水稻是全球最重要的糧食作物，其食用和烹飪品質(zhì)（ECQ）直接關(guān)系到消費(fèi)者的接受度和市場需求水稻品質(zhì) 。然而，水稻品質(zhì)的改良面臨諸多挑戰(zhàn)，尤其是其復(fù)雜的遺傳背景和多基因調(diào)控的特性，使得育種過程中的精準(zhǔn)改良變得極為困難。2024年10月27日，江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所、江蘇省生物育種鐘山實(shí)驗(yàn)室李愛宏研究團(tuán)隊(duì)，在《Plant Biotechnology Journal》雜志上發(fā)表了題為“Genetic improvement of eating and cooking quality of rice cultivars in southern China”的研究論文。該研究通過系統(tǒng)分析南方地區(qū)過去30年培育的290份水稻品種（包括155份秈稻和135份粳稻），揭示了表觀直鏈淀粉含量（AAC）、蛋白質(zhì)含量（PC）和口感值（TV）等關(guān)鍵品質(zhì)指標(biāo)的遺傳改良規(guī)律，挖掘了多個(gè)與品質(zhì)性狀相關(guān)的基因模塊，并提出了基于等位基因組合的分子育種新策略。

1.直鏈淀粉和蛋白質(zhì)含量的降低是改善籽粒ECQ的關(guān)鍵

為了分析南方水稻品種的食用和烹飪品質(zhì)（ECQ）的遺傳改良，研究者測定了來自該地區(qū)過去30年培育的290份非糯性水稻品種（155份秈稻和135份粳稻品種）的表觀直鏈淀粉含量（AAC）、蛋白質(zhì)含量（PC）、脂肪含量（LC）和口感值（TV）水稻品質(zhì) 。這四個(gè)理化指標(biāo)在秈稻和粳稻品種間存在顯著差異，但均符合正態(tài)分布（圖1a,c）。在過去30年中，秈稻和粳稻品種的口感值逐年增加（圖1b,d）。相關(guān)性分析顯示，口感值與表觀直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量在秈稻和粳稻品種中均顯著負(fù)相關(guān)（圖1a,c）。因此，降低表觀直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量是南方水稻品種食用和烹飪品質(zhì)改良的關(guān)鍵因素。

圖1 南方水稻品種AAC、PC、LC和TV的相關(guān)分析

2.優(yōu)良基因型的利用對提高水稻ECQ具有重要作用

隨后，對290份水稻進(jìn)行重測序，測序深度20X，比對到秈稻和粳稻的參考基因組（R498和Nipponbare）水稻品質(zhì) 。利用3,432,371個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNPs）對秈稻品種進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析，將其分為七個(gè)群體（DK = 7）?；?,157,697個(gè)SNPs，粳稻品種被分為六個(gè)群體（DK = 6）。為了進(jìn)一步分析測序群體的食用和烹飪品質(zhì)的遺傳改良，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）定位了與表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值相關(guān)的位點(diǎn)。在所有秈稻品種中鑒定出14個(gè)顯著位點(diǎn)（圖2a)?；陲@著SNPs和連鎖不平衡信息，在所有秈稻品種中鑒定出6個(gè)位點(diǎn)為先前報(bào)道的功能基因：兩個(gè)與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因，Wx和OsbZIP76，其中Wx對表觀直鏈淀粉含量的貢獻(xiàn)最大；兩個(gè)與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的基因，GPA3和OsMYB5，其中GPA3對蛋白質(zhì)含量的貢獻(xiàn)最大；以及三個(gè)與口感值相關(guān)的基因，OsBEIIb、GPA1/Glup4和Wx，其中Wx對口感值的貢獻(xiàn)最大。同樣，在粳稻群體中鑒定出17個(gè)顯著位點(diǎn)，包括9個(gè)已報(bào)道的功能基因（圖3a）。這些基因包括三個(gè)與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因，OsBT1、OsBEIIb和Wx，其中Wx對表觀直鏈淀粉含量的貢獻(xiàn)最大；三個(gè)與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的基因，Glup3、OsNF-YC12和OsNAC25，其中OsNAC25對蛋白質(zhì)含量的貢獻(xiàn)最大；以及四個(gè)與口感值相關(guān)的基因，F(xiàn)LO23（Chen等，2023）、Wx、OsSSIIIa和FLO12/OsAlaAT1，其中Wx對口感值的貢獻(xiàn)最大。為了明確本研究通過GWAS鑒定的基因是否在育種過程中被人工選擇，使用跨群體復(fù)合似然比（XP-CLR）在全基因組水平掃描選擇區(qū)域?？偣苍诙i稻和粳稻品種中分別檢測到1378和675個(gè)人工選擇印記區(qū)域。通過GWAS鑒定的大多數(shù)與表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值相關(guān)的基因都包含在這些選擇區(qū)域內(nèi)，包括在秈稻品種中鑒定的與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因Wx和OsbZIP76、與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的基因OsMYB5以及與口感值相關(guān)的基因Wx和OsBEIIb，以及在粳稻品種中鑒定的與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因Wx、OsBT1和OsBEIIb、與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的基因Glup3和OsNAC25以及與口感值相關(guān)的基因Wx、FLO23、OsSSIIIa和FLO12（圖4）。在秈稻和粳稻品種中，表觀直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量與攜帶的優(yōu)良等位基因組數(shù)量顯著負(fù)相關(guān)，而口感值與優(yōu)良等位基因組數(shù)量顯著正相關(guān)（圖2d、3d和5a,d）。因此，將多個(gè)與表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值相關(guān)的有利基因組合是一種有效的食用和烹飪品質(zhì)改良策略。

圖2 秈稻品種ECQ性狀相關(guān)基因的全基因組關(guān)聯(lián)研究

3.優(yōu)良等位基因組合提高水稻品質(zhì) 了ECQ

Wx是影響口感值的最有效基因，且育種群體中存在該基因的多個(gè)等位基因水稻品質(zhì) 。根據(jù)Wx等位基因變異，秈稻品種被分為Wxa和Wxb亞群，粳稻品種被分為Wxb和Wxmp亞群。相關(guān)性分析顯示，口感值與蛋白質(zhì)含量顯著負(fù)相關(guān)，這表明在相同的Wx基因型背景下，適度降低蛋白質(zhì)含量可以有效改善食用和烹飪品質(zhì)。通過GWAS在秈稻品種的Wxb亞群中鑒定出12個(gè)與表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值顯著相關(guān)的位點(diǎn)（圖2b）。在這些位點(diǎn)中，有5個(gè)位點(diǎn)被鑒定為先前報(bào)道的功能基因，包括一個(gè)與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因OsNF-YB9、兩個(gè)與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的基因OsmtSSB1L和OsDML4以及兩個(gè)與口感值相關(guān)的基因RPBF和Du3。在秈稻品種的Wxa亞群中鑒定出13個(gè)顯著位點(diǎn)，其中只有2個(gè)位點(diǎn)是先前報(bào)道的功能基因：一個(gè)與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因OsNF-YB9和一個(gè)與口感值相關(guān)的基因OsSK41。在粳稻品種的Wxb亞群中鑒定出16個(gè)顯著位點(diǎn)（圖3b,c），包括6個(gè)先前報(bào)道的功能基因：兩個(gè)與表觀直鏈淀粉含量相關(guān)的基因OsBEIIb和OsNAC25、三個(gè)與蛋白質(zhì)含量相關(guān)的基因OsEro1、Glup3和OsNAC25以及三個(gè)與口感值相關(guān)的基因OsBEIIb、FLO12和OsNAC25。在粳稻品種的Wxmp亞群中鑒定出6個(gè)顯著位點(diǎn)，但不包括先前報(bào)道的功能基因。通過在全基因組水平掃描選擇區(qū)域，確定了秈稻品種的Wxb亞群中的蛋白質(zhì)含量相關(guān)基因OsmtSSB1L和口感值相關(guān)基因RPBF和Du3，以及粳稻品種的Wxb亞群中的表觀直鏈淀粉含量相關(guān)基因OsBEIIb和OsNAC25、蛋白質(zhì)含量相關(guān)基因Glup3和OsNAC25以及口感值相關(guān)基因OsBEIIb、FLO12和OsNAC25具有人工選擇印記（圖4）。對有利基因優(yōu)良等位基因數(shù)量對表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值的貢獻(xiàn)分析表明，表觀直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量與優(yōu)良等位基因數(shù)量顯著負(fù)相關(guān)，而口感值與優(yōu)良等位基因數(shù)量顯著正相關(guān)，無論是在秈稻品種的Wxb亞群還是粳稻品種的Wxb亞群（圖5）。與表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值相關(guān)的有利基因的優(yōu)良等位基因數(shù)量的增加可以導(dǎo)致口感值的顯著增加。當(dāng)將與表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值調(diào)控位點(diǎn)相關(guān)的有利基因的優(yōu)良等位基因相加時(shí)，口感值與有利基因的優(yōu)良等位基因數(shù)量之間的相關(guān)性更強(qiáng)；特別是，與蛋白質(zhì)含量和口感值相關(guān)的有利基因的優(yōu)良等位基因數(shù)量的累積相關(guān)系數(shù)最高（圖6）。根據(jù)這些結(jié)果和基因組合效應(yīng)分析，在秈稻品種的Wxb亞群中，蛋白質(zhì)含量相關(guān)基因OsmtSSB1L和OsDML4以及口感值相關(guān)基因RPBF和Du3的優(yōu)良等位基因組合可以進(jìn)一步降低蛋白質(zhì)含量并增加口感值（圖2e）。在粳稻品種的Wxb亞群中，表觀直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和口感值都與OsNAC25相關(guān)，表觀直鏈淀粉含量和口感值共同與OsBEIIb相關(guān)，有利基因OsEro1、Glup3、OsBEIIb和FLO12的優(yōu)良等位基因分布在大多數(shù)品種中。將它們組合形成OsBEIIb/OsEro1/Glup3/FLO12/OsNAC25模塊，預(yù)計(jì)可以降低表觀直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量并增加口感值（圖3e）?？傊?，在秈稻品種的Wxb亞群和粳稻品種的Wxb亞群中，在相同主要基因的前提下，積累多個(gè)與蛋白質(zhì)含量和口感值相關(guān)的次要基因的優(yōu)良等位基因可以進(jìn)一步改善水稻的食用和烹飪品質(zhì)。

圖3 粳稻品種ECQ性狀相關(guān)基因的全基因組關(guān)聯(lián)研究

圖4 優(yōu)異ECQ基因選擇信號的鑒定

圖5 優(yōu)異等位基因數(shù)量對AAC、PC和TV的影響分析

圖6 多個(gè)與AAC、PC和TV相關(guān)的有利等位基因組合可以改善ECQ

4.鑒定出一個(gè)改善ECQ的精英等位基因RAmy1AA

在攜帶Wxb等位基因的108份粳稻品種中，觀察到食用和烹飪品質(zhì)指標(biāo)存在顯著差異，表明還有其他位點(diǎn)控制食用和烹飪品質(zhì)水稻品質(zhì) 。在這些品種中，選擇了92份用于測定RVA（快速粘度分析儀）特性。結(jié)果顯示，兩年的峰值粘度（PKV）、熱糊粘度（HPV）、崩解粘度（BDV）、冷糊粘度（CPV）、回生粘度（SBV）和一致性粘度（CSV）趨于穩(wěn)定。以2020年為例，不同指標(biāo)基本呈偏態(tài)正態(tài)分布（圖7a）。峰值粘度與熱糊粘度、崩解粘度、冷糊粘度和口感值顯著正相關(guān)，與回生粘度顯著負(fù)相關(guān)。熱糊粘度與冷糊粘度、回生粘度和口感值顯著負(fù)相關(guān)，與崩解粘度顯著正相關(guān)。崩解粘度與回生粘度顯著負(fù)相關(guān)，與口感值顯著正相關(guān)?；厣扯扰c口感值顯著負(fù)相關(guān)，與一致性粘度顯著正相關(guān)。一致性粘度與口感值顯著負(fù)相關(guān)，與回生粘度和冷糊粘度顯著正相關(guān)（圖7a）?；赟NP標(biāo)記和RVA特性值，在第2染體上定位到一個(gè)顯著位點(diǎn)（圖7b），與粳稻W(wǎng)xb亞群的qTV2.2 QTL相同，并且與α-淀粉酶編碼基因RAmy1A（LOC_Os02g52710）共定位（圖7c,d）。測序分析發(fā)現(xiàn)自然種質(zhì)中存在兩種等位基因RAmy1AA和RAmy1AC，且兩種等位基因的編碼序列之間沒有差異。區(qū)分等位基因的SNP位于RAmy1A啟動子區(qū)域上游約1947 bp處（圖7e）。實(shí)時(shí)熒光定量PCR分析顯示，RAmy1A在胚乳發(fā)育后期高表達(dá)，尤其是在開花后18天。利用CRISPR/Cas9技術(shù)，在ZH11背景下獲得了兩個(gè)純合突變體，均導(dǎo)致氨基酸框移突變蛋白的翻譯提前終止。與ZH11相比，突變體的表型沒有顯著變化，但峰值粘度、熱糊粘度和冷糊粘度降低（圖7g）。這些結(jié)果初步證實(shí)了RAmy1A可以通過調(diào)節(jié)淀粉粘度特性來影響水稻的食用和烹飪品質(zhì)（圖7g）。鑒于區(qū)分RAmy1AA和RAmy1AC的SNP位點(diǎn)位于基因啟動子區(qū)域，利用PlantPAN3.0分析了啟動子區(qū)域差異SNP位點(diǎn)上下游約30 bp的序列。在RAmy1AC啟動子區(qū)域檢測到一個(gè)赤霉素響應(yīng)元件，而RAmy1AA啟動子區(qū)域的SNP變異破壞了這個(gè)元件（圖7e）。GARE元件參與激素調(diào)控的基因表達(dá)，并且在赤霉素存在時(shí)需要增加轉(zhuǎn)錄。啟動子保守順式調(diào)控區(qū)域的變異在調(diào)控基因表達(dá)中起著重要作用。我們推測這個(gè)SNP位點(diǎn)可能影響未知轉(zhuǎn)錄因子或激素與GARE的結(jié)合，從而影響RAmy1A的表達(dá)。為了研究GARE元件對RAmy1A表達(dá)的影響，構(gòu)建了缺乏GARE的單倍型RAmy1Adelete，并在雙熒光素酶（dual-LUC）實(shí)驗(yàn)中將其啟動子活性與RAmy1AA和RAmy1AC進(jìn)行比較。所有構(gòu)建的啟動子活性均顯著高于陰性對照，RAmy1AA和RAmy1Adelete的活性相當(dāng)且高于RAmy1AC（圖7f）。這一結(jié)果表明，GARE元件的缺失或變異可能增強(qiáng)RAmy1A的表達(dá)。此外，在92份粳稻品種中，攜帶RAmy1AA等位基因的品種的峰值粘度和口感值高于攜帶RAmy1AC等位基因的品種（圖7g）。進(jìn)一步在3K數(shù)據(jù)庫（hts://snp-seek.irri.org）中掃描了該等位基因的全球分布。RAmy1AA等位基因主要分布在中緯度地區(qū)種植的粳稻品種中，只有1.2%的品種攜帶這種基因型，屬于一種罕見的堿基變異類型。

圖7 RAmy1A調(diào)節(jié)淀粉粘度和口感值水稻品質(zhì) 。

研究發(fā)現(xiàn)，表觀直鏈淀粉含量和蛋白質(zhì)含量的降低是南方水稻品質(zhì)改良的關(guān)鍵因素水稻品質(zhì) 。通過全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）和選擇性馴化分析，研究團(tuán)隊(duì)鑒定了一系列與品質(zhì)性狀相關(guān)的基因位點(diǎn)，并明確了這些基因在改良水稻食用和烹飪品質(zhì)中的作用機(jī)制。特別是，研究挖掘出一個(gè)優(yōu)異等位基因RAmy1AA，該基因在調(diào)控淀粉粘度特性方面表現(xiàn)出顯著的改良潛力。此外，研究還提出了多個(gè)尚未被廣泛利用的基因模塊組合，如Wxb/OsmtSSB1LT/OsDML4G/RPBFT/Du3T和Wxb/OsEro1T/Glup3G/OsNAC25G/OsBEIIbC/RAmy1AA/FLO12A，這些組合被認(rèn)為是南方秈稻和粳稻品質(zhì)改良的最佳等位基因配置。這一成果不僅標(biāo)志著南方水稻品質(zhì)性狀遺傳改良方面取得了重大突破，還為其他主要糧食作物的分子設(shè)計(jì)育種提供了新的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。通過精準(zhǔn)調(diào)控關(guān)鍵基因和等位基因組合，育種者可以更高效地改良水稻的食用和烹飪品質(zhì)，滿足消費(fèi)者對高品質(zhì)稻米的需求，從而推動水稻育種向更高水平發(fā)展。