏已成為影響人體健康的嚴重的公共衛(wèi)生問題，因此，解決鋅缺乏癥是國際Harvest Plus計劃中最重要的研究目標。通過生物強化手段來提高水稻對鋅的吸收、轉(zhuǎn)運和積累進而提高稻米鋅含量，成為降低全球禾谷類食用人群的鋅缺乏癥的策略。

不同基因型水稻對鋅元素的吸收與利用存在顯著差異，且水稻籽粒中的鋅含量與胚乳中的鋅含量無直接關(guān)系，糙米中的鋅生物有效性又受抗營養(yǎng)因子植酸的影響。有關(guān)水稻鋅吸收、轉(zhuǎn)運和積累機制相關(guān)的IRT1基因、HMA基因、ZIP基因、NAS基因、OsVIT1和Os-VIT2基因的克隆研究，多數(shù)與鐵、重金屬轉(zhuǎn)運蛋白和多種離子運輸相關(guān)，直接與鋅相關(guān)的較少，且多數(shù)基因以在植株其他部位表達為主，應(yīng)加強開展稻米尤其是胚乳中鋅轉(zhuǎn)運基因的克隆。因此，全面深入探究稻米Zn含量分子機理，為水稻育種及分子設(shè)計育種提供重要參考，具有重要的理論價值與現(xiàn)實意義。