中国有色稻米功能性成分遗传与育种研究进展

郑菲艳，郑建华，王洪飞，朱永生，游晴如，周 鹏，陈春霞，涂诗航，董瑞霞，郑家团，黄庭旭

（福建省农业科学院水稻研究所/福州国家水稻改良分中心，福建 福州 350018）

0 引言

稻米是全世界一半以上人口的主食，米麸中含有许多对人体抗癌、抗菌、抗氧化、预防糖尿病等慢性疾病具有重要作用的活性物质[1]。有色稻米是花青素在稻谷的种皮内累积，使得糙米的色泽不同于普通白米，由于花青素含量不同，使有色稻糙米种皮呈现紫（黑）、红、黄和绿等不同颜色，以紫（黑）米和红米最为常见，迄今未发现在自然状态下胚乳有色泽的品种[2]。研究发现，与白色稻米相比，有色稻米具有更丰富的营养成分和保健价值，如富含维生素E、微量元素、花青素和黄酮类等[3−4]。有色稻米具有提高人体免疫力、预防疾病的功效，可以通过进食有色稻米补充某些人体必需的物质和元素[5]。富含功能性成分的紫黑米、紫米等有色稻米加工制品也越来越受到国内外消费者的青睐。中、日、韩等东南亚国家有悠久的消费有色稻米的历史，《本草纲目》中记载：补血糯（黑糯）有健脾暖肝、滋阴补肾、活血、明目等功效，并有暖胃、补气、治虚寒泻痢、治消渴、缩小便、收自汗等保健功效。现代医学也证实了有色稻米具有营养价值和保健功效，使有色稻米的开发应用成为功能性水稻研究的重要组成部分[6]。

然而，有色稻种质资源广泛存在于野生稻中，野生稻来源的有色稻种质因具有易落粒、休眠性强等特点，并不适用于生产，逐渐地在人为选择中被淘汰，白米稻则成为主要的栽培稻[7]。随着人们对食品保健功能要求的不断提高，既天然健康又营养丰富的食物受到消费者的追捧，有色稻米因此受到消费者欢迎，与有色稻米相关的研究工作得以迅速开展。前人广泛系统地对有色稻种质资源及其开发利用价值、遗传学与品种选育等方面进行研究，为有色稻产业创新发展奠定了重要基础。据统计，我国有色稻品种资源占全世界的90%[8]。鉴于我国有悠久的有色稻栽培史，且拥有丰富的种质资源，本文通过查阅文献资料，对我国有色稻分布和功能性成分利用、相关遗传学及育种等方面研究进展进行综述，旨在为深入挖掘和利用我国宝贵的有色稻种质资源，加强现代水稻育种技术和方法在有色稻米品种选育上的融合，推动有色稻品种在生产上推广应用提供借鉴。

1 有色稻种质资源的分布与利用

有色稻品种起源于野生稻，在我国水稻种质资源丰富、生态多样性较好的地区均有分布。

1.1 有色稻种质资源的分布

我国地域辽阔，地形、气候等生态环境复杂，具有悠久的有色稻种植历史，较早就形成了多种生态型的有色稻品种。我国拥有的有色稻品种资源占全世界的90%，其余10%的有色稻品种主要分布在印度、孟加拉国、印尼、日本、越南、菲律宾等东南亚国家[8]。经过2 次的农作物种质资源普查，目前我国的有色稻品种占已保存的水稻种质资源的10%左右，其中以红米资源最为丰富，共有8 963 份[9]。

有色稻源于野生稻祖先，但在人类栽培驯化过程中，因有色稻所携带的控制花青素合成的基因与控制种子的落粒性、休眠性基因紧密连锁，栽培时表现为有色品种易落粒、发芽率低。因此，经过长期的人工选择和自然选择，多数有色稻品种逐渐被淘汰。后来在育种家的努力下，一些性状优异的有色稻品种经筛选、培育后得以在生产上实现应用。随着市场需求的增加及相关研究的深入，我国育种家逐渐培育出了许多各具特色的地方有色稻品种，为水稻的遗传学、基因组学等基础研究和品种改良提供了条件。有色稻品种在我国的云南、广西、贵州、湖南、广东、福建等生态多样性和品种资源丰富的地区都有一定规模的种植。

1.2 有色稻米功能性成分与利用价值

1.2.1 功能性成分研究 紫米和黑米等有色稻米的糙米种皮中累积了丰富的具有抗氧化活性的花青素。当前，国内外有关有色稻米功能性成分的研究主要围绕花青素的含量、成分和遗传学展开，研究进展也最为显著，对其他有效成分如γ-谷维素、黄酮、多酚、胡萝卜素、维生素E 和微量元素的相关研究也取得一定进展。

目前已发现的黑米花青素共14 种。我国学者研究认为，黑米中以芍药素-3-葡萄糖苷和矢车菊素-3-葡萄糖苷为主，而其余12 种成分含量相对较低[10]。黑米中含有5 种黄酮类物质，其中以槲皮素-3-O-葡萄糖苷和槲皮素3-D-芸香糖甙为主；类胡萝卜素以叶黄素、番茄红素、玉米黄质和β-胡萝卜素为主；而γ-谷维素则是菜油甾醇阿魏酸酯、24-亚甲基环木菠萝醇阿魏酸酯、环木菠萝烯醇阿魏酸酯和β-谷甾醇阿魏酸酯的混合物[10]。这与日本学者的研究结果一致[11]。此外，日本学者还对黑米、红米和白米进行了包括γ-谷维醇、花青素、黄烷-3-醇、绿原酸、黄酮和黄酮醇等重要功能性成分在内的物质进行比较分析，研究结果发现：花青素含量最高的是黑米，其次是红米；黄烷-3-醇含量最高的是红米，其次是黑米[11]（表1）；白米中只含有γ-谷维醇、黄酮和黄酮醇。研究结果表明：黑米和红米中功能性物质的种类和含量均高于普通白米。我国学者研究认为，多酚主要存在于稻米的麸皮中，黑米和红米麸皮多酚分别占总酚的84%和86%，自由/结合酚分别占总酸的85%和65%，而普通大米多酚和自由/结合酚分别占总酚和总酸的60%和41%，均显著低于黑米和红米[12]。曾亚文对云南稻核心种质紫糙米的总黄酮、钾、钙等物质含量进行测定的结果，紫米中上述物质含量均极显著高于普通白糙米[3,13]。赵腾芳等对7 个不同来源的有色稻米品种进行营养成分分析，发现黑米中赖氨酸、色氨酸、维生素B1、维生素B2和蛋白质等营养物质的含量均显著高于普通白米[14]。马静等在红米中检测到了显著高于普通大米的高密度脂蛋白胆固醇（HDL）、GSH-Px 和SOD 含量（活性）[15]。此外，有研究表明：花青素具有与钙、镁、铁、铝等金属元素络合的特性，这使得紫黑米中钙、铁、锰、硒、锌等多种矿质元素含量都高于普通白米[9,16−17]。

表 1 有色稻米与白米中重要功能性成分的含量比较Table 1 Major functional components in colored rice and white rice （单位：%）

综上所述，虽然前人的研究结果不尽相同，但有色稻米中主要功能性成分，包括花青素、γ-谷维醇、黄烷-3-醇、绿原酸、黄酮和黄酮醇、胡萝卜素、膳食纤维、维生素、氨基酸、蛋白质及微量元素等的含量均高于普通白米。

1.2.2 营养与药用价值 近年来，随着人们生活水平的提高，膳食结构发生了较大的改变，“三高”人群越来越多，各类心血管等慢性病、癌症的发生率趋高。人们越来越关注饮食结构中食物的合理搭配，对天然的健康食品更是趋之若鹜。有色稻米含有许多花青素、维生素、黄酮、多酚等功能性成分，能有效预防和缓解各种慢性疾病的症状。

近年来，有色稻米功能性成分在医药上的应用以花青素及其提取物为主，而对其他功能成分的研究相对滞后[5]。研究表明，利用有色稻米的花青素生产的复方胶囊能有效防治肝脏损伤[18]，特别是对血脂高的人群具有明显的辅助降血脂效果[19]。在日常饮食中适当补充有色稻米或有色稻米提取物有利于预防脂肪肝、高血糖和高血脂等疾病[20]。黑米麸含有21 种物质，它对促进人体健康和防治多种疾病具有显著的效果。添加黑米麸饲喂老鼠2 周后发现其肿瘤体积减小1/3，其有效成分可以抑制巨噬细胞、诱发细胞自然死亡和促进血管再生，从而达到抑制肿瘤的效果[21]。从黑米中提取的花青素为矢车菊-3-葡萄糖苷和花青素-3-葡萄糖苷的混合物，除了能有效抑制肿瘤外，占黑米麸花青素含量88%的矢车菊素-3-葡萄糖苷还可通过抑制小鼠巨噬细胞中氧化氮合酶的表达来减少细胞毒性，从而对肝脏健康起到重要的保护作用[22−23]。有色稻米麸中含有的亲脂性母育酚、亲水性花青素、γ-谷维素可以抑制脂肪酸和胆固醇氧化、减少动物血浆胆固醇水平，从而有效预防由包括心血管疾病在内的许多其他慢性病引起的炎症[24−26]。有色稻米中丰富的维生素E、多酚和纤维素等物质具有抗癌、降血糖、消炎、抗疲劳、抗衰老、预防老年痴呆症等保健效果[27−28]。

此外，在有色稻米的提取物及其应用方面也取得了一定的进展。研究表明，可溶性己烷可诱导结肠癌细胞凋亡，而紫米乙醇粗提物的抗氧化效果比可溶性己烷更强，紫米提取物还可通过改变结肠环境而预防结肠癌[29−30]。通过口服有色稻米的稻壳提取物，能够使高血糖病人的胰岛和肝脏细胞恢复正常，将这些提取物添加在食物中可有效防止因糖尿病引起的氧化胁迫和炎症，从而保护胰岛细胞正常分泌胰岛素[31]。口服有色稻米的花青素粗提物，可有效降低胆固醇和血浆甘油三酸酯，进而改善人体脂质结构、增强血小板的稳定性[32]，还可抗乳腺癌[33]、减轻人体乙醇伤害[34]、抑制血管增殖和迁移[35]、预防视网膜光化学损伤和抑制荧光灯诱导的视网膜凋亡[36]。

1.3 有色稻米的综合利用

有色稻米具有诸多的营养成分和药用价值，如何将这些有价值的成分有效摄入成为研究的关键。除了有益于人体，有色稻米中的花青素还是重要的化工和食品原料，可用于食品、药物和其他日用品的生产等。

1.3.1 在传统食品中的应用 用黑米等有色稻米可以加工成各式各样的食品供消费者选择，但限于成本压力，传统的加工工艺仍为主流，如制成传统的八宝粥、米果、米粉、粉丝、锅巴、米面包等。随着人们需求提升和消费升级，市场出现了一些新工艺和深加工产品，如黑米双歧酸奶[37]、香酥片[38]、黑米冰淇淋[39]、黑米果茶[40]等。这些食品色泽鲜艳、营养丰富而又口感独特，深受消费者喜爱。此外，将有色稻米与发酵工艺结合也具有良好的开发前景，用优质有色稻米生产的黑米啤酒[41]、米酒[42]、米醋[43]、米饮料[44]等都是深受欢迎的产品。

1.3.2 有色稻米的保健产品开发 有色稻米除了含有花青素、黄酮等抗氧化天然色素外，还含有其他丰富的具有药用价值的活性成分。根据这些功能性成分的理化性质和化学结构等特性，结合现代化学工艺技术，筛选适合的溶剂和方法进行稳定化处理，通过成分配比调配可生产出更为精细的类药保健品[45]。

1.3.3 色素的开发和利用 有色稻米中的多种天然色素不仅能溶于水和乙醇等有机溶剂，还能与奶油、食用油、冰淇淋等混溶，并能使肉类食品着色，用途广泛。该色素无异味、色泽鲜艳、着色均匀、色调稳定且使用安全、方便，可调配成不同色调，广泛应用在低温或常温下对酸性食品的着色。该色素可作为天然的食品添加剂，如营养强化液、甜味剂和色素等，这些产品均可针对有色稻米成分特性进行提取和加工，使有色稻米提取物更广泛地应用于食品加工业中，进一步提高有色稻米的商品价值[46]。

2 有色稻米相关遗传学研究

鉴于有色稻米的重要应用价值，利用遗传学方法分析和研究控制有色稻米色素及有效成分的相关基因显得十分重要。只有明确了关键基因的遗传规律，才能够利用分子设计、基因工程等技术手段与现代育种技术相结合，持续推进有色稻米品种的种质创新和遗传改良。

虽然针对有色稻米颜色控制基因的研究结论不尽相同，但截至目前，多数的研究结果都表明：有色稻米的色素合成受2 对基因互作控制，而有色和无色受1 对基因控制，稻米的有色表型属于质量性状。Nagao 等利用红米稻自然突变体为研究材料，通过构建群体和进行遗传分析后发现，红米种皮色素是由Rc和Rd两对互补基因控制。当两者同时存在时稻米种皮为红色，只有Rc存在时为棕色，Rc功能缺失为普通的白色[47]。随后学者们分别对Rc和Rd展开了基因定位研究[48−50]。进一步分析发现，Rc基因编码了1 个myc 类转录因子，生物信息学分析发现在普通白米中Rc基因的第6 外显子存在14 个碱基的缺失[51]。进一步研究表明，除了在第6 外显子上的碱基缺失外，Rc基因在第8 外显子上还有9 个碱基的删除和6 个碱基的插入，互补验证进一步证实了Rc就是编码bHLH 结构的转录因子[52]。随后，Brooks 等研究发现1 个显性的新基因位点Rc-g，该位点中存在1 个碱基的缺失逆转了rc基因的ORF（开放阅读框），使白色突变体水稻材料发生了回复突变[53]。王丽华等对红米稻品种红宝石进行遗传分析和基因定位，发现红米的种皮颜色仅受1 对基因控制，该基因位于水稻第7 染色体上[54]。而Dong等研究认为，控制颜色的基因不属于质量性状，而属于数量性状QTL 控制，并检测出4 个数量性状位点，分别位于第1、7、9、11 号染色体上[55]，这与前述的研究结果不同。综上，学者们使用不同遗传背景的材料和不同的研究方法进行试验，得出了不完全一致的研究结论，但目前大多数学者认为：是Rc和Rd基因的互作影响红米色素的表达和形成。

与红米控制基因的研究结果类似，紫（黑）米的表型也受2 对基因互作控制。Hsieh 利用水稻的自然突变体进行研究，发现紫米种皮色素由2 对互补基因Pa和Pb控制，当同时存在Pa和Pb基因时，种皮呈紫色；当只有Pb时，种皮呈棕色；当没有Pb时种皮呈白色[56]。随后国内外学者们分别利用不同遗传背景的水稻品种和突变体，对Pa和Pb基因进行了定位[48]。研究发现：Pb基因与其他文献中报道的Ra基因为等位基因。进一步的生物信息学分析发现，与白米品种相比，黑米品种中Ra基因的第7 外显子存在1 个GT 的缺失，该结果表明水稻紫色种皮表型可能由Ra基因第7 外显子内的GT 缺失引起[57]。

事实上，与所有其他表型一样，都是受基因和环境同时影响。有色稻米种皮色素的形成除了受色素基因表达控制和基因间的互作影响外，环境也会对有色稻米色素的积累造成影响。如：高温能使红米着色程度加深，而低温使黑米着色程度加深[58]。可见，不同基因型对环境条件的反应并不一致。

3 有色稻育种研究

近年来，学者们对于有色稻种质资源的收集、评价和相关基因的研究及分子标记开发方面取得了一定的进展，在学科交叉和资源、信息共享的大背景下，育种家们获取了很多有价值的信息，并将其应用到育种工作中，在有色稻品种的种质创新、新品种选育和推广应用等方面也取得了突破。

3.1 种质创新与新品种选育

从20 世纪70 年代开始，我国对地方有色稻米品种资源进行了系统的收集和整理。各地育种单位在此基础之上，早期利用自然变异、系统选育的方法育成了农黑糯、舟山红米、红1 号、红4 号、云陆29 号、湘晚籼12 等有色稻品种[59]。近年来，传统杂交育种技术与诱变手段和现代生物技术相结合，在有色稻品种资源的创新上取得了新的进展，如：利用辐射诱变育成的紫香糯861、赤峰1 号等[60−61]。韩龙植等利用杂交聚合技术，选育出一系列具有有色种皮、巨胚、香味、甜味、软米等单一特殊性状和聚合2 个以上上述性状的特种稻资源[62]。湖南、广东、浙江、江西、安徽、广西等地的育种单位利用体细胞无性变异、遗传工程技术、全基因组DNA导入和航天诱变等方法与现代育种技术相结合，选育出黑珍米、黑优粘、赣晚籼33、金优红、固红优宝3 号、红香玉、南红宝、桂红占等优质有色稻米品种[59]。从国外引进的优良有色稻品种主要有印度的ASD17、美国的A-201 和日本的筑紫红糯等[63]。

随着对水稻杂种优势研究的深入和杂交水稻的大面积推广，有色杂交稻品种的市场需求也日渐加大，相关研究也越来越受到重视。杂交稻除了具有综合双亲的杂种优势而具有较高的产量外，还可以利用双亲在抗病性、品质、农艺性状和遗传背景上的互补性，充分利用亲本间适当的遗传距离产生的亚种间杂种优势，选育出品质优、抗性好、产量高、农艺性状优良的有色稻杂交品种。基于这样的理论背景，并在当前的市场导向下，福建省农业科学院水稻研究所近年来进行了大量的研究和试验，分别从不育系和恢复系两方面着手，在国内率先选育出以紫392S 和闽红249S 为代表的优质紫米和红米两系不育系，以福恢737 为代表的紫糯恢复系，测配出紫两优737、紫两优3 号、闽红两优727、闽红两优3 号等系列有色稻米品种通过省级以上审定。其中紫两优737 品质优、产量高、易于种植，深受农户和市场欢迎，在云南省、福建省的推广面积逐年上升，有效促进了种粮户的积极转型，显著提高了农民的种粮效益。

3.2 分子标记的开发与利用

分子标记辅助选择与传统的杂交技术相结合具有通量高、准确性好、速度快等优点。针对水稻育种的周期性，针对控制有色稻米的基因序列与普通大米存在显著差异，开发有效的分子标记，可以在苗期即对分离群体进行检测，筛选出携带目标基因的株系。

王芳权根据已克隆的紫色种皮Pb 与白色种皮pb 等位基因第7 外显子的差异，设计出酶切扩增片段长度多态性标记CAPSPb，可以作为紫米育种的基因功能标记[64]。魏文嵩等选用控制种皮颜色的红米基因Rc、香味基因fgr 的功能性分子标记，通过优化dNTPs 及引物浓度，建立了一套多重PCR 体系，同时能检测水稻红米基因和香味基因的基因型，利用该体系可对红米和白香米水稻杂交后高世代群体进行检测[65]。刘盼通过对控制红米品种培杂191 的红色种皮性状的基因进行定位，设计出3 对可以准确鉴定水稻红色种皮性状并区分基因的显隐性的特异性分子标记，其中标记HS-3 扩增稳定、带型清晰，是理想的水稻红色种皮特异性分子标记[66]。邵雅芳根据黑米Ra 基因第10 外显子存在2 个碱基的缺失、紫叶白米Ra 基因第2 外显子（5′-UTR 区）8 个碱基的缺失和紫叶白米的第6 内含子存在30 个碱基的缺失，分别设计了3 对共显性分子标记RaMarker1、RaMarker2 和RaMarker3。将这些标记分别用于黑米和白米重组自交系的检测和验证，发现这3 个分子标记可用于黑色种皮的分子标记辅助育种[67]。

除了专门针对有色稻米的种皮颜色的特异性分子标记以外，在有色稻米品种的选育过程中，也要像普通水稻育种一样重视抗病、抗虫、抗逆等综合农艺性状，相关的分子标记也可综合利用，为优质、多抗、高产有色稻米新种质的创制和品种选育提供支撑。

4 讨论与展望

4.1 制约有色稻米产业发展的问题

截至目前，有色稻米的相关研究主要集中在花青素含量受所控制基因表达、环境、种皮部位及色素沉积时期等因素的影响，缺少对其他重要功能性成分含量及稳定性的影响因素的相关研究。虽然用有色稻米加工功能性食品的产业日趋成熟，且针对有色稻米中的花青素、多酚类、黄酮类、阿魏酸和咖啡酸等功能性成分的相关研究进展迅速，其药学机理的研究也逐渐明晰。但对于不同有色稻品种的色素分布、细分种类、提取分离技术，以及其成分的活性、稳定性的维持等方面仍需开展大量的、深入的研究。有色稻米功能食品用于防治人类慢性病研究进展缓慢，新型有色稻米功能食品和药品尚待开发。紫米和黑米是国内市场上消费最多的有色稻米，但除了目前在生产上推广的少数杂交紫、黑米品种外，多数生产上推广的紫、黑米品种的产量较低，其育种水平和规模与普通白米品种相比明显滞后，严重影响了有色稻米的产业化进程和产业链的形成。

4.2 关于促进有色稻米产业发展的建议

得益于市场和科研人员的共同关注，从基础研究到应用研究，从联合协作到学科交叉，有色稻的相关研究越来越受到重视。但还需要科研工作者继续攻关和努力，持续开展对有色稻米品种资源的基础研究和应用研究。首先，有色稻品种是一种原始而特殊的种质资源，是长期进化过程形成的栽培稻的祖先，有色稻中必然还有未被发现的潜在价值，需要对其进行专门的收集和保护，同时拓宽水稻育种中存在的亲本遗传背景狭窄的问题，也可对水稻基因组的功能和进化研究进行补充和完善；其次，随着科学技术的发展和研究的深入，有色稻丰富的营养价值和独特的药用价值将被挖掘，具有很大的市场潜力，目前对有色稻米功能性成分的研究主要集中于花青素，应加强其他功能成分分子机理、提取工艺及医疗保健作用等领域的研发；第三，有色稻米富含的花青素等活性物质不仅具有重要的药用价值，还可作为天然的食品添加剂应用于食品和药品的加工中。因此，系统有效地开展有色稻米的综合研究，是人类健康和时代发展的要求，也是市场和产业发展的需要，建议建立有色稻米资源利用与育种中心，联合医药保健及功能食品研发中心，加速其功能食品的研发，提升有色稻米防治人类慢性病的影响力，推动其产业化进程。

4.3 促进有色稻米产业创新发展的研究方向

农业经济的发展归根结底在于种质资源的创新、品种的改良和种植模式的更新。有色稻米虽然在有效成分的含量上远高于普通白米，但有色稻米的功能性成分多集中在种皮上，其主要的食用部位胚乳和普通大米并无显著差异。在这种背景下，华南农业大学刘耀光团队通过分析不同稻米中花青素通路基因序列，提出转基因堆叠策略，应用相关技术使水稻胚乳同时表达8 个花青素路径基因。结果产出的紫色胚乳稻米的花青素含量和胚乳的抗氧化活性都显著较高[68]。该研究为使用该转基因堆叠向量系统，修改涉及其他重要营养物质和药用成分产出的植物生物反应器提供了理论依据，也给从事有色稻米品种研究的科研人员带来了福音。与传统育种和转基因（RNAi 或者基因工程）育种方法相比，基因编辑能够准确编辑目标基因，而且不需要杂交和回交过程，省时方便，可以大大提高有色稻米品种培育效率。随着科学技术的发展和研究的深入，有色稻米中的功能性成分控制基因的遗传基础及其调控规律等越来越清晰。今后，除了利用基因堆叠向量系统外，还需要充分依托现代生物技术，利用SSNs（包括TALEN、ZFN 和CRISPR）技术进行分子设计育种，提高品种选育效率和育种后代材料的表型可预见性，为综合性状优良的水稻新品种选育提供技术支撑。