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(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所　350019)

水稻作為我國(guó)第一大糧食作物，總產(chǎn)量居世界第一；種植面積居世界第二，僅次于印度。我國(guó)65%以上的人口以稻米為主食。這就賦予其保障我國(guó)糧食安全的重要地位[1-2]。種子儲(chǔ)藏是保存植物遺傳資源最有效且應(yīng)用最廣泛的方法，特別是對(duì)于那些種子可以被干燥至含有較低水分，進(jìn)而冷凍保存以延長(zhǎng)壽命的物種[3]。水稻種子的壽命和活力是鑒別稻米品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，它們都與稻谷的耐儲(chǔ)性密切相關(guān)[4]。由于種子儲(chǔ)藏后的活力和發(fā)芽率降低等原因造成的直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額驚人[5]，特別是在像中國(guó)這樣受季風(fēng)性氣候影響的亞洲國(guó)家，高溫、高濕天氣加速了種子的老化變質(zhì)[6]，引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)稻谷耐儲(chǔ)性的廣泛關(guān)注。導(dǎo)致稻谷儲(chǔ)藏?fù)p失的主要原因是稻谷的新陳代謝、微生物、鼠類及倉(cāng)儲(chǔ)害蟲(chóng)等因素造成稻谷品質(zhì)下降和數(shù)量損失。雖然，通過(guò)建設(shè)大型的冷庫(kù)和氣調(diào)庫(kù)以控制稻谷儲(chǔ)藏環(huán)境的溫度和濕度，可以實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)稻谷儲(chǔ)藏時(shí)間的目的[7]，但卻是建立在巨額成本的基礎(chǔ)上。因此，通過(guò)創(chuàng)制耐儲(chǔ)藏水稻新品種以提高稻谷耐儲(chǔ)性意義重大。盡管目前已有大量有關(guān)種子耐儲(chǔ)性的研究報(bào)道，但都只是側(cè)重于其與儲(chǔ)藏環(huán)境的關(guān)系[8]，其分子機(jī)理仍不是很明確。本文著重對(duì)稻谷耐儲(chǔ)性研究的主要成果進(jìn)行綜述，期望為培育耐儲(chǔ)藏水稻新品種提供借鑒。

1　稻谷耐儲(chǔ)性評(píng)價(jià)指標(biāo)與方法

水稻的耐儲(chǔ)性主要包括兩個(gè)方面：作為稻米消費(fèi)，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏后依然保持稻米原有的風(fēng)味；作為種子或種質(zhì)保存，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏后仍具有較強(qiáng)的生活力和生長(zhǎng)勢(shì)[9]。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)水稻耐儲(chǔ)性的研究主要集中在后者。作為種子，稻谷是一個(gè)具有生命的有機(jī)體，在儲(chǔ)藏過(guò)程中仍然進(jìn)行著各種代謝活動(dòng)，從而造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞、儲(chǔ)藏養(yǎng)分的衰竭、化學(xué)組成的改變及酶活性的喪失等一系列變化，最終導(dǎo)致種子遺傳完整性的喪失，表現(xiàn)為種子活力的下降[10]。通常采用發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢(shì)和半衰期等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)水稻的耐儲(chǔ)藏性能[11]。其中，發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的測(cè)定方法相對(duì)簡(jiǎn)單且貼近生產(chǎn)，所以較多地應(yīng)用于稻谷耐儲(chǔ)性研究[5]。

對(duì)稻谷耐儲(chǔ)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(chǔ)藏條件下發(fā)芽力逐漸喪失的現(xiàn)象來(lái)評(píng)價(jià)水稻的耐儲(chǔ)藏性能。它雖然比較符合種子儲(chǔ)藏的自然特性，但周期較長(zhǎng)，需要好幾個(gè)月甚至好幾年的時(shí)間，所以很難在實(shí)際研究中推廣應(yīng)用[14]。因此，人們通常利用人工老化法來(lái)代替自然老化法。人工老化法主要是利用提高儲(chǔ)藏環(huán)境的溫度和濕度來(lái)加速種子老化的過(guò)程，并以此來(lái)評(píng)估種子的活力和預(yù)測(cè)種子的耐儲(chǔ)藏性能[15]。由于它能夠克服自然老化法所需時(shí)間較長(zhǎng)的不足而被大量應(yīng)用于種子的耐儲(chǔ)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(zhì)庫(kù)中篩選到多份LOX3基因缺失的耐儲(chǔ)藏材料[16]，隨后，相繼出現(xiàn)了多種針對(duì)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(chǔ)藏種質(zhì)鑒定技術(shù)，為選育耐儲(chǔ)藏水稻新材料奠定了基礎(chǔ)。

2　稻谷老化機(jī)理

盡管水稻耐儲(chǔ)性的機(jī)理涉及很多因素，但目前普遍認(rèn)為脂質(zhì)降解是導(dǎo)致谷物儲(chǔ)藏期間種子活力喪失、米質(zhì)劣變的主要原因[5]。稻谷儲(chǔ)藏過(guò)程中，伴隨脂質(zhì)過(guò)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(zhì)合成受損、蛋白異天冬氨酸殘基形成、DNA降解等一系列反應(yīng)，最終導(dǎo)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(zhì)過(guò)氧化是導(dǎo)致種子劣變進(jìn)而破壞細(xì)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(guò)氧化生成共軛的不飽和脂肪酸氫過(guò)氧化物的關(guān)鍵酶[23]，稻谷在有氧及高溫條件下儲(chǔ)藏，可引起脂肪酶與脂質(zhì)的直接接觸，從而導(dǎo)致稻谷中的脂肪發(fā)生水解氧化，致使稻谷產(chǎn)生劣變。前人研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥磷脂酶D(PLD)激活引起的脂質(zhì)降解是種子老化的原因，同時(shí)引起儲(chǔ)藏稻谷種胚中OsPLDα1和α3的轉(zhuǎn)錄水平上升[21]。脂質(zhì)過(guò)氧化物的積累導(dǎo)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(chǎn)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(xì)胞膜進(jìn)而破壞細(xì)胞的氨基酸和核酸結(jié)構(gòu)[24]，引起種子老化。鑒于稻谷儲(chǔ)藏過(guò)程中脂質(zhì)過(guò)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(chǔ)性。

老化可以看作是生物體內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)與其內(nèi)在生化過(guò)程中不斷積累的生物損傷相互抗衡的結(jié)果。一般情況下，損傷蛋白質(zhì)能夠通過(guò)重新合成來(lái)修復(fù)。然而，有些時(shí)候生物體不得不在無(wú)法進(jìn)行蛋白質(zhì)合成的情況下修復(fù)損傷的蛋白質(zhì)[22]。植物的種子就是處于一種低新陳代謝和低物質(zhì)供給的狀態(tài)，這意味著蛋白質(zhì)合成幾乎停止。為了在老化條件下保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，植物種子必須利用一種低資源和低能量損耗的方式來(lái)修復(fù)損傷，而不需要重新合成蛋白質(zhì)[25]。蛋白質(zhì)中天冬氨酸和天冬酰胺自發(fā)形成的異構(gòu)天冬氨酸殘基是稻谷組織細(xì)胞中常見(jiàn)的蛋白質(zhì)共價(jià)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(chǔ)性相關(guān)基因

隨著分子生物學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)水稻耐儲(chǔ)藏性主效基因和相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)進(jìn)行了定位。Miura等人以Nipponbare/Kasalath的回交群體為材料，鑒定了3個(gè)與水稻種子耐儲(chǔ)藏性能相關(guān)的QTL，它們分別位于第2號(hào)、4號(hào)和9號(hào)染色體上[26]。萬(wàn)建民等利用LOX3基因缺失材料DawDam對(duì)LOX3基因進(jìn)行遺傳標(biāo)記分析，并將其定位在第3號(hào)染色體上[27]。隨后，陸續(xù)出現(xiàn)一些與耐儲(chǔ)藏性相關(guān)的QTL的報(bào)道，主要分布在第1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、11號(hào)和12號(hào)染色體上[5]。大量的分子標(biāo)記與高分辨率的遺傳圖譜的開(kāi)發(fā)，為研究水稻數(shù)量性狀定位，近等基因系的構(gòu)建，以及基因克隆等技術(shù)提供了強(qiáng)有力的工具。

伴隨種子耐儲(chǔ)性遺傳學(xué)研究水平的提高，研究人員已經(jīng)鑒定出幾個(gè)參與調(diào)節(jié)種子劣變的關(guān)鍵基因。過(guò)量表達(dá)擬南芥PIMT1可以減少L-天冬氨酰殘基在種子蛋白質(zhì)組的積聚，進(jìn)而提高種子耐儲(chǔ)性[28]。擬南芥轉(zhuǎn)蓮花金屬結(jié)合蛋白基因NnMT2a和金屬硫蛋白基因NnMT3可明顯提高種子耐儲(chǔ)性[29]。DNA修復(fù)基因作用在種子萌發(fā)早期，DNA連接酶-I 的表達(dá)可明顯提高擬南芥種子的活力[30]。利用基于激活標(biāo)簽突變體驗(yàn)證種子耐儲(chǔ)性的研究，發(fā)現(xiàn)一個(gè)可以提高種子耐儲(chǔ)性的泛素連接酶RSLLa[31]。利用反義基因技術(shù)抑制水稻胚乳L(zhǎng)OX3基因的表達(dá)，并通過(guò)轉(zhuǎn)基因種子的人工老化和自然老化分析，證實(shí)降低胚乳L(zhǎng)OX3含量能夠顯著提高種子的活力和耐儲(chǔ)性[19]。越來(lái)越多的與種子耐儲(chǔ)性相關(guān)基因被發(fā)現(xiàn)，為今后更好地研究水稻耐儲(chǔ)性打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4　討論與展望

由于近年來(lái)世界范圍內(nèi)對(duì)大米數(shù)量和質(zhì)量的要求不斷提高，而傳統(tǒng)的儲(chǔ)藏方式不但成本高且損失大，使得全球大米市場(chǎng)面臨潛在的威脅。因此，進(jìn)入21世紀(jì)后，有關(guān)稻谷耐儲(chǔ)性的研究出現(xiàn)了前所未有的高潮。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)稻谷耐儲(chǔ)性的研究主要集中在其作為種子或種質(zhì)的耐儲(chǔ)性，旨在實(shí)現(xiàn)種子或種質(zhì)資源的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏。

作為種子，稻谷是一個(gè)具有生命的有機(jī)體，在儲(chǔ)藏過(guò)程中仍然進(jìn)行著各種代謝活動(dòng)，從而造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞、儲(chǔ)藏養(yǎng)分的衰竭、化學(xué)組成的改變及酶活性的喪失等一系列變化，最終導(dǎo)致種子遺傳完整性的喪失，表現(xiàn)為種子活力的下降。耐儲(chǔ)性是水稻生產(chǎn)與研究、種質(zhì)資源保護(hù)與利用方面的一個(gè)非常重要的性狀，它是一個(gè)受多基因控制的數(shù)量性狀[5，26]，容易受生長(zhǎng)環(huán)境影響。盡管目前已有不少關(guān)于種子耐儲(chǔ)性分子機(jī)理的研究報(bào)道，但是由于種子在儲(chǔ)藏過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)，同時(shí)也受到一系列基因的聯(lián)合調(diào)控。因此，只有深入研究稻谷耐儲(chǔ)性相關(guān)基因的協(xié)同作用機(jī)理，才能從根本上解決稻谷儲(chǔ)藏問(wèn)題，這也是今后有關(guān)稻谷耐儲(chǔ)性研究需要努力的一個(gè)方向。

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