转基因水稻品质改良的研究进展

转基因水稻品质改良的研究进展

[摘要] 本文以总结了转基因技术在改良水稻性状所进行的研究进展，分析了转基因技术改良稻米的淀粉含量、产率、垩白粒率、粒形、株型等性状的研究进展。

[关键词] 转基因 水稻 品质改良

The research progress of improving transgenic rice quality

(School of Chemistry and Materials Science, Nanjing Normal University)

Abstract: Based on the transgenic technology, this paper summarizes the progress of the research of improving rice characters, analyzes the research progress of transgenic technology in modifying traits such as the starch content of rice, the yield, the rate of chalky rice, the grain shape, the plant-type .

Key words: transgenic, rice, improve the quality

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,世界50%以上的人口以水稻为主食[1], 水稻提供了世界人口约21%、东南亚国家约76%的能量摄入需求[2].中国是一个农业大国,也是水稻生产和消费大国, 随着人口的不断增加,提高水稻的产量对于国家发展至关重要.

与此同时,人们对稻米的外观、口感要求越来越高，然而我国稻米品质特别是籼稻米品质欠佳,已与国家的经济发展水平和人民对农产品品质的要求不相适应.我国是世界水稻生产大国,水稻产量占世界水稻总产量的34%,但因品质较差等原因,只占到5%以下的稻米国际贸易额,这也与我国加入世界贸易组织后必须大力提高农产品品质以增强国际竞争力的时代要求格格不入.因此,尽快改良我国稻米品质是一项极其重要且十分紧迫的任务. [3]

传统的遗传育种方法在提高水稻产量、抗性和品质方面已做出了重要贡献,自20世纪50年代以来,通过矮化育种和杂种优势利用,我国实现了水稻产量的两次飞跃[4, 5]. 但是近20年来，由于稻属种质资源的限制及常规育种方法的局限性,给水稻进一步的遗传改良带来一定困难,水稻单产徘徊不前.如何在水稻种植面积基本保持稳定或略有下降的情况下增加水稻产量，保障我国粮食安全，是当前面临的一个新课题. [6]

1 转基因

转基因技术就是将人工分离和修饰过的基因导入到目的生物体的基因组中，从而达到改造生物的目的.常用的方法包括显微注射、基因枪、电破法、脂质体等.植物转基因是基因组

中含有外源基因的植物.它可通过原生质体融合、细胞重组、遗传物质转移、染色体工程技术获得，有可能改变植物的某些遗传特性，培育高产、优质、抗病毒、抗虫、抗寒、抗旱、抗涝、抗盐碱、抗除草剂等的作物新品种,如玉米稻 、转基因三倍体毛白杨.

随着分子生物学研究的深入,基因的分离、克隆和重组技术以及转基因技术的日趋成熟,遗传转化已成为水稻遗传改良的一种有效手段.2005年, 全球21个国家种植转基因作物面积达9000万hm2[7] .

纵观转基因水稻的发展历程,利用转基因技术开展水稻遗传改良主要集中在下列几个方面：抗虫,抗病,抗除草剂,抗逆性,高产和优质性状.

本文主要从淀粉合成相关酶以及其他基因的研究进展入手,探讨了转基因技术改良稻米的淀粉含量、产率、垩白粒率、粒形、株型等性状的研究进展和发展前景.

2 淀粉含量的改良

淀粉是稻米胚乳的主要组成成分,而淀粉含量和性质的差异又直接决定稻米的品质.根据其结构不同,淀粉可分为直链淀粉( amylose)和支链淀粉(amylopectin).直链淀粉是以a-1,4糖苷键连接而成的线性多聚糖,而支链淀粉是由a-1,4糖苷键和a-1,6糖苷分支键连接而成的具有分支的多聚糖,约占淀粉组成的70%-80% (French, 1984). [8] 优质食用稻米要求直链淀粉含量适中 , 如含量过高 , 米饭太硬 , 饭粒松散 , 口感差 , 反之含量过低 , 米饭太软 , 饭粒粘结 , 口感也不好 , 同时 , 直链淀粉含量与稻米的糊化温度和胶稠度等品质指标存在直接的相关性 , 因而在新颁优质稻谷国家标准中直链淀粉含量是唯一的稻米化学品质指标.

[9]

与淀粉合成有关的关键酶有ADPG焦磷酸化酶、淀粉合酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶.淀粉合酶依据它在淀粉体中存在的状态,可分为颗粒凝结型淀粉合酶(granule-bound starch synthase, GBSS) 和可溶性淀粉合酶(soluble starch synthase, SSs ).GBSS有2种同工型: GBSSI 和GBSSII.GBSSI由Wx编码,负责直链淀粉的合成,SSs、SBE和DBE则共同决定支链淀粉的结构和特性.[8] 将控制直链淀粉合成的水稻腊质（Wary，Wx）基因的不同转基因构建，包括其全长基因组序列（简称全长Wx基因）、Wx-cDNA和反义RNA结构（简称反义Wx基因），导入具有不同直链淀粉含量的水稻品种协青早、龙特普、武香粳9号、武香9915、苏御糯和广陵香糯等中，研究了调控腊质基因表达对直链淀粉含量的水稻新品种（系）. [10] 胡昌泉等[11] 采用农杆菌介导法将可溶性淀粉合成酶( SSS) 基因和淀粉分支酶( SBE) 的基因导入籼稻恢复系明恢86, 转基因的水稻株系稻谷直链淀粉含量均有较大幅度降低.

2 垩白粒率的改良

垩白是指稻米胚乳中组织疏松而形成的白色不透明的部分,垩白粒率是指米粒中有垩白米粒的比率,为稻米重要品质指标.它不仅关系到外观好看与否,而且对加工品质、蒸煮品质有很大影响.

研究结果表明,利用具有Stv-bi基因的粳稻抗源进行杂交育种,在充分发病的自然条件下对条纹叶枯病抗性进行一定选择压的定向选择，很容易获得抗性好的株系.对穗颈稻瘟病进行人工接种鉴定的效果明显.垩白粒率、垩白度和透明度等外观品质在上下世代间的表现有明显的相关关系,在低世代进行选择的效果较好.产量性状的选择应注重相互间的协调，特别要重视稳产性、广适性、抗倒性和后期熟相的选择.利用主基因功能标记和紧密连锁的分子标记进行辅助选择,可大大提高选择效率，加快多基因聚合速度.[12]

3 产量的提高

目前提高水稻产量的基因工程的主要设想是改造光合碳代谢过程. 高光效 C4植物的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶( PEPC) 和二磷酸核酮糖羧化酶基因( RuBpC) 导入水稻( C3 植物) 中,在水稻叶片的叶绿体中表达以提高水稻光合效率,达到增加产量的目的. [13]

转基因水稻产量和品质是由多基因控制的综合性状，个别外源基因的导入只能使其组成成分中单一因子的水平获得提高，而对其综合水平没有明显的影响.虽然Ku等[14] 将PEPC 基因导入水稻，获得了光合效率提高近50 %的转基因水稻，但离获得高产品种还相距甚远，只是为水稻大幅度增产带来了新的希望.

此外, 林鸿生等[15] 利用E. coli中编码ADPG焦磷酸化酶的基因glgC-TM, 将其导入水稻, 并获得了转基因植株, 可提高水稻灌浆时胚乳细胞中淀粉的转化率, 使千粒重增加, 产量得到提高.

3.1 水稻粒形性状在超高产育种中的应用

水稻粒形是与水稻产量性状直接相关，与品质性状存在着密切关系的数量性状，其评价指标主要是粒长、粒宽、粒厚、长/宽和长/厚.近年来，水稻粒形的数量遗传研究取得了重要进展，并成功定位克隆了一批控制水稻粒形的基因.[6]

Fan等[16] 对170份水稻初级核心种质材料[17] 和10份国外水稻品种进行研究发现GS3第2个外显子中C-A单碱基突变（SNP）与粒长性状高度关联，由此开发出1个功能性标记SF28，可以应用于分子标记辅助选择GS3基因，以改良稻米外观和产量.

Song等[18] 对GW2做了育种应用的产量品质两方面的深入研究，结果发现NIL（GW2）相比丰矮占1（FAZ1），虽然主穗粒数减少29.9%，但单株谷粒产量提高19.7%，并且来自

WY3的GW2等位基因并不会影响FAZ1的株叶形态、籽粒灌浆以及稻米的蒸煮和食用品质.

Jiao等[19] 最近克隆了一个具有一因多效的IPA1基因，其表达能减少分蘖，增强植株抗倒伏能力以及增加谷物产量，从而具有塑造理想株型和提高产量的育种潜力.

3.2 水稻株型在高产量转基因研究

优良的水稻株型是水稻能够获得高产的骨架.到目前为止, 一些水稻株型相关基因已经被克隆, 这为通过转基因技术改良水稻株型提供了条件.已有不少研究者对此进行了积极的探索, 特别是在创造水稻新矮源上取得了很大进展. [20]

Sakamot等[21] 利用水稻DI8基因的启动子引导水稻 GA2oxI 基因的表达,并获得了 稳定遗传的具有半矮杆表型 的转基因水稻.Ikeda等[22] 将水稻SLRI基因人工改造后 ( 造成编码产物缺失 17个氨基酸, 并影响到 DELLA 功能域)转入水稻, 获得一系列对GA不响应的矮化转基因株系. Fu等[23] 将拟南芥的野生型 GAI 基因和突变型gai基因转入水稻, 结果也获得了对GA不响应的矮化程度不同的转基因植株.Nakagawa等[24] 克隆了两个与水稻 花分生组织维 持有关的基因RCN1和RCN2,RCN1和RCN2在转基因水稻中的过量表达不仅使生育期延长, 也使穗部表现出分枝的密穗表型.

4 其他转基因

肖君泽等[25]采用花粉管通道技术将小麦“湘麦13号”供体的DNA导入早籼水稻品种“191”受体中, 从其变异后代中选育成功高蛋白水稻新品种“长早籼9号”;王德正等[26]将玉米PEPC基因转入水稻植株并获得稳定表达, 其单株有效穗数、穗总粒数、千粒重和单株产量等主要经济性状分别比原始亲本提高14.9%, 5.7%, 1.3%和13.9%[9] .

张宪银等[27] 用农杆菌介导法将大豆球蛋白基因导入水稻获得转基因植株, 并在后代中稳定遗传. 高越峰等[27] 将高赖氨酸蛋白基因导入水稻获得转基因植株, 其赖氨酸含量均有不同程度的提高.

叶红霞等[28] 将豌豆铁蛋白基因(Fer)转入秀水11中,获得2份富铁转基因种质(Fer34和Fer65) ,其精米全铁含量为野生型亲本的4.82倍和3.46倍.进一步鉴定表明,所筛选到的2份富铁转基因种质的外源基因(Fer)遗传简单, 明显增加精米粉铁含量,对植株重要农艺性状、其他矿质营养、精米外观和食用品质等均无明显的负作用,是较为难得的富铁转基因优良新种质.

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