稻谷耐储性研究进展

许惠滨，江敏榕，连　玲，朱永生，蒋家焕，谢鸿光，谢华安，张建福

(福建省农业科学院水稻研究所　350019)

水稻作为我国第一大粮食作物，总产量居世界第一；种植面积居世界第二，仅次于印度。我国65%以上的人口以稻米为主食。这就赋予其保障我国粮食安全的重要地位[1-2]。种子储藏是保存植物遗传资源最有效且应用最广泛的方法，特别是对于那些种子可以被干燥至含有较低水分，进而冷冻保存以延长寿命的物种[3]。水稻种子的寿命和活力是鉴别稻米品质的重要指标之一，它们都与稻谷的耐储性密切相关[4]。由于种子储藏后的活力和发芽率降低等原因造成的直接经济损失数额惊人[5]，特别是在像中国这样受季风性气候影响的亚洲国家，高温、高湿天气加速了种子的老化变质[6]，引起国内外学者对稻谷耐储性的广泛关注。导致稻谷储藏损失的主要原因是稻谷的新陈代谢、微生物、鼠类及仓储害虫等因素造成稻谷品质下降和数量损失。虽然，通过建设大型的冷库和气调库以控制稻谷储藏环境的温度和湿度，可以实现延长稻谷储藏时间的目的[7]，但却是建立在巨额成本的基础上。因此，通过创制耐储藏水稻新品种以提高稻谷耐储性意义重大。尽管目前已有大量有关种子耐储性的研究报道，但都只是侧重于其与储藏环境的关系[8]，其分子机理仍不是很明确。本文着重对稻谷耐储性研究的主要成果进行综述，期望为培育耐储藏水稻新品种提供借鉴。

1　稻谷耐储性评价指标与方法

水稻的耐储性主要包括两个方面：作为稻米消费，经历长时间储藏后依然保持稻米原有的风味；作为种子或种质保存，经过长时间储藏后仍具有较强的生活力和生长势[9]。目前国内外有关水稻耐储性的研究主要集中在后者。作为种子，稻谷是一个具有生命的有机体，在储藏过程中仍然进行着各种代谢活动，从而造成细胞膜结构的破坏、储藏养分的衰竭、化学组成的改变及酶活性的丧失等一系列变化，最终导致种子遗传完整性的丧失，表现为种子活力的下降[10]。通常采用发芽率、发芽指数、活力指数、发芽势和半衰期等指标来评价水稻的耐储藏性能[11]。其中，发芽率和发芽势的测定方法相对简单且贴近生产，所以较多地应用于稻谷耐储性研究[5]。

对稻谷耐储性的研究主要有两种方法：自然老化法和人工老化法[12-13]。自然老化法是指利用稻谷在自然储藏条件下发芽力逐渐丧失的现象来评价水稻的耐储藏性能。它虽然比较符合种子储藏的自然特性，但周期较长，需要好几个月甚至好几年的时间，所以很难在实际研究中推广应用[14]。因此，人们通常利用人工老化法来代替自然老化法。人工老化法主要是利用提高储藏环境的温度和湿度来加速种子老化的过程，并以此来评估种子的活力和预测种子的耐储藏性能[15]。由于它能够克服自然老化法所需时间较长的不足而被大量应用于种子的耐储性研究。

自从Suzuki 等人利用脂肪氧化酶3(LOX3)的单克隆抗体，从水稻种质库中筛选到多份LOX3基因缺失的耐储藏材料[16]，随后，相继出现了多种针对脂肪酶和脂肪氧化酶活性缺失型材料的筛选方法，如胡萝卜素漂白法[17]、脂肪酸比色法[18]和淀粉-KI-I2显色法[19]等，不断丰富耐储藏种质鉴定技术，为选育耐储藏水稻新材料奠定了基础。

2　稻谷老化机理

尽管水稻耐储性的机理涉及很多因素，但目前普遍认为脂质降解是导致谷物储藏期间种子活力丧失、米质劣变的主要原因[5]。稻谷储藏过程中，伴随脂质过氧化程度的增加，引起膜完整性丧失、能量代谢减少、RNA和蛋白质合成受损、蛋白异天冬氨酸残基形成、DNA降解等一系列反应，最终导致活性氧(ROS)与活性羰基化合物(RCCs)的积累，加速了种子劣变[20-21]。脂质过氧化是导致种子劣变进而破坏细胞膜完整性的主要原因[22]，脂肪氧化酶则是催化多元不饱和脂肪酸过氧化生成共轭的不饱和脂肪酸氢过氧化物的关键酶[23]，稻谷在有氧及高温条件下储藏，可引起脂肪酶与脂质的直接接触，从而导致稻谷中的脂肪发生水解氧化，致使稻谷产生劣变。前人研究发现，拟南芥磷脂酶D(PLD)激活引起的脂质降解是种子老化的原因，同时引起储藏稻谷种胚中OsPLDα1和α3的转录水平上升[21]。脂质过氧化物的积累导致活性羰基化合物α,β-不饱和醛和活性羰基化合物α,β-不饱和酮的产生，包括丙二醛(MDA)、丙烯醛等，它们最具活性和毒性，可以渗透细胞膜进而破坏细胞的氨基酸和核酸结构[24]，引起种子老化。鉴于稻谷储藏过程中脂质过氧化物和RCCs的积累降低了种子的活力，因此去除这些化合物的毒性可能提高种子的耐储性。

老化可以看作是生物体内的保护系统与其内在生化过程中不断积累的生物损伤相互抗衡的结果。一般情况下，损伤蛋白质能够通过重新合成来修复。然而，有些时候生物体不得不在无法进行蛋白质合成的情况下修复损伤的蛋白质[22]。植物的种子就是处于一种低新陈代谢和低物质供给的状态，这意味着蛋白质合成几乎停止。为了在老化条件下保持相对稳定的状态，植物种子必须利用一种低资源和低能量损耗的方式来修复损伤，而不需要重新合成蛋白质[25]。蛋白质中天冬氨酸和天冬酰胺自发形成的异构天冬氨酸残基是稻谷组织细胞中常见的蛋白质共价损伤，这种损伤蛋白在老化种子中大量存在，可影响种子的寿命和活力[22]。

3　稻谷耐储性相关基因

随着分子生物学技术的不断发展，人们对水稻耐储藏性主效基因和相关的数量性状位点(QTL)进行了定位。Miura等人以Nipponbare/Kasalath的回交群体为材料，鉴定了3个与水稻种子耐储藏性能相关的QTL，它们分别位于第2号、4号和9号染色体上[26]。万建民等利用LOX3基因缺失材料DawDam对LOX3基因进行遗传标记分析，并将其定位在第3号染色体上[27]。随后，陆续出现一些与耐储藏性相关的QTL的报道，主要分布在第1号、2号、3号、4号、8号、9号、11号和12号染色体上[5]。大量的分子标记与高分辨率的遗传图谱的开发，为研究水稻数量性状定位，近等基因系的构建，以及基因克隆等技术提供了强有力的工具。

伴随种子耐储性遗传学研究水平的提高，研究人员已经鉴定出几个参与调节种子劣变的关键基因。过量表达拟南芥PIMT1可以减少L-天冬氨酰残基在种子蛋白质组的积聚，进而提高种子耐储性[28]。拟南芥转莲花金属结合蛋白基因NnMT2a和金属硫蛋白基因NnMT3可明显提高种子耐储性[29]。DNA修复基因作用在种子萌发早期，DNA连接酶-I 的表达可明显提高拟南芥种子的活力[30]。利用基于激活标签突变体验证种子耐储性的研究，发现一个可以提高种子耐储性的泛素连接酶RSLLa[31]。利用反义基因技术抑制水稻胚乳LOX3基因的表达，并通过转基因种子的人工老化和自然老化分析，证实降低胚乳LOX3含量能够显著提高种子的活力和耐储性[19]。越来越多的与种子耐储性相关基因被发现，为今后更好地研究水稻耐储性打下了坚实的基础。

4　讨论与展望

由于近年来世界范围内对大米数量和质量的要求不断提高，而传统的储藏方式不但成本高且损失大，使得全球大米市场面临潜在的威胁。因此，进入21世纪后，有关稻谷耐储性的研究出现了前所未有的高潮。目前国内外有关稻谷耐储性的研究主要集中在其作为种子或种质的耐储性，旨在实现种子或种质资源的长时间储藏。

作为种子，稻谷是一个具有生命的有机体，在储藏过程中仍然进行着各种代谢活动，从而造成细胞膜结构的破坏、储藏养分的衰竭、化学组成的改变及酶活性的丧失等一系列变化，最终导致种子遗传完整性的丧失，表现为种子活力的下降。耐储性是水稻生产与研究、种质资源保护与利用方面的一个非常重要的性状，它是一个受多基因控制的数量性状[5，26]，容易受生长环境影响。尽管目前已有不少关于种子耐储性分子机理的研究报道，但是由于种子在储藏过程中会发生一系列复杂的代谢反应，同时也受到一系列基因的联合调控。因此，只有深入研究稻谷耐储性相关基因的协同作用机理，才能从根本上解决稻谷储藏问题，这也是今后有关稻谷耐储性研究需要努力的一个方向。

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