方志強，陸展華，王石光，劉 維，盧東柏，王曉飛，何秀英

（1.廣東省農(nóng)業(yè)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 廣州 510640；2.華中農(nóng)業(yè)大學植物科學技術學院，湖北 武漢 430070）

水稻是世界上主要的糧食作物，全球超過50%人口以稻米為主食。盡管我國水稻單產(chǎn)水平相對較高，但稻米品質卻是個很難突破的瓶頸。隨著人民生活水平的不斷提高，水稻育種以高產(chǎn)、超高產(chǎn)為目標逐漸轉變?yōu)橐愿弋a(chǎn)優(yōu)質為目標。隨著我國糧食的連年豐收，農(nóng)業(yè)結構調整和糧食供給側改革的推進，2019年中央一號文件明確提出，推進農(nóng)業(yè)由增產(chǎn)導向轉向提質導向，深入推進優(yōu)質糧食工程。

稻米品質主要包括加工品質、外觀品質、營養(yǎng)品質和蒸煮食味品質等，這些米質性狀是影響水稻市場消費狀況的重要因素。加工品質包括糙米率、精米率和整精米率，外觀品質包括千粒重、堊白度、粒型、透明度，營養(yǎng)品質包括蛋白質、脂肪、維生素和礦物質含量，蒸煮食味品質包括直鏈淀粉含量、膠稠度、糊化溫度和香味等。品質性狀大多是遺傳特性比較復雜的數(shù)量性狀，因此，利用常規(guī)育種手段很難達到品種改良的目的。近年來，隨著生物技術及米質分析方法的迅速發(fā)展，稻米品質相關基因的定位、克隆取得了較好進展，品質育種效率有了很大提高。

本文對影響米質的主要因素及稻米品質性狀的分析檢測技術進行了系統(tǒng)概述，對調控外觀品質、加工品質（粒型、堊白）、蒸煮食味品質（直鏈淀粉含量、糊化溫度及香味）、營養(yǎng)品質（蛋白質）等性狀相關基因的克隆、功能研究以及在育種上的應用進行了論述，以期為今后稻米品質分析技術、品質的改良及品質育種提供參考依據(jù)。

1 稻米品質的影響因素

1.1 環(huán)境因素

水稻的種植條件和栽培方法等環(huán)境因素對稻米品質有較大的影響，同一水稻品種所處的環(huán)境不同，稻米品質也不盡相同。當水稻處于不利生長環(huán)境時，其產(chǎn)量以及品質都會有所下降。例如，當水稻長期處于高溫的環(huán)境條件下，會導致水稻的生長發(fā)育及生理生態(tài)功能受阻，生理活性失調，最終導致品質降低；水稻在灌漿期光照不足，就會導致千粒重下降、籽粒空癟、直鏈淀粉含量增加，嚴重影響稻米品質。張誠信等［1］研究表明，水稻在灌漿結實期遇到低溫弱光同時脅迫下，稻米的直鏈淀粉含量、膠稠度、整精米率、精米率顯著降低，而稻米的蛋白質含量和硬度卻顯著提高。稻米品質易受環(huán)境污染的影響，重金屬殘留、工業(yè)污染、農(nóng)藥殘留和施肥不當?shù)葘Φ久灼焚|都有較大影響。

1.2 栽培條件

栽培條件直接影響著稻米品質，呂文俊等［2］研究表明，隨著移栽時間的推遲，水稻收獲時期也會相應推遲，但生育期會有所縮短，并且移栽和收獲時間會影響其抽穗至收獲時的積溫，進而影響稻米外觀品質及營養(yǎng)品質。栽種密度也會影響稻米品質，插秧過密會降低水稻的光能利用率，使糙米率、精米率降低，但直鏈淀粉含量和膠稠度有明顯提升。除了密度和移栽外，肥料對水稻也至關重要，氮肥是水稻產(chǎn)量和品質的重要保障，為籽粒灌漿提供保證，進而有效提高稻米糙米率、精米率和整精米率。在水稻不同生產(chǎn)時期施肥，水稻品質和產(chǎn)量都受影響，特別是在分蘗期和灌漿期保證充足的施氮量，可促使飽滿籽粒形成。

1.3 遺傳因素

遺傳特性是影響水稻品質的內(nèi)在因素，也是主要因素。不同水稻品種的品質不同。目前普遍認為稻米的加工和外觀品質主要受母體基因型控制。研究表明，稻米蒸煮食味品質性狀受主效基因的控制和微效基因的修飾，直鏈淀粉含量受控于1個主效基因和幾個修飾基因；蛋白質含量的遺傳力很低，易受環(huán)境條件的影響，受幾對主基因和一些微效基因所控制；膠稠度則表現(xiàn)為數(shù)量性狀，與糊化溫度和直鏈淀粉含量具有極相似的遺傳特性［3］。

2 稻米品質分析技術

2.1 理化分析法

稻米的理化分析法主要是對稻米的物理性狀以及化學特征進行檢測，并根據(jù)不同性狀的內(nèi)在聯(lián)系來評價稻米品質的優(yōu)劣，是目前品質分析的主要方法。粒型、直鏈淀粉含量、堊白度、脂肪酸含量等指標是評價稻米品質的重要指標。檢測稻米品質性狀的理化方法有很多，如直鏈淀粉含量主要使用碘藍比色法，膠稠度主要用氫氧化鉀測定法，糊化溫度主要用堿消值法等，這些方法對溶液的配制以及檢測環(huán)境條件的要求比較高。在應用碘藍比色法測定直鏈淀粉含量時，碘的加入量以及顯色時間對實驗誤差有較大影響。王婧等［4］選取放置溫度、放置時間、KOH試劑濃度和新鮮度等7個對膠稠度可能有影響的因素進行分析，結果表明除放置時間外，其余因素均對膠稠度測定的準確性具有顯著影響。

2.2 機器視覺技術

機器視覺技術是利用計算機分析圖像傳感器所獲取試樣的圖像，主要由檢測箱、光源、攝像頭、圖像采集卡和計算機軟件系統(tǒng)等組成。機器視覺技術用途廣泛，如農(nóng)產(chǎn)品分級檢測、作物生長信息監(jiān)測及谷物形態(tài)分析等。利用機器視覺技術可以準確、快速地獲取稻米的全部信息。水稻粒型主要指稻米粒長與粒寬的比值，是稻米外觀品質評價的重要依據(jù)。王粵等［5］應用機器視覺方法分析米粒HSI（數(shù)字圖像的模型）亮度圖像分量直方圖分布表現(xiàn)來區(qū)分標準米粒及堊白米粒的算法，并在此基礎上應用改進的最大類間方差法（OTUS）檢測堊白米粒中的堊白部分，改進后的方法準確度達到97.2%。

2.3 近紅外光譜分析技術

近紅外光譜分析技術是試樣被近紅外光照射后所反射出的光被檢測器吸收，通過反射出的光估測樣品的化學成分。近紅外光譜分析技術被廣泛應用于農(nóng)業(yè)科研中，具有準確度高、方便、快捷等優(yōu)點。呂慧等［6］應用近紅外光譜技術和偏最小二乘法建立了稻米水分、蛋白質和直鏈淀粉定量分析模型，并計算出近紅外光譜圖之間的歐式距離以及對不同屬性和不同產(chǎn)地的稻米進行定性聚類分析，種類識別度達到100%，這對稻米的定性分析具有重大意義。孫園園［7］應用近紅外光譜分析技術構建了稻米品質特性模型，表明水稻米粉蛋白質含量和直鏈淀粉含量的近紅外模型的定標結果最好，而其他指標如糊化溫度（堿消值）、膠稠度、總氨基酸含量的模型效果略差。運用紅外光譜分析技術可以快速估測不同加工精度的稻米品質特性，為稻米加工提供更全面的依據(jù)。

3 稻米品質相關基因的定位克隆

稻米品質大多是受多基因控制，具有較高遺傳率的數(shù)量性狀。目前，許多具有育種價值品質的基因已被克隆，育種工作者也對其進行了比較詳細的功能解析（表1）。

3.1 外觀品質的相關基因

水稻粒型不僅與產(chǎn)量形成相關，同時影響著稻米加工與外觀品質。TGW6編碼IAA-葡萄糖水解酶，日本晴的TGW6等位基因能通過控制IAA供應來限制細胞數(shù)目和籽粒長度［12］；GW2編碼1個E3泛素連接酶，GW2功能的缺失會激活穎花外殼細胞的分裂，從而增加穎花外殼的寬度［16］；GW5編碼1個144氨基酸組成的核定位蛋白，其可與多聚泛素有相互作用調節(jié)粒寬和粒重［17］；GS5編碼1個絲氨酸羧肽酶，其主要是通過促進細胞分裂來增加橫向細胞數(shù)量［18］；GW7是位于第7號染色體上控制粒長和粒寬的主效QTL，OsSPL16/GW8可以抑制GW7的表達［26］。堊白通常是指灌漿期蛋白質顆粒和胚乳淀粉粒排列疏松形成的白色不透明部分，稻米堊白過高，稻米外觀變差，飯粒裂紋多且中空，嚴重影響稻米品質。目前，大量與堊白相關的基因被鑒定出來，其中貢獻率較大的是被Tan等［47］定位于第5號染色體上與腹白和堊白率相關的基因RG360-C734a。

3.2 加工品質的QTL定位

眾多研究表明，控制水稻加工品質性狀的QTL主要分布在第 1、3、4、5、6、10染色體上，其中控制糙米率QTL集中在第3、4染色體上，控制精米率QTL在第5、6、10染色體上檢測較多，控制整精米率QTL主要分布于第1、5和6染色體上［48］。目前，控制加工品質性狀的基因很少被克隆，李承欣［49］在第7染色體RM1335～RM1279區(qū)間同時檢測到影響精米率和整精米率的QTL（qMRR7b和qHMRR7a）和第8染色體RM1235-RM407區(qū)間影響整精米率的QTL（qHMRR8a）。方雅潔［50］從 400 份秈稻變異豐富的種質資源材料在2種不同環(huán)境下調查外觀與加工品質性狀表型，并利用全基因組關聯(lián)分析鑒定出39個QTL，其中6個QTL（qMRR9、qGL2、qGL10、qGW1、qGLWR1 和qGLWR2.1）在水稻外觀與加工品質上可能是穩(wěn)定表達的。

表1 具有育種價值的稻米品質基因Table 1 Useful genes associated with rice quality for breeding

3.3 營養(yǎng)品質的相關基因

蛋白質與稻米品質性狀關系密切，其含量在秈粳稻間存在著一定差異。目前，已有多位學者對控制蛋白質含量QTL進行研究。鐘明等［51］以珍汕97與南洋占雜交構建的重組自交系群體為材料，對糙米和精米蛋白含量進行QTL分析，共定位到6個控制蛋白含量的QTL，其中qpcl和qpc2對糙米和精米蛋白含量均具有較大作用；林靜等［52］共鑒定了4個與賴氨酸含量相關的QTL，分別位于水稻第8、9、12染色體上；Wang等［53］克隆了1個谷蛋白轉運的基因OsRab5a，該基因突變后能夠導致谷蛋白從高爾基體向蛋白體II轉運受阻。

稻米的營養(yǎng)品質除了蛋白質含量外，還有油脂及礦物質含量。油脂是稻米營養(yǎng)品質中一個重要的組成部分，在含水量14%的水稻糙米中粗油脂含量為1.6%～3.02%。近年來，對水稻脂肪酸的研究中定位了許多脂肪酸的QTL。Liu等［54］超表達水稻OsFAD3、OsFAD7、OsFAD8基因的結果表明，超表達OsFAD3顯著提高水稻種子中亞麻酸含量，但超表達OsFAD7和OsFAD8對亞麻酸含量沒有影響；Nair等［55］研究表明，在低溫環(huán)境下OsFAD8突變體的亞麻酸含量提高，表現(xiàn)為比野生型更耐冷。礦質元素也是稻米的重要營養(yǎng)成分，能提高稻米的營養(yǎng)價值。許多參與植物的非生物脅迫反應金屬離子相關基因被克隆，而對稻米礦質元素含量相關的基因較少。

3.4 蒸煮食味品質的相關基因

目前，普遍認為水稻的蒸煮食味品質主要由淀粉理化性質決定。稻米直鏈淀粉的合成主要是由Waxy（Wx）的GBSSI決定，該基因的不同等位變異決定著直鏈淀粉高低。除以上Wx等位基因以外，還發(fā)現(xiàn)其他等位變異基因，如Wxop、Wxhp、Wxmq、Wxmp及Wxin［56-58］。香味是大米蒸煮食味品質的重要因素之一。有關控制米香的遺傳基因有許多報道，但大多數(shù)學者研究表明水稻香味的遺傳主要受第8條染色體上的單隱性基因控制 2-AP的合成［59］；Adams等［60］利用生長在一定培養(yǎng)基上的芽孢桿菌菌株產(chǎn)生2-AP，通過前體研究發(fā)現(xiàn)2-AP有可能通過1-吡咯啉的乙?；纬?，1-吡咯啉是鳥氨酸和脯氨酸的降解產(chǎn)物。

隨著RVA測定技術的應用，人們對稻米RVA譜的遺傳研究也日益增多。稻米淀粉RVA譜是指一定量的精米粉在加熱、升溫、降溫過程中，用快速粘度分析儀測定淀粉糊粘滯性變化所形成的曲線。何秀英等［61］研究表明在水稻品質育種中增加RVA譜測定，尤其是將直鏈淀粉、膠稠度的選擇與崩解值、堿消值分析相結合，可有效提高水稻食味品質選擇的準確性。而包勁松等［62］認為RVA譜的遺傳除了受第6號染色體上遺傳主效應影響外，還可能存在基因型與環(huán)境互作的結果。

4 稻米品質相關基因的育種應用

4.1 利用雜交、回交選育品種

水稻的品種改良主要是利用品質優(yōu)良且親緣關系較遠的親本通過雜交、回交等方法來選育優(yōu)良的水稻品種。李宏等［63］利用美國水稻品種Lemont和廣東省審定品種豐澳占雜交，育成產(chǎn)量較高、品質優(yōu)良的美香占2號；賴穗春等［64］以優(yōu)質稻黃華占為母本，與豐秀占進行雜交，育成早晚兼用型優(yōu)質、豐產(chǎn)水稻新品種黃豐占，并于2012年通過廣東省品種審定；何秀英等［65］以優(yōu)質抗病品種粵農(nóng)絲苗為母本與高產(chǎn)品種粵金油占為父本雜交，選育出高抗稻瘟病、稻米品質優(yōu)的粵金農(nóng)占，并于2015年通過廣東省審定。

4.2 利用分子標記輔助育種選育優(yōu)良品種

分子標記輔助選擇（Molecular assisted selection, MAS）是利用目標性狀基因與分子標記之間的緊密連鎖關系進行間接選擇，是在分子水平上的選擇，結果十分可靠。MAS在育種的早世代完成，可以大大縮短育種周期。目前，育種家利用常規(guī)育種與分子標記輔助選擇相結合的方法，在優(yōu)良水稻品種選育上取得了一定成果。王才林等［66］將優(yōu)質粳稻關東194與優(yōu)質高產(chǎn)粳稻武香粳14進行雜交，并結合分子標記輔助選擇，培育出優(yōu)良粳稻新品種南粳46，于2008年通過江蘇省品種審定；劉維等［67］以含Pi1、Pi2、Xa23、Wx的中間材料Z1103為供體親本，雜交水稻強恢復系粵恢826為受體親本，利用分子標記輔助選擇技術和系譜選育方法，獲得抗稻瘟病、高抗白葉枯病、米質為軟米的新恢復系粵恢88。

4.3 轉基因技術改良品種

轉基因育種是將外源基因導入植物基因組中，通過對外源基因直接表達或調控內(nèi)源基因的表達途徑，使植物獲得新性狀。利用轉基因育種可以改變稻米中的淀粉含量，調控水稻淀粉合成，改善稻米品質，進而提高水稻產(chǎn)量。林鴻生等［68］將大腸桿菌中編碼ADPG焦碳酸化酶的基因glgC-TM導入至水稻中，從而提高籽粒的稻米轉化，使水稻的千粒重得到增加；Su等［69］通過轉基因將大麥中的疑似控制淀粉合成與分配的轉錄因子基因SUSIBA2表達在水稻日本晴上，得到一種高產(chǎn)低甲烷排放的環(huán)境友好型轉基因水稻。

4.4 基因編輯技術選育優(yōu)良品種

基因編輯主要依賴特異性核酸酶在基因組特定的位置使雙鏈DNA斷裂，進而細胞通過自身的非同源末端連接（NHEJ）或同源重組（HR）修復已斷裂DNA，實現(xiàn)對基因組的精準修飾。近年來，基因組編輯技術為水稻品質基因功能研究和稻米品質改良提供了一種高效的輔助工具。尤其是基于CRISPR/Cas9的基因編輯技術，被認為是遺傳研究領域的革命性技術。CRISPR/Cas9系統(tǒng)可以識別外源DNA，其原理與真核生物中RNA干擾（RNAi）的原理相似。王付華［70］以鄭稻19為供體材料，利用CRISPR/CAS9技術定點突變水稻Badh2基因，獲得的11株T0代轉基因陽性植株中有9株子粒有香味；汪秉琨等［71］用CRISPR/Cas9 修飾水稻直鏈淀粉基因Wx，獲得T1-T2代突變株系的直鏈淀粉含量從17.5%降至1.93%。

5 研究展望

稻米品質是一個綜合性狀，很容易受到氣候、海拔、栽培措施等外界環(huán)境因素的影響，稻米品質性狀是受諸多因素作用的結果，研究某一因素的作用時可對其他因素的控制水平產(chǎn)生差異。隨著生物技術以及信息技術的發(fā)展，稻米品質的檢測技術以及相關基因的定位克隆為稻米品質育種的進一步提高奠定了基礎。但是，稻米品質的檢測、基因定位克隆及改良難題也不斷出現(xiàn)，其中尤為突出的問題是稻米品質與產(chǎn)量之間的矛盾。因此，育種工作者在今后的研究過程中，需根據(jù)育種目標的要求，利用現(xiàn)代育種技術與常規(guī)育種手段充分地結合，培育出產(chǎn)量高、品質優(yōu)的水稻新品種。

近年來，盡管在品質相關基因的定位克隆以及品質育種方面取得了一些成就，但是大部分研究僅停留在基礎層面，將基因應用于育種方面還是比較少，水稻的優(yōu)質分子育種研究仍比較薄弱。因此，要進一步加強控制稻米品質相關基因的機理研究，同時挖掘優(yōu)良的等位基因，并充分利用現(xiàn)代育種手段，將優(yōu)質的品質相關基因導入到水稻品種中，以達到品種改良的目的。由于在不同消費群體和地方，人們的飲食文化和飲食習慣有較大差異，因此，水稻品質育種需兼顧多樣性的營養(yǎng)功能型品種，如高蛋白、富鋅、高維生素等水稻品種的研發(fā)，同時建立較為完善的水稻栽培體系，充分利用外界環(huán)境因素對稻米品質的調優(yōu)作用，不斷提高稻米的加工水平。

稻米傳統(tǒng)的檢測分析方法容易受到人工、檢測環(huán)境條件、識別能力的不同而存在很大差異。雖然我國是稻米生產(chǎn)大國，但稻米品質檢測分析技術的缺乏，使我國稻米出口情況不是很理想，且國家標準《大米》（GB/T 1354-2018）對稻米的營養(yǎng)品質和蒸煮食味品質沒有任何規(guī)定，會使劣質大米也因加工質量較好而被誤判為好米，不能客觀、公正地評價大米質量。近年來，稻米品質檢測分析技術發(fā)展迅速，從傳統(tǒng)的人工目測法、染色法逐漸走向無損傷、自動化的檢測方法，滿足了稻米品質的檢測需求，并且結合現(xiàn)代育種技術，充分利用分子生物學、生物信息學相結合的形式，無論是在稻米品質改良上，還是在稻米加工及貿(mào)易上均有著重要意義。