水稻香味基因的遗传和研究进展

2016-04-11张俊宝潘惠文刘海英

生物技术世界 2016年3期

关键词：香稻香米香味

张俊宝潘惠文刘海英

（1.哈尔滨市农业技术推广服务中心黑龙江哈尔滨 150070；2.黑龙江省农业科学院五常水稻研究所黑龙江五常 150229）

水稻香味基因的遗传和研究进展

张俊宝1潘惠文1刘海英2*

（1.哈尔滨市农业技术推广服务中心黑龙江哈尔滨 150070；2.黑龙江省农业科学院五常水稻研究所黑龙江五常 150229）

香味是香稻最重要的品质特性之一。本文通过对水稻香味遗传研究进展的分析，从水稻香味的化学成分、鉴定方法等方面存在着的问题进行探讨，从而为香稻的育种提供可参考的价值。

水稻香味基因遗传研究进展

水稻是是人类生存最重要的粮食之一,随着人们的生活水平的不断提高,对粮食的品质有了更高的要求。香稻是粮食作为的一种,普遍受到人们的喜爱,其主要原因是其中散发着一种香味,具有很高的营养价值。据相关的报道,水稻中含有丰富的营养成分,主要包括氨基酸、蛋白质等微量元素,其中香稻中的铁元素和锌元素比普通的水稻要高出70%左右,其中的硒元素更是占据着香稻营养成分的一大半。因此香稻备受人们的青睐,且良好的经济价值和市场前景促使人们对香稻进行大量的研究,但是在对水稻香味的研究上还存在着一定的问题,需要进入更加深入的研究。

1 香稻米的定义、类型和分布

我国农业部的行业标准中对香稻定义进行了阐释,香稻就是自身含有特殊的香味,能够在有效地被人们所识别,在食用的过程中散发出能够被人们轻易识别的香味。香稻资源分布遍布世界各地,最集中的地区主要在东南亚和南亚地区,主要在印度、孟加拉国等国家,而我国也有许多地区种植香稻。世界上著名的水稻品种有泰国的KDML1105、巴基斯坦的Bsamati系列等,中国的香稻品种也是多种多样,如湖南江永香米、陕西洋县香米、福建的过山香米、江西万年香米［1］、黑龙江特种香稻［2］等。

研究者对于香稻的分类有按植物种性、按散发气味和对稻米香味感觉的强弱程度分类。香稻的香味类型多种多样,说明了香稻的香味彼此之间的化学成分有着很大的不同,因此对香稻香味化学成分的研究可以掌握香稻的主要类型［3］。

2 香味的鉴定方法

目前香味的评价还是靠人的感官。最常用的就是定性分析法,但最准确的是定性与定量分析相结合的方法。定性分析常使用热水、咀嚼等进行鉴定,还可以通过氢氧化钾浸泡进行简答的操作。口嚼法有偏差［4］,Nagarajn等首先采用热水法分析香味［5］。该法虽有助于提高鉴别的准确性,但在对绿色营养器官分析时,强烈的叶绿素气味会影响香味的鉴别。现普遍采用的是Sood等首创的氢氧化钾浸泡法,由多人组成鉴定小组,预以评定［6］。在实际水稻香味的鉴定研究中,常常是氢氧化钾浸泡与口嚼籽粒两种方法联合使用。虽然介绍的这几种定性分析法比较简单,容易操作,但却不够可靠、科学,容易受到人的嗅觉和味觉上的差异影响。

定量定性分析法就是一种比较科学的研究鉴别方法,精确度比较高,具有较强的灵敏性,主要运用气-质联用法,能够有效的鉴别水稻中香味的含量和种类,也是目前研究中效果最好的一种方法［7,8］。但是这些鉴定方法操作繁琐,费时费力,花销较大,还有待于改进。

随着DNA分子标记技术的出现和快速发展,开发出与香味基因紧密连锁的分子标记［9,10］, 这些标记能够快准确的检测香味基因。张江丽研究结果表明［11］,传统的味觉和嗅觉法与香味功能基因分子标记检测结果比还存在一定的误差。嗅觉检测误差率达到15.3%,,味觉检测误差率为2.2%。因此,开发和利用香味功能基因分子标记,并结合谷粒咀嚼品尝,是鉴定水稻种质香味性状快速、准确的策略。

3 稻米香味的主要成分

Widjajaetal在一系列香型和非香型水稻谷粒中鉴定了300多种挥发性化合物,许多研究者认为2-乙酰-1-吡咯啉是爆米花香气的决定性因素,被认是香米香味的主要的香味化合物,Pinson研究出香米和非香米之间的不同在于2-乙酰-1吡咯啉的含量多少,而不是2-乙酰-1吡咯啉的有无,香米中也含有普通稻米没有的化合物。

随着对水稻香味成分的不断研究,相关的研究发现,水稻的香味中除了2-乙酰-1吡咯啉这种香味物质外,还有其他的物质发挥着重要的作用。如链烷醛、2-苯基乙醇等和不同香稻的特异性香味及香味强度相联系,同时许多别的化合物也被发现促进了水稻香味的形成,有学者研究出水稻香味中的α-吡咯酮也发挥着不可替代的作用。水稻香味与多种挥发性的化合物有关,也就是因为水稻香味化学成分中的化合物的比例和种类不相同,从而挥发出不同香味的水稻,但对于这方面的研究还不能完全的支持此种观点。

4 水稻香味的遗传和形成机制

国内外的学者在水稻香味的遗传机制上都有过相关的深入研究,水稻香味是受细胞核基因控制的遗传性状,与细胞质遗传无关。不同的科学家以非香亲本×香亲本杂交,根据F2代香和非香分离比,得出以下几种结论。香味基因由一对隐性主效基因控制、显性单基因控制、双隐性基因控制、两对隐性互补的基因控制和三个显性互补基因控制。但目前多数学者研究结果倾向于水稻香味受一对单隐性基因支配。国内外对于水稻香味的遗传模式说法不一,除了由于香味的鉴定方法不一样,香味的识别准确率存在误差外,主要原因为供试材料不同而产生的不同的观点,香味基因可能存在差异。

5 水稻香味基因定位

近年来随着生物分子学的不断发展研究手段的提高,许多的学者利用RFLP、SNP、STS等来分析水稻香味基因并进行定位。在香味基因定位方面,在水稻第3,4,5,8,9,11,12染色体7个染色体上都有定位研究报道。目前,水稻第8染色体上的香味研究报道较多,然而近来的研究进一步支持这个结果。Bradbury报道8号染色体上编码甜菜碱乙醛脱氢酶2的基因Badh2与水稻香味直接相关。Badh2基因第七外显子8个碱基的缺失和3个核苷酸的多态性,导致该基因表达的酶失去原有的功能,使水稻变香。任鄄胜利用Temnykh等人的研究基础对第8号染色体上的D香2B香味基因进行定位,将SSR引物RM210与D香2B基因的定位点之间相差17.3cm,与RM515之间相差5.7cm。陆艳婷等人对等位基因的特异性扩增使用扩增受阻突变体系PCR技术进行检测,检测出了水稻香味基因,方法快速有效,可应用于香育种。

6 水稻香味基因的克隆

克隆分析发现,香稻品种中有1个8bp在Badh2 编码区的第7个外显子中缺失和3个SNPs 差异从而导致不能进行翻译,进而提前终止,产生了的没有效果的BADH2蛋白。但在中国的一些香稻种质中,发现香味基因是在第2 外显子上有7个碱基缺失的等位基因。目前在研究中还没有发现新的等位基因,也没有对香米的基因进行新的定位,克隆方面还没有新的报道。

7 问题与展望

对水稻香味的研究上还处于不断探索的阶段,经长时间的努力,在水稻香味化学成分、香味遗传机制和克隆以及水稻香味的分子标记辅助选择上还取得良好的研究成果。但仍存在问题,一是水稻香味遗传机制和形成过程相对复杂,控制香味基因越多,杂交后代中具有香味个体越少。另外受环境的影响使香味的表达存在着较大的差异。还有香味成分多样,香味的鉴定方式不同,但各种方式之间又存在着一定的误差。因此研究香稻香味遗传、香味检测方法,加强分子标记、基因定位等技术研究,促进优质香稻的育种。

［1］王晓焰.水稻香味基因的遗传分析及初步定位［D］.硕士论文.中国农业科学院.2007.

［2］东北优质粳稻品种“稻花香 2 号”分子改良取得重要进展.科学新闻.

［3］杨扬，谢震泽，王轲，等.水稻香味的遗传研究进展［J］.首都师范大学学报（自然科学版），2010，31（3）：24-29.

［4］宋文昌，陈志勇，张玉华.同源四倍体和二倍体水稻香味的遗传分析.作物学报，1989，15（3）：273-277.

［5］任鄄胜，肖培村，陈勇，等.几个香稻保持系香味的遗传研究.种子，2004，（12）：8-10.

［6］顾建明.香粳 8618 米饭重要香成分的鉴定［J］.中国粮油学报，1999，14（5）：15-17.

［7］徐小龙，赵国超，李建粤. 24种香稻品种甜菜碱醛脱氢酶2基因突变位点的分析及分子标记开发［J］. 植物分类与资源学报2011，33（6）：667-673.

［8］赵志鹏，李刚，施标，等. 利用分子标记辅助选育香型优质粳稻新种质［J］.上海农业学报2015，31（5）：1-5.

［9］张江丽，李苏洁，李娟，等不同来源水稻种质资源香味基因badh2位点的鉴定［J］.分子植物育种，2015，13（4）727-733.

［10］任光俊，陆贤军，张翅，等.水稻香味的遗传分析［J］.西南农业学报，1999，12（2）：24-27

［11］任鄄胜，肖培村，陈勇，等.几个香稻保持系香味的遗传研究.种子，2004，（12）：8-10.

S511