水稻品质的遗传与育种改良研究进展

李然 钱前 高振宇

（中国水稻研究所，杭州 310006）

农业是国民经济的基础，保证农业发展是关系国计民生的大事。水稻是我国的主要粮食作物之一，也是世界上食用人口最多的农作物。现阶段，随着人民生活水平的提高，对优质稻米的需求与日俱增。水稻高产已不再是育种家们追求的唯一目标，在追求高产的同时，稻米品质也成为育种工作者的重要选育指标。

1 稻米品质的定义与评价指标

稻米品质是指从稻米生产到加工成可以作为直接消费品的全部过程中，作为商品所具备的各种基本特性，因此它是一个综合性状。一般认为，稻米品质优劣主要由环境条件与遗传共同作用。稻米品质形成过程的实质是物质同化及代谢过程，与光合产物的形成与运输、灌浆物质的积累以及相关酶的作用密不可分。在适宜的气候、土壤生态条件下，配以合理的栽培措施，不同水稻品种通过营养器官如根、茎、叶等进行糖类、淀粉、蛋白质与氨基酸等物质代谢，经同化产物运输到籽粒，最终形成不同的品质特性。

国内外育种工作者与消费者对稻米品质的评价指标基本一致，它包括碾磨品质、外观品质、蒸煮食味品质和营养品质4类［1］，这4类指标间可相互影响［2］。碾磨品质也称为加工品质，是指收获的稻谷经过脱壳、碾磨等简单加工后得到精米的过程中表现出的品质特性。加工品质主要有糙米率、精米率和整精米率3项指标。这3项指标是综合品质检测的首要指标，也是后续品质检测的前提，决定了最终得米率，其中整精米率在加工品质衡量中尤为重要［3］。三项指标在水稻不同品种间存在差异。张云康等［4］分析了浙江省1 103份水稻品种的品质性状发现，糙米率与精米率之间存在极显著正相关。王丹英等［5］又对来自全国各地的8 390份稻米品质进行了分析发现，3项指标两两之间均存在极显著正相关。

稻米的外观品质与加工品质密切相关，是指稻谷经过简单加工处理后的米粒在外观各方面的特性，包括粒型、垩白、透明度等多项指标，是体现稻米商品价值的重要特性。稻米外观品质一般要求粒型完整一致、垩白面积少甚至无垩白、透明度好、有光泽［6］。

稻米蒸煮食味品质是指稻米在蒸煮过程中所表现的特性，是衡量稻米品质的一项核心指标。蒸煮食味品质排除了人们直接品鉴的主观意识与定量难度，包括稻米在蒸煮和食用过程中展现的所有物化特性和感官特性。一般来说，衡量蒸煮食味品质的主要指标有直链淀粉含量（AC）、糊化温度（GT）、胶稠度（GC）、淀粉粘滞性（RVA）、米饭质地和米饭食味等。其中，AC、GT、GC和RVA是最常用的理化指标［7］。一般而言，优质米要求饭粒完整、洁白、清香、软而弹且不黏结、适口、冷饭不硬等［8］。

稻米的营养品质是指稻米（主要指精米）中包含的营养成分的含量，如蛋白质、氨基酸、脂肪、维生素以及矿物质元素含量等。

2 稻米品质的遗传

稻米品质的形成除了受到土壤、气候、水分等环境条件的影响，主要与其遗传特性相关，而且大多数品质性状都是由多基因控制的数量性状。因此，开展稻米品质的遗传研究是提高水稻米质的基础。

2.1 稻米加工品质的遗传

加工品质既决定了水稻最终的出米率（加工后稻米总重量/加工前稻米总重量），又影响其销售潜力。目前，稻米加工品质的遗传研究报道相对较少。加工品质是多基因控制的数量性状，主要受种子基因、细胞质基因、母体基因等遗传效应的影响。由于三倍体胚乳和二倍体母体的组成差异，使加工品质的遗传研究变得复杂。梅捍卫等［9］测定了Lemont与特青的重组自交系（RIL）群体的加工品质性状，定位到1个控制精米率的主效QTL qMR12和4个控制整精米率的主效QTL（qHR2、qHR4、qHR6、qHR7）。之后，梅德勇等［10］又利用籼籼交组合特青/IRBB的RIL群体检测到12个控制稻米加工品质的QTL，包括8个糙米率QTL、2个精米率QTL和2个整精米率QTL，其中位于水稻第5号染色体微卫星（SSR）标记RM15303-RM18038区间的QTL可同时控制糙米率和精米率。虽然至今已检测到一些稻米加工品质QTL位点，但区间范围较大，目前仅克隆了影响整精米率的基因Chalk5［11］。

2.2 稻米外观品质的遗传

稻米外观品质不仅影响其外观，而且影响水稻产量和商品价值。粒型是稻米外观品质的重要因素，同时也与加工品质密切相关。近几十年来，遗传学家已在水稻中发现了上百个粒型QTL，克隆的粒型QTL已超过12个，包括第一个克隆的水稻粒长主效QTL：GS3基因［12-13］和首个水稻粒宽主效QTL：GW2基因［14］。研究发现，粒长主效QTL qGL3.1与粒长负调控基因GS3紧密连锁，是GS3的增强子基因［15-17］。GS2是由 Hu等［18］克隆的稀有大粒主效QTL，其功能获得型突变可以显著提高粒重与产量，但垩白率和垩白度有所增加。GL7［19］和 GW7［20］是位于水稻第7号染色体同一位点的控制粒长与粒宽的主效QTL，其表达量升高未见不利效应。林鸿宣课题组［14］克隆的影响粒宽粒重的QTL GW2对细胞分裂起负调节作用，其突变造成了翻译提前终止，细胞数目增多，最终导致粒宽和粒重增加。植物遗传学家已在水稻第5号染色体鉴定到GW5［21-22］和GS5［23］两个紧密连锁的粒宽主效QTL。GW5通过泛素-蛋白酶体途径调控细胞分裂，通过改变颖壳细胞数目控制水稻粒宽和粒重［21］。随后，万建民课题组［22］发现GW5/qSW5编码钙调素结合蛋白，该蛋白可与糖原合酶激酶GSK2互作并抑制其激酶活性，使细胞核中非磷酸化OsBZR1和DLT蛋白积累，调节油菜素内酯响应基因的表达，从而增加粒宽和粒重。编码丝氨酸羧肽酶的GS5基因正向调控籽粒大小和灌浆速率来提高粒宽和粒重，成为首个克隆的粒宽正向调控QTL［23］。此外，GW8基因的高表达可促进细胞分裂和籽粒灌浆，对水稻的粒宽和产量起正向调控作用［24］。何祖华课题组［25］克隆的GIF1基因编码细胞壁转化酶，控制蔗糖的运输卸载和灌浆，从而改变水稻籽粒大小和粒重。

透明度是一较为复杂的多基因性状［26］，关于透明度的遗传及QTL定位的报道较少。李泽福等［27］利用日本晴/Kasalath/日本晴回交重组自交系（BIL）群体，采用复合区间作图法定位到4个透明度QTL，性状变异贡献率为5.6%-25.2%，其中qET-3和qET-8位点上来自Kasalath的等位基因可显著提高籽粒透明度。沈圣泉等［28］利用珍汕97B与密阳46构建的RIL群体在两个环境下进行联合分析，共检测到5个控制透明度的主效QTL，其中qTR6-1与环境存在显著的互作效应。透明度受环境、生长期、垩白等因素的影响，其中垩白影响较大，有关垩白的QTL定位报道较多。chalk5基因是第一个克隆的控制稻米垩白的主效QTL［11］，该基因位于水稻第5号染色体短臂，其表达水平的上升会引起液泡中氢离子浓度提高，影响pH平衡和抑制蛋白转运，导致胚乳储藏物质减少和出现气泡，使稻米的垩白增加。目前，虽然垩白方面的遗传研究较多，但因其受环境影响较大，表型鉴别困难，使研究难度加大。Wang等［19］在日本晴或浙辐802背景下过表达GL7基因，结果发现稻米长宽比增加的同时，垩白率和垩白度显著减少。钱前团队［29］利用9311和培矮64S构建的RIL群体检测到19个垩白相关QTL，并开展了位于第9号染色体的qACE9的精细定位和候选基因挖掘。

2.3 稻米蒸煮食味品质的遗传

淀粉是胚乳的主要组成成分（占干重的90%），淀粉的含量、组成和结构决定了稻米的蒸煮食味品质。淀粉合成需要多种酶的催化，主要包括ADP葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉分支酶（SBE）和淀粉去分支酶（DBE）等，直链淀粉由AGPase和GBSS 合成［30］。

调控淀粉合成或降解的基因对稻米的蒸煮食味品质起了重要作用。位于水稻第6号染色体的蜡质基因（Wx基因）是控制AC的主效QTL，编码GBSSI催化合成直链淀粉。稻米的糯性与非糯性是由Wx基因的变异引起的，糯性基因型为wxwx，由Wx的隐性缺失突变等位基因wx组成［31］。目前已报道了Wx的多个复等位基因，包括wx、Wxa、Wxb、Wxin、Wxop、Wxmq、Wxmp和 Wxhp等［32～38］。其中，Wxa控制高AC的形成（AC＞25%），Wxb控制下的稻米AC一般为15%-18%，含Wxin等位型的稻米AC为18%-22%，携带Wxop和Wxmq的水稻胚乳表现为不透明，AC 一般 ＜10%，而 Wxmp［37］和 Wxhp［38］AC 也＜10%。有关Wx基因的表达调控研究报道较多，其转录水平决定了AC的高低。Wx基因第一内含子的5′端第一个碱基（G或T）与稻米AC（高或低）紧密连锁，是造成AC差异的主要变异类型［39］。姚彩萍等［40］用外切核酸酶Exo II使Wx基因翻译起始点（ATG）5′上游调控区序列发生缺失，得到的12个不同长度的缺失片段分别与GUS基因融合导入水稻原生质体进行GUS酶活测定，在转录起始点上游除TATA盒外发现了与基因表达强度相关的区段。后续研究发现，在上述区段中有一31 bp序列（-839--809 bp）使GUS报告基因表达水平比对照高2-3倍，表明此序列为Wx基因表达调控的顺式作用元件［41］。随后又发现水稻bZIP蛋白转录因子REB能够结合Wx基因启动子的双元胚乳盒中的GCN4基序，可能与基因的组织特异性表达有关［42］。Zeng等［43］图位克隆了暗胚乳基因DU1，该基因通过影响Wxb的剪接和其他水稻淀粉合成相关基因的表达来调节胚乳淀粉的生物合成。

控制糊化温度的主效QTL：ALK（SSSIIa）基因也位于水稻第6号染色体短臂，高振宇等［44］图位克隆了编码可溶性淀粉合成酶（SSSII-3）的ALK基因，其参与支链淀粉分支的形成，决定胚乳内淀粉粒的结构，最终控制GT。对不同水稻品种中ALK基因序列的比较发现，该基因编码区内的两处引起氨基酸改变的碱基替换造成了SSSII-3酶活性的变化，从而引起GT的改变［45］。SSSI基因编码水稻SSSI，Fujita等［46］利用逆转座子Tos17 插入获得4 份SSSI缺陷的日本晴突变体，发现当SSSI 缺乏时，其他淀粉合成同工酶能部分补偿其功能，但改变了支链淀粉的支链长度，从而影响稻米的GT。SSSIIIa（Flo5）基因编码控制水稻淀粉合成的关键酶SSSIIIa，通过调控水稻籽粒中支链淀粉的结构和淀粉粒理化性质来影响 GT［47］。万建民团队［48］构建了 SSSIIa/SSSIIIa的双抑制株系，株系呈现出AC增加、GT升高、黏度减小，短（聚合度DP 5-6）和长（DP 12-23）支链淀粉链含量降低，中长型（DP 7-11）支链淀粉含量增加。双突变并不表现出加性特征，表明在淀粉合成过程中SSSIIa和SSSIIIa基因间存在互作，并得到酵母双杂实验结果的支持。因此，支链淀粉的链合成是SSSI、SSSIIa、SSSIIIa等酶协同完成的。姚姝等［49］以SSSIIa和SSSIIIa表现多态性而其他淀粉合成基因无多态的武粳13和关东194杂交后代衍生的64个半糯品系为材料，分析发现两基因的互作对GT有显著影响，为半糯粳稻蒸煮食味品质的改良提供了理论依据。

胶稠度也是由若干主效基因和诸多微效基因共同调控的数量性状。GC和AC呈显著负相关，Wx同时也是控制GC的基因，GC主效QTL qGC-6已被证实位于 Wx位点［50］。黄祖六等［51］利用 CT9993（硬GC）和KDML105（软GC）构建的RIL群体在水稻第3号染色体检测到2个控制稻米GC的主效QTL，贡献率分别为19.9%和20.0%。钱前团队［52］利用两优培九衍生的RIL群体检测到分布于第5、6、10号染色体的3个调控稻米GC的QTL，其中qGC-6和qGC-10的表型贡献率达10%以上，且在杭州和海南两环境稳定遗传，并最终将qGC-10精细定位于插入缺失（Indel）标记GC19和GC25之间约350 kb的区间。此外，主要控制GT的ALK也是GC的微效基因［45］；Chalk5基因不仅决定稻米垩白，对AC和GC 也有一定影响［11］。

稻米蒸煮食味品质（ECQ）是由淀粉合成相关基因（SSRGs）的相互作用共同决定的。除了上述基因外，淀粉代谢途径中的其他基因也对稻米ECQ 起作用，如 AGPase［53］和 PUL［54］等。在胚乳中，蔗糖经过糖酵解可转变为葡萄糖-1-磷酸，后者在AGPase作用下转变为淀粉合成前体：腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）。AGPase是由两个大亚基和两个小亚基组成的四聚体：大亚基是酶活性的调节中心，可增强小亚基的激活因子亲和性和降低小亚基的抑制因子亲和性；小亚基则是酶活性的催化中心，对淀粉合成起关键作用。水稻中每个亚基都由不同基因编码，包括2个编码小亚基的基因OsAGPS1、OsAGPS2和4个编码大亚基的基因OsAGPL1、OsAGPL2、OsAGPL3、OsAGPL4［55～61］。

稻米淀粉的黏滞特性（RVA）也是反映蒸煮食味品质的重要指标之一。包劲松等［62］以窄叶青8号与京系17构建的DH群体为研究对象发现，稻米淀粉黏滞性主要受Wx基因控制，之后还发现了影响RVA的两个基因SBE1和SBE3［63］。张巧凤等［64］用武育粳3号和Aichi 106构建的F2群体研究了精米粉8个RVA谱特征值的遗传规律发现，RVA谱特征值与食味品质、外观品质均有不同程度的相关性。随后又用热研2号和密阳23构建RIL群体，检测到34个RVA相关QTL，其中热浆黏度、冷胶黏度、消减值、崩解值、回复值这5个特征值均检测到位于 Wx位点的 QTL。Wang等［65］利用 CRISPR/Cas9技术对扬粳158、武运粳30、南粳9108和品系17GTM11的氨基酸转运基因OsAPP10开展基因编辑，结果发现突变体的AC降低，RVA谱的峰值黏度和崩解值升高、回复值下降，食味值提升。严长杰等［54］以桂朝2号和苏御糯互为供体和轮回亲本构建了PUL的近等基因系，分析发现其与轮回亲本在AC、GC等指标上无显著差异，但其RVA特征值和热力学特征值变化显著。有报道称，可溶性淀粉合成酶SSSIIIa可通过控制淀粉B2-B4链比例来影响RVA 谱［47］。

目前的研究认为，稻米香味主要由定位在水稻8号染色体的BADH2/fgr基因控制。BADH2基因的第7外显子内8 bp的碱基缺失可使其作用底物香味物质2-乙酰基-1-吡咯啉（2AP）不能有效降解，从而使稻米累积香味［66］。因此，下调BADH2基因的表达可以提升稻米香味。

2.4 稻米营养品质的遗传

水稻的营养品质受遗传、栽培措施、环境条件、收获加工、烹饪技术等因素影响，其中遗传是主要影响因素。稻米的蛋白质含量易受外界环境条件的影响，遗传力相对较低。先前研究发现，稻米的PC属于多基因控制的数量性状［67］。焦爱霞［68］利用辽优518与当地水稻品种杂交构建的RIL群体进行PC的QTL分析，共检测到分布在水稻第1、3、9号染色体上的3个PC相关QTL。张涛等［69］以中优早与丰锦的RIL群体作为定位群体，检测到6个控制糙米PC的QTL，分别位于水稻第3、6、7、8和11号染色体上。Peng等［70］克隆了正向调控PC的主效QTL qPC1/OsAAP6，OsAAP6可调控蛋白的合成和积累，增大蛋白体PBII，过表达该基因能使根系对多种氨基酸的吸收增加，互补和超表达植株的种子PC显著提高、AC增加、GC显著降低，而RNA干扰（RNAi）植株的种子PC下降。严长杰课题组［71］利用籼稻Habataki和粳稻Sasanishiki杂交衍生的染色体单片段代换系（CSSL）群体进行QTL定位，在3种环境下检测到18个籽粒PC相关QTL，其中qGPC-1和qGPC-10可被重复检测到。对qGPC-10开展了进一步精细定位，克隆的OsGluA2基因可增加籽粒中存储蛋白含量和氨基酸总量，使蛋白体Ⅱ的数量和体积都增加，从而正调控籽粒PC，提高稻米的营养品质。

与蛋白质紧密相关的氨基酸含量同样也受多基因控制。Simon-sarkadi等［72］发现调控单个氨基酸含量会影响所有游离氨基酸含量和蛋白质含量。郑希等［73］利用汕优63的RIL与亲本双向回交产生的BClFl和BC2Fl群体，共检测到10个控制组氨酸含量的QTL和8个控制精氨酸含量的QTL，其中7个QTL具有显著的环境互作效应。周旭升等［74］利用川香29B和中国香稻的RIL群体，两年相继检测到32个和21个氨基酸合成相关QTL，其中位于水稻第1号染色体的RM259-RM580区间可影响多种氨基酸的含量。水稻中一些氨基酸转运蛋白编码基因的启动子和编码区的自然变异与氨基酸吸收和籽粒PC相关性较强。方中明课题组［75］利用35S和ubi启动子构建的OsAAP3基因的过表达载体转化粳稻中花11，过表达株系的赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、苏氨酸和络氨酸的浓度显著升高。之后，又通过高效液相色谱和原生质体氨基酸吸收实验发现，过表达OsAAP5基因的株系中碱性氨基酸（赖氨酸、精氨酸）和中性氨基酸（缬氨酸、丙氨酸）的转运和积累量均高于野生型，而RNAi株系则相反［76］。在穗中表达的OsAAP1、OsAAP3、OsAAP5、OsAAP6、OsAAP10 等基因可通过调控氨基酸跨膜转运蛋白的活性来影响氨基酸含量。OsAAP1能吸收和转运中性氨基酸，研究发现在中花11中过表达OsAAP1，其自由氨基酸含量增加，而RNAi和CRISPR敲除株系的表型则相反［77］。转qPC1/OsAAP6基因的阳性植株，其籽粒的丙氨酸、亮氨酸、缬氨酸、脯氨酸、精氨酸、酸性氨基酸和氨基酸总量均显著增加，而RNAi植株则相反［70］。OsAAP10的基因功能缺失突变体的氨基酸含量和PC也显著下降［65］。徐国华课题组［78］利用日本晴背景下的OsLHT1突变系发现，OsLHT1基因对营养器官到生殖器官的氨基酸转运起重要作用，主要影响籽粒的氨基酸含量和蛋白质含量。

脂肪含量遗传方面，吴长明等［79］曾利用Asominori/IR24构建的RIL群体在水稻第10号染色体上检测到控制稻米粗脂肪含量的QTL Fat1。糙米中的脂肪含量相对较高，Liu等［80］用DH和回交群体检测到14个糙米脂肪含量相关QTL，分布在水稻第1、3、5和9号染色体，其中5号染色体的主效QTL qCFC5可被重复检测。至今克隆的脂肪含量调控基因仅有编码脂肪转运蛋白的OsLTPL36，其表达量的下调可使稻米脂质含量降低［81］。稻米中含有催化脂质氧化的脂肪酸氧化酶（LOX），使稻米失去原有香味而陈化，同时营养品质也下降。目前，水稻中已克隆了3个编码LOX的基因（LOX-1、LOX-2、LOX-3），其中 LOX-3 占主导地位［82-84］。Long 等［84］用图位克隆法确定了编码LOX-3的候选基因 LOC_Os03g49260。有研究发现，脂肪酸氧化酶LOX-1和LOX-2在进攻膜脂和启动膜脂过氧化过程中作用大于LOX-3，但仅研究了LOX同工酶与终产物丙二醛（MDA）之间的关系，未对直接产物和稻米的过氧化值进行测定，因此3种LOX同工酶的调控机制还有待阐明［85］。

稻米维生素含量相关QTL的报道较少。Sookwong等［86］在水稻第1、3、9号染色体上共定位到5个VE相关QTL。之后，张晓娜等［87］对稻米VE的8个异构体（α、β、γ、δ-生育酚和α、β、γ、δ-生育三烯酚）含量进行了QTL定位，共检测到27个VE含量相关的QTL，其中主效QTL qT3α2、qTy2α、qTα2 和 qTa/γ2 均位于水稻第 2号染色体RM497-RM530区间内，相邻区间的qT3γ2和qT3δ2与它们形成QTL簇。

水稻的矿物质元素含量也受相关QTL的调控。孙明茂等［88］曾检测到45个与籽粒Fe、Se、Zn、Cu、Mn、Ca、Mg、K、Na等10种元素含量相关QTL。崔文刚等［89］共检测到14个籽粒Fe、Zn、Cu、Mn矿质元素含量相关QTL，其中与Fe含量相关的QTL有7个，包括位于水稻第1号染色体RM6464-RM6340区间的主效QTL qFe1-1，Mn含量仅检测到第8号染色体上的一个主效QTL qMn8。孙正海等［90］检测到1个控制稻米Cr含量的主效QTL，位于水稻第6号染色体RM19489-RM19491区间。钟林等［91］在海南和成都试验点共检测到14个控制籽粒Ca、Fe、Mn、Zn和Cr含量的QTL，其中包含控制Mn含量的两个主效QTL qHMn-3和qSMn-3。Norton等［92］利用全基因组关联分析（GWAS）检测到大量控制As、Cu、Mo和Zn含量的相关位点，其中17个可在5个环境中重复检出。

3 稻米品质的育种改良

水稻品质改良的目标受市场和广大群众的需求而改变，但主要路线仍然是在高产前提下提高出米率与食味品质，在此基础上改良外观品质和香味，使稻米粒型完好、透明度好、有光泽、有清香。利用定位或克隆的稻米品质QTL/基因以及各种繁育改良方法可用于提升稻米品质。

3.1 稻米加工品质的改良

稻米加工品质的改良多与粒型、垩白等性状关系密切。通常细长型、高垩白水稻品种的糙米率和精米率低于短圆型、低垩白的水稻品种。近年来，稻米加工品质的改良已颇见成效，研发出的水稻品种的糙米率和精米率都有一定程度提升，如华浙优1号的糙米率达83.4%，整精米率达68.2%；中浙优H7糙米率和整精米率分别达到80.9%和67.0%。

3.2 稻米外观品质的改良

利用优质水稻种质资源改良现有高产水稻的外观品质已取得一系列成果。王才林等［93］利用日本优质粳稻关东194与江苏高产粳稻武运粳7号等杂交，外观品质达到国际一级的F4或F5代，其下一代的外观品质达国标一级的仍有70%。方珊茹等［94］采用选择回交导入法、结合分子标记辅助选择（MAS）和农艺性状筛选，将GS3和其他外观品质相关基因导入II-32B中，得到4个外观品质改良株系，粒长由原来的8.04 mm增加到8.99 mm，粒宽由3.02 mm降至2.85 mm，长宽比从2.67提高到3.16；垩白率和垩白度也显著降低，由改良前的55.6%和14.3%分别降至23.9%和4.6%。通常，优质粳稻品种的长宽比为2.5左右，钱前团队与嘉兴市农科院等单位合作成功聚合了Dep1和GS3基因，开发出籽粒长宽比达到3.0的杂交粳稻品种嘉禾212和嘉禾 218［95］。

3.3 稻米蒸煮食味品质的改良

直链淀粉含量是决定米饭质地和食味的重要因素之一，目前对稻米蒸煮食味品质的改良以降低AC为主。日本水稻育种家已利用突变基因Wxmq育成了AC偏低（约8.5%）、食味品质优良的水稻品种，如 MilkyQueen［96］和 New-hikari［97］等。由于 Wx 基因的表达可直接影响稻米AC，对其运用MAS可改良稻米的蒸煮食味品质。蔡秀玲等［39］开发的PCRAccI标记可用于区分等位型Wxa和Wxb；Liang等［98］利用分子标记对Wx基因的CT重复进行鉴别，用于Wx基因改良品系的选择；毛艇等［99］开发了基于PCR技术的功能性标记，可简易区分Wx的多对等位基因；侯军亮等［100］利用MAS技术成功将香稻R15的Wxa基因替换为Wxb，培育出AC约14%的新纯合株系深华R16。

Tanaka等［101］在BEIIb缺失突变体株系中过表达BEIIb，发现其具分支的水溶性多聚糖过量积累，而支链淀粉减少。因此，操控BEIIb的活性成为创制新淀粉类型的有效策略，可应用于食品和工业生产。高抗性淀粉（RS）食物是包括糖尿病、结肠癌、腹泻、慢性肾或肝病在内的疾病患者的福音。Yang等［102］将粳稻突变体降糖稻1号（RS含量11.67%）与籼稻密阳23（RS含量0.41%）进行杂交，对后代的遗传分析将抗性淀粉贡献率达60.4%的突变基因sbe3-rs精细定位在两个InDel标记间的573.3 kb区间内。随后与密阳23、秀水123、沪稻55进行杂交，并利用该基因的功能CAPS标记经连续自交和辅助选育，最终培育出3个高产优质的高RS功能性水稻品系RS23、RS123和RS55。

除了利用MAS方法选择有利基因，CRISPR技术敲除不利基因也可用于稻米蒸煮食味品质的改良。冯璇等［103］利用CRISPR/Cas9基因编辑技术，针对杂交水稻亲本209B和Y58S分别进行糯性和香味改良，对稻米AC负调控基因Wx和香味基因Badh2分别进行基因定点编辑，获得了品质优良的新型杂交稻亲本材料。杨平等［104］利用CRISPR/Cas9系统也成功编辑了水稻的Wx和Badh2基因，获得了AC降至4.9%-12.2%且带有香味的中早35突变体。周俊飞等［105］利用CRISPR/Cas9技术编辑BADH2基因，改良超级稻品种龙粳31的香味品质，使香味物质含量显著提高，为香稻超级稻育种提供了基础材料。最近，胡培松团队［106］利用CRISPR/Cas9技术在非香型粳稻宁粳一号和籼稻黄华占的遗传背景下创制了新的BADH2等位基因，改良株系籽粒中的香味物质 2-AP 的含量分别达到 26.16 μg/kg 和 18.74 μg/kg，并利用含该等位基因的黄华占与桃农1A杂交获得了籽粒具有香味的三系杂交稻品种。

3.4 稻米营养品质的改良

稻米虽然是我国的主粮，但其蛋白质和维生素含量低，无法满足人们的营养需求，而且稻米中还含有植酸等抗营养因子。因此，改善稻米营养品质成为稻米品质改良的热点。传统育种方式无法在短时间内改良品质，而水稻遗传转化技术的应用，促进了稻米营养品质的改良。

水稻是谷物中蛋白质含量较低的作物，在籽粒中蛋白质的平均含量仅为8%左右。所以在一定范围内进一步提高稻米的蛋白质含量，是稻米品质改良的重要目标之一。豆类蛋白质的部分氨基酸与稻米蛋白质互补，Singh等［107］通过聚乙二醇（PEG）诱导法分别将菜豆和豌豆的球蛋白基因导入水稻中并成功表达。洪亚辉等［108］采用花粉管通道法将密穗高粱总DNA导入水稻品种鄂宜105，从变异材料中选育出籽粒蛋白质含量达到9.8%的高粱稻新品系。Wenefrida等［109］通过细胞诱变水稻品种Cypress开发出高蛋白品种Frontière，其稻米的平均蛋白质含量达11%。

提高赖氨酸含量可以改良籽粒营养品质，然而当赖氨酸含量增加时，赖氨酸分解关键酶：赖氨酸-酮戊二酸还原酶/酵母氨酸脱氢酶（LKR/SDH）的活性也会增强，加快了赖氨酸的降解，阻止了种子中赖氨酸的有效积累［110］。王为民等［111］运用转基因技术获得了含马铃薯高赖氨酸蛋白质基因sb401的水稻。Yang等［112］通过超表达反馈抑制不敏感的天冬氨酸激酶（AK）和二氢吡啶二羟酸合酶（DHPS）同时抑制LKR/SDH的表达，获得了游离赖氨酸含量提高25.3倍的水稻品种。之后，他们通过同时表达修饰的AK2和DHPS1基因并抑制LKR/SDH表达构建了两个转基因株系，其游离氨基酸水平分别比野生型和含天然AK、DHPS的转基因水稻高58.5倍和39.2倍，而种子外观与野生型相似［113］。对巨胚等位基因GED的研究表明，GE功能缺失促进了水稻胚的能量代谢、氨基酸代谢和脂质代谢，除粒型增大外，其营养物质含量也高于野生型，具有改良籽粒营养品质的潜力［114］。

LOX基因的缺失可以有效阻止脂质的氧化作用，从而减缓稻米变质和香味丧失。因此，通过下调LOX-2和LOX-3的表达可以延迟脂肪酸降解，从而使稻米维持适口性、香气和营养成分等。目前已利用MAS选育出LOX-3缺失水稻品种［115］。

维生素缺乏会导致人类的一些疾病，利用转基因技术提高稻米的维生素含量是改良水稻营养品质的有效途径。Ye等［116］利用农杆菌介导法成功将VA合成的关键酶：番茄红素β-环化酶、八氢番茄红素合成酶、细菌八氢番茄红素去饱和酶导入水稻，首次利用基因工程技术使水稻产生自身缺乏的营养元素。富含类胡萝卜素的转基因水稻为缓解发展中国家人民营养不良提供了解决方案。Peter等［117］利用黄水仙基因psy、lcy和噬夏孢欧文菌基因crtl成功培育出第一代“黄金大米”，其胡萝卜素含量约1.6 μg/g；之后，Botella-Pavía等［118］使用玉米 psy基因替代黄水仙psy基因培育出第二代“黄金大米”的胡萝卜素含量高达37 μg/g。目前，菲律宾已经批准了“黄金大米”的商业化生产。

提高有益矿质元素的含量，增强有害元素的抗性，是稻米营养品质改良的另一重点。选育有益矿物质含量较高的水稻通常有两个方向：增加该矿物质在水稻中的绝对含量或者提高其生物有效性。Goto等［119］用农杆菌介导法将大豆铁蛋白基因转入水稻，获得了铁含量为对照3倍的转基因水稻。徐晓晖等［120］曾利用CaMV35S启动子将豌豆铁蛋白基因Fer转化到粳稻品种秀水11中，转基因水稻铁含量提高2倍左右。低植酸水稻品种的各项籽粒品质往往比普通水稻品种高。已有研究表明，食用低植酸突变水稻可以增强人体对矿物质的吸收［121］。由此可见，低植酸（低抗营养因子）水稻矿物质的生物有效性比普通水稻品种高。Larson等［122］最先从爪哇稻品种Kaybonnet中获得低植酸突变体lpa1，突变体籽粒中的植酸部分由71%降低至39%，无机部分由5%提高到32%，但总磷含量没有变化。Lucca等［123］将菜豆的铁蛋白基因pfe、烟曲霉的植酸酶基因phyA和内源金属硫蛋白基因rgMT导入水稻，获得了在水稻胚乳中特异性表达3种基因的转基因水稻，使稻米中铁含量提高了2倍。

4 存在问题和展望

随着人民生活水平的提高，人们对饮食的要求不再只是温饱。水稻作为我国的主食，同时也要满足保健、辅疗和加工食品等需求。随着养生已成为一种趋势，提高稻米中有益活性物质的比例、创制对人体具有保健功效的稻米，市场前景广大。虽然水稻品质的遗传与改良研究在国内外已取得了一些成果，但仍然存在诸多问题亟待解决。

至今，虽然已经克隆了大量稻米品质相关基因/QTL（表1）并开展了功能研究，但大多数基因与其他基因的互作机制有待明晰，以便有效应用于水稻的品质育种。此外，稻米品质性状之间往往相互影响，即使来源于同一组合、拥有同一主效基因，其品质性状也会有较大差异。在对品质QTL定位的同时，还需要培育相应的中间材料用于水稻育种。

表1 已克隆的水稻品质相关基因/QTLTable 1 Cloned genes related to rice quality /QTLs

加工品质易受粒型、垩白和外界因素影响。目前，加工品质的研究报道多停留在QTL初定位阶段，直接控制加工品质的主效QTL/基因的相关报道很少。因此，精准解析调控糙米率等QTL/基因的遗传机制将为水稻优质高产提供更多可能。而且，加工品质与产量直接相关，同时与其他品质性状关系密切，未来可通过粒型、垩白的研究使加工品质的遗传改良得以深入。

外观品质方面，挖掘与水稻粒型连锁的单核苷酸多态性（SNP）标记以及候选基因，可为水稻优良遗传资源的发现和利用提供依据。细长型稻米的外观品质佳，但往往产量和整精米率有所下降；宽粒型稻米虽然粒重和产量较高，但垩白率一般较高。因此，处理好外观品质和产量之间的平衡协调从而给出最优解是目前迫切需要解决的问题。减少垩白是目前稻米外观品质改良的主要方向。由于垩白的研究难度大，研究进展相对迟缓。垩白主效基因与其他有利基因的连锁、基因的不利连锁和互作使优质与高产的矛盾凸显，是目前降低垩白的难点，因此急需打破这些不利连锁。南方高温会使稻米垩白率提高，因此挖掘抗高温种质材料和相关基因可望解决垩白的难题。

BADH2基因的表达影响稻米香味，但香气的累积易受环境影响。利用不同材料在不同环境下的试验来挖掘香味种质资源，明确其调控机理或发现新的香味物质对于未来发掘优质香稻具有重要意义。之前的研究表明，2AP的含量还与受体材料的来源有关，对不同受体材料进行同样操作敲除BADH2基因，改良水稻的香味程度存在差异［105］；有些香稻品种并未携带BADH2功能缺失等位基因，2AP含量却较高［125］。因此，香味性状的产生存在其他基因或因素的影响，需要遗传学家进一步深入挖掘。

营养品质方面，蛋白质的缺乏会引起人体代谢失衡，由于缺乏高蛋白的水稻种质资源，并且蛋白质含量易受环境条件影响，加上蛋白含量高的转基因水稻往往产量较低，使研究进展相对缓慢。因此，需要加强对高蛋白种质资源的挖掘，深入研究稻米蛋白质合成的遗传机理，以攻克这一难题。

对水稻品质的提升不仅仅局限于目前已克隆的基因，水稻品质相关基因还有待进一步发掘。随着水稻生物学和功能基因组学的发展，在不久的将来，将有更多有利品质基因用于培育和创制出各种高产优质、适应逆境和适宜机械化生产的功能性超级水稻。