稻米品质遗传改良现状及展望

陈宏法，胡时开，唐绍清，胡培松

中国水稻研究所国家水稻改良中心，浙江 杭州 311401

水稻是世界上主要粮食作物之一，是中国确保“口粮绝对安全”的重要基础。高产稳产是过去、现在和未来水稻品种培育中永恒的主题，在确保粮食安全前提下，如何在品种选育中兼顾高产和优质特性，是现阶段育种家重点关注的方向。稻米品质内涵随着水稻育种技术不断发展和市场需求的变化而不断丰富，现阶段品质性状主要包括外观品质、加工品质、食味品质、营养品质、安全品质等，是受遗传与环境因素共同调控的复杂性状。长期以来，我国水稻育种及品种审定过程中以高产、抗病虫等重要农艺性状为目标导向，导致稻米品质相关研究相对滞后。外观品质在过去高产品种中被部分育种家所兼顾，但食味品质、营养安全品质等性状因鉴定方法等限制，未被高效地推进。对消费者而言，优质大米最直观的体现是大米外观品质和食味品质，也是当前决定稻米市场价值的主要因素。目前，市场上长粒香型优质食味大米需求不断增加，其价格往往比普通大米价格高出几倍。加工品质是大米生产加工企业最看重的品质之一，品种的出米率(精米率)直接决定了企业效益。因此，在高产稳产的同时，要不断提升稻米的综合品质，以支撑稻米产业的高质量发展。

为此，笔者综述了稻米品质研究进展和遗传改良现状，对分子标记辅助选择、基因编辑技术在稻米品质改良中的应用进行了总结，对稻米品质未来研究方向进行了展望，以期为稻米品质遗传改良以及优质稻品种培育提供参考。

1 稻米品质的遗传

1.1 稻米外观品质遗传

稻米外观品质是稻米品质最直观的体现，是决定稻米价格和用途的重要因素。稻米外观品质与稻米其他品质性状如加工、蒸煮食味等密切相关［1-2］。在我国南方地区，米粒细长、无垩白、透明度高的稻米往往更易得到消费者的认可，而北方地区一般喜欢短圆粒、无垩白、透明度高的稻米。稻米粒型主要由粒型相关基因决定，在水稻中已克隆出几十个粒型基因，在12条染色体上均有分布［3］。目前已发现的粒型基因涉及到的调控途径主要有G-蛋白信号途径、MAPK信号途径、泛素蛋白酶途径、激素途径以及表观修饰作用。每种途径调控方式并不是独立存在的，而是存在一定相互作用。如异三聚体G蛋白α亚基基因D1，该基因突变后会导致植株矮小并且伴随籽粒变小，但同时表现为对油菜素内酯(BR)处理敏感度降低，表明该途径调控籽粒大小也与BR信号传导有关［4］。Epi-d1突变体表现为不稳定的矮秆小粒，后续通过研究发现该性状是由于D1基因发生表观修饰引起，并且这种表观修饰是双向可变的［5］。

在众多已克隆的粒型基因中有部分基因存在一因多效性，并不能特异调控籽粒大小。如参与BR合成和信号转导的D2、D61、SDG725、SMG1、OsBSK3、XIAO等，这些基因的突变在导致籽粒变小的同时，也会导致株型的较大改变。因此，上述基因很难在育种中直接发挥改良作用［6-16］。目前在育种过程中可潜在利用的基因主要为GS3、GL3.1、GL7/GW7、GW2、GW5等［17-25］。GS3是控制水稻粒重和粒长的主效QTL，为调控籽粒粒长的负调控因子，其编码异三聚体G蛋白γ亚基，研究人员通过利用大粒品种‘明恢63’和小粒亲本‘川7’进行连续回交，利用近等基因系，最终定位到GS3基因。GS3基因包含4个结构域，分别是N 端的OSR结构域、跨膜区、TNFR/NGFR富半胱氨酸结构域和C端的VWFC结构域。OSR结构是GS3发挥功能最重要的区域，该位置的突变会导致形成较长的籽粒。C端VWFC功能域的缺失则会导致极短籽粒的形成，其他部位的缺失则会产生中长粒的表型。在‘明恢63’中正是因为第二外显子的突变导致翻译提前终止，破坏了OSR结构域从而使其表现为长粒型［17-18］。后续研究发现GS3与DEP1或GGC2竞争性结合G蛋白β亚基RGB1和α亚基RGA1，从而缩短粒长［19］。GL3.1是控制粒长、粒重和产量的一个主效QTL位点，编码一个属于PPKL家族的丝氨酸/苏氨酸磷酸酶，大粒品种中WY3-GL3.1通过对籽粒中蛋白质进行磷酸化从而加速小穗中细胞分裂使籽粒变长，粒重加大［20］。GL7/GW7控制粒长和粒宽的基因，研究人员利用籼稻细长粒品种‘P13’和‘日本晴’构建F2群体，其中GL7/GW7就在控制籽粒粒长的5个主效QTL中，GL7/GW7编码与拟南芥同源的LONGIFOLIA蛋白，该蛋白可以调控细胞纵向伸长。‘日本晴’背景的近等基因系籽粒也表现为较‘日本晴’细长。同时分别在粳稻品种‘日本晴’和籼稻品种‘浙辐802’中过表达GL7/GW7，在‘日本晴’2个独立过表达系中籽粒粒长增加幅度约为10%，而‘浙辐802’中籽粒粒长增加达21%［21］。GW2基因与拟南芥中DA2同源，主要调控籽粒粒宽。GW2主要通过蛋白酶体对其底物进行降解，从而负调控细胞分裂，该基因突变后导致颖壳外侧细胞数目的增加，并且有加速灌浆的作用，从而使籽粒粒宽增加，粒重增大［22-23］。GW5编码钙调素结合蛋白，是一个控制粒宽和粒重的主效基因，对粒宽有负调控作用，在自然品种中并不是由于其编码区发生变化从而影响籽粒粒宽，而是由于不同品种启动子区域存在多态造成的结果。大多数粳稻在其启动子包含1.2 kb InDel 使其表现为宽粒表型，而少数的宽粒籼稻启动子存在2个突变分别是950 bp的缺失和367 bp的插入，同时GW5基因的第一个外显子有G到A的替换，而在窄粒籼稻中并不存在序列的缺失和变化［24-25］。随着分子生物学技术的不断突破，相信未来科研工作者们定会挖掘出更多新的粒型相关基因及优异等位变异，为稻米粒型改良提供宝贵的基因资源。

稻米外观品质受垩白程度的影响，垩白粒率和垩白度较高的稻米外观品质差，很难具有较高的商品价值。由于垩白在稻米中存在的位置不同，将带有垩白的稻米分为腹白、心白、背白、粉质等［26］。垩白遗传机制十分复杂，不但受胚乳效应和母体效应的影响，还可能受细胞质效应甚至细胞质基因型的影响［27］。当前针对垩白机理的研究主要通过QTL群体定位，以及图位克隆来进行。LI等［28］通过V20A×Glaberrima BC3F1群体在12号染色体上定位到qPGWC-12，该位点在RM5568-RM453之间，对垩白度具有较大的贡献率。YANG等［29］利用单片段代换系鉴定出qPGC8.1和qPGC8.2且这2个位点不受高温影响。ZHOU等［30］使用‘培矮64’和‘9311’的染色体片段代换系C51与‘9311’回交，通过构建次级分离群体，将qPGWC-7精细定位到44 kb的区间，区域内包含13个基因。SUN等［31］利用‘ZS97’背景的‘日本晴’染色体代换系以垩白度和垩白粒率进行定位，结果定到10个数量性状位点区域，其中8号染色体上的垩白粒率位点qPGC8-2解释了垩白粒率3.3%的变异。Chalk5基因是最先被克隆的垩白基因，其编码一个H+易位焦磷酸酶(V-PPase)，该酶具有无机焦磷酸酶(PPi)水解和H+易位活性。当其表达量升高时会引起内膜系统pH的稳态紊乱，导致蛋白前提生物合成受到影响，从而导致籽粒中淀粉粒排列不紧密形成空隙［32］。粉质是垩白的极端体现，是研究稻米垩白性状的重要材料。目前已克隆出一系列FLO类基因。FLO2基因在发育的种子中大量表达，通过调控籽粒中的贮藏物质积累从而影响籽粒大小和稻米品质，该基因突变后籽粒变小，严重粉质［33］。丙酮酸磷酸双激酶基因OsPPDKB位于5号染色体上，是水稻灌浆过程中，淀粉和脂肪生物合成时碳流通的重要调节因子，其T-DNA插入突变体籽粒表现为内部粉质心白而外部胚乳透明的状况，并且伴随籽粒粒重下降［34］。flo5突变体是由可溶性淀粉合酶Ⅲ基因(OsSSIIIa)突变后引起的，该酶在水稻淀粉合成中扮演重要角色，突变后导致支链淀粉链长分布发生变化，淀粉颗粒变小，籽粒中心粉质或全部粉质［35］。

1.2 稻米蒸煮食味品质遗传

食味品质是稻米品质的最重要组成部分，是体现稻米市场价值的重要指标之一。由于淀粉在稻米中占比最多，因此稻米食味蒸煮品质与淀粉的组成及结构关系密切。通常人们对米饭的感官评鉴会夹带个人的主观感受，为此国家制定了相关的稻米理化性质评价标准，以直链淀粉含量(amylose content，AC)、胶稠度(gel consistency，GC)、糊化温度(gelatinization temperature，GT)作为3个经典的评价指标［36］，其中AC是影响稻米食味品质的最主要因素［37］。

Wx是直链淀粉合成的主要基因并编码GBSS1，携带不同Wx等位基因型的品种一般具有不同的直链淀粉含量。截至目前在自然界中至少有10种Wx等位基因型已被报道［38］。Wxa是一种高直链淀粉的等位基因型，一般存在籼稻中，其直链淀粉含量一般高于25%，最高可到30%以上。在Wxa等位基因型的基础上第一内含子5’UTR第一个碱基由G变为T，导致Wx基因3.3 kb RNA前体剪切效率降低，减少了GBSSI的含量，从而减少了直链淀粉的合成，含有Wxa等位基因型的水稻品种一般米饭食味口感偏硬。Wxb的等位基因直链淀粉含量在一般在18%到20%之间，为中等直链淀粉含量。除了以上常见的Wx等位基因型外，还有一些稀有的等位基因型存在，这些稀有的等位基因型存在极大地丰富了稻米直链淀粉含量的分布，造就了不同口感的稻米品种［38］。Wx的等位基因还有Wxin、Wxop、Wxhp、Wxmq、Wxmp、Wxmw、Wxlv［39-44］等。近些年针对Wx的不同等位基因进行了细致的工作，发现存在地方品种的Wxmw直链淀粉含量在12%～14%之间，其食味品质与Wxmp相仿，但Wxmw的稻米外观更加透明、更好［43］。此外还发现了高直链淀粉、低粘滞性的Wx等位基因Wxlv，并且通过进化分析发现，该等位基因是Wx的祖先基因，其他等位基因都是在此基因型基础上进化过来［44］。

胶稠度是指米糊在水平光滑试管中自由流淌，待冷却凝固后管底到最大延伸处的距离。代表了稻米的软硬程度，一般分为3个级别，分别是软(>60 mm)、中(41～60 mm)、硬(<40 mm)。SU等［45］利用DH群体在在6号染色体上鉴定了一个影响胶稠度的主效QTL(qGC-6)，最后精细定位到11 kb的区间里，序列分析和互补实验均证明该位点所在基因为Wx，该结果证实Wx不仅影响稻米直链淀粉含量，还对胶稠度的长短有较大的贡献效应。

糊化温度是稻米淀粉在加热条件下溶胀、失去结晶性形成均匀糊状溶液的温度。研究发现ALK是控制糊化温度的主效基因，编码淀粉合酶Ⅱ(OsSSⅡa)。当ALK突变后，淀粉合成酶活性发生变化，通过影响支链淀粉的中等长度分支链的合成，导致淀粉晶体结构改变，最终表现为糊化温度发生改变［46］。酵母双杂实验印证了SSⅡa与SSⅢa存在互作关系，两者的双突植株表现为更严重的垩白表型，同时伴随着糊化温度升高、直链淀粉含量增加、粘度降低等现象［47］。环境因素特别是灌浆期的温度，可以影响SSⅡa基因的表达，进而影响支链淀粉链长分布。

除AC、GC和GT对稻米食味品质的影响，稻米香味的有无也会影响稻米的食味品质。1983年BUTTERY首次发现2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)是形成香味的最重要化合物［48］，已有研究发现BADH2是控制稻米香味的主效基因，其发挥正常功能时可以将γ-氨基丁醛(GABald)转化为γ-氨基丁酸(GABA)，而当BADH2基因功能缺失后γ-氨基丁醛主要转化为2-AP的前体物质，从而导致香味的形成或增加。

1.3 稻米加工品质遗传

稻米的加工品质是指稻谷从收获到最终在市场面向消费者所经历的去壳、除糙、抛光等一系列过程。稻米加工品质相关性状主要包括糙米率、精米率以及整精米率。针对稻米加工品质的研究目前基本上都是基于群体的QTL定位。在21世纪初期，TAN等［49］利用‘珍汕97B’和‘明恢63’构建的重组自交系进行QTL定位，分别定位到了1个整精米率、2个精米率和1个糙米率的位点。梅捍卫等［50］利用‘特青’和‘Lemont’的重组自交系进行分析，发现1个位于第12号染色体上控制精米率的位点，4个分别位于第2、4、6、7染色体影响整精米率的位点。刘家富等［51］使用120个元江野生稻渗入系定位到3个糙米率位点，以及1个整精米率的位点。其中，整精米率的位点qPHR1与糙米率位点qPBR1在同一区域，整精米率位点的贡献率13% 左右，效应方来自元江野生稻。翁建峰等［52］通过‘Asominori’和‘IR24’的片段代换系，在4个环境下共检测到30个与稻米加工品质相关的QTL，其中糙米率相关位点10个，精米率相关位点14个，整精米率相关位点6个，其中qHR-3位点与TAN在3号染色体的整精米率位点一致，qMR-6与qMR-8在4个环境中均可以被检测出来。前面提到控制垩白主效基因Chalk5也与稻米整精米率相关，由于淀粉粒排列不紧密，从而造成米粒硬度下降，使用机器对稻米打磨时易造成米粒断裂，从而导致整精米率降低，一些垩白度高和垩白粒率多的稻米也会出现相似的情况。

1.4 稻米营养安全品质遗传

水稻作为人们日常的主食，除了可以为人类提供充足碳水化合物外，还包括蛋白质、脂类、氨基酸、矿物质等。蛋白质是种子中第二大贮藏物质，约占种子干重的8%～10%。根据功能不同，可以将稻米胚乳中的蛋白质分成2类。第1类是维持细胞正常代谢的贮藏蛋白，第2类是储藏物质的结构蛋白［53］。稻米中蛋白质主要为贮藏蛋白，结构蛋白总量极少。生产上所指的蛋白质一般是贮藏蛋白。贮藏蛋白包括谷蛋白、醇溶蛋白、清蛋白和球蛋白，在精米中谷蛋白的含量最高，谷蛋白中赖氨酸含量丰富，易被人体吸收，具有较高的营养价值［54］。优良食味水稻品种通常具有较低的蛋白含量［55］。低蛋白稻米因其具有特殊的功效而受到特殊人群的喜爱，对于糖尿病和肾病患者，食用低蛋白稻米，可以减少其肾脏负担，达到医疗保健效果［56-57］。

目前已经克隆出一批与稻米蛋白含量相关的基因。PENG等［58］首先通过粳稻品种‘Nanyangzhan’和籼稻品种‘珍汕 97’的190份重组自交系，鉴定到了一个与蛋白含量相关的主效QTL并命名为qPC1，随后对其精细定位发现该位点对应OsAAP6基因。OsAAP6能够正向调控籽粒中的蛋白含量，可以通过增强根系对氨基酸的吸收，从而提高稻米蛋白含量。WANG等［59］获得了一个水稻谷蛋白突变体，该突变体表现为具有更多的57 ku谷蛋白前体积累，随后对其定位发现该基因编码一个半胱氨酸蛋白酶，并将其命名为OsVPE1。该基因第269位半胱氨酸变为甘氨酸从而导致酶活丧失，导致蛋白加工成熟过程异常，最终导致成熟蛋白降低。YANG等［60］通过‘Sasanishiki’和‘Habataki’的片段代换系SL431与‘Sasanishiki’杂交，最后成功定位到OsGluA2基因，发现OsGluA2可以正向调节籽粒中贮藏蛋白含量，尤其是谷蛋白含量。并且启动子区域的一个SNP影响了OsGluA2基因的表达，可以较好地解释籼粳之间贮藏蛋白含量的差异。除此以外OsSar1、GZF1、GPA3、OsRab5a、OsNHX5等发生突变都会对籽粒中蛋白含量造成一定影响［61-65］。通过调控影响种子中贮藏蛋白含量的基因来改良稻米营养品质成为越来越有效的方法，此外，稻米蛋白含量与稻米食味品质或口感存在一定相关性。

稻米主要成分为淀粉，其内部脂肪酸含量较少且分布不均。脂肪酸在胚乳中虽然占比不高，但对稻米的食味同样具有较大影响。适度的提高稻米中脂肪酸的含量有利于提高米粒的光泽程度与米饭口感，并且稻米中的脂肪酸多为不饱和脂肪酸，具有良好的营养保健功能［66-68］。 KANG等［69］通过‘Milyan923’与‘Gihibyeo’的重组自交系群体报道了一个位于7号染色体的控制粗脂肪的QTL位点。随后吴长明等［70］利用‘Asominori’和‘IR24’的重组自交系检测到一个位于10号染色体的控制粗脂肪的位点，该位点贡献率为19%，且等位基因效应来自‘Asominori’。于永红等［71］利用‘密阳46’与‘协青早B’的重组自交系群体检测到qLc-3、qLc-5、qLc-6和qLc-8共4个控制脂肪含量的QTL位点，分别位于3、5、6、8号染色体上，其中qLc-5的效应最大，贡献率达12.0%。目前针对稻米脂质的QTL定位多处于粗定位或功能标记开发阶段，这可能是由于稻米脂肪酸含量较低和检测方法效率不高所导致，也为脂肪酸功能基因的挖掘工作增添了一定难度。当前已经克隆的水稻脂类合成基因主要为脂肪酸去饱和酶(FAD)类、参与超长链脂肪酸(VLCFA)合成酶类以及脂肪酸代谢过程中的关键酶［72-78］。在水稻中OsFAD3是第一个被克隆的与脂肪酸合成相关的基因，它编码ω-3脂肪酸去饱和酶可以催化亚油酸向α-亚麻酸转化，同时其表达水平受低温诱导［72］。随后LIU等［73］通过用胚乳特异启动子GluC和Ubi-1启动子驱动FAD3基因籽粒中高表达使种子中α-亚麻酸由0.36 mg/g提升到 10.06 mg/g，再次证明了该基因的功能并成功创制了高α-亚麻酸稻米。

稻米中适量有益矿质元素也是稻米营养品质的重要体现。矿质元素在体内需求量不高，但却是人体构成不可或缺的部分。有研究指出人体所需的矿质元素至少有22种，然而这些元素并不能在人体合成而是要通过合理膳食来获取［79］。例如，Fe是人体内含量最高的微量元素，参与血红蛋白的形成促进造血，人体缺铁不但会造成贫血还会增加母婴死亡率，降低婴儿智力发育［80］。锌是人体必需的微量元素，是人体多种生物酶的活性基团，在体内起到极其重要的生理功能［81］。硒具有预防心血管疾病、防止衰老、抗癌，解除人体重金属毒性等功效［82］。水稻中已有大量和籽粒中铁、锌、硒含量相关的QTL被鉴定出来［83-84］，CALAYUGAN等［83］通过利用IR05F102与 IR69428双单倍体群体鉴定出了6个和离子含量相关的QTL位点，其中2个和铁含量相关的位点qFe9.1和qFe12.1分别在6号和12号染色体上，来源于亲本‘IR69428’。4个和锌含量相关的位点qZn1.1、qZn5.1、qZn9.1、qZn12.1，分别位于1、5、9和12号染色体上，其中，qZn12.1的效应最高，解释15.26%的表型变异。NORTON等［84］通过‘Bala’和‘Azucena’重组自交系群体，当以叶片为检测组织时候可定位到3个铁元素相关的位点，qFe1、qFe3、qFe6；1个锌元素相关位点，qZn7；2个硒元素相关位点，qSe3和qSe7。而以籽粒为检测组织时可检测到与铁元素相关的4个位点：qFe1、qFe3、qFe4、qFe7；锌元素相关的4个位点：qZn6、qZn7、qZn10.1、qZn10.2；硒元素相关的6个位点：qSe1.1、qSe1.2、qSe3、qSe6、qSe7、qSe9。其中qFe1、qFe3、qZn7、qSe3、qSe7位点在2种组织部位中均可以检测到。这些QTL的定位说明矿物质元素在水稻品种内存在一定的遗传差异，为后续的生物强化育种提供重要理论支撑与材料基础。

相关研究已明确了部分影响种子中铁含量的基因［85-87］。OsYSL15基因在缺铁的情况下表达量增加，可将Fe3+的复合物吸附到根的外侧细胞中。osysl15表现为种子中铁含量下降，过表达则会导致种子中铁含量增加［85-86］。烟草胺是一种重要的金属螯合剂，由3个S-腺苷甲硫氨酸分子通过烟草胺合酶合成。在拟南芥中4个烟草胺合酶基因已被证明对铁的分布存在作用。水稻中有3个基因编码烟草胺合酶基因，分别是OsNAS1，OsNAS2和OsNAS3。其中，已有实验表明OsNAS3突变后会导致剑叶和种子中的铁含量降低，过表达则表现出相反的结果［87-89］。水稻铁转运蛋白家族基因OsVIT1 和OsVIT2可以将铁储存在剑叶的液泡中，减少铁元素通过韧皮部向种子中转移。敲除突变体表现为液泡中铁含量降低，种子中铁含量增加［90］。此外，OsYSL2、OsYSL9、OsHRZ1、OsHRZ2、OsIRT1、OsFRDL1、OsVMT/OsZIFL12等均直接或间接对籽粒中铁含量具有调控作用［91-96］。在关注籽粒中有益矿物质元素积累的同时，也要警惕稻米中重金属元素的富集。稻米中砷、镉、铅、汞元素的超标已成为威胁粮食安全的又一大课题，如何培育出健康安全营养的稻米成为科学家和育种工作者追寻的新目标。OsNRAMP5基因是目前水稻镉吸收的最主效基因，当其发生突变时会降低镉元素进入植株体内，导致籽粒中镉含量的极显著降低，且不影响农艺性状［97-98］。OsASTOL1基因的第566位碱基G突变为A导致丝氨酸突变为天冬酰胺从而使植物增强对硫、硒的同化，同时减少砷在稻米中的积累［99］。

2 环境因素对稻米品质的影响

稻米品质的形成是一个复杂的过程，是品种遗传特性、环境生态条件、栽培技术等共同作用的结果，是基因与环境共同作用的结果。

2.1 温度

温度对稻米品质影响主要在稻米品质形成的关键时期即抽穗至灌浆期间。沈泓等［100］通过对稻米灌浆期不同时段高温对稻米淀粉理化特性的影响分析，发现灌浆前段高温(齐穗1～15 d)对稻米淀粉的损害程度大于灌浆后段，会导致糙米率、精米率、整精米率显著性下降，垩白粒率和垩白度显著升高，加工品质和外观品质变差，食味品质明显下降。朱碧岩等［101］也认为灌浆结实期温度对垩白的影响存在时段效应，水稻抽穗后20 d内温度对垩白的影响最大。高温会加快灌浆进程，影响光合产物的积累运输，使垩白率升高，进而导致稻米外观品质变差。

2.2 氮肥

增施氮肥一定程度上会促进水稻产量的提高，但不利于对稻米品质的改善。蒙秀菲等［102］认为，只有后期追施氮肥才能改善米质，而又不降低产量。张三元等［103］研究发现，氮肥后移的比重加大使得稻米的糙米率、精米率、蛋白质的含量以及胶稠度提高，垩白率和直链淀粉含量下降，而直链淀粉含量与米饭的粘性、柔软性、光泽度等食味品质有密切关系［104］。因此，氮肥的施用总量不变或减少，氮肥施用由生育前期向中后期转移，可促进米质的改善。

2.3 水分对稻米品质的影响

土壤水分含量对稻米品质的具有重要影响。土壤中水分减少，会使糙米中的蛋白质含量提高，灰分含量降低。郑家国等［105］研究指出，灌浆期间随着大田排水时间推迟，稻米的灌浆程度随之提高，糙米率、精米率、整精米率等指标逐渐增加，垩白度、垩白率逐渐降低，加工品质和外观品质都有较好表现。熊若愚等［106］通过对‘泰优871’与‘荣优华占’进行常规灌溉(CK)、间歇灌溉(AWD)和持续淹水灌溉(CFI)等处理发现，间歇灌溉方式提高了稻米的加工与食味品质，但不利于外观品质的改良。而持续淹水灌溉方式则有利于改善稻外观品质。此外，栽培方式、CO2的浓度、病虫草害、收获时间等均会对稻米品质的形成造成一定影响［107-110］。

除上述环境因素外，品种种植的海拔高度(涉及光、温协同)、种植密度、土壤结构成分等对稻米品质尤其是食味品质具有决定性作用。同一品种在不同区域种植，稻米品质表现出的显著性差异，也证明了环境因素对稻米品质形成的重要性。

3 稻米品质的育种改良技术

3.1 分子标记辅助选择改良稻米品质

分子标记辅助选择可以在分子水平对目的性状连锁的基因进行直接选择，具有高效、准确、易操作的特点，大大缩短育种周期与育种成本。目前分子标记广泛运用于品种改良与新品种选育过程中［44, 111-114］。ZHANG等［43］根据Wxmw第6外显子A/C处碱基差异开发了SNP分子标记，经过回交筛选成功将Wxmw等位基因型导入到粳稻品种‘2261’中，改良后品种稻米具有更好的透明性，直链淀粉含量降低、胶稠度增加，RVA谱分析显示其具有较高的崩解值，同时具有较低的回生值，食味品质更优。CHEN等［115］通过以‘Kanto 194’为供体亲本将抗性基因Stv-bi和低直链淀粉基因Wxmq成功导入到‘武育粳3’中，最终成功获得了改良后的株系K01和K04，条纹叶枯病抗性和食味品质得到显著提升。YI等［112］以‘Basmati370’为较低直链淀粉和香味基因供体，通过MAS成功将高直链淀粉、无香味的缅甸品种‘Manawthukha’改良为优质的香稻品种，为当地农民增收获益。QAMAR等［113］首先通过辐射诱变成功创造了低植酸突变材料Lpa5、Lpa9和Lpa59，随后将突变体与‘Basmati370’进行回交并结合MAS技术，成功选育出高产、低植酸的香稻材料。JIANG等［114］发现5号染色体上RM598-RM169-RM289对粒型和垩白具有较大影响，随后以此开发标记对‘珍汕97B’和‘珍汕97A’进行分子标记辅助改良，最后成功改良了2个品种的外观品质，改良后的‘珍汕97B’籽粒粒长极显著增加、粒宽极显著下降，垩白明显减少。

3.2 基因编辑改良稻米品质

近些年以CRISPR/Cas9为首的基因编辑技术得到极大的发展，通过CRISPR/Cas9来定向改良稻米品质成为可能。ZENG等［116］首先通过CRISPR/Cas9在Wxa背景下对其启动子和5’UTR内含子编辑达到了定量调控直链淀粉的作用。通过对高直链淀粉品种‘天丰B’(直链淀粉含量24.6%)Wxa启动子CAAT-box进行基因编辑成功创制了直链淀粉含量为分别为19.6%、18.1% 和17.8%且不改变外观品质的编辑株系。对Wxa基因5’端内含子区域编辑后导致了内含子剪切方式发生改变，mRNA构象发生变化导致直链淀粉含量达到软米水平，分别为10.6%、11.5%和9.8%，但籽粒透明度有所降低。上述研究证明了可以利用CRISPR/Cas9对Wx基因的转录水平调控和转录后水平调控2种策略来调控稻米直链淀粉含量［116］。HUANG等［117］也证明了通过对Wx基因启动子区域TATA box元件进行编辑从而达到微调直链淀粉的作用。研究人员选择含有Wxb等位基因型的‘日本晴’作为编辑材料，突变体直链淀粉含量适度降低，达到微调效果，研究同时发现新的Wx等位变异材料直链淀粉含量受温度影响。SHEN等［118］通过构建CRISPR/Cas9多基因敲系统成功对BADH2、DEP1、Gn1a、Hd1、EP3、LPA1、GW2和GS3共8个基因进行敲除，同时对包括稻米食味品质、外观品质、农艺性状等多个性状进行同时改良。香味是稻米食味品质重要的一个性状，HUI等［119］首先利用CRISPR/Cas9基因编辑对‘黄华占’的BADH2基因进行编辑，成功获得了香味物质2-AP含量增加的编辑株系，随后利用挑选出的T-DNA free单株与香型三系不育系桃农1A杂交，成功改良了三系杂交组合桃优香占的香味性状。TANG等［97］利用CRISPR/Cas9技术对两系杂交稻品种‘隆两优华占’双亲本进行OsNRAMP5基因敲除，在镉污染严重土壤中仍能保持籽粒中镉含量的低积累。

4 展望

稻米品质决定稻米价值的最终体现，其形成机理复杂，受多基因遗传及环境的共同作用。进一步培育食味好、外观佳、营养安全的稻米，需要对稻米品质形成的关键基因及优异等位变异进行深入挖掘，理清环境与基因、基因与基因的互作规律，收集整理鉴定优异种质，利用传统育种手段与现代生物育种技术相结合，各环节协同开展，培育出更多品质优良的水稻新品种。

根据现有稻米品质调控理论和产业发展需求，水稻育种目标在满足大众消费的同时，也要考虑不同消费群体、不同地域、不同加工工艺等需要。如减肥人群或糖尿病病人需要抗性淀粉含量相对较高的稻米，在满足咀嚼口感的同时减少淀粉向葡萄糖的转化。肾病病人需要低谷蛋白的稻米，以减少米饭中蛋白对肾脏的压力。快节奏的社会导致人们更倾向于“点外卖”的就餐方式，因此需要较不易回生的稻米。南北方消费者对稻米的需求也不尽相同，南方消费者习惯食用长宽比较大、籽粒较长的米饭，而北方消费群体则更喜欢短圆粒的“珍珠米”。少数民族聚集区有习惯食用黑米、红米等特殊稻米的习惯。传统节日食品糍粑、粽子、米糕等需要优质糯米来制作。而米饼、米粉等都需要用富含高直链淀粉和高胶稠度的专用稻米来制作。这些特殊品质的需求提示研究人员，稻米品质的改良不能简单地追求理化性质指标，而是要面向消费者和市场需求，进行多元化的研发和投入。

基因编辑技术的快速发展为品质育种工作带了机遇与挑战，通过基因编辑创制研究材料，定向改良品种品质性状已成为较易获取的手段。目前基因编辑技术由最早的单基因敲除，发展到多基因同时编辑、单碱基替换、DNA片段插入或缺失、靶向染色体重排以及增加目的基因表达等，可以对稻米品质性状进行正向或负向的精准调控［120-121］。尽管基因编辑技术在植物领域中发展迅猛，但如何进一步完善其在品质改良中的作用，保证编辑产品安全和合法合规使用等方面将是研究人员面临的新课题、新挑战。