功能型水稻研究现状和发展趋向_苏宁

功能型水稻研究现状和发展趋向

中国农业科学 2007,40(3):433-439 Scientia Agricultura Sinica

功能型水稻研究现状和发展趋向

苏 宁，万向元，翟虎渠，万建民

1

1

1

1, 2

（1中国农业科学院作物科学研究所/农作物基因资源与基因改良国家重大工程，北京 100081；

2

南京农业大学/作物遗传与种质创新国家重点实验室，南京 210095）

摘要：介绍了功能型水稻的概念，重点阐述了国际和国内利用常规育种、诱变育种、分子辅助标记育种、转基因育种等技术，在培育具有保健型、辅助疗效型及其它特种功能型水稻新品种（系）研究中所取得的进展；结合当前食品发展的国际化趋势，从功能型水稻育种目标的社会需求趋势、加强功能型水稻种质资源创新、开发复合型安全性功能型水稻产品、运用生物技术培育功能型水稻和加强水稻功能性相关生理活性物质的作用机理研究等几个方面展望了功能型水稻的发展趋势。

关键词：功能型水稻；功能型水稻育种；研究现状

Progress and Prospect of Functional Rice Researches

SU Ning1, WAN Xiang-yuan1, ZHAI Hu-qu1, WAN Jian-min1, 2

(1Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081;

2

State Key Laboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095)

Abstract: This review introduces the concept of functional rice and summarizes the current research progress on this topic. It also introduces the application of breeding strategies including traditional breeding, induced mutation, molecular marker assisted selection and transgenic engineering. The study was conducted to expose research of a new generations of functional rice that posses health benefits，therapeutic values, bioreactor properties, and other unique functions. The study points out the prospect of the functional rice from the social development, germplasm innovation, the breeding of functional rice by biological technology and the test of active material related functional rice. We conclude that developing and marketing of functional rice is becoming a hot research focus in the near future.

Key words: Functional rice; Functional rice breeding; Research progress

0 引言

随着人民生活水平的提高，在中国，一些富裕人群饮食结构不合理、营养过剩和偏食习惯，以及环境污染和化学品滥用，导致产生的“三高”疾病（高血糖、高血压、高血脂）、心血管疾病、糖尿病、肾脏病、肥胖、动脉硬化、骨质疏松和生长发育不均衡现象相当普遍。另一方面，由于地域经济发展不均衡和自然条件的差异，贫困边远地区仍然存在着严重的营养缺乏问题，如：蛋白质供给及摄入量明显不足，部

分食物中某些人体必需微量元素缺乏（如缺铁、缺锌、缺硒等），以致某些地方病重新流行。特别是营养性贫血症、维生素A缺乏症患者人数增加。例如：在中国由于缺铁性贫血（IDA）导致的经济损失相当于国民生产总值（GDP）的3.6%（成人占0.7%，儿童占2.9%），并预计今后10年成年人缺铁性贫血造成经济损失将达到7 020亿元，儿童缺铁性贫血所造成的损失累计将达21 787亿元。因此，食物供应的营养性和安全性是21世纪生命科学、食品科学、医学和公众营养共同关注的课题[1, 2]。

收稿日期：2006-04-07；接受日期：2006-11-02

基金项目：国家“863”计划项目（2006CB101700） 作者简介：苏 宁（1969-），女，河北保定人，副研究员，博士，研究方向为水稻功能基因及育种应用。Tel: 010-68918786; E-mail:sn68@http://wendang.chazidian.com。

通讯作者万建民（1960-），男，江苏泰兴人，教授，博士，研究方向为水稻功能基因组及其育种应用。Tel/Fax：010-62186628；E-mail: wanjm@http://wendang.chazidian.com

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近年来，含有某些有效活性成分并对人体生理代谢产生功能性影响的食品逐渐走进平常人家，人们通过食用这种具有营养性、治疗性和保健性食品实现“医食同源”，最终达到健康及延年益寿的目的。水稻是世界第二大粮食作物，是大多数中国人每日三餐的主食，研究表明，稻米富集多种功能性生理活性成分，如铁锌等微营养元素、r-氨基丁酸、肌醇等生理活性成分，发掘稻米功能成分潜力巨大[3, 4]。在国外，特别是日本，在进行强化食品研发的同时，非常重视生物强化的研究工作，尤其是功能型水稻研究，并且取得了一定的进展[5]。此外，功能性食品具有生产简单、消费者食用方便、安全、受益人群广泛和最为经济有效等特点而具有广阔的应用前景。本文在介绍功能型水稻的相关概念，分析其国内外研究现状的基础上，阐述了中国功能型水稻的未来发展趋向。

结合常规育种技术来进行育种利用；二是转基因育种，即通过基因工程手段，将功能性外源基因导入到水稻基因组上，从而达到改良特殊育种性状的目标；三是通过分子标记辅助选择（marker assisted selection，MAS），结合常规育种程序，进行多个有利的功能性基因聚合育种。因此，从广义上讲，功能性水稻育种技术是以功能基因组学、蛋白质组学、代谢组学、糖组学和生物信息学等相关学科知识为基础，采用分子标记辅助选择体系、DNA重组等生物技术和常规育种相结合的方法，来挖掘、创新、培育功能型水稻新品种的方法。

2 功能型水稻研究现状

2.1 国内外功能型水稻研究概况

1 功能型水稻概述

“功能型水稻”主要指在胚乳、胚和米糠等部分中所含的有效活性物质，具有调节各种人体生理代谢、满足不同消费群和特殊消费群需求的专用和保健性水稻。目前，已揭示出水稻中功能性成分有九大类，包括功能性蛋白质（低含量谷蛋白、26 kD抗过敏蛋白）、活性多糖（包括抗性淀粉、膳食纤维及其类似物）、功能性油脂（富含不饱和脂肪酸）、功能性维生素（β-胡萝卜素等）、必需微量元素（铁、锌、硒等）、功能性黄酮类化合物、自由基清除剂、功能性肽和人体必需氨基酸等。

国内外已经开发的功能型水稻主要包括保健型、辅助疗效型及其它特种功能等类型。其中保健型功能型水稻是指富含维生素、人体必需氨基酸和微量元素等功能性成分的水稻；辅助疗效型功能型水稻是通过育种改良水稻功能性成分比例，以达到预防肾脏病、糖尿病、“三高”症、肥胖、动脉硬化、骨质疏松等疾病或不良症状的目的；此外，以大豆异黄酮、ovokinin类似物、乳铁传递蛋白、共扼亚麻酸、功能性小肽等为活性成分的特种功能水稻，以及作为生物反应器、预防杉类花粉病过敏性反应等的特种功能型水稻，丰富了功能型水稻的种类。

功能型水稻育种技术，通常是指依据分子遗传学和数量遗传学理论，借助现代生物技术来筛选、创造水稻新种质和选育功能型水稻新品种的方法。从育种方法上可分为三大类：一是从天然和人工诱变的突变体材料中鉴定和筛选含有特殊功能成分的水稻资源，

功能型水稻的研究始于20世纪末，并很快成

为水稻研究的热点。许多国际组织也给予了资金支持。1992年，联合国粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）开始关注以水稻为主食的东南亚地区人群的营养缺乏症状，并在亚洲发展银行（ADB）与联合国儿童基金会（UNICEF）资助下开始功能型水稻研究；1994年起，在国际农业研究咨询磋商机构（CGIAR）和国际粮食政策研究所（IFPRI）的倡导和主持下，在世界银行及亚洲发展银行等资助下，国际水稻研究所（IRRI）开展了高微量元素稻米遗传育种研究，通过杂交培育出比普通稻米铁含量高60%的富铁高产水稻品种IR164（铁含量为25 mg·kg-1）。2004年1月，由国际热带农业研究所（CIAT）与国际食物政策研究所（IFPRI）两个国际农业磋商小组成员组织成立了推进生物强化发展的HarvestPlus国际合作计划。同年5月，由中国农业科学院范云六院士发起并在中国开始正式启动了该项目。

在专用功能型水稻品种选育及开发利用方面，日本已走在世界最前列。自1996年起，日本农林水产省召集全国各主要水稻研究机构，展开了“21世纪划世代水稻研究计划”协作攻关，重点进行水稻优质、专用、功能性、抗（耐）性、耐直播性等理论和应用基础及新品种选育研究；并已初步开发出一些具有保健疗效和其它特种功能的水稻品种，取得了较好经济效益。例如，日本九州大学和农业生物资源研究所研究人员利用化学诱变方法[3]，从“金南风”等材料中选育出“巨大胚”突变体（giant embryo rice），其稻米浸水后，γ-氨基丁酸（GABA）

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会急剧增加并累积。由于GABA是一种抑制性神经递质，具有缓解和预防血压上升的功效，食用GABA含量高的稻米对高血压患者具有较好辅助治疗作用。日本-中国农业试验场等育种单位还以该突变体为亲本，通过杂交、回交等选育方法，先后育成了Haiminori、北海269、奥羽359、北陆糯167号、中国糯167号等“巨大胚”新品种，其中Haiminori已通过日本医学会组织的三年临床试验，并作为高血压患者的专用米在全国定点种植专卖。此外，韩国科学家也从粳稻Hwachungbyeo中筛选了不同类型“巨大胚”突变体，该突变体具有高蛋白、高米油和高维生素特点，其中赖氨酸、生育酚和维生素B1含量明显高于野生型[6, 7]。谷蛋白是仅次于淀粉的水稻胚乳组分，并易为人体所吸收，因此成为水稻分子生物学和遗传改良研究的重要对象之一，谷蛋白由多基因家族编码，分GluA与GluB二亚族[8]。日本生物资源研究所Takaiwa等于1986年首次克隆谷蛋白基因（GluA-1）[9]，现已有8个水稻谷蛋白基因（或cDNA）被克隆并进行序列测定[10~13]。Takaiwa研究小组[14]还将胚乳特异性GluB-1启动子与修饰过的富含甲硫氨酸大豆球蛋白cDNA相连接，再导入到水稻基因组中，成功研制出转基因水稻，其外源球蛋白基因的表达具有胚乳特异性，并与谷蛋白通过形成可溶性的异源三聚体或四聚体贮藏于蛋白体Ⅱ（PBⅡ）中，每100 g种子球蛋白含量为400 mg[14]。由于大豆球蛋白可和血液中的胆汁酸结合，使胆汁酸含量降低，而胆固醇是胆汁酸合成原料，因此，食用该转基因稻米后，在稻米胚乳中表达的球蛋白能进一步降低人体血

表1 目前已经开发的功能型水稻品种或材料

清中胆固醇水平[15]。最近由Syngenta公司获得的黄金稻中类胡萝卜素含量是最早Potrykus报道的黄金稻类胡萝卜素含量的23倍（约为37 µg·g-1）[16, 17]，为解决贫困地区维生素A缺乏提供了可能。

水稻是中国重要的粮食作物，高产和优质是水稻育种的两大主要目标。在过去几十年里，中国在水稻高产育种上做出很大贡献，然而与高产育种相比，在专用优质和功能型水稻育种方面尚处于较落后地位。特种用途稻米研究仅限于香米和黑米等彩色米上，而在专用、功能性保健专用米研究与开发方面，除国内少数单位进行了初步研究外，总体尚属空白，难以满足市场和消费者需求。 2.2 现阶段开发的功能型水稻种类

目前，国内外在保健型、辅助疗效型及其它特种功能等类型的功能型水稻品种选育、开发和推广利用方面取得了一些进展，针对不同需求培育了富含β-胡萝卜素、铁蛋白以及低谷蛋白等水稻新品种，具体参见表1。

2.2.1 保健型功能水稻 维生素A缺乏可影响生长发育、视力及免疫系统，严重时可导致失明乃至死亡。由于缺乏维生素A，仅在东南亚每年就有25万儿童失明；维生素A缺乏症还可能引起腹泻、呼吸道疾病和麻疹等并发症，导致全世界每年有100～200万儿童死亡。ζ-胡萝卜素脱饱和酶、八氢番茄红素脱饱和酶和番茄红素β-环化酶是合成维生素A前体β-胡萝卜素所必需的关键酶，德国、瑞士、英国等科学家[16~18]通过农杆菌介导法成功地将相关外源基因（psy，lcy，crtI）整合到水稻基因组中，培育出胚乳中富含β-胡萝卜素（1.6 µg·g-1）的转基因水稻品种，食用后可满足人体

Table 1 Functional rice varieties or lines bred or developed up to now in the world

功能 Function

预防维生素A缺乏症

Preventing shortage of vitamin A 预防缺铁症

Preventing shortage of iron 辅助治疗肾脏病和糖尿病 Assistant cure of nephritic disease and diabetes

降低食用稻米引起的过敏反应 Decreasing hypersusceptibility due to eating cooked rice 预防高血压

Preventing hypertension

GABA Haiminori,中国糯167等

Haiminori, Zhongguonuo 167

1990 [5]

16 kD抗过敏蛋白 16 kD hypoallergenic protein

85 KG-4

1993

[25]

活性物质 Active substance β-胡萝卜素 β-carrot 铁蛋白 Iron protein 低谷蛋白 Low glutelin

育成品种或品系 Variety or line “黄金米” Golden rice “富铁化” Iron-rich rice LGC-1, W3660

1993, 2002

[23] [24]

1999 [15]～[22] 时间 Year

参考文献 Reference

2000 [16]～[18]

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每天所需维生素A。由于其稻米外观颜色为黄色，也被称为“黄金米”（golden rice）。同时根据印度和瑞士生物技术合作框架协议，“黄金米”富含β-胡萝卜素的性状将会首先转育到印度主栽水稻品种中，并进行风险性评估和生产推广[2]。另外，研究表明一些色稻中还含有一般稻米中所缺乏的维生素C、胡萝卜素、黄酮、生物碱、植物甾醇等营养元素[19, 20]，色稻品种选育是功能型水稻研究和开发的又一种途径。如江苏省农业科学院选育的龙睛4号，据米质分析：糙米蛋白质含量为11.2%，维生素B1含量为4.24 µg·g-1，含铁量57.3 µg·kg-1，这些指标均居同类品种之首[21]。

利用传统育种方法提高稻米中蛋白质的含量是水稻育种的一个重要方面，针对水稻种子中缺乏赖氨酸的特点，Lee等[26]将玉米dhps基因进行点突变，并将该基因分别连接到CaMV35S和谷蛋白基因（GluB-1）的启动子上，转化并获得转基因水稻，其成熟种子中赖氨酸含量明显提高。

缺铁症影响了约30%的世界人口，在发展中国家组[15, 22]分别通过遗传工程技术，把豆科植物的铁蛋白基因（pfe）导入到水稻胚乳中，获得了比正常含量高1～3倍的转基因“富铁”水稻（iron-rich rice）。初步临床试验结果表明，贫血患者食用“富铁”稻米后，具有显著补铁效果。为了进一步提高铁离子吸收和利用，Lucca等[22]还向水稻中导入了植酸酶基因（phyA）和过量表达富含半胱氨酸的金属硫蛋白类似蛋白基因（rgMT），使植酸酶和半胱氨酸残基含量分别提高了130和7倍。由于一个处于哺乳期的女性每天需铁量为15 mg左右，而食用400 g富铁化大米就可获得所需离子的一半（8 mg），因此，食用富铁大米可以有效解决发展中国家所面临的缺铁症及其并发症[27]。在中国，HarvestPlus项目资助的富铁锌水稻研究正在中国缺铁锌人群中通过食用富铁锌水稻进行营养干涉和评价研究，以期解决中国贫困地区营养不良的现状。 2.2.2 辅助疗效型功能水稻 近年来肾脏病和糖尿病患者人数在不断增加，其中有些糖尿病患者还往往并发肾脏病，导致蛋白质代谢障碍，在治疗期间不能食用蛋白质含量超过4%的大米，因此采用低蛋白的饮食配合治疗是一种有效的辅助措施。Iida等[23]利用低谷蛋白材料NM67育成的“LGC-1”（low glutelin content-1），其稻米中可吸收的谷蛋白明显减少，而不能被人体所吸收的醇溶蛋白含量则较高。LGC-1作为肾脏病人专用的水稻品种于1994年起试种，次年应

用于临床，受到日本各大医院以及患者的普遍欢迎，并获日本育种学会奖。抗性淀粉（resistant starch，RS）是Englyst等利用酶－重力法对膳食纤维进行定量分析时发现的，根据其形态及物理化学性质，可将其分为四类：RS1，RS2，RS3，RS4[28]。研究表明，抗性淀粉具有能通过降低糖尿病患者饭后的血糖值来有效地控制糖尿病；通过稀释肠道中有毒物质来预防癌症发生；Schulz等研究发现RS2型淀粉经肠道微生物发酵而降低pH值，有利于镁、钙、锌等矿物质的人体吸收[29]，抗性淀粉的育种工作是功能型水稻育种的重要方向之一。

据统计，中国患有高血糖、高血压、高血脂的“三高”症人数在逐年增加，1/3以上中老年人都患有不同程度的“三高”症状，并有向青年人群扩展趋向，其中高血压患者已达1亿人，并至少有近200万人接受住院治疗。万建民研究小组引进日本低谷蛋白LGC-1品种，与国内优质主栽品种进行杂交、回交，结合分子标记辅助育种选育到性状稳定的LGC-1/武育粳3号外，该小组引进日本巨大胚突变体材料，通过杂交、改良获得高γ-氨基丁酸（GABA）含量的高血压病人专用水稻新品种W025，但这些研究才刚刚起步，加大研究力度，满足城乡居民需求，是当今中国迫切需要解决的问题之一。

2.2.3 其它特种功能型水稻 中国杉类花粉病是所有过敏反应中最厉害的一种，目前日本每年发病人数和医疗成本均排第一位。另一方面，随着生活水平和医疗水平，特别是环境卫生的提高，过敏反应蛋白综合症发病率越来越高。一般治疗方法能降低敏感性，但耗时长且有一定副作用。最近，以功能性小肽疫苗作为细胞抗体的免疫疗法来治疗花粉病已引起人们的关注。其原理是人类具有不将食物的蛋白质认为是异物的免疫机制（经口免疫宽容现象）。因此有可能采取摄入杉花粉抗源而有效控制过敏。人类淋巴细胞中含有能够认知引起杉花粉过敏的过敏源的特定功能小肽，开发胚乳中含有这一物质的水稻品种，食用后可以诱导经口免疫宽容现象，达到缓和过敏症状[31]。Masumura等通过蛋白质凝胶电泳发现突变系85KG-4带有较低的盐溶13 kD过敏蛋白，该研究对于开发药用稻米具有指导意义[32]。

此外，包含大豆异黄酮、ovokinin类似物、乳铁传递蛋白和共扼亚麻酸等活性成分，可以预防骨质疏松、乳腺癌、肥胖、动脉硬化和传染病等专用功能型

尤其严重。为此，Yoshihiro和Lucca两个研究小 F6代品系W3660，其吸收蛋白含量低于4%[24, 30]，另

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水稻品种也正在开发中[33]。 2.3 现阶段功能型水稻发展特点

2.3.1 功能性水稻开发是21世纪促进高质量水稻生产和消费的切入点 应用生物技术结合常规育种，对水稻进行遗传改良，选育辅助疗效型、保健型、环保型、新能源、新材料、医（农）用蛋白和生物化工产品的功能性、安全性水稻，从而提高人类营养与健康水平，满足人们日益增长的物质需要；同时功能型水稻研究和开发为中国21世纪的分子农业开辟了全新的、无限广阔的发展空间，这也是中国目前和今后育种学家的主要育种目标之一。

2.3.2 现代生物技术加快功能型水稻选育速度 近20年来，生物技术在农业中的应用取得巨大进展。国内外生物技术在农业中的应用有两个方向：一是利用遗传转化技术生产转基因农作物，使得主要农作物具有抗病、抗虫、抗逆和增产等特点，即开发提高农业生产效率的转基因农产品，但是这类型产品对生产者非常有益，而对消费者来讲收益不明显，因此在很大程度上限制了进一步推广利用；对发展中国家来说，开发对消费者有益的第二代转基因农产品是指能预防各种传染病和提高食品营养价值，如富铁、富锌、提高维生素含量等，而对发达国家来说则可预防“生活方式”疾病和一些过敏反应等，这些在已经或正在开发的功能型水稻中（表1）尤为明显。二是分子标记技术及分子设计育种的应用，即通过发掘、定位与水稻功能品质相关优异基因，并利用与其紧密连锁的分子标记将1个或多个基因转移渗透或聚合在主栽水稻品种中，从而获得高产、优质、多抗型功能型水稻新品种。黄金稻[16]、富含微量元素等[15, 22]水稻新品种研究说明，利用基因工程手段可以进行定向育种并缩短育种时间。虽然这些研究结果令人振奋，但必须清醒地认识到这一研究领域还处在起始阶段，仍然需要加强大规模地筛选、遗传工程和食品安全性检测以及色、香、味等感官品质的研究。

不均衡的现象相当严重，因此在公众营养方面出现了两个极端现象，一方面在经济发展良好地区存在“三高”症人数增加趋势，另一方面在落后地区仍存在严重的营养缺乏。此外，随着经济快速增长，中国居民中老龄化趋势日益明显，研究和开发通过膳食干预来满足特殊消费人群需要的功能型水稻的基础研究、品种选育和开发利用仍然是未来功能型水稻研究的重点。人们通过食用这种具有营养性、治疗性和保健性食品达到预防和治疗疾病的目的，这种“医食同源”的观点逐渐被广大群众所接受，并成为研究和开发功能型水稻的动力之一。

3.2 加强功能型水稻种质资源创新

种质资源在育种实践中具有不可替代的作用，功能性品质育种在很大程度上对种质资源的依赖性更强，而且，中国是水稻起源中心之一，种质资源十分丰富，收集、整理、评价并系统分析这些材料资源，有助于功能性品质育种选育。研究和开发现有功能型水稻品种，挖掘和利用丰富的品种资源，同时，加快相关突变体及其相关材料的鉴定与创新，定位和克隆与水稻各种生理活性成分代谢有关的基因，获得自我知识产权，并探索其遗传规律、功能和调节机制，加强与功能型水稻相关的各种生理活性成分鉴定和分析，是研究和开发功能型水稻品种的关键。 3.3 开发复合型、安全性功能型水稻研究

利用传统遗传杂交方法结合分子标记育种，培育从功能的单一性向综合型、复合型过渡，是新一代功能性水稻研究的发展方向。筛选具有富含多种营养成分（包括铁、锌等微量元素、维生素及氨基酸等）的水稻新品种对于改善公众营养十分关键，特别是对于贫困地区。研究表明，食物中同时增加铁锌的含量能低谷蛋白水稻够使人体对铁锌吸收量增加50%[34～36]。

品种虽然可以满足有肾机能障碍的糖尿病患者在蛋白质代谢方面的特殊要求，但是对于降低高血糖还无能为力，而不易被健康人体的小肠所吸收的抗性淀粉饮食可以有效延缓糖尿病人餐后血糖上升，同时，还具有预防高血压、高血脂、肥胖和动脉硬化功能。因此，有必要通过常规育种、远源杂交育种、诱变育种等方法，通过综合改良，进一步挖掘具有多种功能活性成分的功能型水稻。

3.4 加强与功能型水稻相关的生理活性物质的作用

机理研究

开展功能型水稻相关基础理论研究和生理活性物质的作用机理研究是高效、合理利用营养物质达到增

3 功能型水稻研究展望

水稻作为主要的粮食作物，在功能性食品的研制中占有重要地位，加强功能型水稻新品种的研究和开发将对改进目前不良的营养状况，增进大众健康起到至关重要的辅助作用，就目前而言，功能型水稻有以下发展趋势。

3.1 功能型水稻育种目标的社会需求趋势

正如上面所提到的在整个世界范围内，地区发展