稻米蛋白质及其组分研究概况及其对稻米品质的影响

陆丹丹 叶 苗 张祖建

（扬州大学农学院/江苏省作物遗传生理国家重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心，225009，江苏扬州）

水稻是我国乃至世界上最主要的粮食作物之一。随着生活水平的提高，消费者越来越重视稻米品质，就主食稻米而言，最为关键的稻米品质性状是食味品质，即食用时的口感。食味品质决定了其市场价格，因此优良食味水稻品种的选育也成为育种工作的重要甚至首要目标[1]，因而优质和丰产协同提高也逐渐成为水稻生产可持续发展的关键方向。蛋白质是稻米中除淀粉以外含量最高的贮藏物质，其含量及构成是影响稻米蒸煮食味品质的重要因素[2-3]。周丽慧等[4]对351份水稻的蛋白质含量进行了分析，发现稻米中粗蛋白含量在9.3%～17.7%，平均含量12.4%；不同类型水稻品种蛋白质含量存在差异，籼稻籽粒中蛋白质含量约13.2%，粳稻中约12.18%。优良食味水稻品种通常具有较低的蛋白质含量[5]。曲红岩等[6]研究指出，蛋白质含量对食味的影响程度达到79%，蛋白质含量过高显著降低了稻米的食味值。而低蛋白稻米因其具有特殊的功效，受到特殊人群的青睐，例如对于肾病和糖尿病患者，低蛋白稻米可减少肾脏负担，达到食疗保健的作用[7-8]。针对一般的主食稻米，相对较低的蛋白质含量有利于米饭食味品质的改善已经成为稻作科研与生产者的共识。

1 稻米蛋白质的种类、结构及其分布

根据功能不同，可将水稻胚乳中的蛋白质分为维持细胞正常代谢的贮藏蛋白和储藏物质的结构蛋白[9]。水稻种子中蛋白质主要是贮藏蛋白，结构蛋白种类多，但总量极少。因此，生产上所说的蛋白质，一般是指贮藏蛋白。蒋冬花等[10]测定了世界上110个水稻品种（系）稻米贮藏蛋白及其蛋白组分的含量，发现稻米蛋白质含量在水稻品种间存在显著差异。按照溶解度不同，将水稻贮藏蛋白分为清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白，其中谷蛋白含量最高，约占稻米蛋白质总量的80%，其次是醇溶蛋白，清蛋白和球蛋白含量较低[11-12]。

谷蛋白主要包括57kDa的谷蛋白前体、37～39kDa的酸性亚基和22～23kDa的碱性亚基，其中酸性亚基和碱性亚基是由谷蛋白前体翻译后加工剪切而成[13]。醇溶蛋白分子量较小，可分为10、13和16kDa的醇溶蛋白，其中以13kDa醇溶蛋白含量最多；根据分子量的微弱差别，13kDa又可以分为13a和13b 2个组分[14]。球蛋白和清蛋白属于禾谷类作物的α-淀粉酶/胰蛋白酶抑制剂家族，能够与过敏人群的免疫球蛋白E特异结合引起过敏反应，是一种过敏原蛋白[15-16]。

蛋白质主要以蛋白体的形式贮藏在水稻胚乳中，胚乳中有2类蛋白体，蛋白体I（PB-I）和蛋白体II（PB-II）。PB-I积累难以消化的醇溶蛋白，PB-II主要积累易被消化吸收的谷蛋白，球蛋白含量较少[17]。种子中蛋白质分布并不均匀，从糠层至胚乳蛋白质含量逐渐减少[18-19]。周丽慧等[20]指出，糙米中85%的蛋白质分布在胚乳中，且胚乳中蛋白质含量由外到内逐渐减少，说明蛋白质在籽粒中呈辐射状分布。Furukawa等[21]发现，由胚乳外层至中心谷蛋白和醇溶蛋白含量呈下降趋势。清蛋白和球蛋白主要分布在糠层，最外层含量最高，越往中心含量越低[22]。因此加工碾磨使清蛋白和球蛋白大部分丢失，精米中的蛋白质主要为谷蛋白和醇溶蛋白。

2 稻米蛋白质的合成与积累

谷蛋白和醇溶蛋白贮藏在特定的蛋白体中，在mRNA形成后就开始在细胞内定位。mRNA从细胞核中转录出来后被分配到特定的内质网（endoplasmic reticulum，ER）膜上合成蛋白质[23]。这种专一性的定位机制使得蛋白质的合成与积累过程互不干扰[9]。醇溶蛋白在蛋白体形成的 ER（PB-ER）上加工后，直接沉积在PB-I上。而谷蛋白前体首先在内胞浆网池状内质网中加工形成三聚体，然后由高尔基体运输到液泡中[24]，经液泡加工酶催化，切断大小亚基，以二硫键相连，最后再组装成六聚体。当六聚体积累到一定程度时，液泡分解成碎片形成 PB-II，用于贮藏谷蛋白[25]。尽管关于稻米蛋白质的合成过程已有一些研究，但是还有很多不明之处。当 PB-I和 PB-II在胚乳中形成后，便随机围绕着淀粉体和淀粉粒分布。水稻胚乳中PB-II的体积和数量大于PB-I[13]。韦存虚等[26]研究发现，PB-I的剖面呈年轮状，表面附着核糖体，PB-II为圆形、椭圆形或不规则形，呈黑色。

水稻胚乳中蛋白质含量在花后 6～21d持续增长，开花后16d的增长速率最快。丁艳锋等[27]认为，蛋白组分在花后15～25d或者之后才能充分合成。其中谷蛋白在花后5d就开始合成，而醇溶蛋白在花后10d才开始合成，抽穗前期谷蛋白合成速率高于醇溶蛋白[28]。由于稻米蛋白质的合成与积累过程十分复杂，受相关基因的严密调控[29]，目前对胚乳中各种蛋白质合成的生理途径与积累机制并不十分清楚，特别是对结实后期胚乳蛋白质的变化更是有待于探索。

3 稻米蛋白质含量的遗传控制

蛋白质含量属于典型的数量性状，容易受环境因素的影响，遗传力相对较低[30-31]。关于水稻籽粒蛋白质含量（grain protein content，GPC）遗传机制的研究已有较多进展，蛋白质含量 QTL（quantitative trait loci）及其基因定位和克隆方面也有报道[32-34]。由于 GPC表现的不稳定性，通过不同遗传群体鉴定的 QTL往往不一致，很少能重复鉴定。目前只有2个稳定的与GPC相关的QTL被成功鉴定和克隆。Peng等[35]首次克隆了影响蛋白质含量的QTL（qGC1），其编码一个氨基酸转运蛋白OsAAP6，作为水稻GPC的正向调节因子发挥作用。Yang等[31]鉴定了 2个不受环境因素影响、表现稳定的 QTL（qGPC-1和qGPC-10），并证明编码谷蛋白A2型前体的OsGluA2是qGPC-10的候选基因，对GPC含量起正向调控作用。水稻 GPC遗传调控网络错综复杂，目前关于 GPC遗传差异和分子调控机制仍然有很多不明之处。同时因为难以获得效应明显的靶向基因，在水稻 GPC遗传育种改良方面进展甚微。

4 稻米蛋白质及其组分与稻米品质的关系

4.1 稻米蛋白质及其组分与加工外观品质

不同研究者对稻米蛋白质及其组分对加工外观品质的影响持有不同的观点。石吕[36]认为蛋白质含量与加工品质无显著相关性，而叶定池等[37]指出，蛋白质含量与整精米率呈显著正相关，以醇溶蛋白最为显著[12]。陈书强等[38]和潘国庆等[39]则认为蛋白质及其组分含量与加工品质呈显著负相关。部分研究[40-42]通过分析蛋白质及其组分含量与外观品质的相关性发现，不同水稻品种的蛋白质含量及其组分与垩白粒率和垩白度呈显著负相关。也有研究[43]观察到蛋白质及其组分含量与垩白度呈正相关，与垩白粒率无显著相关性，与籽粒长宽比呈负相关。从生物学机制来看，稻米蛋白质含量与加工外观品质的关系，可能只限于表面的相关。

4.2 稻米蛋白质及其组分与蒸煮食味品质的关系

食味品质决定米饭的适口性，是稻米品质性状中与实际消费（食用）关系最为直接也最为关键的评价指标。稻米蛋白质含量与蒸煮食味品质关系密切，多数研究者认为增加蛋白质含量对食味品质产生负面影响，也有少数研究认为在一定范围内增加蛋白质含量并不会使稻米的食味品质变差。

食味仪能快速测定稻米的食味值，通常作为食味品质测定的辅助工具。大多数研究报道蛋白质含量与食味品质呈显著负相关，蛋白质含量低的稻米食味值较高[44-47]，尤其是稻米蛋白质含量为 6%～7%时，其食味品质较好，蛋白质含量大于7%时，食味品质往往会变差[48]。人工感官评价是稻米食味品质最直接的评价方式。王琦[49]通过分析感官评价中各指标与蛋白质及其组分含量的相关性，发现总蛋白和谷蛋白含量均与米饭香气、籽粒完整性和硬度呈显著正相关，与黏性呈显著负相关，醇溶蛋白含量与完整性、弹性、硬度和综合口感呈显著正相关，与黏性呈显著负相关，清蛋白和球蛋白含量与感官评价中各指标相关性较弱，说明增加醇溶蛋白含量有利于提高米饭的综合口感。另外，还有研究[50]指出，蛋白质含量与食味评分和滋味呈显著负相关，蛋白组分中清蛋白含量与气味、光泽、适口性和滋味等均呈显著负相关，说明增加蛋白质含量尤其是清蛋白含量，会降低米饭的适口性。此外，米饭质构特性在一定程度上也可以反映稻米的食味品质[51]。陈凤莲等[52]发现总蛋白含量仅与米饭弹性呈显著正相关，谷蛋白含量与籽粒硬度呈显著正相关，醇溶蛋白和球蛋白含量与米饭弹性呈显著负相关，清蛋白和球蛋白含量与籽粒硬度呈显著负相关；质构特性中的内聚性、胶着性和黏附性与蛋白组分无显著相关性，说明在蒸煮过程中蛋白质及其组分含量对米饭质构特性的影响较小。一般认为，醇溶蛋白阻碍淀粉糊化时网状结构发展，消化性差，而谷蛋白营养价值高，易被人体消化吸收，因此，PB-I含量低且PB-II含量较高的水稻品种具有优良的食味品质，反之食味品质较差[53]。有研究[43]指出，在总蛋白含量低于10%的条件下，蛋白组分与RVA谱特征值、胶稠度和糊化温度等无显著相关性，说明在蛋白质含量较低的水稻品种中，蛋白质及其组分含量对蒸煮食味品质影响较小；在总蛋白含量高于10%的条件下，醇溶蛋白含量与最高黏度、崩解值和胶稠度呈显著负相关，与热浆黏度、最终黏度和消减值呈显著正相关，显示出在蛋白质含量高的水稻品种中，增加醇溶蛋白含量则会降低稻米的蒸煮食味品质。张欣等[54]也提出在降低蛋白质含量的同时，选择醇溶蛋白含量低的水稻品种，有利于改善稻米的食味品质。但也有不少研究发现，谷蛋白对食味品质也存在反向作用。吴洪恺等[55]发现谷蛋白含量低于醇溶蛋白含量的水稻适口性较好。芮闯等[50]通过分析不同蛋白组分与食味品质的相关性发现，谷蛋白含量与米饭食味品质、光泽、适口性和滋味均呈显著负相关。石吕等[56]研究表明，蛋白质及其组分蛋白含量的增加都会在不同程度上降低稻米的蒸煮食味品质，其中谷蛋白含量对食味品质的负面作用也不能被忽视。还有研究[57]认为，高温下单位籽粒中的稻米蛋白总量并不会出现显著变化，但是谷醇比（谷蛋白含量/醇溶蛋白含量）会上升，稻米食味品质明显劣化。由此可看出，有关谷蛋白含量对食味品质的影响分歧较大，其作用机制还需要深入探讨。

另外，还有一些研究认为，稻米蛋白质含量与食味品质不一定呈负相关。童浩[40]指出，蛋白质含量与胶稠度呈极显著正相关，与直链淀粉含量和RVA谱特征值无显著相关性，说明增加蛋白质含量不一定会降低稻米的食味品质。张春红等[58]认为蛋白质含量对食味值的影响总体上是负向作用，但在同一食味类型的粳稻品种间二者相关性并不显著，且不同食味类型品种间二者呈不显著负相关或正相关，表明不同类型品种其蛋白质含量与食味值关系存在差异。王琦[49]也发现稻米蛋白质含量在3.88%～6.03%，增加其蛋白质含量，特别是醇溶蛋白和谷蛋白含量，在一定程度上能改善稻米的食味品质。钱春荣等[59]证明了蛋白质含量过高或过低都会使食味值下降，稻米蛋白质含量与食味品质之间并不是简单的线性关系。稻米蛋白质含量对食味品质的影响机制还有待深入研究。

4.3 稻米蛋白质及其组分与营养品质的关系

稻米中的营养成分主要包括蛋白质、氨基酸和维生素等。研究[60]表明，稻米中营养成分越丰富，其营养价值越高。江良荣等[61]发现增加蛋白质、氨基酸和维生素等含量，能改善稻米营养品质。陈汉生等[62]认为稻米营养品质主要取决于蛋白质的含量和质量，必需氨基酸含量是衡量蛋白质质量的指标。蛋白组分中谷蛋白所含的赖氨酸、精氨酸和甘氨酸营养价值高，且易被人体吸收和利用；醇溶蛋白所含的赖氨酸较少，不易被人体消化吸收，因此谷蛋白的营养价值高于醇溶蛋白[63]。但另一方面，稻米作为主食，消费者更注重稻米的适口性，稻米蛋白质的营养功能相对弱化，因而可能更应该从食味品质的角度分析蛋白质的作用，从而决定栽培和育种的研究方向。

5 稻米蛋白质含量的外在影响因素

5.1 光温等环境条件

水稻结实期温度和光照是影响稻米蛋白质含量的主要环境因素。众多研究发现结实期高温处理显著增加了籽粒的蛋白质含量[64-66]和组分蛋白含量[67]。韦克苏[68]观察到花后5～20d高温胁迫显著增加了清蛋白和球蛋白含量，醇溶蛋白和谷蛋白含量只在花后5～10d显著增加，说明灌浆前期高温有利于醇溶蛋白和谷蛋白积累。也有研究[57,69]发现，高温胁迫使醇溶蛋白含量明显低于对照，还改变了谷蛋白的积累形态，引起 57kDa谷蛋白前体含量增加，这主要与蛋白质翻译后的转化、转运和聚合等过程密切相关。光照对稻米蛋白质含量有影响，一些研究发现遮光处理增加了蛋白质含量[70-72]。刘奇华等[73]发现插秧至幼穗分化期遮光降低了蛋白质含量，抽穗至成熟期遮光却有利于蛋白质的积累。除了温度和光照，CO2浓度升高对稻米品质也有一定影响，研究[74-75]发现，CO2浓度升高使蛋白质及其组分含量呈下降趋势，但其中的影响机制尚不明确。谢立勇等[76]发现蛋白质含量随CO2浓度增加呈先上升后下降的趋势。由此可见，环境因素对稻米蛋白质含量的影响可能因试验材料、处理时期和测定环境的不同而有所差异。

5.2 栽培管理措施

氮肥是生产上应用最多的肥料，对水稻生长有极大影响，籽粒蛋白质的积累是一系列氮代谢活动的结果，因而蛋白质含量与氮素供应有直接关系。许多研究表明稻米蛋白质及其组分含量均随施氮量的增加而增加[77-78]，而蛋白组分占总蛋白的比例却变化很小[79]。石吕等[56]发现后期氮肥施用显著增加各组分蛋白含量，尤其是醇溶蛋白和谷蛋白含量，且氮素的作用效应甚至超过供试品种的本身差异。耿春苗[80]指出，增加施氮量和穗肥比例，显著提高了精米中醇溶蛋白和谷蛋白含量。而邱才飞等[81]认为后期穗粒肥施用对醇溶蛋白含量无显著影响，但能显著增加其余蛋白组分含量。另外，也有研究[82]发现施氮量对总蛋白及其组分含量并无显著影响。可见氮肥对蛋白质及其组分含量的影响结论较为一致，增施氮肥特别是水稻生长中后期氮肥会显著提高籽粒蛋白质含量。但是，氮肥对籽粒蛋白质含量的影响可能因不同品种和环境存在一定的差异，氮素影响稻米蛋白质积累的规律及机制还需要进一步研究。此外，还有研究[83]发现，随着磷肥和钾肥施用量增加，稻米蛋白质含量显著上升，而王伟妮等[84]认为，施用适量磷肥和钾肥才能提高糙米蛋白质含量，过量施用磷肥和钾肥会降低糙米蛋白质含量。王成瑷等[85]则通过固定氮、磷、钾中任意2种肥料用量，增加剩余的一种肥料用量，发现只有氮肥用量与蛋白质含量呈显著正相关，磷肥和钾肥的施用对蛋白质含量无显著影响。

灌溉方式对蛋白质含量也有一定影响，但研究结果并不一致。周婵婵等[86]认为，干湿交替灌溉增加了稻米的蛋白质含量。张自常等[87]发现干湿交替灌溉主要提高了清蛋白和谷蛋白含量，降低了醇溶蛋白含量，可能是因为干湿交替灌溉增强了根系活力，同时提高了根系中激素水平，从而促进地上部发育，影响稻米蛋白质合成。蔡一霞等[88]研究指出，正常施氮水平下，水分胁迫提高了精米中谷蛋白和醇溶蛋白含量，高氮水平下，水分胁迫降低了精米中谷蛋白和醇溶蛋白含量。说明不同施氮条件下，水分处理对蛋白质含量的影响不同。然而也有研究[89]发现，水分胁迫对蛋白质含量无显著影响。

稻米蛋白质含量还受到栽插密度和播期等的影响，随着栽插密度的增加，蛋白质含量呈下降趋势[90-92]。而陈于敏等[93]和徐春梅等[94]认为，提高种植密度会增加籽粒蛋白质含量。季红娟等[95]和赵庆勇等[96]发现，播期推迟影响了水稻抽穗期光温条件，从而影响灌浆进程，使稻米蛋白质含量增加。

6 展望

6.1 加强对稻米蛋白质含量生理和遗传机制的研究

稻米蛋白质含量属于典型的数量性状，遗传机制复杂，表达影响因子众多，不同类型品种可能存在较大差异，其决定机制的解析难度更大。需要进一步研究蛋白质及其组分合成与积累过程中遗传分子机理，为调控稻米蛋白质含量的育种工作提供理论依据。需要在阐明影响稻米蛋白质含量的生理机制的基础上，逐步探明蛋白质及其组分合成与积累过程中的遗传生理机制和分子机理，为水稻优质食味品种选育提供可靠的理论依据和有用基因。

6.2 系统研究环境和栽培措施对蛋白质及其组分含量的影响和作用机制

控制中后期施氮量以提高稻米品质，在优质米生产中已经成为默认的做法。而温度、光照、水分和密度等环境条件和栽培措施均对稻米蛋白质含量和食味品质有明显影响，然而深层次的机理解析研究仍有欠缺。有必要进行系统的更精细化的深层次机理性研究，以期能够揭示不同环境条件或栽培措施对稻米蛋白质及其组分含量的调控作用，为优质稻米规模化生产提供必要的理论依据。

6.3 加强对蛋白质及其组分含量的动态变化及其对食味品质的影响机制研究

目前关于水稻蛋白质含量对食味品质的影响研究多局限于蛋白质总量，而涉及蛋白质组成、形态、结构等分子机制方面的研究较少，对蛋白质积累的动态分析更少。另外，稻米蛋白质含量与其食味品质之间并不是简单的线性关系。加强蛋白质含量的积累动态分析，从籽粒发育角度进行食味品质的影响机制探讨，可能会形成对优质食味品质决定机制的新认识。