利用蜡质基因Wx改良稻米品质的研究进展

成太辉，杨 武

（1.广州市番禺区农业科学研究所，广东广州 511450；2.广东省农业科学院水稻研究所，广东省水稻育种新技术重点实验室，广东广州 510640）

引言

我国在世界上年产稻谷最多，高产一直是我国水稻育种的主要目标，而水稻品质的改良却不够重视，导致我国很多水稻品种虽然高产，却不优质。随着人民生活水平的日益改善，人们对稻谷品质的需求也不断提高，米质已经成为决定水稻品种特性最重要的指标之一[1]。

稻米品质主要包括外观品质和食用品质，外观品质包括粒型、垩白、透明度等，食用品质包括直链淀粉含量（AC，amylose content）、胶稠度（GC，gel consistency）、糊化温度（GT，gelatinization temperature）、蛋白质含量、香味有无等。食用品质主要由AC、GC和GT决定。食味品质好的稻米，其AC往往较低，GC较高和GT较低，其中AC直接决定了米质的优劣[2]。优质籼稻米的AC一般应低于22%[3]。

长久以来，研究者做了大量工作来揭示稻米品质的分子机制，通过对米质性状的QTL定位，基因克隆和基因功能的研究，来揭示其遗传机制。颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS，granule-bound starch synthase）包含GBSSⅠ和GBSSⅡ两种同工酶，它们控制了直链淀粉的合成，能特异性的与淀粉粒结合，维持淀粉的稳定性[4]。水稻蜡质基因Wx编码的GBSSⅠ控制了种子中直链淀粉的合成。GBSSⅡ与GBSSⅠ氨基酸序列的同源性很高，控制了非存储器官中直链淀粉的合成[5，6]。因此，Wx基因决定了水稻胚乳中的AC，目前已在水稻中鉴定出多个Wx基因的等位变异类型，这些新基因的挖掘与利用是稻米品质改良的重要基础。

1 Wx基因的等位变异

Wx基因于1990年被克隆，其第一内含子5’端剪切处的第一个碱基决定了Wx基因的转录水平：若该位点为G，则Wx基因正常剪切，转录得到的mRNA含量高，最终生成的AC也较高；若该位点为T，则Wx基因无法正常剪切，转录得到的mRNA含量低，AC较低，该位点是水稻AC差异的最主要类型[7]。Wx基因同样是水稻糯性的决定基因：糯稻Wx基因的第2外显子上有2个23 bp的重复序列，而非糯稻Wx基因中只有1个，该片段为糯稻Wx基因特有[8]。此外，Wx基因第一内含子上游处的CT重复序列也影响着稻米的AC[9]。对Wx基因的等位变异和特性总结如下：

2 Wx基因的分子标记及应用

除了糯稻基因Wx外，Wx基因的大多等位变异都存在于较少的水稻品种中，这些品种由于来源有限，配合力差等，很难作为水稻米质改良的亲本。目前，利用Wxb基因改良水稻AC是非常有效的一种方法。蔡秀玲等利用开发的PCR-AccI标记鉴定了63份水稻品种Wx位点的G/T类型，并测定了这些品种的AC，发现T型水稻品种的AC低于18%，G型的都高于20%[21]。Mao等设计了扩增G/T位点的PCR标记，但该标记在扩增时需要将退火温度提高至67℃[22]。高利军开发的M-Wx标记对水稻品种鉴定的基因型结果与测定的AC一致：在72份水稻品种中，G型水稻品种的AC都高于20.1%，T型的都低于15.6%[23]。孙华钦等开发了2个识别水稻糯性基因Wx的分子标记，可以直接检测糯性基因的有无[24]。

-：表示没有突变

将Wxb基因应用于米质改良，已经取得了较为理想的效果。利用分子标记PCR-AccI，龙特甫和珍汕97导入Wxb基因后，新品种的AC显著降低[25]。聂元元等利用分子育种技术，对恢复系R225的AC进行改良，经过多次回交和标记，成功将R225的AC降低到11.6%～23.5%[26]。刘巧泉等利用Wxb基因替换掉特青中的Wxa基因，将稻米的AC从28.5%降低到15%[27]。姚姝等将Wxmp和Wxmp分别渗入到多个粳稻品种中，选育出宁2704、南粳46等米质优良的水稻新品种[28]。Myint等利用Basmati370的Wxin基因，有效降低了水稻品种Manawthukha的AC，提高了该品种的生产价值[29]。此外，通过亲本AC的差异，筛选出与Wx基因连锁的SSR标记对稻米品质进行改良，也是一种有效的途径。韩义胜等利用与Wx基因紧密连锁的标记RM190，利用天丰B优良米质的特性，成功将龙特浦B的AC从26.5%降低到15.9%[30]。

3 研究展望

米质的遗传机制较为复杂，但总的来说，Wx基因主要是通过影响成熟mRNA含量或者SNP变异导致的氨基酸变异，使GBSS Ⅰ的活性、淀粉及糖原合成过程中与ADP-葡萄糖的结合能力改变等，最终影响了AC的合成[7，15-17]。此外，Wx基因的表达受到环境等因素的影响。因此，在利用Wx基因对水稻米质进行改良时，需要同常规育种结合，选育综合性状优良的水稻品种[14，31]。

3.1 Wx基因新等位变异的挖掘

目前虽然报道了多个Wx基因的等位变异类型，但水稻品种的AC变异丰富，直链淀粉的结构也存在丰富的变异，因此，还有更多Wx基因的新等位变异有待挖掘。在这方面，尤其应该扩大野生稻种质资源的研究，它们可能蕴含着更为丰富的变异类型，例如广东的野生稻资源非常丰富，有可能为水稻优质育种提供新的供体基因。

3.2 多基因聚合改良稻米品质

除了Wx基因主要控制稻米的AC外，SSII-3基因也影响着稻米的AC，同时决定了稻米的GT。此外，SSI、SSIII-2、PUL、AGPlar等基因微效调控AC，SBE3、ISAA等基因微效调控GC，SSIV-2、SBE3等基因微效调控GT[32-34]。因此，明确亲本的米质基因型，通过多个主-微效基因的聚合，可以更大程度的改良稻米品质。

3.3 Wx基因分子机制的进一步加深

目前发现的Wx基因的等位变异类型大多都是由单个核苷酸的差异造成的，这些突变为何会改变Wx基因的表达水平？随着米质遗传机制的不断解析，结合现代分子技术例如CRISPR技术等，能够为水稻育种创造更多的便利。

由于Wx基因的遗传机制，米质改良不同于抗性改良。目前广泛使用的抗病基因多为显性基因，例如三系杂交稻中的亲本，只需要不育系或者恢复系含有纯合的抗性基因，杂交种即具有抗病性。对于米质，若不育系和恢复系中只有单个亲本的米质位点得到改良，其配组的杂交种米质可能未能得到较好的改良。因此，在对杂交水稻的米质进行改良时，亲本的Wx位点都需要改良。虽然影响稻米品质的位点较多，试图利用主效位点来改良稻米品质可能具有一定的局限性，但至少从分子育种角度，为选育米质优良的水稻品种提供了可行的方向。

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