水稻蛋白质的研究进展*

田 爽，王晓萍

(哈尔滨师范大学)

0 引言

水稻是人类生产生活赖以生存的主要粮食作物之一，全世界水稻播种面积约占谷物播种面积的23%，占总产量的29%.随着人口的增长，预计到2025年，全球依赖水稻生活的人口将增至35亿.全世界90%的水稻种植者和消费者在亚洲，水稻也是我国最主要的粮食作物之一，其播种面积约占我国粮食作物总面积的27%，稻谷产量占全国谷物总产量的40%以上.随着生产的发展、人民生活水平的提高以及农产品对外贸易的需要，人们所关注的问题已经不仅仅局限于水稻的产量问题，水稻的品质问题也已经引起各方面的关注和探讨.

蛋白质是水稻种子胚乳中第二大类贮藏物质，仅次于淀粉，而且水稻贮藏蛋白易被消化吸收，是人类和牲畜蛋白质营养的主要来源.与其它作物相比，水稻蛋白质在溶解性、生物价和能量吸收等方面都具有很好的性能，氨基酸组成比较平衡，其中赖氨酸、苏氨酸等几种必需氨基酸含量较高，是一种优质蛋白质，因此水稻是人类蛋白质及能量的重要来源之一.目前，水稻能提供稻区人民所需能量的60% ～65%，蛋白质的40%以上.蛋白质含量是水稻重要的营养品质之一，在当前的水稻品质评价体系中，衡量水稻营养品质的指标主要是水稻中的蛋白质含量及其氨基酸组成，对水稻蛋白质营养的相关研究长期受到人们的重视，其中对水稻蛋白质营养的遗传与育种研究是最为重要的内容之一.因此，如何进一步提高水稻蛋白质含量并调节其比例，培育食用安全的优质高蛋白水稻品种是水稻品质改良的重要研究方向之一.已有研究表明，水稻蛋白质含量与单位面积有效穗数及实粒数之间存在极显著负相关关系［1］，且蛋白质含量过高会使水稻的食味性变劣［2］.因此，如何提高水稻的蛋白质含量来提高水稻的营养品质，同时又兼顾产量和水稻的食味性、适口性一直受到作物遗传学家和栽培学家的重视.除此之外，以往诸多研究还表明，水稻蛋白质含量与产量和食味性之间的相关关系并不确定，它们之间的关系还受栽培措施的影响［3］.水稻蛋白质含量的高低不仅影响水稻的营养价值，而且关系到以大米为主食的人群蛋白质摄入量和健康水平.据不完全统计，中国人均蛋白质日摄入量仅为67 g，大大低于发达国家平均水平(100 g/人).因此，水稻蛋白质含量的遗传及育种研究一直受到广大科研人员的高度重视，对提高中国人民的健康水平有着极其重要的意义.

1 水稻蛋白质的种类

蛋白质是水稻种子胚乳中继淀粉后的第二大类贮藏物质，一般占糙米干重的8% ～10%，按蛋白质的功能可将其分为三类，即作为种子贮藏物质的种子贮藏蛋白(seed storage protein)、维持种子细胞正常代谢的结构蛋白(structural and metabolic protein)和保护蛋白(protective protein)［4］.通常一类蛋白又兼有其它功能，例如起贮藏作用的蛋白同时又兼有保护功能.虽然水稻种子中的结构蛋白种类繁多，但每个种类的结构蛋白含量却是极少的，而贮藏蛋白含量要高很多，约占总蛋白的50%.因此，一般所指的水稻蛋白质，主要是指贮藏蛋白.根据蛋白质溶解性的不同，将贮藏蛋白分为4种，即碱溶性的谷蛋白(glutelin)、醇溶性的醇溶蛋白(prolamin)、水溶性的白蛋白(也叫做清蛋白，albumin)和盐溶性的球蛋白(globulin)，它们在水稻蛋白质中所占的百分比分别为80%、5%、5%和10%［4］.

2 水稻蛋白质的氨基酸组成及其营养价值

蛋白质的营养价值，取决于各种氨基酸的含量及其相互之间的平衡，尤其是8种人体不能合成的必需氨基酸的含量.与其它禾谷类作物的蛋白质相比，水稻蛋白质的氨基酸平衡相对较好，尤其是赖氨酸的含量相对较高.中国水稻品种的稻米赖氨酸含量达到0.11%～0.61%，品种间存在较大的变异.一般水稻中平均赖氨酸含量为4.0 g/16.8 gN左右，但与世界卫生组织(WHO，1973)推荐的指标(5.5 g/16.8 gN)仍相差较远.与其它禾谷类作物一样，赖氨酸被认为是水稻蛋白质中的第一限制必需氨基酸.此外，苏氨酸含量相对较少，是第二限制因子，其次为色氨酸和蛋氨酸.各种氨基酸的含量都随蛋白质含量的增减而不同程度地相应增减，但几种限制型氨基酸的增减程度最小.Juliano［5］等通过对全世界10493个水稻品种进行筛选发现，水稻蛋白质中赖氨酸的含量变化不会超过0.5%，而且蛋白质含量和赖氨酸含量呈负相关.对四种蛋白质组分而言，球蛋白中精氨酸含量最高，赖氨酸和甘氨酸含量也较高.白蛋白中赖氨酸含量最为丰富，主要聚集在外部胚层.谷蛋白含有较多的赖氨酸、精氨酸、甘氨酸等人体必需氨基酸，不仅营养价值高，容易消化，且对食味的负效应少.醇溶蛋白中不仅甘氨酸等氨基酸含量低，也会因阻碍淀粉网眼状结构的发展而间接影响食味，且积淀在蛋白体PB－I内的醇溶蛋白难以被人胃蛋白酶降解，故谷蛋白的营养价值要高于醇溶蛋白［6］.

3 水稻蛋白质含量的差异

3.1 不同基因型间蛋白质含量差异

稻米蛋白质含量主要受遗传物质的控制.水稻不同品种类型之间的蛋白质含量有很大差异.据中国水稻研究所分析测定163个主栽品种和99个优质米品种的结果表明，粳稻品种的蛋白质含量低于籼稻品种，优质米品种的蛋白质含量略低于主栽品种［7］.林榕辉等［8］研究表明，籼稻蛋白质含量为4.9% ～19.3%，粳稻蛋白质含量为5.9% ～16.5%.Webb等［9］对57个国家的4000个水稻品种的研究表明，其蛋白质含量为5.3% ～ 13.6%;Juliano［10］研究指出，水稻糙米、精米和胚中蛋白质含量变异范围分别为5.1%～15.4%、4.5% ～14.3%和16.8% ～24.1%.目前已报道蛋白质含量最高的品种为矮秆小粒形水稻品种黄稻，达 21.9%［11］.

3.2 不同组织或部位间蛋白质含量差异

水稻中蛋白质含量的分布因部位不同而有较大差异，一般种皮和胚中蛋白质含量高于胚乳，愈向胚乳深层，其含量愈少，在胚乳中心有少量的蛋白体;在所含的蛋白种类上，白蛋白和球蛋白多为细胞质或具有代谢活性的种子蛋白，储存在果皮、糊粉层和胚等组织中;而醇溶蛋白和谷蛋白多为贮藏蛋白，醇溶蛋白积淀在蛋白体PB －I内，谷蛋白储藏在蛋白体 PB －II中［6］.其中，在水稻种子的脱糙和精制过程中，果皮、大部分糊粉层以及部分胚和少量的胚乳将会被去除，这些组织中的蛋白也将一同去除.这样，精米中的蛋白主要以醇溶蛋白和谷蛋白为主.

4 水稻蛋白质含量的遗传

前人研究表明［12］，水稻蛋白质含量属于由多基因控制的数量性状，主要受直接加性和母体加性效应的控制，并以母体加性效应的控制为主.此外，水稻蛋白质含量呈现显性和细胞质效应，低蛋白质含量对高蛋白质含量呈部分显性;受几对主效基因和一些微效基因的控制，同时存在加性和显性两种基因效应;也观察到母体效应和花粉直感现象.由于蛋白质含量容易受环境条件的影响，是基因型与环境互作的结果，因此其遗传力相对较低.

5 水稻蛋白质含量的分子机理

5.1 醇溶蛋白

水稻醇溶蛋白有16kD、13a、13b和10kD等4种组分，其基因家族编码比较复杂，在单倍体基因组中有80～100个拷贝.不同水稻品种间13kD基因在核苷酸和氨基酸序列上同源性均很高，该基因具有高度保守性［13］.与13kD亚基(醇溶蛋白的主要成分)相比，10kD和16kD亚基中半胱氨酸、蛋氨酸等含量较高，具有特殊的营养价值.因此，利用基因工程提高10kD和16kD亚基的含量而降低13kD亚基的含量是一项非常有吸引力的工程，但目前有关16kD醇溶蛋白基因克隆和10kD基因表达调控方面的研究报道很少.

5.2 谷蛋白

水稻谷蛋白包括酸性亚基和碱性亚基，分子量分别为37～39 kD和22～23 kD，它们由57kD的前原蛋白经后转录剪切形成.编码谷蛋白的基因家族包括GluA和GluB两个亚族，每个亚族的单倍体又有5个成员.依据水稻谷蛋白mRNA在未成熟种子胚乳中的高丰度，Takaiwa等［14］按照由蛋白质氨基酸序列寻找基因的方法，首次获得谷蛋白的cDNA克隆，迄今为止已经克隆和测序8种谷蛋白基因，分别为 GluA－1、GluA－2、G1uA －3、GluA －4、GluB －1、GluB －2、GluB －3和GluB－4.基因序列比较分析表明，豆科的球蛋白基因与水稻谷蛋白基因序列同源性很高，故推测它们起源于同一基因.据此，可将大豆球蛋白基因导入水稻以提高水稻胚乳中赖氨酸的含量.

5.3 白蛋白和球蛋白

就所查文献，未见报道.

6 水稻蛋白质含量和水稻产量的关系

水稻蛋白质含量和产量的关系，报道结果不甚一致.一种观点认为水稻产量与蛋白质含量间呈负相关，即蛋白质含量高产量低.另一种观点认为，随着产量的提高，水稻蛋白质含量增加，稻谷蛋白质含量与稻谷产量之间有着极显著的正相关(r=0.84＊＊)，稻草蛋白质含量与稻草的产量间亦存在着极显著的正相关(r=0.79＊＊)［15］.氮、磷、钾、硅、锰、有机肥配合施用对水稻产量形成有明显的促进作用，还能促进水稻对氮、磷、钾的吸收、转运和累积，提高子粒氮、磷、钾含量及子粒粗蛋白质含量，说明稻株体内碳、氮代谢并非只是简单的竞争对立关系，彼此间还可能存在着正向协同调控作用［16］.

7 水稻蛋白质含量和水稻品质的关系

水稻品质是一个综合性状，主要包括碾磨(加工)品质、外观品质、蒸煮与食味品质、营养品质以及卫生品质等，除此之外，还要考虑安全和贮藏等品质.稻米中的营养成分包括淀粉、蛋白质、脂肪、维生素和氨基酸等.蛋白质以蛋白质体的形态贮藏于胚乳细胞的淀粉体间隙中.水稻蛋白质中必需氨基酸含量丰富，是良好的植物蛋白质，生物价高达75～77.但在一般情况下，水稻粗蛋白含量的增加主要是由醇溶蛋白增加所引起的，而醇溶蛋白的赖氨酸含量最低，所以水稻粗蛋白含量高导致其蛋白的质量变差［17］.因此，水稻蛋白质含量的高低及其质量的优劣是评价水稻营养品质的核心指标.

有研究指出，蛋白质含量增加可以使胚乳形成后期贮藏蛋白的密度增加，使稻米在碾磨过程中不易断裂，改善了稻米的碾磨品质［18］.另外，水稻蛋白质含量的高低与稻米蒸煮食味品质有着很重要的关系.较多的研究者认为，蛋白质含量高会抑制淀粉粒吸水、膨胀及糊化，蛋白质含量超过9%的品种往往米饭口感较差，食味不佳［19］.蛋白质含量与直链淀粉含量和米饭的黏度、弹力性、附着性、峰值黏度、崩解值、回复值及食味呈显著或极显著负相关，与米饭的硬度呈正相关，因此降低子粒蛋白质和直链淀粉含量是提高蒸煮食味品质的重要途径［3、20］.

8 水稻蛋白质含量的影响因素

水稻蛋白质含量主要受遗传物质的控制，但据Gomez报道，环境条件对蛋白质含量的影响可使同一个品种的蛋白质含量最大相差达6%［21］.影响水稻蛋白质含量的气候生态因子主要有温度、光照及大气中的 CO2浓度等.水稻灌浆结实期的日均温作用最大，其次是日平均太阳辐射.水稻蛋白质含量除了受到自身遗传控制和生态因子的影响外，还受到土壤条件、播期、栽插密度、水、肥管理、病虫害防治等栽培措施的明显影响.有研究指出，在同一施氮水平下，随栽插行距的扩大，稻米蛋白质含量有所增加［22］.肥料的施用量、施用时期对蛋白质含量均有不同程度的影响，对氮肥而言，一定范围内施氮量越高，稻谷蛋白质含量越高;施氮水平相同，则分次施氮，氮肥后移，尤其是抽穗期或齐穗期追施氮更能提高蛋白质含量，但是氮肥的施用对蛋白质组分百分比含量的影响较小.另外，不同水稻品种蛋白质含量对氮肥的敏感程度不同［23］.方宣钧等研究表明，在水稻开花后的灌浆结实期以湿润灌溉的谷粒或糙米中蛋白质的含量高于水层处理［24］.

9 研究展望

水稻蛋白质的研究科学工作者虽然已经从各个不同的层面系统地开展了一系列研究，并且已取得一定的研究成果，但仍有大量的工作需要科研人员开展.

9.1 加强高蛋白种质资源的发掘

中国国家长期库中共保存水稻种质资源近7万份，但由于认识不够、经费不足等原因，至今只对部分水稻种质资源进行了高蛋白种质的鉴定与筛选工作鉴定与评价，而不少种质资源仍沉睡在种质库中，未能充分发挥其潜力.高蛋白水稻种质的筛选是开展高蛋白性状遗传和分子机理研究以及种质创新的前提条件.有效地开发利用高蛋白水稻种质资源，创制高蛋白新品种，研制高蛋白新产品，加快发展稻米精深加工业，将会进一步推动中国稻作科技和水稻经济的发展.因此，积极开展现有种质资源高蛋白种质鉴定和筛选工作至关重要.

9.2 加强蛋白质体和蛋白质组分的研究

随着人们生活水平的日益提高，除了对稻米营养价值的要求外，对稻米食味性的要求也越来越高，稻米中蛋白质体Ⅰ与米饭食味密切相关，蛋白体Ⅰ含量增加会使食味性下降，而蛋白质体Ⅱ对食味影响小.因此，在保证稻米食味性较好的前提下，能否通过遗传改良或栽培措施提高蛋白质体Ⅱ的比例或通过提高蛋白质体Ⅱ的含量来提高稻米总蛋白的含量还有待加强研究.

9.3 提高稻米中必需氨基酸的含量

稻米蛋白质质量的优劣主要决定于蛋白质中必需氨基酸的含量是否平衡以及限制型氨基酸相对含量的高低，而各种氨基酸的含量都随蛋白质含量的增减而不同程度地相应增减，但几种限制型氨基酸的增减程度最小.可否通过基因工程或其他遗传措施打破这种连锁关系来提高蛋白质中必需氨基酸的含量也是值得研究的一个重要问题.

9.4 深入开展高蛋白分子机理和种质创新研究

蛋白质含量是由多基因控制的容易受环境条件影响的数量性状，遗传基础较复杂，因此要充分利用新发掘的高蛋白优异基因资源，广泛开展高蛋白性状的遗传及分子机理研究，阐明高蛋白遗传特性以及相关基因在染色体上的位置和遗传效应，发掘主效基因和紧密相连锁的分子标记，将为高蛋白基因克隆和分子标记辅助选择提供有效的科学依据.

高蛋白稻米在以稻米为主食的不发达地区在提高营养价值方面具有很大的潜力，而由于过高的蛋白质含量对稻米外观和食味品质有不良的影响，难以符合优质食用稻的标准，故在发达地区高蛋白稻米并不十分受人们的青睐.因此诸如食用稻、饲料稻、工业加工原料稻等应根据水稻的用途制订蛋白质含量的具体目标，且通过稻米加工和特定市场(诸如儿童食品)来提高人们对高蛋白稻米的吸引力.将新发掘的优异高蛋白资源作为供体，把常规杂交育种与分子育种相结合，使高蛋白基因导入到推广品种之中，创造具有高蛋白和高赖氨酸性状的新种质，以满足高蛋白及高赖氨酸水稻育种和生产以及稻米市场的广泛需求.

9.5 进一步研究稻米蛋白质含量与子粒产量及品质的关系

已有研究关于稻米蛋白质含量与子粒产量的结论不甚一致，究其原因，可能与所用材料不同及栽培措施的差异有关，可否通过转基因手段改变子粒蛋白质含量，进而研究其与产量及品质的关系仍值得进一步论证.

［1］ 叶定池，吴春赞，林华，等.水稻产量构成因子与稻米品质性状的关系.中国农学通报，2006，22(2):204－206.

［2］ 万向元，胡培松，王海莲，等.水稻品种直链淀粉含量－糊化温度和蛋白质含量的稳定性分析.中国农业科学，2005，38(1):1－6.

［3］ 钱春荣，冯延江，杨静，等.水稻籽粒蛋白质含量选择对杂种早代蒸煮食味品质的影响.中国水稻科学，2007，21(3):323－326.

［4］ Shewry P R，Halford N G.Cereal seed storage proteins，structures，properties and role in grain utilization.Journal of Experimental Botany，2002，53:947 －958.

［5］ Juliano B O，Antonio A A，Esmama B V.Effects of protein content on the distribution and properties of rice protein.Journal of the Science of Food and Agriculture，1973，24:195 －306.

［6］ Tanaka K，Ohnishi S，Kishimoto N.Structure，organization，and chromosomal location of the gene encoding a form of rice soluble starch synthase［J］.Plant Physiol，1995，108:677 －683.

［7］ 熊振民，蔡洪法，闵绍楷，等编.中国水稻［M］.北京:中国农业科技出版社，1992.164－181.

［8］ Ying C S.Rice Germplasm Resources in China.Beijing:Chinese Agriculture Publisher，1990:83 －93.

［9］ Webb B D，Bollich C N.Characteristics of rice varieties in the US department of agriculture collection.Crop Science，1968，8:361－365.

［10］ Juliano B O.Physicochemical properties of starch and protein in relation to grain quality and nutritional value of rice.Rice Breeding(IRRI)，1972.389 －405.

［11］张旭.水稻生态育种［M］.北京:中国农业出版社，1991.427－430.

［12］ Huang F S，Sun Z X，Hu P S.Present situations and prospects for the research on rice grain quality forming.Chinese Journal of Rice Science，1998，12(3):172 －176.

［13］ Kim W T，Okita T W.Structure expression and heterogeneity of the rice seed prolamines.Plant Physiology，1988，88:649 －655.

［14］ Takaiwa F，Kikuchi S，Oono K.The structure of rice storage protein glutelin precursor deduced from cDNA.Federal European Biochemical Societies Letters，1986，206:33 －35.

［15］王成瑷，王伯伦，张文香，等.栽培密度对水稻产量及品质的影响.沈阳农业大学学报，2004，35(4):318－322.

［16］谢桂先，荣湘民，刘强，等.肥料不同配比对水稻产量与蛋白质含量的影响.湖南农业大学学报:自然科学版，2004，30(5):405－410.

［17］王忠，顾蕴洁，陈刚，等.稻米的品质和影响因素.分子植物育种，2003，1(2):231 －241.

［18］ Ning H F，Qiao J F，Liu Z H，et al.Distribution of proteins and amino acids in milled and brown rice as affected by nitrogen fertilization and genotype.Journal of Cereal Science，2010，52:90－95.

［19］吴长明，孙传清，付秀林，等.稻米品质性状与产量性状及籼粳分化度的相互关系研究.作物学报，2003，29(6):822－828.

［20］金正勋，杨静，钱春荣，等.灌浆成熟期温度对水稻籽粒淀粉合成关键酶活性及品质的影响.中国水稻科学，2005，19(4):377－380.

［21］ Gomez K A.Effect of environment on protein and amylase content of Rice.Proceedings of the workshop on chemical aspects of grain quality，1979:59 －65.

［22］周培南，冯惟珠，许乃霞，等.施氮量和移栽密度对水稻产量及稻米品质的影响.江苏农业研究，2001，22(1):27－31.

［23］刘建，魏亚凤，徐少安.水稻生育中期氮肥施用与稻米蛋白质含量及淀粉粘滞性的关系.江苏农业学报，2005，21(2):80－85.

［24］方宣钧，廉平湖，倪文.水稻结实期的灌水方式对稻谷产量及其蛋白质组分的影响.中国农村水利水电，1988(4):15－17.