高抗性淀粉水稻研究現(xiàn)狀與展望

周新橋 陳達(dá)剛 郭 潔 劉傳光 陳友訂

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州 510640)

隨著我國居民生活水平的提高,糖尿病、肥胖癥、高血壓和高血脂等代謝綜合病癥患者日益增多。依據(jù)國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation,IDF)的調(diào)查,2000年,全世界糖尿病患者為1.51億人,而2017年已達(dá)到近4.51億人(18～99 歲),預(yù)測至2045年,18～99 歲的糖尿病患病人群將達(dá)到6.93億人[1]。全球范圍內(nèi),中國糖尿病患者人數(shù)最多,高達(dá)1.14億(20～79 歲),而所有類型糖尿病中,Ⅱ型糖尿病患者約占90%[2]。對于同樣的代謝綜合病,心血管病在中國的患者人數(shù)目前已達(dá)2.9億,患心血管病死亡人數(shù)占居民疾病死亡總?cè)藬?shù)的40%以上,居首位[3];高血壓是最常見的慢性心血管病,是全球疾病負(fù)擔(dān)的主要原因,有超過約10億的高血壓患者需要接受藥物治療,中國患者人數(shù)目前也達(dá)到了2.7億。當(dāng)下,通過調(diào)節(jié)飲食(醫(yī)食同源),從源頭預(yù)防疾病和控制疾病發(fā)生與發(fā)展,是對這些疾病防治最重要的手段。研究表明,富含抗性淀粉(resistant starch,RS)的食物對人體代謝綜合病癥的預(yù)防與控制具有很重要的作用[4]。

RS是在健康的小腸中可以避開胰腺α-淀粉酶的水解,不被消化吸收的淀粉及淀粉降解產(chǎn)物的統(tǒng)稱[5]。RS是人們在測定不溶性膳食纖維時(shí)發(fā)現(xiàn)的,故認(rèn)為RS 屬膳食纖維部分,并由Englyst 等[6]命名。隨著對RS 生理功能和理化特性研究的深入,發(fā)現(xiàn)RS與膳食纖維具有相似的生理功能,但兩者在化學(xué)本質(zhì)和消化特性等方面仍存在差異[4,7-8]。富含RS的淀粉類食物消化慢,可作為緩慢釋放葡萄糖的載體,延長人體能量供給和飽腹感時(shí)間,且對人體正常的能量代謝影響甚小,有益于預(yù)防與控制人體代謝綜合癥的發(fā)生,并在維持腸道健康,如預(yù)防和控制結(jié)腸癌、大腸息肉及腸炎等的發(fā)生,具有潛在應(yīng)用價(jià)值[4,9-13]。因此,RS 迅速成為了功能性食品研究的熱點(diǎn),同時(shí)被認(rèn)為是研究碳水化合物與健康關(guān)系的最重要發(fā)現(xiàn)之一。近30年來,RS 特性、測定方法、生理功能和食品加工等方面的研究已取得了較好的成果[14-18]。

稻米是我國約65%人口的主食,其75%的干物質(zhì)是淀粉,普通水稻品種RS含量低于1%,富含RS的稻米具有與高RS 功能食品相同的作用。曾亞文等[19]利用浙江大學(xué)開發(fā)的高RS 稻米產(chǎn)品“宜糖米”開展食療評價(jià),發(fā)現(xiàn)其對增加患者飽腹感、節(jié)制飲食和控制血糖指數(shù)功效顯著,且可有效防止便秘、腸炎和痔瘡等腸道疾病,對降血脂和控制體重有一定功效。本文對稻米RS的分類及影響RS含量的相關(guān)因素、水稻RS 產(chǎn)生的分子機(jī)制、國內(nèi)外高RS 水稻開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為高RS 水稻育種及高RS 稻米產(chǎn)品開發(fā)提供理論參考。

1 稻米RS的分類及影響其含量的因素

根據(jù)生物利用性,食用總淀粉(total starch,TS)可分為可消化淀粉(digestible starch,DS)[亦稱可利用淀粉(available starch,AS)]和RS,其中,DS 降解產(chǎn)物在小腸中可被完全吸收和利用,而RS可逃避淀粉酶的水解,在小腸中不被降解吸收而進(jìn)入大腸[20]。根據(jù)RS的來源和抗消化機(jī)理,RS可以分為5類[13,16,21],即物理包埋淀粉(RS1)、抗性淀粉顆粒(RS2)、回生淀粉或老化淀粉(RS3)、化學(xué)改性淀粉(RS4)和直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物(RS5)。其中,RS1 指因植物細(xì)胞壁屏蔽或蛋白質(zhì)成分隔離導(dǎo)致淀粉酶難以接近的淀粉;RS2 指天然具有抗消化能力的淀粉,具有特殊晶體結(jié)構(gòu);RS3 指糊化后淀粉在凝沉過程中部分分子重新聚集成新的結(jié)晶體而抗消化,是用于生產(chǎn)加工最具前景的一類淀粉;RS4 指通過物理或基團(tuán)化學(xué)修飾后,淀粉分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而產(chǎn)生抗酶解性的一類淀粉[21];RS5 指直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu)內(nèi)部非極性區(qū)域與脂質(zhì)的碳?xì)滏溨g的疏水性交互作用形成單螺旋包接結(jié)構(gòu),這類復(fù)合物一般存在于自然界原淀粉中,或在淀粉凝沉過程中形成或添加脂類促成[15]。RS1、RS2、RS3和RS5 均存在于稻米籽粒中[20,22]。

影響稻米RS含量的因素很多,其中直鏈淀粉(amylose,AM)含量是影響RS含量的主要因素,高AM含量的禾谷類作物品種的RS含量一般高于普通品種[7,23-25],因此,提高AM含量是改良淀粉消化特性,提高RS含量的基本策略。但AM含量不是影響RS含量的唯一因素,AM的分子量大小、淀粉結(jié)構(gòu)、鏈長、淀粉顆粒形狀、淀粉結(jié)晶度、熱力學(xué)特性和支鏈淀粉結(jié)構(gòu)、回生等因素均會(huì)對RS的形成產(chǎn)生影響[26-30]。此外,稻米中其他成分,如蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素、低聚糖、非淀粉多糖、自由糖、乳酸、植酸、酚和礦物質(zhì)等也會(huì)影響RS的形成[7,22-25,31-32]。脂類與直鏈淀粉形成復(fù)合物、蛋白質(zhì)于外部包被淀粉顆粒或填充于淀粉顆粒結(jié)構(gòu)中,可明顯提高稻米RS含量。除了以上內(nèi)部因素,稻米中RS含量還易受外部因素的影響,如加工處理的溫度、濕度、時(shí)間、壓力、烹調(diào)方式、貯藏時(shí)間和條件等[29,33],高溫、高壓、高濕、循環(huán)壓熱和擠壓加工等方法可有效提高稻米RS含量[20,22,28,34]。此外,RS含量的測定方法選取也對結(jié)果有一定影響,但不改變基因型差異的趨勢[8];添加異源淀粉對RS的形成也有影響[35]。

2 水稻RS形成的分子遺傳機(jī)制

抗性淀粉含量主要受基因控制,生態(tài)環(huán)境對RS含量的影響較小[36]。截至目前,國內(nèi)外有關(guān)RS 遺傳規(guī)律與數(shù)量性狀座位(quantitative trait locus,QTLs)定位研究的報(bào)道非常少。羅曦等[30]研究表明,水稻RS含量受母性效應(yīng)的影響,是由少數(shù)主效基因和多個(gè)微效基因及非等位基因間互作所控制的數(shù)量性狀。孫春龍等[37]研究表明,水稻RS含量主要由加性效應(yīng)起作用,同時(shí)也受非加性效應(yīng)以及細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)的影響,從雜種低世代開始對高RS含量稻米株系進(jìn)行跟蹤、定向選擇,可育成高RS含量水稻品種。

羅曦等[30]利用功米3號/日本晴F2∶3群體,在第6染色體上定位到3個(gè)影響RS含量高低的主效QTL:qRS6-1、sqRS6-2和qRS6-3,其中qRS6-1和qRS6-2覆蓋了控制AM含量的主效基因Wx,而qRS6-3 距離Wx基因位點(diǎn)較遠(yuǎn)。牟方貴等[38]利用突變體RS111與中、低直鏈淀粉含量水稻品種Ⅱ-32B和宜香B 雜交,在構(gòu)建的F2群體中發(fā)現(xiàn)位于第8 染色體上的RM72、RM547,以及位于第6 染色體上的RM217和RM225,與RS含量相關(guān)。Zeng 等[39]利用功米3號和滇屯502雜交的F2∶3群體,在第7 染色體上定位到2個(gè)水稻RS的QTL:qRS7-1和qRS7-2,能解釋7.6%～17.3%的表型變異。Bao 等[40]通過對105個(gè)水稻品種進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析,鑒定出與精米中RS含量相關(guān)的4個(gè)QTL,其中2個(gè)位于第6 染色體,位于Wx基因區(qū)域,編碼淀粉合成酶;另外2個(gè)分別位于第8、第9 染色體,近似編碼淀粉脫支酶異淀粉酶Ⅰ和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶的基因。Yang 等[41]利用降糖稻1號/密陽23組合的F3∶4家系將sbe3-rs定位在第2 染色體的標(biāo)記InDel2～I(xiàn)nDel6之間的573.3 kb 區(qū)域,其中該區(qū)間內(nèi)的SBE3基因(編碼淀粉分支酶)可能為候選基因。序列分析結(jié)果表明,與SBE3基因相比,sbe3-rs基因存在單堿基差異,從而導(dǎo)致了Leu-599 到Pro-599的改變,最終導(dǎo)致SBE3的限制性內(nèi)切酶位點(diǎn)的缺失,RS含量提高,sbe3-rs能解釋60.4%的RS 表型變異。

Zhou 等[42]通過研究γ 射線誘變處理R7954 獲得的水稻高RS 突變體b10,鑒定了一個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)控RS 生物合成的新基因——可溶性淀粉合成酶突變基因(ssIIIa),認(rèn)為SSIIIa突變后破壞了包括丙酮酸磷酸雙激酶(pyruvate orthophosphate dikinase,PPDK)、可溶性淀粉合成酶(SSIIIa)、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADPglucose pyrophosphorylase,AGPase)、淀粉合酶(SSIIa)、SBEIIa和淀粉分支酶(SBEIIb)在內(nèi)的蛋白復(fù)合體的形成,從而減少了對PPDK和AGPase活性的影響,通過丙酮酸激酶的活動(dòng)促進(jìn)了脂類的合成,而SSIIIa的功能缺失降低了支鏈淀粉的合成,促進(jìn)了直鏈淀粉的合成,最終通過形成直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)合物(RS5),提高了胚乳中RS含量。ssIIIa和顆粒結(jié)合淀粉合酶(granule-bound starch synthase,GBSS)共同參與了RS的合成,ssIIIa對RS的調(diào)控依賴于Wxa基因的高表達(dá),這種現(xiàn)象普遍存在于秈稻中,為培育高RS 水稻新品種提供了重要的遺傳資源與新途徑。

3 國內(nèi)外高RS 水稻開發(fā)應(yīng)用現(xiàn)狀

最初,RS的產(chǎn)品開發(fā)主要是以高AM含量的玉米為原料,隨后以木薯、小麥、土豆及大麥為原料的RS產(chǎn)品開發(fā)也取得不少成效[43-45],但是目前市場上流通的高RS 淀粉食品價(jià)格高昂,普通消費(fèi)者難以承受。以水稻為原料開發(fā)的高RS食品,最初比較常見的是蒸谷米(parboiled rice),其主要原理是通過高溫、高壓處理等加工方式提高RS含量[20,34]。但是蒸谷米在加工制作過程中會(huì)對稻米中部分營養(yǎng)成分破壞,導(dǎo)致營養(yǎng)流失。因此,篩選高RS 水稻品種資源,通過遺傳改良手段開發(fā)高RS 稻米新品種具有廣闊的市場前景。然而,日常食用的稻米RS含量很低,熱米飯中RS 在1%以下,即使冷米飯中RS含量也在2%以下。Hu等[24]對直鏈淀粉含量在0～26.7%之間的3種類型水稻(常規(guī)秈稻、粳稻和雜交稻)品種(組合)的熱米飯RS含量進(jìn)行了測定,除了極個(gè)別品種RS含量接近3%外,三分之二的品種(組合)RS含量在0.4%以下,四分之一的品種(組合)RS含量在1%左右。同類型水稻品種(組合)RS含量隨AM含量的增加而增加,但RS含量又不完全受AM含量決定;相近AM含量水稻品種(組合)粳稻RS含量顯著小于秈稻,RS含量不完全受AM含量決定。因此,直接從目前生產(chǎn)上的主栽水稻品種中進(jìn)行高RS 品種篩選,難度較大,有待從遺傳改良的角度進(jìn)行深入發(fā)掘。

Butardo 等[46]應(yīng)用RNA 干擾技術(shù),使得淀粉分支酶SBE Ⅱb表達(dá)水平下調(diào),獲得了AM含量高達(dá)41.2%、RS含量高達(dá)4.8%的轉(zhuǎn)化植株,較其原始親本Nipponbare 高10倍。浙江大學(xué)在建立高RS 稻米的高效間接篩選技術(shù)的基礎(chǔ)上,培育了首個(gè)高RS 早秈稻突變新品種浙輻201,其RS含量為3.6%,并以我國主推雜交水稻恢復(fù)系R7954為起始材料,經(jīng)航天搭載誘變,篩選創(chuàng)造了富含RS的突變體RS111[47]。研究表明,突變體RS111 熱米飯中RS含量是一般普通品種的3～5倍,AM含量26.7%,采取優(yōu)化蒸煮方式,其熱米飯中RS含量高達(dá)10%[48]。長期臨床試驗(yàn)表明,RS111 稻米對穩(wěn)定患者餐后血糖濃度的效果良好[49]。應(yīng)用雜交育種技術(shù),浙江大學(xué)還育成了糖尿病患者專用的水稻品種宜糖1號,其AM含量高達(dá)26.2%,煮制米飯中RS含量高達(dá)10.17%[49],并被加工成產(chǎn)品“宜糖米”進(jìn)行銷售。

國際水稻研究所對水稻品種Kinmaze 進(jìn)行化學(xué)誘變處理,獲得一份突變體,然后該突變體與IR36 雜交獲得了富含RS 水稻突變體AE,其RS含量高達(dá)到8.25%[48]。上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用花藥培養(yǎng)技術(shù)和常規(guī)育種技術(shù),選育得到國內(nèi)第一個(gè)高RS含量的粳稻新品系——降糖稻1號,其RS含量達(dá)14.86%[50](市場銷售產(chǎn)品“優(yōu)糖米”),之后應(yīng)用CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯水稻淀粉分支酶基因SBE3,獲得了RS含量達(dá)10%以上的高RS 水稻新品系[51]。云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院從云南稻種及其初級核心種質(zhì)資源“新平早秈”群體中系統(tǒng)選育出功米3號并用于商業(yè)開發(fā),該品種煮制的米飯RS含量高達(dá)10%以上[30]。

4 結(jié)論與展望

由于受到遺傳資源數(shù)量和來源的限制,直接篩選高RS材料的工作難以開展。目前,國內(nèi)外有關(guān)高RS水稻種質(zhì)的創(chuàng)制和遺傳改良主要通過化學(xué)誘變、輻射誘變或基因工程等手段開展研究[46-47]。我國已育成少量高RS 水稻品種并被開發(fā)應(yīng)用,但僅宜糖1號、功米3號等個(gè)別品種在生產(chǎn)上得到較大面積的推廣。加強(qiáng)種質(zhì)創(chuàng)制及品種改良是當(dāng)前高RS 水稻開發(fā)與應(yīng)用需要解決的主要問題之一。

隨著水稻功能基因組研究的發(fā)展,高RS 水稻遺傳控制基因?qū)⒉粩啾话l(fā)掘,在此基礎(chǔ)上開發(fā)控制RS含量基因或主效QTL的功能標(biāo)記或緊密連鎖分子標(biāo)記用于高RS 分子輔助選擇育種,將克服在育種過程中RS 測定工作量大、重復(fù)性較差、選擇效率低的問題。諸多研究表明,AM含量是影響RS含量的主要因素,高AM的禾谷類作物品種的RS含量一般高于普通品種[7,23-25]。因此,可將水稻中負(fù)責(zé)調(diào)控RS 生物合成的基因ssIIIa、控制高直鏈淀粉含量基因Wxa應(yīng)用于高RS 分子標(biāo)記輔助選擇育種[42,52]。隨著基因編輯技術(shù)的發(fā)展,對已知功能的RS含量相關(guān)基因進(jìn)行編輯,發(fā)掘新的高RS 水稻種質(zhì)將是一條重要的高RS 水稻品種選育途徑[53-54]。

高RS食品對保證糖尿病患者健康狀況的穩(wěn)定非常有益,但是高RS 功能食品價(jià)格昂貴,高RS 稻米與高RS食品具有相同的功能,開發(fā)高RS 稻米供糖尿病患者作為日糧,對廣大的糖尿病患者而言,輔助治療及維持健康成本將大大降低。但目前能用于商業(yè)開發(fā)應(yīng)用的高RS 水稻品種較少,市場供應(yīng)明顯不足,使得高RS 稻米價(jià)格過高,嚴(yán)重阻礙了高RS 稻米開發(fā)與應(yīng)用。因此,加快高RS 稻米種質(zhì)資源篩選、創(chuàng)制與品種選育研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。