影响稻米品质性状的相关基因研究进展

张 涛,王子瑞,毛鑫晨,唐家琪,张 超,于恒秀

(扬州大学农学院/江苏省作物遗传生理重点实验室/植物功能基因组学教育部重点实验室/江苏省作物基因组学和分子育种重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心,江苏扬州 225009)

我国近60%的人口以水稻作为主食,国家明确指出粮食安全必须要得到保障,于是提高水稻的产量成为育种家首先要解决的问题。“超级稻”的概念从20世纪80年代开始分别由日本和国际水稻研究所提出并实施。我国于1996年启动“中国超级稻育种”项目,在我国科学家的不断努力探索下,目前我国超级杂交水稻的育种和应用技术已经在国际上保持领先水平[1]。但是随着大众生活质量和消费水平的提高,人们的需求已从原来的“吃饱饭”到如今的“吃好饭”,未来将会往“吃健康的饭”的方向发展,对外观好、口感好、营养好的优质稻米的需求越来越大。因此,选育出优质、高产、营养价值高、更加受老百姓喜爱的水稻新品种成为育种家们近些年来的目标。

遗传、环境以及田间栽培和管理技术等因素都会影响稻米的品质性状。因此,仅通过常规育种手段的方法去进一步改良稻米的品质性状已经不现实。科学家们在分子生物学理论与技术的基础上发现分子标记辅助选择(Maker-assisted selection,MAS)方法可以将功能不同的优良品质基因快速地导入到稻米中,从而达到改良稻米品质的目的。这就使得育种的效率得到显著提升,因而在品质相关基因的定位、克隆以及功能研究方面也取得了很大的进展[2]。该研究综述稻米品质性状的主要组成,品质性状相关基因定位、克隆以及功能的研究进展,以期为进一步改良稻米品质提供参考。

1 稻米品质性状的分类

稻米品质是一个综合性状,是指从稻谷的种植、收获到加工,再到进入市场被消费者直接购买的全部过程。在日常的生活中,由于我国国土面积大,地区差异明显,人们对稻米的口味、喜好各不相同,因此对稻米品质的评价标准也有所差异。目前,国内外对于稻米品质的评价标准基本统一,主要包括碾磨品质(milling quality,MQ)、外观品质(appearance quality,AQ)、蒸煮与食味品质(eating and cooking quality,ECQ)和营养品质(nutritional quality,NQ)4个指标,这4个指标都直接或间接地由水稻种子的结构和组成决定,且指标之间互相影响。

碾磨品质也称为加工品质,是指在经过脱粒、去壳、除糙等简单加工过程后的水稻表现出稻米完整性的品质特性。碾磨品质主要包括糙米率、精米率和整精米率3项指标。糙米率是指糙米重量与水稻总重量的比值。糙米的结构由米糠(果皮、糊粉等)、胚和胚乳组成。然而,由于糙米烹饪困难较大,且食用口感较为坚硬,只有胚乳残留的精米更受欢迎,可以被消费者广泛接受,因此,通常会将糙米加工成精米。精米是糙米经过加工碾磨后亮度增加的精白大米。精米率是指最终得到的精米重量与水稻总重量的比值。通常把长度超过稻米加工前完整籽粒长度的2/3的精米称为整精米。整精米率则是指最终得到的整精米重量与水稻总重量的比值,整精米含量高的水稻加工时出米率高、碎米含量少、米粒整齐且食用品质好,是衡量碾磨品质最重要的一项指标[3]。

良好的外观品质更容易受到消费者的欢迎,外观品质性状主要是由稻米籽粒粒型、籽粒垩白度、籽粒透明度3个指标来决定的,其中粒型和垩白度是外观品质性状改良最主要的研究方向。粒长、粒宽、粒厚和长宽比是影响粒型的4个性状,但最主要的是粒长、粒宽和长宽比,三者之间也会互相影响[4-5]。垩白是指水稻籽粒白色不透明的部分,主要是由于水稻籽粒灌浆不充分导致籽粒胚乳中组织疏松而形成的,包括心白、腹白和背白。稻米的垩白性状主要分为3个级别:一级,垩白粒率≤10%,稻米的外观品质最好;二级,垩白粒率≤20%,稻米的外观品质较好;三级,垩白粒率≤30%,稻米的外观品质较差。可见,垩白的多少及发生程度对稻米品质的影响十分巨大。目前,市场上将粒型完整、垩白度低、透明度好作为优质外观品质稻米的评价指标[6]。

蒸煮与食味品质是指稻米在蒸煮和食用过程中表现的各种理化及感官特性,是稻米品质的核心指标。一般来说,衡量蒸煮食味品质最常用的理化指标有直链淀粉含量(amylose content,AC)、糊化温度(gelatinization temperature,GT)、胶稠度(gel consistency,GC)和淀粉黏滞性(rapid viscosity analyzer,RVA)等[7]。稻米直链淀粉含量是决定籽粒的透明度、适口性、黏性和消化特性等的主要因素,即与米饭的硬度、弹性、黏性有关。一般直链淀粉含量适中或者较低的米饭适口性更好、米质较软、饭粒光泽度较好,而直链淀粉含量高的米饭适口性较差、米质较硬、弹性较低,但有预防糖尿病和肥胖症等方面的作用。糊化温度是指淀粉粒在热水中迅速吸水膨胀导致淀粉粒变得更透明,黏滞性上升,有更多可溶性物质进入水中而不可逆转时的温度。差示热量扫描仪(differentitial scanning calorimetry,DSC)可以直接用来测不同品种稻米淀粉的糊化温度,其主要分为以下3种糊化温度:高糊化温度(>74 ℃)、中糊化温度(70～74 ℃)和低糊化温度(55～70 ℃)。糊化温度越高,蒸煮的时间越长,最终会影响稻米的食味品质和外观品质。聚合度(degree of polymerization,DP)为6～12的支链淀粉A链(Ap-A)与聚合度为13～24的B1链(Ap-B1)的比率增加,可能会导致降低糊化温度和硬度,并且提高熟米饭的黏性,从而产生更好的米质和烹饪性能[8-10]。所以,一般认为中等糊化温度对稻米的食味品质和外观品质影响最小,最适合煮饭[11]。稻米淀粉经过稀碱糊化后成为米胶,米胶在水平放置的试管中冷却一段时间后,会延伸到一定长度,此时测量的米胶长度即为胶稠度。它是衡量米饭软硬的评判标准之一,一般认为胶稠度高的米质较软,胶稠度低的米质相对较硬[12]。RVA是指快速黏度分析仪,适用于测定淀粉的基本特性,主要包括峰值黏度(peak viscosity,PKV)、峰值时间(peak time,PeT)、热浆黏度(hot paste viscosity,HPV)、冷胶黏度(cool paste viscosity,CPV)和起浆温度(pasting temperature,PaT)等特征值。特征值相减后即可获得二级数据崩解值(breakdown value,BDV)、消减值(setback value,SBV)、回复值(consistence value,CSV)[13]。因此,饭粒完整且有香味、米质软且不黏结、适口性好且易消化的稻米才能称为优质米[14]。

稻米的营养品质主要包括蛋白质、脂肪、淀粉、维生素和对人体有益的微量元素等,主要以糙米的粗蛋白质含量作为评价营养品质的指标。由于稻米中的赖氨酸和苏氨酸微量元素含量极为丰富,且稻米中的各种氨基酸的比值都是非常接近人体需要的,因此其生物价值较高。但稻米中的蛋白质含量会受到很多内外因素的影响、包括其自身遗传因子的影响,生态环境因素的影响、田间栽培技术和管理方式的影响[15]。其中对稻米营养品质影响的最大因素是高温[16]。如果在水稻孕穗、开花和灌浆的时期遭受高温、低温、缺水或者降水过多等极端条件影响,将会对稻米品质和产量造成极大的影响[17]。

2 稻米品质性状相关基因的定位与克隆

2.1 碾磨品质的相关QTL定位从遗传学上讲,稻米碾磨品质由母体二倍体基因型、三倍体胚乳基因型和细胞质基因组控制,因此水稻碾磨品质的遗传基础十分复杂。目前,只精细定位了影响水稻碾磨品质的qBRR-10基因。Ren等[18]利用台中1号(TN1)与春江06(CJ06)杂交获得双单倍体群体,研究了影响BRR的碾磨和外观性状的遗传基础。之后利用构建的分子连锁图谱,在第1、8、9和10染色体上分别检测到了BRR的4个QTL。在qBRR-10位点建立了染色体片段代换系,最终qBRR-10被缩小到10号染色体上39.5 kb的区域,在该区域有2个候选基因LOC-Os10g32124和LOC-Os10g32190,它们在TN1和CJ06差异表达,这有助于qBRR-10基因的进一步克隆。qBRR-10的克隆和遗传机理研究将有助于提高BRR,进而提高水稻产量和稻米碾磨品质。其他对水稻碾磨品质的遗传研究还依旧停留在QTL层面。周海平等[19]通过双向导入系和重组自交系的方法共定位到了29个影响稻米碾磨品质的主效QTL。Qiu等[20]利用272份籼稻种质资源在5个环境下定位到16个影响水稻加工品质的主效QTL。Nelson等[21]构建2套重组自交系共定位到6个影响整精米率的主效QTL。胡霞等[22]在南宁和三亚环境下定位到了qMR5、qMR6a、qHR1和qHR5b等影响糙米率、精米率和整精米率的QTL。

2.2 稻米外观品质的相关基因粒型是水稻外观品质最重要的性状之一,加上水稻产量也受稻米粒型的影响,因此其相关基因的定位与克隆也备受育种家的关注[23]。粒长、粒宽、粒厚和长宽比是控制稻米粒型最主要的4个方面。近年来,国内外的研究发现,水稻稻米粒型会受到多个基因的调控且存在加性效应,其中粒长的遗传中加性效应最明显[24]。在粒宽的遗传中,也存在加性效应,同时还受显性效应、单基因、多基因和主效基因的控制,表现出细胞质效应[25]。芮重庆等[26]研究发现,水稻粒厚主要受多基因控制且遗传受环境影响比较大,母性效应和加性效应较显著。徐辰武等[27]认为长宽比的遗传表达对稻米的外观品质有着很大的影响,适中的长宽比是优质稻米的表现之一,且长宽比主要以母体加性效应为主。

粒型的研究已成为水稻遗传学家和育种家的研究热点。目前,已在水稻12条染色体上定位了400多个与粒型相关的数量性状位点,克隆了80多个粒型相关的基因,而在育种实践中有利用价值的基因主要包括控制粒长性状的GS3、qGL3、GW7/GL7、DEP1/qPE9等基因[28-32],控制粒宽性状的GW2、GW5/qSW5、GS5等基因[33-35],以及GS6、TGW6、GW8/OsSPL16、BG2、GW6a/Os-glHAT1、OsGRF4/GS2/GL2等粒型基因[36-41]。

目前鉴定和克隆最多的是水稻粒长基因,GS3编码一个非标准Gγ亚基,是水稻中首个被克隆的粒长和粒重的QTL,该基因负调控粒长和粒重[42]。Mao等[28]研究发现,GS3编码蛋白质的OSR结构域可以负向调节水稻籽粒的长度,导致短粒表型。另一类对粒长起调节作用的是qGL3,其编码蛋白磷酸酶,在AVLDT基序中,由天冬氨酸向谷氨酸的转变而导致长粒表型。GW7可以编码TONNEAY 1,籽粒的长度和宽度与其基因表达量分别呈正负相关关系。GL7基因导致籽粒长度的增加和外观品质的改善的原因是因为其位点上一个17.1 kb片段的串联重复导致GL7的上调及其附近负调控因子的下调。由于GW7和GL7位于同一基因位点,因此GW7/GL7可以共同调节粒长性状[30-31]。DEP1/qPE9编码另一个非标准Gγ亚基,是水稻穗型和粒型的主要QTL[43-44]。DEP1/qPE9-1主要通过促进淀粉生物合成相关基因的表达来积极调节淀粉积累,从而延长灌浆过程的持续时间,最终影响粒型[43]。除GS3和DEP1外,G蛋白γ亚基还包括RGG1、RGG2和GGC2。籽粒长度由GGC2正向调节,由RGG1和RGG2负向调节[45-49]。有报道称RGG1参与调节细胞分裂素含量,从而形成G蛋白细胞分裂素模块来控制水稻粒型[50]。此外,遗传分析表明,这些Gγ蛋白需要Gα(RGA1)和Gβ(RGB1)亚基来控制粒长[49]。最近的2项研究表明,UPP介导的籽粒尺寸调节涉及新的调节因子。一种是水稻3号染色体上DA1的同源物(HDR3),另一种是泛素相互作用基序(UIM)型活性泛素受体,可以与GW6a相互作用并稳定GW6a,以减缓其降解,从而促进细胞分裂并提高籽粒灌浆速率,最终正向调节粒长[51]。CLG1-1是一种E3泛素连接酶,可以泛素化和介导GS3的降解,从而改变G蛋白信号传导和调节粒长[52]。

GW2是一个控制水稻粒宽和粒重的主效QTL,Choi等[53]研究发现,GW2主要对籽粒大小起负调节的作用。Lee等[54]研究发现,GW2可以调控籽粒大小的原因是因为它与参与碳水化合物代谢的蛋白质直接相互作用。Tian等[55]研究发现,GW5可以负向调节籽粒的大小。GS5位于第五号染色体,是一个控制粒宽、粒重和结实率的QTL,它可以促进细胞分裂,从而通过影响细胞大小和数目来调节籽粒粒宽[56]。

垩白是一种不良的性状,垩白度较高的稻米不仅外观品质差,而且也会影响稻米的食味品质。目前已经鉴定了大量与垩白相关的QTL和基因,主要包括:cyPPDK、G1F1、OsRab5a、Chalk5、PGC6.1、GSE5。Tan等[57]发现,定位于第5号染色体上的腹白和垩白率的共同座位RG360-C734a的贡献率较大,他们发现控制垩白的位点可能存在23个,贡献率在4.9%～87.2%。Kang等[58]克隆了cyPPDK,该基因会影响稻米籽粒胚乳灌浆,进而改变籽粒的垩白度。Wang等[59]克隆了G1F1,该基因突变时会提高籽粒的垩白度,且会降低该基因突变后的水稻籽粒的直链淀粉含量。Han等[60]克隆了OsRab5a,该基因功能丧失会阻碍水稻籽粒的淀粉体的形成等,从而影响籽粒的垩白度。Li等[61]从2个籼稻品种H94(低垩白度和优质)和珍汕97(高垩白度和优质)之间的杂交中培育了1个双单倍体群体。利用该群体在5号染色体上的两个分子标记RM593和RM574之间的区间内精细定位到了1个主要的稻米垩白QTLChalk5,其编码液泡型H(+)-转运焦磷酸酶,具有无机焦磷酸酶水解和H(+)-转运活性,提高该基因表达将会使稻米胚乳中垩白增加。Misra等[62]通过全基因组关联研究发现PGC6.1是一个影响低直链淀粉品种垩白度降低的QTL。GSE5为粒长显性基因、粒宽和垩白半显性基因,通过分子标记辅助选择,将与GSE5密切相关的DNA片段导入到珍汕97B(ZB)中,得到改良后的珍汕97B的垩白度较低[63]。

2.3 蒸煮与食味品质的相关基因稻米的主要成分就是淀粉,它是一种半晶体颗粒,由两种葡萄糖聚合物、直链淀粉、支链淀粉以及支链淀粉的精细结构组成,可以说稻米品质本质上是由淀粉品质决定的。

蜡质基因(Wx基因)是控制AC的主效QTL,它位于水稻的第六号染色体上,编码GBSSI催化合成直链淀粉。目前已报道了Wx的多个复等位基因,包括wx、Wxa、Wxb、Wxop、Wxin、Wxmp、Wxhp和Wxmq等[64-70]。其中,Wxa控制高AC的形成,一般AC>25%;Wxb控制下的稻米AC一般为15%～18%;含Wxin等位型的稻米AC一般为18%～22%;含Wxop和Wxmq等位型的水稻胚乳表现为不透明,AC一般<10%;而含Wxmp和Wxhp等位型的稻米AC一般也<10%。Zhang等[71]发现,Wxlv是Wx的祖先等位型,该等位型的水稻的直链淀粉含量最高。Wxla/Wxmv可以用来改良出外观品质好且直链淀粉含量低的水稻新品种[72-73]。支链淀粉的合成由淀粉合成酶(soluble starch synthase,SS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)、淀粉脱支酶(debranching enzyme,DBE)等多种酶相互协作完成。其中SS主要负责支链淀粉链的延伸[74]。水稻共有8种同工型,包括SSI、SSII-1(SSIIc)、SSII-2(SSIIb)、SSII-3(SSIIa)、SSIII-1(SSIIIb)、SSIII-2(SSIIIa)、SSIV-1(SSIVa)、SSIV-2(SSIVb)[75]。在水稻胚乳中占胚乳SS总酶活90%的SSI、SSII-2和SSII-3是SS中的最主要研究对象,三者之间的氨基酸序列同源性大于50%,共享同一基序KXGGL,该基序构成SSII的ADPG结合位点的一部分[76]。SSI约占SS胚乳总酶活的70%,主要负责支链淀粉短链(DP<12)的合成[77]。SSII-3也是定位于水稻的第六号染色体上。SSII-3中的关键氨基酸变异会影响其酶活性并导致糊化温度的差异,加上其主要负责延伸支链淀粉的短支链(DP≤12),合成中等长度的支链(12≤DP≤24)[78],因此是控制糊化温度(GT)的主效QTL。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。Tian等[79]研究得出,胶稠度主要由与Wx紧密连锁的1个基因以及第2、第7染色体上的QTL共同控制[80-81]。

香稻在市场上普遍受到消费者的欢迎,因此香味是衡量稻米食味品质好坏的主要性状之一。从19世纪开始,研究者们就致力于对于香味基因的定位工作。He等[82]发现,控制水稻香味性状的主基因(fgr)可以调控水稻香味主要成分2-乙酰-1-吡咯啉(2AP)的产生。之后Ziegler等[83]通过精细定位将香味基因定位在水稻第8号染色体的20 175 367～20 386 172 bp大约252 kb的区域内。后来,Chen等[84]克隆了BADH2基因,该基因表达量降低,会导致水稻体内2-乙酰-1-吡咯啉的积累而产生香味。BADH2-E7和BADH2-E2是BADH2的2个等位基因,其突变后使得水稻籽粒产生香味[85]。经过多年的研究发现,香味品质性状属于质量-数量性状遗传,其除了受2对独立遗传的隐性基因控制外,还会受到微效多基因的调控[86]。Kovach等[87]研究发现,Badh2香味基因有8种隐性等位基因,且Badh2.1是香稻中普遍存在的优势等位基因。

2.4 营养品质的相关基因水稻的营养品质主要受到自身遗传因子的影响,另外环境条件、田间栽培措施和管理方式以及其他人为等因素也会影响水稻的营养品质。稻米中营养品质最重要的蛋白质含量受多基因的调控,温度、降水等环境因素对稻米的蛋白质含量影响极大[88]。楠谷彰人[89]在蛋白质的QTL定位和克隆研究中发现储藏蛋白与稻米品质密切相关。研究表明,参与调控种子储藏蛋白的含量的转录因子有OsRISBZ1和OsRPBF[90];水稻中已鉴定了至少15个编码谷蛋白的结构基因,其与编码稻米品质的基因相关[91]。Wang等[92]研究发现,OsRab5a突变后会影响谷蛋白从高尔基体向蛋白体的转运,进而影响稻米的营养品质。谷蛋白和球蛋白的运输受OsSar1a、OsSar1b和OsSar1c共同调控,其突变后籽粒表现出相同的粉质表型[93]。此外,Peng等[94]在研究中发现,OsAPP6过量表达能够促进蛋白质的合成,最终提高水稻的营养品质。

另外,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[95]发现,所有游离氨基酸和蛋白质的含量会受到单个氨基酸含量的影响。Lu等[96]研究发现,过表达OsAAP3基因的株系中赖氨酸、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Wang等[97]又发现过表达OsAAP5基因的株系中赖氨酸、精氨酸、缬氨酸、丙氨酸的转运和积累量均高于野生型。OsAAP1、OsAAP6、OsAAP10 等基因在幼穗中表达,它们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。研究发现,在过表达OsAAP1基因的株系中自由氨基酸含量增加,而RNAi和 CRISPR敲除株系的自由氨基酸含量反而下降[98]。转qPC1/OsAAP6基因的阳性植株中丙氨酸、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植株则降低[94]。OsAAP10的基因功能缺失会导致氨基酸含量显著下降[99]。Guo等[100]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。

3 展望

我国有14亿人口,粮食安全问题是国之大计。我国育种家们致力于育成单产量较高的水稻品种,在一代又一代的育种家们不懈的努力下,水稻产量不断提高,温饱问题已经不需担心,对于稻米品质的要求越来越高。不久的将来,人们会更青睐放心健康的优质稻米。因此,选育出人民满意的、愿意消费的、吃着放心、健康的优质高产稻米品种已经成为育种家们的奋斗目标。

虽然现在已经定位和克隆了很多与稻米品质相关的基因,并且对其功能进行了深入的研究,但依旧存在很多问题。还有很多其他对稻米品质有影响的基因没有被发现;基因与基因之间的互作机制还有待明晰;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;对淀粉合成的遗传调控机制还需完善;高产和优质常常会相互矛盾,需通过将分子育种与常规育种相结合的方式来平衡品质和产量的关系;改良的品种往往抗性也需提高;另外品种改良推进慢、科学种植水平低、收获储藏不规范、质量标准执行难、竞争秩序乱也是阻碍稻米品质改良的因素。

尽管稻米品质改良面临诸多问题,但随着社会经济的快速发展、科学技术的不断进步、国家政策的大力支持以及一代又一代的育种家们坚持不懈的努力,将会有更多的稻米品质相关基因被发现、更多优质高产的水稻品种被选育。