品质支撑农作物产业与未来发展

张爱民，李 欣，刘冬成，孙家柱，阳文龙



品质支撑农作物产业与未来发展

张爱民，李 欣，刘冬成，孙家柱，阳文龙

（中国科学院遗传与发育生物学研究所/植物细胞与染色体工程国家重点实验室，北京 100101）

品质是农作物最重要的经济性状，品质的优劣决定了产品的应用价值和市场竞争力。克隆重要农作物品质形成的功能基因，解析品质形成的调控网络，建立品质改良的分子育种体系，对于作物品质的遗传改良，提高人们的生活水平，使人们在温饱的基础上吃好、吃的营养、吃的健康具有重要意义，是社会健康持续发展的最基本保障。

长期以来，由于受到人口增长压力和粮棉油等产品总量的制约，中国农作物品种改良对品质重视不够。品质性状遗传改良的基础研究滞后，致使大多数农作物品种品质不优，产品不仅没有足够的国际市场竞争力，而且很难满足日益增长的人民生活需求。品质问题成为制约中国农业健康发展的关键因素之一。随着中国加入世界贸易组织协定，农产品品质以及作物品质改良在一段时间内受到相应的重视。但近几年，由于强调粮食总量要求，品质改良的要求又有所降低或被忽视，统计上的优质农作物种植面积与实际种植面积相差甚远[1-2]。因此，在国家农业研究领域多个重大项目支持下，依据中国农产品质量和社会发展的实际需求，科技工作者深入系统地开展农作物品质改良的基础研究，目标是克隆控制重要农作物品质性状形成的关键基因并获得自主知识产权，解析品质形成的分子生物学基础，努力提升中国作物品质改良的理论和技术水平，增强中国农产品国际竞争力。品质性状重要功能基因克隆以水稻、小麦、玉米、大豆和棉花五大作物为主要研究对象，采用功能基因组学方法，对作物品质性状基因开展深入系统的基础性研究。研究的品质性状包括农产品的外观商品品质、加工品质、营养品质、贮藏品质等，也包括健康品质与生物品质等，力求阐明优质性状形成的机理，建立品质性状分子改良的技术体系，培育农作物优质新品种，提高农产品质量，改善人们的生活水平，满足人们日益增进的营养和健康需求。

经过近十年不懈的努力，中国科学家在作物品质基因克隆和分子生物学研究领域取得了长足的进展，获得了一系列原创性、高水平的研究成果。本期推出的4篇关于水稻、小麦、大豆和棉花品质研究的综述性文章，总结回顾了中国科学家在品质研究领域的进展，同时也介绍了国际上关于农作物品质研究的发展和趋势，将有助于读者和同行们了解国内外品质研究现状，为作物育种家们提供可能的基因资源与信息，推动农作物品质改良的进一步深入。

根据作物最终用途与加工产品不同，对其品质需求也不尽相同。

稻米品质性状的组成较为复杂，主要包括碾磨加工品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质等四个方面[3]。《稻米品质性状基因的克隆与功能研究进展》一文围绕这4个方面，全面介绍了所克隆的新基因及其功能，重要性状，如淀粉合成等，多基因参与的复杂调控网络，明确了一批重要基因的有利等位变异，并对如何利用这些重要功能基因进行水稻品质改良进行了展望。

小麦是世界上种植面积最广、总产量和营养价值最高、加工食品种类最多的粮食作物。它是世界上35%左右人口的主要碳水化合物来源，也是植物蛋白质的主要提供者。小麦面粉含有其他作物所不具备的面筋，因此，适于制作面条、面包、馒头、饼干、糕点等多种食品。随着经济的发展和生活水平的提高，人们对以小麦粉为原料生产的精制面食、保健食品和营养食品的需求不断增加，并且对小麦相关产品的品质要求也越来越高。人们不仅要吃饱吃好，还要吃的营养，吃的健康。因此，在以加工品质研究为主的基础上，营养和健康品质正在成为小麦品质改良的重要研究方向和育种目标[4]。《小麦营养和健康品质研究进展》一文从籽粒微量营养元素、膳食纤维和对人体健康有益的次生代谢产物等方面介绍了国内外在基因资源筛选、测定方法、基因克隆以及育种改良等方面取得的重要进展，为中国开展小麦营养和健康品质研究提供了参考和借鉴。

大豆是重要的经济作物，其种子蛋白质和油脂含量都比较高，为人类生活提供了优质的食用油和植物蛋白[5]。中国是世界大豆原产国，但近年来中国大豆产业发展不够景气，这与中国大豆的品质水平不高不无关系。大豆的脂肪酸含量、蛋白含量以及异黄酮含量决定了其经济价值。针对生产上大豆品质存在的主要问题，中国科学家开展了控制和提高大豆脂肪酸含量和蛋白含量的深入研究，从基因克隆到调控网络，从大豆本身及其外缘种中克隆了许多重要的功能基因和调控基因，初步明确了脂肪酸和蛋白合成积累过程。《大豆品质调控基因克隆和功能研究进展》总结了相关领域的研究进展，对在大豆基因组测序完成的基础上，利用传统的杂交育种结合分子标记、合成生物学和基因编辑等新一代植物育种技术进行大豆品质改良的前景进行展望。

棉花是世界最重要的经济作物之一。全球有80多个国家种植商业棉，150多个国家从事棉花进出口贸易，经济产值每年高达5000亿美元。自20世纪90年代以来，随着纺织工业的发展，棉纺企业强调以较强、较细和纤维更整齐的棉纤维作为纺织原料。因此，棉花品质育种从以前侧重外在品质转变为侧重内在品质，即在一定绒长的基础上主要强调纤维强度和麦克隆值等。与此相适应，世界棉花市场将棉花定价依据由原来的绒长改成纤维强度等综合品质。随着棉花纤维发育和品质性状研究的深入，越来越多的政府机构和企业对这一领域产生了兴趣，并投入大量资金，力图揭示棉花纤维发育的分子调控机制，发掘棉花纤维品质相关的关键基因，进而创造棉花优质品种，占领世界棉花市场。中国将棉花纤维品质改良列为重大研究目标，开展了棉花基因组研究、棉纤维发育和优质纤维形成相关基因克隆和功能研究。《棉花纤维品质改良相关基因研究进展》一文阐述了中国科学家在此领域取得的重要进展和原创性成果。中国科学家在世界上率先完成了棉花A、D两个二倍体棉花、四倍体陆地棉和海岛棉的基因组测序[6]，克隆了一大批调控棉花纤维起始、发育、成熟的重要基因，为棉花品质育种奠定了基因资源的重要基础。

应当认识到，作物品种类型丰富，品质变异极为复杂。参与作物品质形成的基因众多，多数基因特别是几个关键基因又都存在多个等位变异。然而，目前对于这些基因的功能及其变异的效应研究大多数仅集中于个别基因、多数研究也都只是在少数作物品种中开展，对于这些基因及复等位基因之间的相互关系和互作效应等，都还了解很少。对这些问题的深入研究，将为作物品质的设计改良提供非常重要的线索。另外，需要将健康品质和生物品质的研究提上议事日程。国际上提倡谷物消费，重视健康品质，包括微量元素（如铁，硒等）在种子中的含量，次生代谢产物含量（如叶酸，维生素，类黄酮等含量），注重降低和减少作物中的过敏源，如大豆中的过敏蛋白，小麦中的多种过敏蛋白等。这些方面的研究在国际上已经起步，中国应给予重视和开展部署，特别是在基因克隆方面的部署有利于国际竞争，取得优势。

References

[1] 关二旗, 魏益民, 张波, 郭进考, 张国权, 刘彦军, 罗勤贵, 班进福. 黄淮冬麦区部分区域小麦品种构成及品质性状分析. 中国农业科学, 2012, 45(6): 1159-1168.

GUAN E Q, WEI Y M, ZHANG B, GUO J K, ZHANG G Q, LIU Y J, LUO Q G, BAN J F. Analysis of the variety composition and quality properties of wheat in a part of the Yellow-Huai River Zone., 2012, 45(6): 1159-1168. (in Chinese)

[2] 胡培松, 翟虎渠, 万建民. 中国水稻生产新特点与稻米品质改良. 中国农业科技导报, 2002, 4(4): 33-39.

HU P S, ZHAI H Q, WAN J M. New characteristics of rice production and quality improvement in China., 2002, 4(4): 33-39. (in Chinese)

[3] Bao j s. Genes and QTLs for rice grain quality improvement//Yan W G, Bao J S, Editors.. InTech Open Access publisher. 2014: 239-278.

[4] WARD J L, POUTANEN K, GEBRUERS K, PIIRONEN V, LAMPI A M, NYSTROM L, ANDERSSON A A M, AMAN P, BOROS D, RAKSZEGI M, BEDO Z, SHEWRY P R. The HEALTHGRAIN cereal diversity screen: concept, results, and prospects., 2008, 56: 9699-9709.

[5] Wilson R F. Seed composition//Boerma H R, Specht J E, editors.. Agron. Monogr. No. 16. ASA-CSSA-SSSA, Madison, WI. 2004: 621-677.

[6] Li F G, Fan G Y, Wang K B, Sun F M, Yuan Y L, Song G L, Li Q, Ma Z Y, Lu C R, Zou C S, et al. Genome sequence of the cultivated cotton., 2014, 46: 567-572.

（责任编辑 李莉）

Quality - the future of crop production

Zhang Ai-min, Li Xin, Liu Dong-cheng, Sun Jia-zhu, Yang Wen-long

(Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS/The state Key laboratory of Plant Cell and Chromosome engineering, Beijing 100101)