稻谷耐儲性研究進展

許惠濱，江敏榕，連　玲，朱永生，蔣家煥，謝鴻光，謝華安，張建福

(福建省農業科學院水稻研究所　350019)

水稻作為我國第一大糧食作物，總產量居世界第一；種植面積居世界第二，僅次于印度。我國65%以上的人口以稻米為主食。這就賦予其保障我國糧食安全的重要地位[1-2]。種子儲藏是保存植物遺傳資源最有效且應用最廣泛的方法，特別是對于那些種子可以被干燥至含有較低水分，進而冷凍保存以延長壽命的物種[3]。水稻種子的壽命和活力是鑒別稻米品質的重要指標之一，它們都與稻谷的耐儲性密切相關[4]。由于種子儲藏后的活力和發芽率降低等原因造成的直接經濟損失數額驚人[5]，特別是在像中國這樣受季風性氣候影響的亞洲國家，高溫、高濕天氣加速了種子的老化變質[6]，引起國內外學者對稻谷耐儲性的廣泛關注。導致稻谷儲藏損失的主要原因是稻谷的新陳代謝、微生物、鼠類及倉儲害蟲等因素造成稻谷品質下降和數量損失。雖然，通過建設大型的冷庫和氣調庫以控制稻谷儲藏環境的溫度和濕度，可以實現延長稻谷儲藏時間的目的[7]，但卻是建立在巨額成本的基礎上。因此，通過創制耐儲藏水稻新品種以提高稻谷耐儲性意義重大。盡管目前已有大量有關種子耐儲性的研究報道，但都只是側重于其與儲藏環境的關系[8]，其分子機理仍不是很明確。本文著重對稻谷耐儲性研究的主要成果進行綜述，期望為培育耐儲藏水稻新品種提供借鑒。

1　稻谷耐儲性評價指標與方法

水稻的耐儲性主要包括兩個方面：作為稻米消費，經歷長時間儲藏后依然保持稻米原有的風味；作為種子或種質保存，經過長時間儲藏后仍具有較強的生活力和生長勢[9]。目前國內外有關水稻耐儲性的研究主要集中在后者。作為種子，稻谷是一個具有生命的有機體，在儲藏過程中仍然進行著各種代謝活動，從而造成細胞膜結構的破壞、儲藏養分的衰竭、化學組成的改變及酶活性的喪失等一系列變化，最終導致種子遺傳完整性的喪失，表現為種子活力的下降[10]。通常采用發芽率、發芽指數、活力指數、發芽勢和半衰期等指標來評價水稻的耐儲藏性能[11]。其中，發芽率和發芽勢的測定方法相對簡單且貼近生產，所以較多地應用于稻谷耐儲性研究[5]。

對稻谷耐儲性的研究主要有兩種方法：自然老化法和人工老化法[12-13]。自然老化法是指利用稻谷在自然儲藏條件下發芽力逐漸喪失的現象來評價水稻的耐儲藏性能。它雖然比較符合種子儲藏的自然特性，但周期較長，需要好幾個月甚至好幾年的時間，所以很難在實際研究中推廣應用[14]。因此，人們通常利用人工老化法來代替自然老化法。人工老化法主要是利用提高儲藏環境的溫度和濕度來加速種子老化的過程，并以此來評估種子的活力和預測種子的耐儲藏性能[15]。由于它能夠克服自然老化法所需時間較長的不足而被大量應用于種子的耐儲性研究。

自從Suzuki 等人利用脂肪氧化酶3(LOX3)的單克隆抗體，從水稻種質庫中篩選到多份LOX3基因缺失的耐儲藏材料[16]，隨后，相繼出現了多種針對脂肪酶和脂肪氧化酶活性缺失型材料的篩選方法，如胡蘿卜素漂白法[17]、脂肪酸比色法[18]和淀粉-KI-I2顯色法[19]等，不斷豐富耐儲藏種質鑒定技術，為選育耐儲藏水稻新材料奠定了基礎。

2　稻谷老化機理

盡管水稻耐儲性的機理涉及很多因素，但目前普遍認為脂質降解是導致谷物儲藏期間種子活力喪失、米質劣變的主要原因[5]。稻谷儲藏過程中，伴隨脂質過氧化程度的增加，引起膜完整性喪失、能量代謝減少、RNA和蛋白質合成受損、蛋白異天冬氨酸殘基形成、DNA降解等一系列反應，最終導致活性氧(ROS)與活性羰基化合物(RCCs)的積累，加速了種子劣變[20-21]。脂質過氧化是導致種子劣變進而破壞細胞膜完整性的主要原因[22]，脂肪氧化酶則是催化多元不飽和脂肪酸過氧化生成共軛的不飽和脂肪酸氫過氧化物的關鍵酶[23]，稻谷在有氧及高溫條件下儲藏，可引起脂肪酶與脂質的直接接觸，從而導致稻谷中的脂肪發生水解氧化，致使稻谷產生劣變。前人研究發現，擬南芥磷脂酶D(PLD)激活引起的脂質降解是種子老化的原因，同時引起儲藏稻谷種胚中OsPLDα1和α3的轉錄水平上升[21]。脂質過氧化物的積累導致活性羰基化合物α,β-不飽和醛和活性羰基化合物α,β-不飽和酮的產生，包括丙二醛(MDA)、丙烯醛等，它們最具活性和毒性，可以滲透細胞膜進而破壞細胞的氨基酸和核酸結構[24]，引起種子老化。鑒于稻谷儲藏過程中脂質過氧化物和RCCs的積累降低了種子的活力，因此去除這些化合物的毒性可能提高種子的耐儲性。

老化可以看作是生物體內的保護系統與其內在生化過程中不斷積累的生物損傷相互抗衡的結果。一般情況下，損傷蛋白質能夠通過重新合成來修復。然而，有些時候生物體不得不在無法進行蛋白質合成的情況下修復損傷的蛋白質[22]。植物的種子就是處于一種低新陳代謝和低物質供給的狀態，這意味著蛋白質合成幾乎停止。為了在老化條件下保持相對穩定的狀態，植物種子必須利用一種低資源和低能量損耗的方式來修復損傷，而不需要重新合成蛋白質[25]。蛋白質中天冬氨酸和天冬酰胺自發形成的異構天冬氨酸殘基是稻谷組織細胞中常見的蛋白質共價損傷，這種損傷蛋白在老化種子中大量存在，可影響種子的壽命和活力[22]。

3　稻谷耐儲性相關基因

隨著分子生物學技術的不斷發展，人們對水稻耐儲藏性主效基因和相關的數量性狀位點(QTL)進行了定位。Miura等人以Nipponbare/Kasalath的回交群體為材料，鑒定了3個與水稻種子耐儲藏性能相關的QTL，它們分別位于第2號、4號和9號染色體上[26]。萬建民等利用LOX3基因缺失材料DawDam對LOX3基因進行遺傳標記分析，并將其定位在第3號染色體上[27]。隨后，陸續出現一些與耐儲藏性相關的QTL的報道，主要分布在第1號、2號、3號、4號、8號、9號、11號和12號染色體上[5]。大量的分子標記與高分辨率的遺傳圖譜的開發，為研究水稻數量性狀定位，近等基因系的構建，以及基因克隆等技術提供了強有力的工具。

伴隨種子耐儲性遺傳學研究水平的提高，研究人員已經鑒定出幾個參與調節種子劣變的關鍵基因。過量表達擬南芥PIMT1可以減少L-天冬氨酰殘基在種子蛋白質組的積聚，進而提高種子耐儲性[28]。擬南芥轉蓮花金屬結合蛋白基因NnMT2a和金屬硫蛋白基因NnMT3可明顯提高種子耐儲性[29]。DNA修復基因作用在種子萌發早期，DNA連接酶-I 的表達可明顯提高擬南芥種子的活力[30]。利用基于激活標簽突變體驗證種子耐儲性的研究，發現一個可以提高種子耐儲性的泛素連接酶RSLLa[31]。利用反義基因技術抑制水稻胚乳LOX3基因的表達，并通過轉基因種子的人工老化和自然老化分析，證實降低胚乳LOX3含量能夠顯著提高種子的活力和耐儲性[19]。越來越多的與種子耐儲性相關基因被發現，為今后更好地研究水稻耐儲性打下了堅實的基礎。

4　討論與展望

由于近年來世界范圍內對大米數量和質量的要求不斷提高，而傳統的儲藏方式不但成本高且損失大，使得全球大米市場面臨潛在的威脅。因此，進入21世紀后，有關稻谷耐儲性的研究出現了前所未有的高潮。目前國內外有關稻谷耐儲性的研究主要集中在其作為種子或種質的耐儲性，旨在實現種子或種質資源的長時間儲藏。

作為種子，稻谷是一個具有生命的有機體，在儲藏過程中仍然進行著各種代謝活動，從而造成細胞膜結構的破壞、儲藏養分的衰竭、化學組成的改變及酶活性的喪失等一系列變化，最終導致種子遺傳完整性的喪失，表現為種子活力的下降。耐儲性是水稻生產與研究、種質資源保護與利用方面的一個非常重要的性狀，它是一個受多基因控制的數量性狀[5，26]，容易受生長環境影響。盡管目前已有不少關于種子耐儲性分子機理的研究報道，但是由于種子在儲藏過程中會發生一系列復雜的代謝反應，同時也受到一系列基因的聯合調控。因此，只有深入研究稻谷耐儲性相關基因的協同作用機理，才能從根本上解決稻谷儲藏問題，這也是今后有關稻谷耐儲性研究需要努力的一個方向。

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