高抗性淀粉水稻研究现状与展望

周新桥 陈达刚 郭 洁 刘传光 陈友订

(广东省农业科学院水稻研究所/广东省水稻育种新技术重点实验室,广东广州 510640)

随着我国居民生活水平的提高,糖尿病、肥胖症、高血压和高血脂等代谢综合病症患者日益增多。依据国际糖尿病联盟(International Diabetes Federation,IDF)的调查,2000年,全世界糖尿病患者为1.51亿人,而2017年已达到近4.51亿人(18～99 岁),预测至2045年,18～99 岁的糖尿病患病人群将达到6.93亿人[1]。全球范围内,中国糖尿病患者人数最多,高达1.14亿(20～79 岁),而所有类型糖尿病中,Ⅱ型糖尿病患者约占90%[2]。对于同样的代谢综合病,心血管病在中国的患者人数目前已达2.9亿,患心血管病死亡人数占居民疾病死亡总人数的40%以上,居首位[3];高血压是最常见的慢性心血管病,是全球疾病负担的主要原因,有超过约10亿的高血压患者需要接受药物治疗,中国患者人数目前也达到了2.7亿。当下,通过调节饮食(医食同源),从源头预防疾病和控制疾病发生与发展,是对这些疾病防治最重要的手段。研究表明,富含抗性淀粉(resistant starch,RS)的食物对人体代谢综合病症的预防与控制具有很重要的作用[4]。

RS是在健康的小肠中可以避开胰腺α-淀粉酶的水解,不被消化吸收的淀粉及淀粉降解产物的统称[5]。RS是人们在测定不溶性膳食纤维时发现的,故认为RS 属膳食纤维部分,并由Englyst 等[6]命名。随着对RS 生理功能和理化特性研究的深入,发现RS与膳食纤维具有相似的生理功能,但两者在化学本质和消化特性等方面仍存在差异[4,7-8]。富含RS的淀粉类食物消化慢,可作为缓慢释放葡萄糖的载体,延长人体能量供给和饱腹感时间,且对人体正常的能量代谢影响甚小,有益于预防与控制人体代谢综合症的发生,并在维持肠道健康,如预防和控制结肠癌、大肠息肉及肠炎等的发生,具有潜在应用价值[4,9-13]。因此,RS 迅速成为了功能性食品研究的热点,同时被认为是研究碳水化合物与健康关系的最重要发现之一。近30年来,RS 特性、测定方法、生理功能和食品加工等方面的研究已取得了较好的成果[14-18]。

稻米是我国约65%人口的主食,其75%的干物质是淀粉,普通水稻品种RS含量低于1%,富含RS的稻米具有与高RS 功能食品相同的作用。曾亚文等[19]利用浙江大学开发的高RS 稻米产品“宜糖米”开展食疗评价,发现其对增加患者饱腹感、节制饮食和控制血糖指数功效显著,且可有效防止便秘、肠炎和痔疮等肠道疾病,对降血脂和控制体重有一定功效。本文对稻米RS的分类及影响RS含量的相关因素、水稻RS 产生的分子机制、国内外高RS 水稻开发应用现状的研究进展进行综述,以期为高RS 水稻育种及高RS 稻米产品开发提供理论参考。

1 稻米RS的分类及影响其含量的因素

根据生物利用性,食用总淀粉(total starch,TS)可分为可消化淀粉(digestible starch,DS)[亦称可利用淀粉(available starch,AS)]和RS,其中,DS 降解产物在小肠中可被完全吸收和利用,而RS可逃避淀粉酶的水解,在小肠中不被降解吸收而进入大肠[20]。根据RS的来源和抗消化机理,RS可以分为5类[13,16,21],即物理包埋淀粉(RS1)、抗性淀粉颗粒(RS2)、回生淀粉或老化淀粉(RS3)、化学改性淀粉(RS4)和直链淀粉-脂质复合物(RS5)。其中,RS1 指因植物细胞壁屏蔽或蛋白质成分隔离导致淀粉酶难以接近的淀粉;RS2 指天然具有抗消化能力的淀粉,具有特殊晶体结构;RS3 指糊化后淀粉在凝沉过程中部分分子重新聚集成新的结晶体而抗消化,是用于生产加工最具前景的一类淀粉;RS4 指通过物理或基团化学修饰后,淀粉分子结构发生变化而产生抗酶解性的一类淀粉[21];RS5 指直链淀粉的螺旋结构内部非极性区域与脂质的碳氢链之间的疏水性交互作用形成单螺旋包接结构,这类复合物一般存在于自然界原淀粉中,或在淀粉凝沉过程中形成或添加脂类促成[15]。RS1、RS2、RS3和RS5 均存在于稻米籽粒中[20,22]。

影响稻米RS含量的因素很多,其中直链淀粉(amylose,AM)含量是影响RS含量的主要因素,高AM含量的禾谷类作物品种的RS含量一般高于普通品种[7,23-25],因此,提高AM含量是改良淀粉消化特性,提高RS含量的基本策略。但AM含量不是影响RS含量的唯一因素,AM的分子量大小、淀粉结构、链长、淀粉颗粒形状、淀粉结晶度、热力学特性和支链淀粉结构、回生等因素均会对RS的形成产生影响[26-30]。此外,稻米中其他成分,如蛋白质、脂肪、纤维素、低聚糖、非淀粉多糖、自由糖、乳酸、植酸、酚和矿物质等也会影响RS的形成[7,22-25,31-32]。脂类与直链淀粉形成复合物、蛋白质于外部包被淀粉颗粒或填充于淀粉颗粒结构中,可明显提高稻米RS含量。除了以上内部因素,稻米中RS含量还易受外部因素的影响,如加工处理的温度、湿度、时间、压力、烹调方式、贮藏时间和条件等[29,33],高温、高压、高湿、循环压热和挤压加工等方法可有效提高稻米RS含量[20,22,28,34]。此外,RS含量的测定方法选取也对结果有一定影响,但不改变基因型差异的趋势[8];添加异源淀粉对RS的形成也有影响[35]。

2 水稻RS形成的分子遗传机制

抗性淀粉含量主要受基因控制,生态环境对RS含量的影响较小[36]。截至目前,国内外有关RS 遗传规律与数量性状座位(quantitative trait locus,QTLs)定位研究的报道非常少。罗曦等[30]研究表明,水稻RS含量受母性效应的影响,是由少数主效基因和多个微效基因及非等位基因间互作所控制的数量性状。孙春龙等[37]研究表明,水稻RS含量主要由加性效应起作用,同时也受非加性效应以及细胞质效应的影响,从杂种低世代开始对高RS含量稻米株系进行跟踪、定向选择,可育成高RS含量水稻品种。

罗曦等[30]利用功米3号/日本晴F2∶3群体,在第6染色体上定位到3个影响RS含量高低的主效QTL:qRS6-1、sqRS6-2和qRS6-3,其中qRS6-1和qRS6-2覆盖了控制AM含量的主效基因Wx,而qRS6-3 距离Wx基因位点较远。牟方贵等[38]利用突变体RS111与中、低直链淀粉含量水稻品种Ⅱ-32B和宜香B 杂交,在构建的F2群体中发现位于第8 染色体上的RM72、RM547,以及位于第6 染色体上的RM217和RM225,与RS含量相关。Zeng 等[39]利用功米3号和滇屯502杂交的F2∶3群体,在第7 染色体上定位到2个水稻RS的QTL:qRS7-1和qRS7-2,能解释7.6%～17.3%的表型变异。Bao 等[40]通过对105个水稻品种进行全基因组关联分析,鉴定出与精米中RS含量相关的4个QTL,其中2个位于第6 染色体,位于Wx基因区域,编码淀粉合成酶;另外2个分别位于第8、第9 染色体,近似编码淀粉脱支酶异淀粉酶Ⅰ和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶的基因。Yang 等[41]利用降糖稻1号/密阳23组合的F3∶4家系将sbe3-rs定位在第2 染色体的标记InDel2～InDel6之间的573.3 kb 区域,其中该区间内的SBE3基因(编码淀粉分支酶)可能为候选基因。序列分析结果表明,与SBE3基因相比,sbe3-rs基因存在单碱基差异,从而导致了Leu-599 到Pro-599的改变,最终导致SBE3的限制性内切酶位点的缺失,RS含量提高,sbe3-rs能解释60.4%的RS 表型变异。

Zhou 等[42]通过研究γ 射线诱变处理R7954 获得的水稻高RS 突变体b10,鉴定了一个负责调控RS 生物合成的新基因——可溶性淀粉合成酶突变基因(ssIIIa),认为SSIIIa突变后破坏了包括丙酮酸磷酸双激酶(pyruvate orthophosphate dikinase,PPDK)、可溶性淀粉合成酶(SSIIIa)、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADPglucose pyrophosphorylase,AGPase)、淀粉合酶(SSIIa)、SBEIIa和淀粉分支酶(SBEIIb)在内的蛋白复合体的形成,从而减少了对PPDK和AGPase活性的影响,通过丙酮酸激酶的活动促进了脂类的合成,而SSIIIa的功能缺失降低了支链淀粉的合成,促进了直链淀粉的合成,最终通过形成直链淀粉-脂质复合物(RS5),提高了胚乳中RS含量。ssIIIa和颗粒结合淀粉合酶(granule-bound starch synthase,GBSS)共同参与了RS的合成,ssIIIa对RS的调控依赖于Wxa基因的高表达,这种现象普遍存在于籼稻中,为培育高RS 水稻新品种提供了重要的遗传资源与新途径。

3 国内外高RS 水稻开发应用现状

最初,RS的产品开发主要是以高AM含量的玉米为原料,随后以木薯、小麦、土豆及大麦为原料的RS产品开发也取得不少成效[43-45],但是目前市场上流通的高RS 淀粉食品价格高昂,普通消费者难以承受。以水稻为原料开发的高RS食品,最初比较常见的是蒸谷米(parboiled rice),其主要原理是通过高温、高压处理等加工方式提高RS含量[20,34]。但是蒸谷米在加工制作过程中会对稻米中部分营养成分破坏,导致营养流失。因此,筛选高RS 水稻品种资源,通过遗传改良手段开发高RS 稻米新品种具有广阔的市场前景。然而,日常食用的稻米RS含量很低,热米饭中RS 在1%以下,即使冷米饭中RS含量也在2%以下。Hu等[24]对直链淀粉含量在0～26.7%之间的3种类型水稻(常规籼稻、粳稻和杂交稻)品种(组合)的热米饭RS含量进行了测定,除了极个别品种RS含量接近3%外,三分之二的品种(组合)RS含量在0.4%以下,四分之一的品种(组合)RS含量在1%左右。同类型水稻品种(组合)RS含量随AM含量的增加而增加,但RS含量又不完全受AM含量决定;相近AM含量水稻品种(组合)粳稻RS含量显著小于籼稻,RS含量不完全受AM含量决定。因此,直接从目前生产上的主栽水稻品种中进行高RS 品种筛选,难度较大,有待从遗传改良的角度进行深入发掘。

Butardo 等[46]应用RNA 干扰技术,使得淀粉分支酶SBE Ⅱb表达水平下调,获得了AM含量高达41.2%、RS含量高达4.8%的转化植株,较其原始亲本Nipponbare 高10倍。浙江大学在建立高RS 稻米的高效间接筛选技术的基础上,培育了首个高RS 早籼稻突变新品种浙辐201,其RS含量为3.6%,并以我国主推杂交水稻恢复系R7954为起始材料,经航天搭载诱变,筛选创造了富含RS的突变体RS111[47]。研究表明,突变体RS111 热米饭中RS含量是一般普通品种的3～5倍,AM含量26.7%,采取优化蒸煮方式,其热米饭中RS含量高达10%[48]。长期临床试验表明,RS111 稻米对稳定患者餐后血糖浓度的效果良好[49]。应用杂交育种技术,浙江大学还育成了糖尿病患者专用的水稻品种宜糖1号,其AM含量高达26.2%,煮制米饭中RS含量高达10.17%[49],并被加工成产品“宜糖米”进行销售。

国际水稻研究所对水稻品种Kinmaze 进行化学诱变处理,获得一份突变体,然后该突变体与IR36 杂交获得了富含RS 水稻突变体AE,其RS含量高达到8.25%[48]。上海市农业科学院利用花药培养技术和常规育种技术,选育得到国内第一个高RS含量的粳稻新品系——降糖稻1号,其RS含量达14.86%[50](市场销售产品“优糖米”),之后应用CRISPR/Cas9系统编辑水稻淀粉分支酶基因SBE3,获得了RS含量达10%以上的高RS 水稻新品系[51]。云南省农业科学院从云南稻种及其初级核心种质资源“新平早籼”群体中系统选育出功米3号并用于商业开发,该品种煮制的米饭RS含量高达10%以上[30]。

4 结论与展望

由于受到遗传资源数量和来源的限制,直接筛选高RS材料的工作难以开展。目前,国内外有关高RS水稻种质的创制和遗传改良主要通过化学诱变、辐射诱变或基因工程等手段开展研究[46-47]。我国已育成少量高RS 水稻品种并被开发应用,但仅宜糖1号、功米3号等个别品种在生产上得到较大面积的推广。加强种质创制及品种改良是当前高RS 水稻开发与应用需要解决的主要问题之一。

随着水稻功能基因组研究的发展,高RS 水稻遗传控制基因将不断被发掘,在此基础上开发控制RS含量基因或主效QTL的功能标记或紧密连锁分子标记用于高RS 分子辅助选择育种,将克服在育种过程中RS 测定工作量大、重复性较差、选择效率低的问题。诸多研究表明,AM含量是影响RS含量的主要因素,高AM的禾谷类作物品种的RS含量一般高于普通品种[7,23-25]。因此,可将水稻中负责调控RS 生物合成的基因ssIIIa、控制高直链淀粉含量基因Wxa应用于高RS 分子标记辅助选择育种[42,52]。随着基因编辑技术的发展,对已知功能的RS含量相关基因进行编辑,发掘新的高RS 水稻种质将是一条重要的高RS 水稻品种选育途径[53-54]。

高RS食品对保证糖尿病患者健康状况的稳定非常有益,但是高RS 功能食品价格昂贵,高RS 稻米与高RS食品具有相同的功能,开发高RS 稻米供糖尿病患者作为日粮,对广大的糖尿病患者而言,辅助治疗及维持健康成本将大大降低。但目前能用于商业开发应用的高RS 水稻品种较少,市场供应明显不足,使得高RS 稻米价格过高,严重阻碍了高RS 稻米开发与应用。因此,加快高RS 稻米种质资源筛选、创制与品种选育研究具有重要的理论和现实意义。