陳宏法，胡時開，唐紹清，胡培松

中國水稻研究所國家水稻改良中心，浙江 杭州 311401

水稻是世界上主要糧食作物之一，是中國確?！翱诩Z絕對安全”的重要基礎。高產穩(wěn)產是過去、現(xiàn)在和未來水稻品種培育中永恒的主題，在確保糧食安全前提下，如何在品種選育中兼顧高產和優(yōu)質特性，是現(xiàn)階段育種家重點關注的方向。稻米品質內涵隨著水稻育種技術不斷發(fā)展和市場需求的變化而不斷豐富，現(xiàn)階段品質性狀主要包括外觀品質、加工品質、食味品質、營養(yǎng)品質、安全品質等，是受遺傳與環(huán)境因素共同調控的復雜性狀。長期以來，我國水稻育種及品種審定過程中以高產、抗病蟲等重要農藝性狀為目標導向，導致稻米品質相關研究相對滯后。外觀品質在過去高產品種中被部分育種家所兼顧，但食味品質、營養(yǎng)安全品質等性狀因鑒定方法等限制，未被高效地推進。對消費者而言，優(yōu)質大米最直觀的體現(xiàn)是大米外觀品質和食味品質，也是當前決定稻米市場價值的主要因素。目前，市場上長粒香型優(yōu)質食味大米需求不斷增加，其價格往往比普通大米價格高出幾倍。加工品質是大米生產加工企業(yè)最看重的品質之一，品種的出米率(精米率)直接決定了企業(yè)效益。因此，在高產穩(wěn)產的同時，要不斷提升稻米的綜合品質，以支撐稻米產業(yè)的高質量發(fā)展。

為此，筆者綜述了稻米品質研究進展和遺傳改良現(xiàn)狀，對分子標記輔助選擇、基因編輯技術在稻米品質改良中的應用進行了總結，對稻米品質未來研究方向進行了展望，以期為稻米品質遺傳改良以及優(yōu)質稻品種培育提供參考。

1 稻米品質的遺傳

1.1 稻米外觀品質遺傳

稻米外觀品質是稻米品質最直觀的體現(xiàn)，是決定稻米價格和用途的重要因素。稻米外觀品質與稻米其他品質性狀如加工、蒸煮食味等密切相關［1-2］。在我國南方地區(qū)，米粒細長、無堊白、透明度高的稻米往往更易得到消費者的認可，而北方地區(qū)一般喜歡短圓粒、無堊白、透明度高的稻米。稻米粒型主要由粒型相關基因決定，在水稻中已克隆出幾十個粒型基因，在12條染色體上均有分布［3］。目前已發(fā)現(xiàn)的粒型基因涉及到的調控途徑主要有G-蛋白信號途徑、MAPK信號途徑、泛素蛋白酶途徑、激素途徑以及表觀修飾作用。每種途徑調控方式并不是獨立存在的，而是存在一定相互作用。如異三聚體G蛋白α亞基基因D1，該基因突變后會導致植株矮小并且伴隨籽粒變小，但同時表現(xiàn)為對油菜素內酯(BR)處理敏感度降低，表明該途徑調控籽粒大小也與BR信號傳導有關［4］。Epi-d1突變體表現(xiàn)為不穩(wěn)定的矮稈小粒，后續(xù)通過研究發(fā)現(xiàn)該性狀是由于D1基因發(fā)生表觀修飾引起，并且這種表觀修飾是雙向可變的［5］。

在眾多已克隆的粒型基因中有部分基因存在一因多效性，并不能特異調控籽粒大小。如參與BR合成和信號轉導的D2、D61、SDG725、SMG1、OsBSK3、XIAO等，這些基因的突變在導致籽粒變小的同時，也會導致株型的較大改變。因此，上述基因很難在育種中直接發(fā)揮改良作用［6-16］。目前在育種過程中可潛在利用的基因主要為GS3、GL3.1、GL7/GW7、GW2、GW5等［17-25］。GS3是控制水稻粒重和粒長的主效QTL，為調控籽粒粒長的負調控因子，其編碼異三聚體G蛋白γ亞基，研究人員通過利用大粒品種‘明恢63’和小粒親本‘川7’進行連續(xù)回交，利用近等基因系，最終定位到GS3基因。GS3基因包含4個結構域，分別是N 端的OSR結構域、跨膜區(qū)、TNFR/NGFR富半胱氨酸結構域和C端的VWFC結構域。OSR結構是GS3發(fā)揮功能最重要的區(qū)域，該位置的突變會導致形成較長的籽粒。C端VWFC功能域的缺失則會導致極短籽粒的形成，其他部位的缺失則會產生中長粒的表型。在‘明恢63’中正是因為第二外顯子的突變導致翻譯提前終止，破壞了OSR結構域從而使其表現(xiàn)為長粒型［17-18］。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)GS3與DEP1或GGC2競爭性結合G蛋白β亞基RGB1和α亞基RGA1，從而縮短粒長［19］。GL3.1是控制粒長、粒重和產量的一個主效QTL位點，編碼一個屬于PPKL家族的絲氨酸/蘇氨酸磷酸酶，大粒品種中WY3-GL3.1通過對籽粒中蛋白質進行磷酸化從而加速小穗中細胞分裂使籽粒變長，粒重加大［20］。GL7/GW7控制粒長和粒寬的基因，研究人員利用秈稻細長粒品種‘P13’和‘日本晴’構建F2群體，其中GL7/GW7就在控制籽粒粒長的5個主效QTL中，GL7/GW7編碼與擬南芥同源的LONGIFOLIA蛋白，該蛋白可以調控細胞縱向伸長?！毡厩纭尘暗慕然蛳底蚜Ｒ脖憩F(xiàn)為較‘日本晴’細長。同時分別在粳稻品種‘日本晴’和秈稻品種‘浙輻802’中過表達GL7/GW7，在‘日本晴’2個獨立過表達系中籽粒粒長增加幅度約為10%，而‘浙輻802’中籽粒粒長增加達21%［21］。GW2基因與擬南芥中DA2同源，主要調控籽粒粒寬。GW2主要通過蛋白酶體對其底物進行降解，從而負調控細胞分裂，該基因突變后導致穎殼外側細胞數(shù)目的增加，并且有加速灌漿的作用，從而使籽粒粒寬增加，粒重增大［22-23］。GW5編碼鈣調素結合蛋白，是一個控制粒寬和粒重的主效基因，對粒寬有負調控作用，在自然品種中并不是由于其編碼區(qū)發(fā)生變化從而影響籽粒粒寬，而是由于不同品種啟動子區(qū)域存在多態(tài)造成的結果。大多數(shù)粳稻在其啟動子包含1.2 kb InDel 使其表現(xiàn)為寬粒表型，而少數(shù)的寬粒秈稻啟動子存在2個突變分別是950 bp的缺失和367 bp的插入，同時GW5基因的第一個外顯子有G到A的替換，而在窄粒秈稻中并不存在序列的缺失和變化［24-25］。隨著分子生物學技術的不斷突破，相信未來科研工作者們定會挖掘出更多新的粒型相關基因及優(yōu)異等位變異，為稻米粒型改良提供寶貴的基因資源。

稻米外觀品質受堊白程度的影響，堊白粒率和堊白度較高的稻米外觀品質差，很難具有較高的商品價值。由于堊白在稻米中存在的位置不同，將帶有堊白的稻米分為腹白、心白、背白、粉質等［26］。堊白遺傳機制十分復雜，不但受胚乳效應和母體效應的影響，還可能受細胞質效應甚至細胞質基因型的影響［27］。當前針對堊白機理的研究主要通過QTL群體定位，以及圖位克隆來進行。LI等［28］通過V20A×Glaberrima BC3F1群體在12號染色體上定位到qPGWC-12，該位點在RM5568-RM453之間，對堊白度具有較大的貢獻率。YANG等［29］利用單片段代換系鑒定出qPGC8.1和qPGC8.2且這2個位點不受高溫影響。ZHOU等［30］使用‘培矮64’和‘9311’的染色體片段代換系C51與‘9311’回交，通過構建次級分離群體，將qPGWC-7精細定位到44 kb的區(qū)間，區(qū)域內包含13個基因。SUN等［31］利用‘ZS97’背景的‘日本晴’染色體代換系以堊白度和堊白粒率進行定位，結果定到10個數(shù)量性狀位點區(qū)域，其中8號染色體上的堊白粒率位點qPGC8-2解釋了堊白粒率3.3%的變異。Chalk5基因是最先被克隆的堊白基因，其編碼一個H+易位焦磷酸酶(V-PPase)，該酶具有無機焦磷酸酶(PPi)水解和H+易位活性。當其表達量升高時會引起內膜系統(tǒng)pH的穩(wěn)態(tài)紊亂，導致蛋白前提生物合成受到影響，從而導致籽粒中淀粉粒排列不緊密形成空隙［32］。粉質是堊白的極端體現(xiàn)，是研究稻米堊白性狀的重要材料。目前已克隆出一系列FLO類基因。FLO2基因在發(fā)育的種子中大量表達，通過調控籽粒中的貯藏物質積累從而影響籽粒大小和稻米品質，該基因突變后籽粒變小，嚴重粉質［33］。丙酮酸磷酸雙激酶基因OsPPDKB位于5號染色體上，是水稻灌漿過程中，淀粉和脂肪生物合成時碳流通的重要調節(jié)因子，其T-DNA插入突變體籽粒表現(xiàn)為內部粉質心白而外部胚乳透明的狀況，并且伴隨籽粒粒重下降［34］。flo5突變體是由可溶性淀粉合酶Ⅲ基因(OsSSIIIa)突變后引起的，該酶在水稻淀粉合成中扮演重要角色，突變后導致支鏈淀粉鏈長分布發(fā)生變化，淀粉顆粒變小，籽粒中心粉質或全部粉質［35］。

1.2 稻米蒸煮食味品質遺傳

食味品質是稻米品質的最重要組成部分，是體現(xiàn)稻米市場價值的重要指標之一。由于淀粉在稻米中占比最多，因此稻米食味蒸煮品質與淀粉的組成及結構關系密切。通常人們對米飯的感官評鑒會夾帶個人的主觀感受，為此國家制定了相關的稻米理化性質評價標準，以直鏈淀粉含量(amylose content，AC)、膠稠度(gel consistency，GC)、糊化溫度(gelatinization temperature，GT)作為3個經(jīng)典的評價指標［36］，其中AC是影響稻米食味品質的最主要因素［37］。

Wx是直鏈淀粉合成的主要基因并編碼GBSS1，攜帶不同Wx等位基因型的品種一般具有不同的直鏈淀粉含量。截至目前在自然界中至少有10種Wx等位基因型已被報道［38］。Wxa是一種高直鏈淀粉的等位基因型，一般存在秈稻中，其直鏈淀粉含量一般高于25%，最高可到30%以上。在Wxa等位基因型的基礎上第一內含子5’UTR第一個堿基由G變?yōu)門，導致Wx基因3.3 kb RNA前體剪切效率降低，減少了GBSSI的含量，從而減少了直鏈淀粉的合成，含有Wxa等位基因型的水稻品種一般米飯食味口感偏硬。Wxb的等位基因直鏈淀粉含量在一般在18%到20%之間，為中等直鏈淀粉含量。除了以上常見的Wx等位基因型外，還有一些稀有的等位基因型存在，這些稀有的等位基因型存在極大地豐富了稻米直鏈淀粉含量的分布，造就了不同口感的稻米品種［38］。Wx的等位基因還有Wxin、Wxop、Wxhp、Wxmq、Wxmp、Wxmw、Wxlv［39-44］等。近些年針對Wx的不同等位基因進行了細致的工作，發(fā)現(xiàn)存在地方品種的Wxmw直鏈淀粉含量在12%～14%之間，其食味品質與Wxmp相仿，但Wxmw的稻米外觀更加透明、更好［43］。此外還發(fā)現(xiàn)了高直鏈淀粉、低粘滯性的Wx等位基因Wxlv，并且通過進化分析發(fā)現(xiàn)，該等位基因是Wx的祖先基因，其他等位基因都是在此基因型基礎上進化過來［44］。

膠稠度是指米糊在水平光滑試管中自由流淌，待冷卻凝固后管底到最大延伸處的距離。代表了稻米的軟硬程度，一般分為3個級別，分別是軟(>60 mm)、中(41～60 mm)、硬(<40 mm)。SU等［45］利用DH群體在在6號染色體上鑒定了一個影響膠稠度的主效QTL(qGC-6)，最后精細定位到11 kb的區(qū)間里，序列分析和互補實驗均證明該位點所在基因為Wx，該結果證實Wx不僅影響稻米直鏈淀粉含量，還對膠稠度的長短有較大的貢獻效應。

糊化溫度是稻米淀粉在加熱條件下溶脹、失去結晶性形成均勻糊狀溶液的溫度。研究發(fā)現(xiàn)ALK是控制糊化溫度的主效基因，編碼淀粉合酶Ⅱ(OsSSⅡa)。當ALK突變后，淀粉合成酶活性發(fā)生變化，通過影響支鏈淀粉的中等長度分支鏈的合成，導致淀粉晶體結構改變，最終表現(xiàn)為糊化溫度發(fā)生改變［46］。酵母雙雜實驗印證了SSⅡa與SSⅢa存在互作關系，兩者的雙突植株表現(xiàn)為更嚴重的堊白表型，同時伴隨著糊化溫度升高、直鏈淀粉含量增加、粘度降低等現(xiàn)象［47］。環(huán)境因素特別是灌漿期的溫度，可以影響SSⅡa基因的表達，進而影響支鏈淀粉鏈長分布。

除AC、GC和GT對稻米食味品質的影響，稻米香味的有無也會影響稻米的食味品質。1983年BUTTERY首次發(fā)現(xiàn)2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)是形成香味的最重要化合物［48］，已有研究發(fā)現(xiàn)BADH2是控制稻米香味的主效基因，其發(fā)揮正常功能時可以將γ-氨基丁醛(GABald)轉化為γ-氨基丁酸(GABA)，而當BADH2基因功能缺失后γ-氨基丁醛主要轉化為2-AP的前體物質，從而導致香味的形成或增加。

1.3 稻米加工品質遺傳

稻米的加工品質是指稻谷從收獲到最終在市場面向消費者所經(jīng)歷的去殼、除糙、拋光等一系列過程。稻米加工品質相關性狀主要包括糙米率、精米率以及整精米率。針對稻米加工品質的研究目前基本上都是基于群體的QTL定位。在21世紀初期，TAN等［49］利用‘珍汕97B’和‘明恢63’構建的重組自交系進行QTL定位，分別定位到了1個整精米率、2個精米率和1個糙米率的位點。梅捍衛(wèi)等［50］利用‘特青’和‘Lemont’的重組自交系進行分析，發(fā)現(xiàn)1個位于第12號染色體上控制精米率的位點，4個分別位于第2、4、6、7染色體影響整精米率的位點。劉家富等［51］使用120個元江野生稻滲入系定位到3個糙米率位點，以及1個整精米率的位點。其中，整精米率的位點qPHR1與糙米率位點qPBR1在同一區(qū)域，整精米率位點的貢獻率13% 左右，效應方來自元江野生稻。翁建峰等［52］通過‘Asominori’和‘IR24’的片段代換系，在4個環(huán)境下共檢測到30個與稻米加工品質相關的QTL，其中糙米率相關位點10個，精米率相關位點14個，整精米率相關位點6個，其中qHR-3位點與TAN在3號染色體的整精米率位點一致，qMR-6與qMR-8在4個環(huán)境中均可以被檢測出來。前面提到控制堊白主效基因Chalk5也與稻米整精米率相關，由于淀粉粒排列不緊密，從而造成米粒硬度下降，使用機器對稻米打磨時易造成米粒斷裂，從而導致整精米率降低，一些堊白度高和堊白粒率多的稻米也會出現(xiàn)相似的情況。

1.4 稻米營養(yǎng)安全品質遺傳

水稻作為人們日常的主食，除了可以為人類提供充足碳水化合物外，還包括蛋白質、脂類、氨基酸、礦物質等。蛋白質是種子中第二大貯藏物質，約占種子干重的8%～10%。根據(jù)功能不同，可以將稻米胚乳中的蛋白質分成2類。第1類是維持細胞正常代謝的貯藏蛋白，第2類是儲藏物質的結構蛋白［53］。稻米中蛋白質主要為貯藏蛋白，結構蛋白總量極少。生產上所指的蛋白質一般是貯藏蛋白。貯藏蛋白包括谷蛋白、醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白，在精米中谷蛋白的含量最高，谷蛋白中賴氨酸含量豐富，易被人體吸收，具有較高的營養(yǎng)價值［54］。優(yōu)良食味水稻品種通常具有較低的蛋白含量［55］。低蛋白稻米因其具有特殊的功效而受到特殊人群的喜愛，對于糖尿病和腎病患者，食用低蛋白稻米，可以減少其腎臟負擔，達到醫(yī)療保健效果［56-57］。

目前已經(jīng)克隆出一批與稻米蛋白含量相關的基因。PENG等［58］首先通過粳稻品種‘Nanyangzhan’和秈稻品種‘珍汕 97’的190份重組自交系，鑒定到了一個與蛋白含量相關的主效QTL并命名為qPC1，隨后對其精細定位發(fā)現(xiàn)該位點對應OsAAP6基因。OsAAP6能夠正向調控籽粒中的蛋白含量，可以通過增強根系對氨基酸的吸收，從而提高稻米蛋白含量。WANG等［59］獲得了一個水稻谷蛋白突變體，該突變體表現(xiàn)為具有更多的57 ku谷蛋白前體積累，隨后對其定位發(fā)現(xiàn)該基因編碼一個半胱氨酸蛋白酶，并將其命名為OsVPE1。該基因第269位半胱氨酸變?yōu)楦拾彼釓亩鴮е旅富顔适В瑢е碌鞍准庸こ墒爝^程異常，最終導致成熟蛋白降低。YANG等［60］通過‘Sasanishiki’和‘Habataki’的片段代換系SL431與‘Sasanishiki’雜交，最后成功定位到OsGluA2基因，發(fā)現(xiàn)OsGluA2可以正向調節(jié)籽粒中貯藏蛋白含量，尤其是谷蛋白含量。并且啟動子區(qū)域的一個SNP影響了OsGluA2基因的表達，可以較好地解釋秈粳之間貯藏蛋白含量的差異。除此以外OsSar1、GZF1、GPA3、OsRab5a、OsNHX5等發(fā)生突變都會對籽粒中蛋白含量造成一定影響［61-65］。通過調控影響種子中貯藏蛋白含量的基因來改良稻米營養(yǎng)品質成為越來越有效的方法，此外，稻米蛋白含量與稻米食味品質或口感存在一定相關性。

稻米主要成分為淀粉，其內部脂肪酸含量較少且分布不均。脂肪酸在胚乳中雖然占比不高，但對稻米的食味同樣具有較大影響。適度的提高稻米中脂肪酸的含量有利于提高米粒的光澤程度與米飯口感，并且稻米中的脂肪酸多為不飽和脂肪酸，具有良好的營養(yǎng)保健功能［66-68］。 KANG等［69］通過‘Milyan923’與‘Gihibyeo’的重組自交系群體報道了一個位于7號染色體的控制粗脂肪的QTL位點。隨后吳長明等［70］利用‘Asominori’和‘IR24’的重組自交系檢測到一個位于10號染色體的控制粗脂肪的位點，該位點貢獻率為19%，且等位基因效應來自‘Asominori’。于永紅等［71］利用‘密陽46’與‘協(xié)青早B’的重組自交系群體檢測到qLc-3、qLc-5、qLc-6和qLc-8共4個控制脂肪含量的QTL位點，分別位于3、5、6、8號染色體上，其中qLc-5的效應最大，貢獻率達12.0%。目前針對稻米脂質的QTL定位多處于粗定位或功能標記開發(fā)階段，這可能是由于稻米脂肪酸含量較低和檢測方法效率不高所導致，也為脂肪酸功能基因的挖掘工作增添了一定難度。當前已經(jīng)克隆的水稻脂類合成基因主要為脂肪酸去飽和酶(FAD)類、參與超長鏈脂肪酸(VLCFA)合成酶類以及脂肪酸代謝過程中的關鍵酶［72-78］。在水稻中OsFAD3是第一個被克隆的與脂肪酸合成相關的基因，它編碼ω-3脂肪酸去飽和酶可以催化亞油酸向α-亞麻酸轉化，同時其表達水平受低溫誘導［72］。隨后LIU等［73］通過用胚乳特異啟動子GluC和Ubi-1啟動子驅動FAD3基因籽粒中高表達使種子中α-亞麻酸由0.36 mg/g提升到 10.06 mg/g，再次證明了該基因的功能并成功創(chuàng)制了高α-亞麻酸稻米。

稻米中適量有益礦質元素也是稻米營養(yǎng)品質的重要體現(xiàn)。礦質元素在體內需求量不高，但卻是人體構成不可或缺的部分。有研究指出人體所需的礦質元素至少有22種，然而這些元素并不能在人體合成而是要通過合理膳食來獲?。?9］。例如，F(xiàn)e是人體內含量最高的微量元素，參與血紅蛋白的形成促進造血，人體缺鐵不但會造成貧血還會增加母嬰死亡率，降低嬰兒智力發(fā)育［80］。鋅是人體必需的微量元素，是人體多種生物酶的活性基團，在體內起到極其重要的生理功能［81］。硒具有預防心血管疾病、防止衰老、抗癌，解除人體重金屬毒性等功效［82］。水稻中已有大量和籽粒中鐵、鋅、硒含量相關的QTL被鑒定出來［83-84］，CALAYUGAN等［83］通過利用IR05F102與 IR69428雙單倍體群體鑒定出了6個和離子含量相關的QTL位點，其中2個和鐵含量相關的位點qFe9.1和qFe12.1分別在6號和12號染色體上，來源于親本‘IR69428’。4個和鋅含量相關的位點qZn1.1、qZn5.1、qZn9.1、qZn12.1，分別位于1、5、9和12號染色體上，其中，qZn12.1的效應最高，解釋15.26%的表型變異。NORTON等［84］通過‘Bala’和‘Azucena’重組自交系群體，當以葉片為檢測組織時候可定位到3個鐵元素相關的位點，qFe1、qFe3、qFe6；1個鋅元素相關位點，qZn7；2個硒元素相關位點，qSe3和qSe7。而以籽粒為檢測組織時可檢測到與鐵元素相關的4個位點：qFe1、qFe3、qFe4、qFe7；鋅元素相關的4個位點：qZn6、qZn7、qZn10.1、qZn10.2；硒元素相關的6個位點：qSe1.1、qSe1.2、qSe3、qSe6、qSe7、qSe9。其中qFe1、qFe3、qZn7、qSe3、qSe7位點在2種組織部位中均可以檢測到。這些QTL的定位說明礦物質元素在水稻品種內存在一定的遺傳差異，為后續(xù)的生物強化育種提供重要理論支撐與材料基礎。

相關研究已明確了部分影響種子中鐵含量的基因［85-87］。OsYSL15基因在缺鐵的情況下表達量增加，可將Fe3+的復合物吸附到根的外側細胞中。osysl15表現(xiàn)為種子中鐵含量下降，過表達則會導致種子中鐵含量增加［85-86］。煙草胺是一種重要的金屬螯合劑，由3個S-腺苷甲硫氨酸分子通過煙草胺合酶合成。在擬南芥中4個煙草胺合酶基因已被證明對鐵的分布存在作用。水稻中有3個基因編碼煙草胺合酶基因，分別是OsNAS1，OsNAS2和OsNAS3。其中，已有實驗表明OsNAS3突變后會導致劍葉和種子中的鐵含量降低，過表達則表現(xiàn)出相反的結果［87-89］。水稻鐵轉運蛋白家族基因OsVIT1 和OsVIT2可以將鐵儲存在劍葉的液泡中，減少鐵元素通過韌皮部向種子中轉移。敲除突變體表現(xiàn)為液泡中鐵含量降低，種子中鐵含量增加［90］。此外，OsYSL2、OsYSL9、OsHRZ1、OsHRZ2、OsIRT1、OsFRDL1、OsVMT/OsZIFL12等均直接或間接對籽粒中鐵含量具有調控作用［91-96］。在關注籽粒中有益礦物質元素積累的同時，也要警惕稻米中重金屬元素的富集。稻米中砷、鎘、鉛、汞元素的超標已成為威脅糧食安全的又一大課題，如何培育出健康安全營養(yǎng)的稻米成為科學家和育種工作者追尋的新目標。OsNRAMP5基因是目前水稻鎘吸收的最主效基因，當其發(fā)生突變時會降低鎘元素進入植株體內，導致籽粒中鎘含量的極顯著降低，且不影響農藝性狀［97-98］。OsASTOL1基因的第566位堿基G突變?yōu)锳導致絲氨酸突變?yōu)樘於０窂亩怪参镌鰪妼α?、硒的同化，同時減少砷在稻米中的積累［99］。

2 環(huán)境因素對稻米品質的影響

稻米品質的形成是一個復雜的過程，是品種遺傳特性、環(huán)境生態(tài)條件、栽培技術等共同作用的結果，是基因與環(huán)境共同作用的結果。

2.1 溫度

溫度對稻米品質影響主要在稻米品質形成的關鍵時期即抽穗至灌漿期間。沈泓等［100］通過對稻米灌漿期不同時段高溫對稻米淀粉理化特性的影響分析，發(fā)現(xiàn)灌漿前段高溫(齊穗1～15 d)對稻米淀粉的損害程度大于灌漿后段，會導致糙米率、精米率、整精米率顯著性下降，堊白粒率和堊白度顯著升高，加工品質和外觀品質變差，食味品質明顯下降。朱碧巖等［101］也認為灌漿結實期溫度對堊白的影響存在時段效應，水稻抽穗后20 d內溫度對堊白的影響最大。高溫會加快灌漿進程，影響光合產物的積累運輸，使堊白率升高，進而導致稻米外觀品質變差。

2.2 氮肥

增施氮肥一定程度上會促進水稻產量的提高，但不利于對稻米品質的改善。蒙秀菲等［102］認為，只有后期追施氮肥才能改善米質，而又不降低產量。張三元等［103］研究發(fā)現(xiàn)，氮肥后移的比重加大使得稻米的糙米率、精米率、蛋白質的含量以及膠稠度提高，堊白率和直鏈淀粉含量下降，而直鏈淀粉含量與米飯的粘性、柔軟性、光澤度等食味品質有密切關系［104］。因此，氮肥的施用總量不變或減少，氮肥施用由生育前期向中后期轉移，可促進米質的改善。

2.3 水分對稻米品質的影響

土壤水分含量對稻米品質的具有重要影響。土壤中水分減少，會使糙米中的蛋白質含量提高，灰分含量降低。鄭家國等［105］研究指出，灌漿期間隨著大田排水時間推遲，稻米的灌漿程度隨之提高，糙米率、精米率、整精米率等指標逐漸增加，堊白度、堊白率逐漸降低，加工品質和外觀品質都有較好表現(xiàn)。熊若愚等［106］通過對‘泰優(yōu)871’與‘榮優(yōu)華占’進行常規(guī)灌溉(CK)、間歇灌溉(AWD)和持續(xù)淹水灌溉(CFI)等處理發(fā)現(xiàn)，間歇灌溉方式提高了稻米的加工與食味品質，但不利于外觀品質的改良。而持續(xù)淹水灌溉方式則有利于改善稻外觀品質。此外，栽培方式、CO2的濃度、病蟲草害、收獲時間等均會對稻米品質的形成造成一定影響［107-110］。

除上述環(huán)境因素外，品種種植的海拔高度(涉及光、溫協(xié)同)、種植密度、土壤結構成分等對稻米品質尤其是食味品質具有決定性作用。同一品種在不同區(qū)域種植，稻米品質表現(xiàn)出的顯著性差異，也證明了環(huán)境因素對稻米品質形成的重要性。

3 稻米品質的育種改良技術

3.1 分子標記輔助選擇改良稻米品質

分子標記輔助選擇可以在分子水平對目的性狀連鎖的基因進行直接選擇，具有高效、準確、易操作的特點，大大縮短育種周期與育種成本。目前分子標記廣泛運用于品種改良與新品種選育過程中［44, 111-114］。ZHANG等［43］根據(jù)Wxmw第6外顯子A/C處堿基差異開發(fā)了SNP分子標記，經(jīng)過回交篩選成功將Wxmw等位基因型導入到粳稻品種‘2261’中，改良后品種稻米具有更好的透明性，直鏈淀粉含量降低、膠稠度增加，RVA譜分析顯示其具有較高的崩解值，同時具有較低的回生值，食味品質更優(yōu)。CHEN等［115］通過以‘Kanto 194’為供體親本將抗性基因Stv-bi和低直鏈淀粉基因Wxmq成功導入到‘武育粳3’中，最終成功獲得了改良后的株系K01和K04，條紋葉枯病抗性和食味品質得到顯著提升。YI等［112］以‘Basmati370’為較低直鏈淀粉和香味基因供體，通過MAS成功將高直鏈淀粉、無香味的緬甸品種‘Manawthukha’改良為優(yōu)質的香稻品種，為當?shù)剞r民增收獲益。QAMAR等［113］首先通過輻射誘變成功創(chuàng)造了低植酸突變材料Lpa5、Lpa9和Lpa59，隨后將突變體與‘Basmati370’進行回交并結合MAS技術，成功選育出高產、低植酸的香稻材料。JIANG等［114］發(fā)現(xiàn)5號染色體上RM598-RM169-RM289對粒型和堊白具有較大影響，隨后以此開發(fā)標記對‘珍汕97B’和‘珍汕97A’進行分子標記輔助改良，最后成功改良了2個品種的外觀品質，改良后的‘珍汕97B’籽粒粒長極顯著增加、粒寬極顯著下降，堊白明顯減少。

3.2 基因編輯改良稻米品質

近些年以CRISPR/Cas9為首的基因編輯技術得到極大的發(fā)展，通過CRISPR/Cas9來定向改良稻米品質成為可能。ZENG等［116］首先通過CRISPR/Cas9在Wxa背景下對其啟動子和5’UTR內含子編輯達到了定量調控直鏈淀粉的作用。通過對高直鏈淀粉品種‘天豐B’(直鏈淀粉含量24.6%)Wxa啟動子CAAT-box進行基因編輯成功創(chuàng)制了直鏈淀粉含量為分別為19.6%、18.1% 和17.8%且不改變外觀品質的編輯株系。對Wxa基因5’端內含子區(qū)域編輯后導致了內含子剪切方式發(fā)生改變，mRNA構象發(fā)生變化導致直鏈淀粉含量達到軟米水平，分別為10.6%、11.5%和9.8%，但籽粒透明度有所降低。上述研究證明了可以利用CRISPR/Cas9對Wx基因的轉錄水平調控和轉錄后水平調控2種策略來調控稻米直鏈淀粉含量［116］。HUANG等［117］也證明了通過對Wx基因啟動子區(qū)域TATA box元件進行編輯從而達到微調直鏈淀粉的作用。研究人員選擇含有Wxb等位基因型的‘日本晴’作為編輯材料，突變體直鏈淀粉含量適度降低，達到微調效果，研究同時發(fā)現(xiàn)新的Wx等位變異材料直鏈淀粉含量受溫度影響。SHEN等［118］通過構建CRISPR/Cas9多基因敲系統(tǒng)成功對BADH2、DEP1、Gn1a、Hd1、EP3、LPA1、GW2和GS3共8個基因進行敲除，同時對包括稻米食味品質、外觀品質、農藝性狀等多個性狀進行同時改良。香味是稻米食味品質重要的一個性狀，HUI等［119］首先利用CRISPR/Cas9基因編輯對‘黃華占’的BADH2基因進行編輯，成功獲得了香味物質2-AP含量增加的編輯株系，隨后利用挑選出的T-DNA free單株與香型三系不育系桃農1A雜交，成功改良了三系雜交組合桃優(yōu)香占的香味性狀。TANG等［97］利用CRISPR/Cas9技術對兩系雜交稻品種‘隆兩優(yōu)華占’雙親本進行OsNRAMP5基因敲除，在鎘污染嚴重土壤中仍能保持籽粒中鎘含量的低積累。

4 展望

稻米品質決定稻米價值的最終體現(xiàn)，其形成機理復雜，受多基因遺傳及環(huán)境的共同作用。進一步培育食味好、外觀佳、營養(yǎng)安全的稻米，需要對稻米品質形成的關鍵基因及優(yōu)異等位變異進行深入挖掘，理清環(huán)境與基因、基因與基因的互作規(guī)律，收集整理鑒定優(yōu)異種質，利用傳統(tǒng)育種手段與現(xiàn)代生物育種技術相結合，各環(huán)節(jié)協(xié)同開展，培育出更多品質優(yōu)良的水稻新品種。

根據(jù)現(xiàn)有稻米品質調控理論和產業(yè)發(fā)展需求，水稻育種目標在滿足大眾消費的同時，也要考慮不同消費群體、不同地域、不同加工工藝等需要。如減肥人群或糖尿病病人需要抗性淀粉含量相對較高的稻米，在滿足咀嚼口感的同時減少淀粉向葡萄糖的轉化。腎病病人需要低谷蛋白的稻米，以減少米飯中蛋白對腎臟的壓力?？旃?jié)奏的社會導致人們更傾向于“點外賣”的就餐方式，因此需要較不易回生的稻米。南北方消費者對稻米的需求也不盡相同，南方消費者習慣食用長寬比較大、籽粒較長的米飯，而北方消費群體則更喜歡短圓粒的“珍珠米”。少數(shù)民族聚集區(qū)有習慣食用黑米、紅米等特殊稻米的習慣。傳統(tǒng)節(jié)日食品糍粑、粽子、米糕等需要優(yōu)質糯米來制作。而米餅、米粉等都需要用富含高直鏈淀粉和高膠稠度的專用稻米來制作。這些特殊品質的需求提示研究人員，稻米品質的改良不能簡單地追求理化性質指標，而是要面向消費者和市場需求，進行多元化的研發(fā)和投入。

基因編輯技術的快速發(fā)展為品質育種工作帶了機遇與挑戰(zhàn)，通過基因編輯創(chuàng)制研究材料，定向改良品種品質性狀已成為較易獲取的手段。目前基因編輯技術由最早的單基因敲除，發(fā)展到多基因同時編輯、單堿基替換、DNA片段插入或缺失、靶向染色體重排以及增加目的基因表達等，可以對稻米品質性狀進行正向或負向的精準調控［120-121］。盡管基因編輯技術在植物領域中發(fā)展迅猛，但如何進一步完善其在品質改良中的作用，保證編輯產品安全和合法合規(guī)使用等方面將是研究人員面臨的新課題、新挑戰(zhàn)。