水稻是全球最重要的粮食作物，其食用和烹饪品质（ECQ）直接关系到消费者的接受度和市场需求水稻品质 。然而，水稻品质的改良面临诸多挑战，尤其是其复杂的遗传背景和多基因调控的特性，使得育种过程中的精准改良变得极为困难。2024年10月27日，江苏里下河地区农业科学研究所、江苏省生物育种钟山实验室李爱宏研究团队，在《Plant Biotechnology Journal》杂志上发表了题为“Genetic improvement of eating and cooking quality of rice cultivars in southern China”的研究论文。该研究通过系统分析南方地区过去30年培育的290份水稻品种（包括155份籼稻和135份粳稻），揭示了表观直链淀粉含量（AAC）、蛋白质含量（PC）和口感值（TV）等关键品质指标的遗传改良规律，挖掘了多个与品质性状相关的基因模块，并提出了基于等位基因组合的分子育种新策略。
1.直链淀粉和蛋白质含量的降低是改善籽粒ECQ的关键
为了分析南方水稻品种的食用和烹饪品质（ECQ）的遗传改良，研究者测定了来自该地区过去30年培育的290份非糯性水稻品种（155份籼稻和135份粳稻品种）的表观直链淀粉含量（AAC）、蛋白质含量（PC）、脂肪含量（LC）和口感值（TV）水稻品质 。这四个理化指标在籼稻和粳稻品种间存在显著差异，但均符合正态分布（图1a,c）。在过去30年中，籼稻和粳稻品种的口感值逐年增加（图1b,d）。相关性分析显示，口感值与表观直链淀粉含量和蛋白质含量在籼稻和粳稻品种中均显著负相关（图1a,c）。因此，降低表观直链淀粉含量和蛋白质含量是南方水稻品种食用和烹饪品质改良的关键因素。
图1 南方水稻品种AAC、PC、LC和TV的相关分析
2.优良基因型的利用对提高水稻ECQ具有重要作用
随后，对290份水稻进行重测序，测序深度20X，比对到籼稻和粳稻的参考基因组（R498和Nipponbare）水稻品质 。利用3,432,371个单核苷酸多态性（SNPs）对籼稻品种进行群体结构分析，将其分为七个群体（DK = 7）。基于1,157,697个SNPs，粳稻品种被分为六个群体（DK = 6）。为了进一步分析测序群体的食用和烹饪品质的遗传改良，通过全基因组关联分析（GWAS）定位了与表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值相关的位点。在所有籼稻品种中鉴定出14个显著位点（图2a)。基于显著SNPs和连锁不平衡信息，在所有籼稻品种中鉴定出6个位点为先前报道的功能基因：两个与表观直链淀粉含量相关的基因，Wx和OsbZIP76，其中Wx对表观直链淀粉含量的贡献最大；两个与蛋白质含量相关的基因，GPA3和OsMYB5，其中GPA3对蛋白质含量的贡献最大；以及三个与口感值相关的基因，OsBEIIb、GPA1/Glup4和Wx，其中Wx对口感值的贡献最大。同样，在粳稻群体中鉴定出17个显著位点，包括9个已报道的功能基因（图3a）。这些基因包括三个与表观直链淀粉含量相关的基因，OsBT1、OsBEIIb和Wx，其中Wx对表观直链淀粉含量的贡献最大；三个与蛋白质含量相关的基因，Glup3、OsNF-YC12和OsNAC25，其中OsNAC25对蛋白质含量的贡献最大；以及四个与口感值相关的基因，FLO23（Chen等，2023）、Wx、OsSSIIIa和FLO12/OsAlaAT1，其中Wx对口感值的贡献最大。为了明确本研究通过GWAS鉴定的基因是否在育种过程中被人工选择，使用跨群体复合似然比（XP-CLR）在全基因组水平扫描选择区域。总共在籼稻和粳稻品种中分别检测到1378和675个人工选择印记区域。通过GWAS鉴定的大多数与表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值相关的基因都包含在这些选择区域内，包括在籼稻品种中鉴定的与表观直链淀粉含量相关的基因Wx和OsbZIP76、与蛋白质含量相关的基因OsMYB5以及与口感值相关的基因Wx和OsBEIIb，以及在粳稻品种中鉴定的与表观直链淀粉含量相关的基因Wx、OsBT1和OsBEIIb、与蛋白质含量相关的基因Glup3和OsNAC25以及与口感值相关的基因Wx、FLO23、OsSSIIIa和FLO12（图4）。在籼稻和粳稻品种中，表观直链淀粉含量和蛋白质含量与携带的优良等位基因组数量显著负相关，而口感值与优良等位基因组数量显著正相关（图2d、3d和5a,d）。因此，将多个与表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值相关的有利基因组合是一种有效的食用和烹饪品质改良策略。
图2 籼稻品种ECQ性状相关基因的全基因组关联研究
3.优良等位基因组合提高水稻品质 了ECQ
Wx是影响口感值的最有效基因，且育种群体中存在该基因的多个等位基因水稻品质 。根据Wx等位基因变异，籼稻品种被分为Wxa和Wxb亚群，粳稻品种被分为Wxb和Wxmp亚群。相关性分析显示，口感值与蛋白质含量显著负相关，这表明在相同的Wx基因型背景下，适度降低蛋白质含量可以有效改善食用和烹饪品质。通过GWAS在籼稻品种的Wxb亚群中鉴定出12个与表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值显著相关的位点（图2b）。在这些位点中，有5个位点被鉴定为先前报道的功能基因，包括一个与表观直链淀粉含量相关的基因OsNF-YB9、两个与蛋白质含量相关的基因OsmtSSB1L和OsDML4以及两个与口感值相关的基因RPBF和Du3。在籼稻品种的Wxa亚群中鉴定出13个显著位点，其中只有2个位点是先前报道的功能基因：一个与表观直链淀粉含量相关的基因OsNF-YB9和一个与口感值相关的基因OsSK41。在粳稻品种的Wxb亚群中鉴定出16个显著位点（图3b,c），包括6个先前报道的功能基因：两个与表观直链淀粉含量相关的基因OsBEIIb和OsNAC25、三个与蛋白质含量相关的基因OsEro1、Glup3和OsNAC25以及三个与口感值相关的基因OsBEIIb、FLO12和OsNAC25。在粳稻品种的Wxmp亚群中鉴定出6个显著位点，但不包括先前报道的功能基因。通过在全基因组水平扫描选择区域，确定了籼稻品种的Wxb亚群中的蛋白质含量相关基因OsmtSSB1L和口感值相关基因RPBF和Du3，以及粳稻品种的Wxb亚群中的表观直链淀粉含量相关基因OsBEIIb和OsNAC25、蛋白质含量相关基因Glup3和OsNAC25以及口感值相关基因OsBEIIb、FLO12和OsNAC25具有人工选择印记（图4）。对有利基因优良等位基因数量对表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值的贡献分析表明，表观直链淀粉含量和蛋白质含量与优良等位基因数量显著负相关，而口感值与优良等位基因数量显著正相关，无论是在籼稻品种的Wxb亚群还是粳稻品种的Wxb亚群（图5）。与表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值相关的有利基因的优良等位基因数量的增加可以导致口感值的显著增加。当将与表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值调控位点相关的有利基因的优良等位基因相加时，口感值与有利基因的优良等位基因数量之间的相关性更强；特别是，与蛋白质含量和口感值相关的有利基因的优良等位基因数量的累积相关系数最高（图6）。根据这些结果和基因组合效应分析，在籼稻品种的Wxb亚群中，蛋白质含量相关基因OsmtSSB1L和OsDML4以及口感值相关基因RPBF和Du3的优良等位基因组合可以进一步降低蛋白质含量并增加口感值（图2e）。在粳稻品种的Wxb亚群中，表观直链淀粉含量、蛋白质含量和口感值都与OsNAC25相关，表观直链淀粉含量和口感值共同与OsBEIIb相关，有利基因OsEro1、Glup3、OsBEIIb和FLO12的优良等位基因分布在大多数品种中。将它们组合形成OsBEIIb/OsEro1/Glup3/FLO12/OsNAC25模块，预计可以降低表观直链淀粉含量和蛋白质含量并增加口感值（图3e）。总之，在籼稻品种的Wxb亚群和粳稻品种的Wxb亚群中，在相同主要基因的前提下，积累多个与蛋白质含量和口感值相关的次要基因的优良等位基因可以进一步改善水稻的食用和烹饪品质。
图3 粳稻品种ECQ性状相关基因的全基因组关联研究
图4 优异ECQ基因选择信号的鉴定
图5 优异等位基因数量对AAC、PC和TV的影响分析
图6 多个与AAC、PC和TV相关的有利等位基因组合可以改善ECQ
4.鉴定出一个改善ECQ的精英等位基因RAmy1AA
在携带Wxb等位基因的108份粳稻品种中，观察到食用和烹饪品质指标存在显著差异，表明还有其他位点控制食用和烹饪品质水稻品质 。在这些品种中，选择了92份用于测定RVA（快速粘度分析仪）特性。结果显示，两年的峰值粘度（PKV）、热糊粘度（HPV）、崩解粘度（BDV）、冷糊粘度（CPV）、回生粘度（SBV）和一致性粘度（CSV）趋于稳定。以2020年为例，不同指标基本呈偏态正态分布（图7a）。峰值粘度与热糊粘度、崩解粘度、冷糊粘度和口感值显著正相关，与回生粘度显著负相关。热糊粘度与冷糊粘度、回生粘度和口感值显著负相关，与崩解粘度显著正相关。崩解粘度与回生粘度显著负相关，与口感值显著正相关。回生粘度与口感值显著负相关，与一致性粘度显著正相关。一致性粘度与口感值显著负相关，与回生粘度和冷糊粘度显著正相关（图7a）。基于SNP标记和RVA特性值，在第2染体上定位到一个显著位点（图7b），与粳稻Wxb亚群的qTV2.2 QTL相同，并且与α-淀粉酶编码基因RAmy1A（LOC_Os02g52710）共定位（图7c,d）。测序分析发现自然种质中存在两种等位基因RAmy1AA和RAmy1AC，且两种等位基因的编码序列之间没有差异。区分等位基因的SNP位于RAmy1A启动子区域上游约1947 bp处（图7e）。实时荧光定量PCR分析显示，RAmy1A在胚乳发育后期高表达，尤其是在开花后18天。利用CRISPR/Cas9技术，在ZH11背景下获得了两个纯合突变体，均导致氨基酸框移突变蛋白的翻译提前终止。与ZH11相比，突变体的表型没有显著变化，但峰值粘度、热糊粘度和冷糊粘度降低（图7g）。这些结果初步证实了RAmy1A可以通过调节淀粉粘度特性来影响水稻的食用和烹饪品质（图7g）。鉴于区分RAmy1AA和RAmy1AC的SNP位点位于基因启动子区域，利用PlantPAN3.0分析了启动子区域差异SNP位点上下游约30 bp的序列。在RAmy1AC启动子区域检测到一个赤霉素响应元件，而RAmy1AA启动子区域的SNP变异破坏了这个元件（图7e）。GARE元件参与激素调控的基因表达，并且在赤霉素存在时需要增加转录。启动子保守顺式调控区域的变异在调控基因表达中起着重要作用。我们推测这个SNP位点可能影响未知转录因子或激素与GARE的结合，从而影响RAmy1A的表达。为了研究GARE元件对RAmy1A表达的影响，构建了缺乏GARE的单倍型RAmy1Adelete，并在双荧光素酶（dual-LUC）实验中将其启动子活性与RAmy1AA和RAmy1AC进行比较。所有构建的启动子活性均显著高于阴性对照，RAmy1AA和RAmy1Adelete的活性相当且高于RAmy1AC（图7f）。这一结果表明，GARE元件的缺失或变异可能增强RAmy1A的表达。此外，在92份粳稻品种中，携带RAmy1AA等位基因的品种的峰值粘度和口感值高于携带RAmy1AC等位基因的品种（图7g）。进一步在3K数据库（hts://snp-seek.irri.org）中扫描了该等位基因的全球分布。RAmy1AA等位基因主要分布在中纬度地区种植的粳稻品种中，只有1.2%的品种携带这种基因型，属于一种罕见的碱基变异类型。
图7 RAmy1A调节淀粉粘度和口感值水稻品质 。
研究发现，表观直链淀粉含量和蛋白质含量的降低是南方水稻品质改良的关键因素水稻品质 。通过全基因组关联分析（GWAS）和选择性驯化分析，研究团队鉴定了一系列与品质性状相关的基因位点，并明确了这些基因在改良水稻食用和烹饪品质中的作用机制。特别是，研究挖掘出一个优异等位基因RAmy1AA，该基因在调控淀粉粘度特性方面表现出显著的改良潜力。此外，研究还提出了多个尚未被广泛利用的基因模块组合，如Wxb/OsmtSSB1LT/OsDML4G/RPBFT/Du3T和Wxb/OsEro1T/Glup3G/OsNAC25G/OsBEIIbC/RAmy1AA/FLO12A，这些组合被认为是南方籼稻和粳稻品质改良的最佳等位基因配置。这一成果不仅标志着南方水稻品质性状遗传改良方面取得了重大突破，还为其他主要粮食作物的分子设计育种提供了新的理论基础和实践指导。通过精准调控关键基因和等位基因组合，育种者可以更高效地改良水稻的食用和烹饪品质，满足消费者对高品质稻米的需求，从而推动水稻育种向更高水平发展。