一粒優質米的科研路

　　 水稻是我國最重要的主糧之一。一粒優質大米，米粒形狀適宜、無堊白、透明度好、食味和口感佳。殊不知，稻米品質涉及碾磨品質、外觀品質、蒸煮與食味品質、營養品質等多個性狀，遺傳機制復雜，培育既好看又好吃的優質大米難度大。

　　20余年來，揚州大學農學院水稻遺傳育種團隊圍繞稻米品質遺傳改良系列問題展開研究，為成就一粒粒優質米而努力。

　　“我們希望能為改良稻米品質、讓老百姓吃上優良大米做一點工作。這不僅是團隊的科研目標和期望，也是滿足人民對美好生活向往的現實需要。”團隊負責人、揚州大學教授劉巧泉接受《中國科學報》采訪時說。

　　高產的好米可以有

　　高產和優質，一直是水稻育種兩個最重要的目標。“我國水稻育種水平發展迅速，尤其是在單產提高方面，我國科學家做出了巨大的貢獻。水稻高產與其外觀品質間有一定的沖突，但總體上是可以協調的。”劉巧泉表示。

　　“好吃又高產的稻米是育種者的終極目標。”中國水稻研究所水稻生物學國家重點實驗室主任錢前研究員認為，揚州大學水稻遺傳育種團隊在稻米品質遺傳改良方面做了許多基礎性工作。他們發掘的新基因和破解的遺傳機制，為食用稻米品質改良奠定了堅實基礎。

　　2018年3月27日，一篇發表于《自然—通訊》的論文顯示，控制稻米粒形和外觀品質的新基因GS9通過圖位克隆被篩選出來。這項成果正是出自劉巧泉團隊。

　　水稻粒形是水稻產量和品質的關鍵決定因素之一。劉巧泉解釋道，一般而言，高產水稻品種如果籽粒偏圓、短，往往會出現堊白性狀，外觀就不會好。通過適當拉長稻米的粒長，使其變得細長，在維持稻谷粒重的情況下，堊白會少一些甚至沒有，這時稻米外觀就會明顯改善。

　　因此，水稻育種的一個重要目標是高產加理想的粒形。水稻粒形決定基因的鑒定可以促進擁有最佳谷粒形狀和外觀品質的水稻品種的培育。

　　團隊克隆了一個新的控制稻米粒長基因GS9，可在不影響植株生長發育、粒重和產量的基礎上，顯著改良高產品種的粒形和外觀品質。該基因的功能缺失突變體GS9籽粒細長，而過表達則導致水稻形成圓形籽粒。

　　“做水稻遺傳育種研究，最重要的是要有資源。有了好的、豐富的稻種資源，才能從中選出適宜的材料用于研究和應用。”劉巧泉介紹，GS9基因是團隊在長期水稻種質資源收集和創建過程中，從自然變異的材料中選到的。

　　原本這一材料與其他常規水稻材料沒有很大區別，一般不易被發現。正是由于他們長期關注水稻品質性狀，對相關性狀了解得比較深入、仔細，所以才能從細小的差別中發現這份特異材料，然后通過努力將這個基因克隆出來。

　　研究顯示，該基因在高產水稻粒形和外觀品質改良的分子育種中具有很高的應用潛力，能夠使稻米既高產又好看，商用品質更佳。

　　稻米好吃 各有所愛

　　如今，吃得飽已不再是水稻生產的最重要目標，與水稻貿易、消費直接相關的主要是外觀和食味，即市場上的稻米好不好看、煮熟后的米飯好不好吃。

　　直鏈淀粉含量是衡量稻米品質，尤其是蒸煮與食味品質的最重要指標，而直鏈淀粉是由蠟質基因（Wx）編碼的淀粉顆粒結合淀粉合成酶催化合成的。科學家在栽培稻中已克隆了多個Wx等位基因，并加以廣泛應用，但這些等位基因間的演變和分化關系并不明確。

　　劉巧泉團隊歷經20多年，從雜交配組、遺傳分析、基因定位和克隆、功能驗證、機理研究等，再到田間測試，最終從一個地方秈稻品種中圖位克隆了Wxlv基因。今年6月7日，這項成果發表于《分子植物》。Wxlv基因有何特異之處？

　　團隊發現，Wxlv是控制稻米蒸煮與食味品質最重要基因——Wx的祖先等位基因，并闡明了現有栽培稻中不同Wx等位基因間的進化關系；含Wxlv稻米在蒸煮過程中難以徹底糊化，米飯口感變差；在具中低直鏈淀粉含量的稻米中引入Wxlv特異的功能位點，可用于優良食味稻米的培育。

　　“人類栽培水稻已有7000多年歷史，在不同地域、不同生態環境條件下經過長期的演變和分化，形成的品種類型極為豐富，它們在品質性狀上所表現出的變異也極為復雜。”劉巧泉說。

　　團隊克隆出Wxlv基因后，目前共有近十個Wx復等位基因。經詳細分析，他們發現不同等位基因在地理上有一定的分布規律，一些Wx等位基因具有明顯的優勢地理分布區域。這說明人工選擇在該基因的演化過程中發揮了重要作用。

　　例如，Wxb等位基因主要分布在北半球低緯度地區，如東亞；Wxin等位基因主要分布在南亞和美國等地，而由于南亞是水稻的起源中心，所以各種等位基因都可以找到。這些優勢地理分布跟人們對稻米品質的喜好相關，如北方一般喜歡直鏈淀粉含量低的稻米，而這些地方的水稻大多會有Wxb等位基因。

　　更有營養的大米

　　“人們吃的大米主要成分是淀粉和蛋白質。”團隊骨干、揚州大學教授嚴長杰介紹，作為水稻胚乳的第二大組成部分，蛋白質含量的高低不僅決定了稻米的營養品質，也是影響稻米蒸煮食用品質的重要因素。

　　圍繞決定稻米營養品質的主要指標——籽粒蛋白質含量的遺傳機制問題，嚴長杰帶領團隊對400多份水稻種質資源的總蛋白以及貯藏蛋白含量分別進行測定，確定了胚乳中谷蛋白含量的變異是水稻總蛋白變異的決定因子。

　　他們最終成功克隆了控制稻米蛋白質含量變異的關鍵位點qGPC-10，該基因能夠顯著影響稻米蛋白質含量并最終影響其營養品質。該基因的基因組序列變異與秈粳亞種間稻米蛋白質含量變異密切相關。研究成果于今年4月發表在《自然—通訊》上。

　　嚴長杰表示，qGPC-10基因編碼稻米貯藏蛋白中的谷蛋白前體，而谷蛋白含量影響著稻米的營養品質。該基因的鑒定與分析有助于探究水稻品質相關遺傳機制，更對包括水稻在內的主要糧食作物的營養品質遺傳改良具有重要意義。

　　“接下來，希望通過基因編輯、標記輔助選擇等技術，有效利用控制水稻蛋白質含量的這些關鍵基因，提高稻米品質，最終實現水稻產量和質量‘兩不愁’。”嚴長杰說。

　　讓團隊的科研人員感到欣慰的是，當前，優質育種和優質米研究已得到了前所未有的重視。無論是育種家、生產者、經營管理者、消費者，都在關注優質米。“我們也會一直堅守優質稻米研究這個初心，繼續前行。”劉巧泉說。

　　在他們看來，任何研究都是無止境的，現在只是了解了一點優質米的形成機理和應用，其背后未知的東西更多。這支團隊錨定的科學方向，就是綜合運用現代遺傳育種學和基因改良技術，不斷改良稻米品系，從而實現水稻品質的提升，培育出更加好吃、好看，營養價值更高的水稻新品種。