水稻垩白性状的遗传研究进展及遗传改良策略

杜雪树+戚华雄

摘要：垩白是评价稻米外观品质的重要指标，培育垩白度较小和垩白粒率较低的水稻（Oryza sativa L.）品种是水稻育种研究的重要目标之一。垩白属于复杂的数量性状，受多基因控制，而且易受环境条件影响。近10年来，在水稻12条染色体上定位了近百个与垩白相关的QTL。对控制垩白性状的QTL特别是能稳定表达QTL的定位研究、垩白相关基因的克隆以及垩白性状与其他农艺性状的关联等方面进行了综述，提出了通过分子育种技术并结合表型鉴定技术培育优质稻品种的策略。

关键詞：水稻（Oryza sativa L.）；垩白；QTL；遗传改良

中图分类号：Q75；S511 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）23-6029-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.23.003

Abstract： Chalkiness is an important index for evaluating the appearance of rice， and its reduction is a major goal in rice breeding research. Rice chalkiness is a complex quantitative trait controlled by polygenes and readily influenced by environment. During the last decade， hundreds of QTLs related to chalkiness have been mapped to the twelve chromosomes in rice. Some stable QTLs mapping on chalky trait， gene clone related to chalkiness and correlation between chalkiness trait and other agronomic traits were reviewed， and the suggestions for breeding the grain variety with better quality by the combination of molecular breeding and phenotype identification were also provided.

Key words： rice（Oryza sativa L.）； chalkiness； QTL； genetic improvement

稻米的垩白是指稻米子粒中白垩不透明的部分，它是由于稻米胚乳中淀粉和蛋白质颗粒填塞疏松和充气引起的一种光学特性。根据其在胚乳上位置的不同分为腹白、背白和心白，通常以垩白粒率和垩白度来表示。垩白是评价稻米外观品质的重要指标，同时垩白度的高低直接影响稻米的加工品质和蒸煮品质，继而影响稻米的商品价值。有研究表明，随着稻米垩白的增加，稻谷的整精米率会相应下降。目前中国稻谷品质的分级主要依据1999年颁布的优质稻谷国家标准（优质稻谷GB/T17891-1999），在这部标准中，对垩白性状有明确的分类等级，只有垩白度≤5%和垩白粒率≤30%的籼稻谷（粳稻谷）才符合优质稻谷质量指标。种植垩白较少的品种有利于水稻（Oryza sativa L.）的生产、加工和消费等多个环节。因此培育垩白度较小和垩白粒率较低的水稻品种一直是水稻育种研究的重要目标之一。

近10年来，随着水稻品种遗传改良的不断进步和人们对优质稻需求的不断增加，优质稻的种植面积逐年扩大。以湖北省水稻生产为例，据农业部门统计，2006年全省优质稻种植面积占总种植面积的60%，2015年优质稻的种植面积达到80%以上，优质稻种植面积在这10年间有了大幅度提高。但粮食部门对优质稻谷的检测情况并不理想，据湖北省粮食局发布的稻谷质量状况报告，近10年来抽检的优质稻稻谷样品达到优质稻谷国家标准的比例较低，年度之间的差异不大。例如2006年和2015年检测的优质稻样品，其全项指标符合优质稻谷国家标准的达标率分别只有7.5%和10.9%，这10年间调查测报结果的结论也基本相近，即垩白度和垩白粒率超标是限制中晚稻优质稻整体达标率的主要因素。此外，在2006年湖北省审定的12个中晚籼品种中，垩白度和垩白粒率同时达到国家优质稻标准的品种为10个；而在2015年审定的14个中晚籼品种中，垩白性状达标的品种仅为4个。况浩池等[1]通过米粒粒型分类，对2013-2014年通过四川省审定的36个中籼杂交水稻组合的主要品质性状进行了分析，结果表明，36个组合中只有2个组合的稻米品质指标全部达到国颁优质稻谷标准3级以上，究其原因主要是育成品种的垩白粒率和垩白度达标率太低，在36个组合中其达标率仅为8.38%和11.11%，远远低于其他品质指标，说明垩白粒率和垩白度是中籼杂交稻组合稻米品质提升的主要障碍因子。2006-2008年湖北省水稻区试参试品种的品质检测结果也得出了同样的结论[2]。综合以上情况，说明在过去的10多年间，尽管优质稻品种的种植面积逐年增加，但对水稻垩白性状遗传改良的成效不明显，低垩白优质稻品种选育进展比较缓慢。

研究表明，垩白属于复杂的数量性状，受多基因控制，而且易受环境条件影响，特别是水稻灌浆阶段在昼夜温度较高或高湿的情况下垩白度或垩白粒率会明显增加。由于育种过程中对垩白性状的选择效率较低，育种学家一般认为垩白的遗传力较低，基因型和环境互作效应较大，因此通过常规育种技术改良垩白性状的难度较大。随着水稻分子生物学研究的发展，国内外多个研究小组对垩白性状开展了遗传研究，定位了一些与控制水稻垩白的QTL位点，克隆了一些与水稻垩白形成相关的基因，这些研究结果有助于深入了解水稻垩白形成的遗传机制，对开展外观品质的分子标记辅助育种具有重要作用。本文拟对垩白的遗传研究进行综述，并提出了水稻垩白性状的遗传改良策略。

1 稻米垩白的遗传

1.1 垩白性状的QTL定位

由于垩白性状的复杂性，很多研究者将垩白性状的表现型细分为腹白、背白、心白和垩白粒率及垩白度等多个性状。到目前为止，不同研究小组利用多种遗传群体开展了垩白性状的QTL分析，定位了近百个与垩白相关的QTL，分布在水稻12条染色体上。前期垩白性状的QTL定位研究主要是利用初级作图群体或在单一环境条件下进行表型鉴定，由于试验材料和试验时空的差异，QTL定位的研究结果差异较大。但在同一研究中，部分控制垩白性状的QTL在水稻染色体上位置重叠，说明这些表型可能由同一遗传体系所控制。例如在早期通过3个作图群体定位的82个与垩白相关的QTL（http：//archive.gramene.org/qtl/）中，通过整合分析，这些QTL实际上只有36个基因座位，分布于23个位点。

近年来，利用不同作图群体或在不同的环境条件下检测控制垩白性状的QTL成为水稻垩白遗传研究的重点，其中可以重复检测到的QTL被定义为稳定表达的QTL，它们适宜于作进一步的精细定位或基因克隆研究以及用于垩白性状改良的分子标记辅助选择。Wan等[3]利用染色体片段置换系（CSSL）群体定位了1个控制垩白性状的QTL位点，这个位点同时控制垩白粒率、垩白度和垩白面积，在8个不同的环境条件下都可以检测到，说明这个QTL位点可以稳定表达；其后Guo等[4]将这个QTL精细定位到140 kb的区间内。Zhou等[5]利用CSSL群体定位了2个控制垩白粒率的主效QTL，其中qPGWC-7被精细定位到44 kb的区间内。Peng等[6]在2个环境条件下对5个遗传作图群体（包括2个双单倍体群体和3个重组自交系群体）的6个与垩白相关的性状（包括垩白率、心白率、腹白率、垩白面积、心白面积和腹白面积）进行了鉴定，共检测到79个QTL位点，这些位点分别分布在水稻的12条染色体上。进一步整合分析发现，这些QTL位点主要存在于36个区域，其中21个区域包括64个QTL位点并形成QTL族。这些QTL位点有的控制单一的垩白表型性状，有的则多个垩白性状受同一个QTL位点控制。其中控制腹白率的4个QTL在多个遗传群体中稳定表达。Qiu等[7]利用全基因组关联分析，对从世界各地收集的22个籼稻材料在国内4个地点（杭州、荆州、三亚和深圳）进行了表型鉴定，在第5和第6染色体上定位了控制垩白粒率的2个QTL（qPGWC5.1和qPGWC6.1）；在第1、第5和第9染色体上定位了控制垩白度的5个QTL（qDEC1.1、qDEC5.1、qDEC5.2、qDEC5.3和qDEC9.1），其中qPGWC5.1和qDEC5.2位于同一区域。Sun等[8]利用籼稻背景（珍汕97）回交导入系（含有日本晴的片段）定位了10个水稻垩白粒率和垩白度的QTL，分布在第1、第2、第5、第8和第10染色体上，其中位于第8染色体上的qPGC8-2在多个环境条件下稳定表达。Zhao等[9]利用Lemont和特青的交互回交方法构建了2套重组自交系群体，通过在7个不同地点和2个控制条件下对垩白性状进行考察，分别定位了53个控制垩白度和68个控制垩白粒率的QTL，在第1、第2、第4、第5和第11染色体上发现了6个重要的QTL簇，最大的QTL簇位于第4染色体上的标记id4007289-id4008855之间，这些QTL簇包含同时控制垩白度和垩白粒率的QTL并且稳定表达。

综上所述，垩白性状的QTL定位研究结果一方面说明控制垩白的遗传机制比较复杂；另一方面说明遗传效应在垩白性状的形成中具有重要作用， 在育种实践中可以利用降低垩白的等位基因达到改良稻米外观品质的育种目标。

1.2 垩白相关基因的克隆

研究表明，有垩白的胚乳和透明的胚乳在淀粉颗粒结构上存在很大差别，主要体现在垩白胚乳包含松散的淀粉颗粒，并且在支链淀粉的结构和结晶度上与透明胚乳完全不同。因此，在探讨垩白形成机理的研究中，很多研究小组将研究重点放在淀粉合成的生化研究和编码淀粉合成酶的基因发掘等方面。研究表明，淀粉合成基因SSIIIa影响水稻子粒中支链淀粉的结构、直链淀粉含量和淀粉粒理化性质，SSIIIa基因如果缺失或突变，将导致子粒内淀粉相关性状的变化；OsPPDKB在水稻灌浆中调节碳的代谢，是水稻灌浆过程中淀粉和脂肪生物合成时碳流通的重要调节因子。SSIIIa和OsPPDKB基因突变导致淀粉合成途径改变都可导致垩白出现。

近年来，利用现代分子生物学技术克隆控制堊白性状的QTL成为水稻品质研究的重点。Sun等[8]在qPGC8-2区域内，检测到水稻异淀粉酶基因（ISA1）在胚乳中特异表达，同时在这2个品种间目标区段内的DNA序列存在多态性。Chalk5基因是迄今为止克隆的惟一一个控制垩白的QTL，Li等[10]利用双单倍体群体，发现在水稻胚乳中Chalk5编码一个液泡质子转运焦磷酸酶，该酶具有无机焦磷酸盐水解活性和质子转运活性，是胚乳特异表达的一个正调控因子。提高Chalk5表达可以增加胚乳垩白，可能是通过影响液泡内外pH的动态平衡来影响内膜转运系统，这个过程影响了蛋白体的形成并且与囊泡类结构显著增加相耦连，因此在胚乳储存物质中形成了气体空间，从而导致了子粒垩白的形成。

随着水稻分子生物学研究的不断发展和控制垩白性状QTL研究的不断深入，将会有更多的相关QTL被克隆，这对于深入了解垩白形成的遗传机理和利用分子育种技术培育优质稻品种都具有重要的推动作用。

2 垩白性状与其他农艺性状的关联

垩白的形成受多种因素影响，垩白与其他农艺性状特别是稻谷的子粒形状和大小等外观性状关系密切。况浩池等[1]对近年来四川省审定的36个中籼杂交水稻组合品质性状的相关分析结果表明：垩白粒率和垩白度与米粒长宽比呈极显著负相关，与直链淀粉含量呈极显著正相关；在长米粒型组合中，垩白粒率、垩白度与直链淀粉含量呈显著或极显著正相关；在中米粒型组合中，垩白粒率、垩白度与米粒长宽比呈显著或极显著负相关，与直链淀粉含量呈极显著正相关；在短米粒型组合中，垩白粒率和垩白度与其他主要品质性状相关性均不显著。

在控制品质性状遗传研究中，有些QTL位于同一区间内，有些控制子粒性状的基因表现出一因多效。Qiu等[7]的研究结果表明，在第5染色体上存在一个控制垩白粒率（qPGWC5.1）和垩白度（qDEC5.2）的QTL，与控制粒长（qGL5.1）、粒宽（qGW5.1）、长宽比（qGLWR5.1）、粒厚（qGT5.1）、千粒重（qTGW5.2）的QTL位于同一区域，而且这一区段与控制粒宽和千粒重的基因qSW5相近。Song等[11]的研究结果表明，GW2的WY3等位基因显著地增加粒宽和千粒重，该等位基因同时增加垩白、增加每株穗数、延长生育期，并显著地降低每穗粒数和主穗长度，表明GW2具有明显的一因多效。qSW5对粒宽和粒重起负调控作用[12]，qSW5基因功能缺失表现为通过增加水稻小花外颖细胞数目，增加水稻颖壳的容量，最终表现为粒宽的增加；qSW5同时也影响粒长、长宽比和粒厚，通过增加粒长进而降低垩白度和垩白粒率。Wang等[13]对控制粒长的基因GL7的研究表明，在日本晴或浙辐802背景下过表达GL7-S1或GL7-S2，均增加稻米长宽比，减少垩白粒率和垩白度。相对日本晴，含有GL7的近等基因系，内颖和外颖表皮细胞均表现出细胞长度增加、细胞宽度减少，子粒长宽比增加，淀粉颗粒更大更致密，从而减少稻米垩白度和垩白粒率，外观品质改善，但单株产量、整精米率、直链淀粉含量、胶稠度和蛋白质含量不受影响。Yan等[14]对子粒大小基因的相互关系进行了研究，发现qSW5和GS3之间存在相互作用，qSW5对粒长的作用受到GS3的影响，GS3对粒宽的作用受到qSW5的影响。

这些研究结果说明，水稻特别是籼稻的粒型对垩白的形成具有重要影响，在一般情况下，细长粒型垩白较少，而较宽粒型的垩白较多。

3 垩白性状的遗传改良策略

如前所述，尽管水稻品种的垩白性状受环境因素特别是灌浆成熟期间温度的影响较大。但有些水稻品种例如黄华占和丰优香占等在不同年份和不同区域较大面积种植的条件下，其垩白粒率和垩白度指标均可以达到国标优质稻谷标准，说明降低垩白是可以通过育种手段来完成的。

现代育种实践表明，对复杂的数量性状而言，利用分子标记辅助选择技术是提高育种效率的有效方法，控制某一性状的QTL必须在不同环境条件下和不同的遗传背景下稳定表达是应用QTL开展分子标记辅助育种的前提。Zhao等[9]利用分子标记辅助选择技术创制了携带有不同的有利降低垩白的重要QTL的近等基因系，发现这些近等基因系的垩白性状与轮回亲本特青相比，携带单个QTL的系其垩白降低的幅度较小但两者之间的差异达到了显著水平，其中一个包含有5个重要的QTL簇（来源于Lemont）的近等基因系其垩白度接近于0；研究结果也表明，在特青的遗传背景下，仅含有Lemont Chalk5基因型的近等基因系其垩白度在2011年和2012年旱季分别为20.48±8.78和29.92±7.19，说明单个Chalk5不足以有效降低水稻的垩白度，但当将Chalk5基因与其他重要QTL聚合时，垩白度会显著降低。Sun等[8]利用回交导入系在多个环境下的表型鉴定结果表明，粳稻的ISA1基因是一个有益的位点，利用分子标记辅助选择技术将该基因导入籼稻可以有效降低籼稻品种的垩白，同时具有低垩白的ISA1遗传位点与长粒型的GS3聚合可以明显改良珍汕97的外观品质。

上述研究说明，仅利用某一个控制垩白性状的QTL或基因较大幅度降低水稻的垩白性状几乎是不可能的，而多个有利基因的聚合才是降低垩白的有效途径。此外，利用性状关联开展水稻的品质改良也是降低稻米垩白简捷有效的方法。

基于水稻垩白遗传研究的进展，提出以下建议。

1）继续加强水稻垩白性状的分子生物学研究，克隆更多的控制垩白性状的基因或发掘更多的低垩白等位基因，并开发出实用的与垩白性状紧密连锁的分子标记或基因内的功能标记以用于垩白性状改良的分子育种。

2）利用分子标记辅助选择技术开展低垩白水稻品种选育，特别是将稳定表达的控制垩白的QTL导入目标品种并聚合有利基因；在利用分子标记导入低垩白等位基因的同时，利用关联性状特别是选择米粒粒型偏长、容重大、无裂纹、近圆柱形的材料，以提高低垩白性状的选择效果[1]。此外，由于控制垩白性状的单个基因的遗传效应有限，应注意水稻育种中使用的目标亲本或轮回親本自身的垩白不能过高。

3）加大环境选择压力，对携带目标基因中高世代材料在灌浆充实阶段高温高湿条件下进行表型鉴定或在气候条件差异较大的环境条件下进行鉴定，选择表型稳定的材料做进一步育种研究。

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