稻米垩白性状的研究进展

陈 峰，王海凤，高 洁，周学标，信彩云，张士永，徐建第，袁守江

（山东省水稻研究所/山东省水稻工程技术研究中心，山东济南250100）

垩白是稻米胚乳中组织疏松而形成的白色不透明的部分，主要包括垩白度、垩白粒率等指标，是影响水稻外观品质和加工及蒸煮品质的重要性状，也是制约我国水稻优质达标率的主要限制因子之一[1]。研究垩白的形成机理、遗传特性及垩白基因的分子机理对于培育优质水稻品种具有重要意义。

1 稻米垩白的形成机制

水稻籽粒的充实过程主要是淀粉的合成与积累过程。稻米垩白的形成与水稻灌浆期间籽粒干物质积累、灌浆速率以及含水量的动态变化有密切关系[2]。灌浆影响垩白形成的原因有：灌浆物质不足，胚乳中贮藏物填充不充分；灌浆动态不合理和相关酶生理活性的变化造成一些部位（通常是腹部和心部）物质相对不足而形成垩白；也可能是“流”的障碍[3-4]。如由于胚乳边缘的细胞中蛋白质填实后阻碍灌浆物质进入内部胚乳细胞造成垩白，大粒品种稻米因其中部的胚乳细胞离糊粉层远，易形成心白米等[2]。

董明辉等认为颖花在穗上的开花程序与垩白粒率的高低有关，一般开花较早的籽粒垩白粒率较低，开花迟的籽粒垩白粒率较高。垩白发生与淀粉的合成和同化物的运输有关[5]。杨建昌等研究表明，葡萄糖酰苷二磷酸焦磷酸酶、淀粉合成酶和淀粉分支酶的活性变化与籽粒灌浆动态相关联[6]。钟旭华等认为灌浆期根系活性对垩白的影响也较大[7]。

灌浆期的气候条件、栽培方式等环境条件对垩白的影响也很重要。高温会影响水稻籽粒灌浆，使籽粒充实不良从而增加稻米的垩白粒率和垩白面积[8]。采用适当稀植，构建合理的群体结构，可延缓叶片衰老，有利于营养物质转运，从而降低垩白粒率和垩白面积[9]。

2 垩白性状的遗传及分子生物学研究进展

2.1 垩白的遗传

垩白属于胚乳性状，遗传表达受三倍体的胚乳基因型控制，还存在细胞质效应[10]。关于垩白的遗传，有研究认为受单基因控制，也有研究认为受2个主效基因控制，并受若干修饰基因影响，还有研究认为垩白为数量性状，受多基因控制，以加性效应为主[11]。陈秉发等研究表明，无垩白对有垩白、小垩白对大垩白为显性或部分显性[12]。垩白的遗传较为复杂，既有单基因、多基因控制的不同，也有显隐性的差异，还存在质量性状与数量性状的差异。垩白的遗传因材料的不同，表现出不同的遗传效应。

2.2 垩白与品质性状间的相关性

泷田正认为，宽粒型、长粒型的粳稻品种或宽粒型、圆粒型的籼稻品种垩白往往较大[13]。李欣等研究表明，垩白与粒形的相关性因籼粳稻（不同亚种）存在较大差异，籼稻米粒垩白与粒宽呈极显著正相关，与长宽比呈极显著负相关，而粳稻米粒垩白面积与粒型、粒长的相关性不显著，与千粒质量和粒宽显著相关[14]。

研究表明，稻米垩白与整精米率呈负相关，选用无垩白或低垩白的品种组合进行优质水稻品种选育，可以同时对垩白和整精米率性状进行改良[3]。

2.3 垩白基因（QTL）的定位

He等用窄叶青8号/京系17双倍体（doubled haploid，DH）群体，将垩白率QTL定位于第8染色体G187-RZ66之间与第12染色体的CT462-RG574之间，同时定位了位于第3染色体的控制垩白面积大小的QTL[15]。Tan等用珍汕97/明恢63获得的重组自交系检测到位于第5染色体RG360-C734a之间和第7染色体的R1245-R1789之间的2个腹白QTLs，前者能解释87.2%的变异，检测到位于第5染色体RG360-C734a之间和第6染色体的Wx-R1952之间的2个心白QTLs，分别解释11.6%和7.5%的变异[16]。吴顺等用七丝占/外选35重组自交系，检测到4个控制垩白度的QTLs，分别位于第2染色体及第6染色体[17]。曾大力等采用视频显微扫描与计算机图形分析相结合的方法，并结合染色体图谱，共检测到位于第8、11和12染色体上3个控制垩白的QTLs[18]。

Wan等利用由IR24/Asominori//Asominori构建的染色体单片段替换系2年共8个环境条件下进行了垩白QTL分析，共检测到相关位点11个，其中垩白率QTL位点qPGWC-8、qPGWC-9，垩白大小QTL位点qACE-8，垩白度的QTLqDEC-8在8个环境中均可检出[19]。Guo等将qPGWC-8定位在Indel标记8G-7和8G-9之间约140Kb区域内[20]。李泽福等利用由98个家系组成Nipponbare/Kasalath//Nipponbare的回交重组自交系群体，定位到7个垩白率QTL、5个垩白大小QTL及4个垩白度QTL[21]。

Peng等利用5个不同遗传群体，在海南和武汉2种环境下对垩白性状进行分析，共检测到稻米垩白性状（垩白粒率、心白粒率、腹白粒率、垩白面积、心白面积和腹白面积）的QTLs 79个[22]。陶亚军等利用籼稻品种广陆矮源号与粳稻品种日本晴为供体构建染色体单片段代换系群体为试验材料，共检测到36个垩白相关QTL[23]。其中垩白度QTL共19个，垩百分率相关QTL共17个。马孟莉等以粳稻品种南粳35和籼稻品种N22构建的回交重组自交系群体，对控制垩白粒率的QTL进行定位，共检测到6个控制垩白粒率的QTL，分别位于第2、3、6、8和12染色体上，单个QTL对表型的贡献率介于8.96%～12.51%，加性效应值介于 8.38%～14.36%，除qPGWC-6增加垩白粒率的基因来自N22外，其余QTL增效基因均来自南粳35[24]。高阳等利用9311和培矮64s的重组自交系群体和高分辨率遗传图谱检测到分别位于水稻第 1、4、6、7、9和 12号染色体上的19个与垩白相关的QTL，对表型变异的贡献率在5.1%～30.6%[25]。其中，在海南和杭州分别检测到位于水稻第9号染色体上同一定位区间内的一个新的与垩白面积相关的QTL-qACE9。将该QTL进一步精细定位在2个InDel标记IND9-4和IND9-5之间约22 kb的物理区间内。以上研究表明，稻米垩白遗传复杂，垩白遗传控制位点对表型的贡献率受遗传背景和环境条件的影响。

2.4 垩白基因的克隆

随着现代分子生物学技术的发展，一些与垩白相关的基因已克隆（表1）。目前克隆的与垩白相关的基因大致有3类：第一类是属于直接参与淀粉合成的基因，它们通过调控胚乳淀粉合成、淀粉粒结构及排列而影响稻米垩白的产生；第二类是属于间接参与淀粉合成的基因，它们通过影响光合同化物的分配进而导致垩白的产生；第三类属于其他类型，通过其他途径调控垩白的形成。

Li等克隆了第5染色体上的一个垩白基因Chalk5，提高Chalk5表达可以增加胚乳垩白，可能是通过干扰发育中种子的内膜转运系统pH值稳态来实现的，这个过程影响了蛋白体的形成并且与囊泡类结构显著增加相偶联，因此在胚乳储存物质中形成了气体空间，从而导致籽粒垩白的形成[26]。

Kang等通过筛选T-DNA插入突变体库的方法，得到一个白心粉状胚乳突变体（floury whiteendosperm mutant，flo-4），flo-4 是由于丙酮酸磷酸双激酶基因（OsPPDKB）突变引起的，与野生型谷粒相比，flo-4突变体的谷粒质量大概低6%，但淀粉含量类似，总蛋白含量还略有升高，此外脂肪含量显著增加[27]。OsPPDKBcDNA全长3 331 bp，包含21个外显子，编码一个由947氨基酸组成的蛋白产物。OsPPDKB是水稻灌浆过程中淀粉和脂肪生物合成时碳流通的重要调节因子。

Song等图位克隆了控制籽粒宽度基因GW2，该基因编码E3泛素连接酶，在增加粒宽和粒质量的同时垩白也显著增加，具有多效性[28]。Fujita等筛选到SSIIIa基因缺失突变体，OsSSIIIa基因位于第8染色体上，该基因的缺失表现出心白表型。OsIIIa基因由14个外显子和13个内含子组成。突变体中OsIIIa第1内含子的5'剪切位上发生GT→AT的突变，导致了翻译异常。SSIIa/SSIIIa的双抑制株系呈现垩白、直链淀粉含量增加、糊化温度升高、粘度减小[29]。

Wang等从中花11的突变体中筛选到1株灌浆有缺陷的突变体gif1(grain incomplete filling 1)，突变体在形态和结实率上表现正常，但灌浆程度比野生型低、籽粒淀粉粒排列松散、垩白度高，最终的粒质量比野生型低24%、直链淀粉和支链淀粉含量也明显比野生型低[30]。GIF蛋白是一种细胞壁转化酶，GIF1基因负责控制蔗糖酶的活性，从而影响谷粒发育过程中的淀粉合成。Woo等克隆了一个位于第9染色体的控制雄性不育的基因ms-h，它能同时控制雄蕊育性和胚乳垩白2个性状[31]。She等图位克隆了控制水稻的直链淀粉含量的基因（floury endosperm 2,FLO2），来自突变体EM317的等位基因flo-2引起水稻胚乳的直链淀粉含量降低[32]。过表达FLO2可以显著增大稻谷籽粒的大小，flo-2定位于水稻第4染色体，FLO2在叶和发育的种子中大量表达，通过影响胚乳中储藏性物质的积累，在调控水稻籽粒大小和淀粉品质中发挥关键作用，并可能在种子发育中参与耐热。

表1 已克隆的水稻垩白相关基因

3 讨论与展望

3.1 稻米垩白表型的选育策略

垩白的遗传具有明显的母体效应，在改良水稻品种垩白过程中，以低垩白的品种为母本效果更好。王才林等研究了垩白粒率、垩白度和透明度等外观品质改良的选择效果，表明在F4—F6代对垩白性状选择的效果较好，上下世代间外观品质的表现有明显的相关性[33]。因此，在稻米品质育种（含垩白性状改良）过程中，首先应选择优质（低垩白）的品种为供体，对于新配制的育种基础材料，低世代可采用混选法，以减少工作量，并保留较多的基因型，在F4—F6开始单株选择，并进行外观品质性状的筛选，在优质的基础上求高产多抗。另外，在已有的高代材料中筛选优质品系，由于其丰产性较好，可起到事半功倍的效果。山东省水稻研究所采用上述方法，先后育成圣稻14、圣稻2572、圣稻18、圣稻20等低垩白优质稻品种[34-36]。而要改良杂交稻的垩白性状，不育系垩白的改良尤为重要。邱先进等提出了借助显性核不育系进行轮回选择改良水稻垩白的分子育种策略[37]。利用与垩白主效QTL分子标记辅助选择是改良水稻垩白的有效途径，聚合不同有利等位基因可有效改良垩白表型，从而培育低垩白水稻品种。

由于环境因素对水稻垩白的形成也有较大影响，采用合理的栽培措施，可以降低稻米垩白[38]。主要措施有：适期播种移栽、合理施肥，氮、磷、钾3者适量搭配施用，喷施叶面肥和施用有机肥等；合理的田间水分管理，移栽后应及时灌溉返青水，够苗及时晾田，在水稻灌浆结实期采用轻干－湿交替灌溉，后期断水不能过早等。

3.2 展望

垩白的形成受基因型及环境的共同影响。通过QTL遗传定位方法，已定位了多个与垩白相关的基因（QTL）位点，但大多数垩白遗传位点效应较小，或受环境影响较大，因此克隆相关基因仍然存在一定的难度[2]。由于垩白表型易受环境条件影响，因此发掘创制对环境不敏感且遗传效应大的低垩白品种（种质）及垩白突变体，阐明其遗传机制，克隆相关基因，可能更有育种利用前景。山东省水稻研究所利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯（EMS）诱变获得一个稳定遗传的腹白突变体c1-39，该突变体对环境不敏感，目前正在进行遗传分析和基因定位工作。

在水稻基因组中存在多个QTLs位点控制或者影响垩白，应重点研究在不同群体及不同环境下都稳定表达的垩白QTLs，并进行精细定位和克隆，有助于深入解析垩白的遗传基础并进行育种利用。随着水稻功能基因组学研究的深入，将会有更多垩白QTLs位点或者基因被挖掘。水稻垩白性状的遗传机理、分子调控代谢网络将会逐渐清晰，为水稻垩白性状的改良奠定基础。

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