2021, Vol. 48文章信息
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基金项目
- 广东省自然科学基金（2021A1515012160）；广州市科技计划项目（201904010350）；广东省重点实验室运行费专项（2020B1212060047）
作者简介
- 刘传光，博士，研究员，广东省农业科学院水稻研究所功能性水稻选育研究室主任。1991年7月毕业于南京农业大学作物专业，获学士学位。1999年6月华南农业大学作物遗传育种专业硕士研究生毕业，后进入广东省农业科学院水稻研究所工作至今。2009年6月华南农业大学作物遗传育种专业在职博士研究生毕业，获农学博士学位。主要从事功能性水稻遗传育种、水稻动态株型育种理论研究与品种选育工作。先后主持国家、省部级科技项目10余项，参加国家863计划、国家农业跨越计划以及广东省重大农业科技攻关等项目20余项。以第一完成人育成通过省级审定水稻品种12个，参加育成通过省级以上审定水稻品种（组合）53个获国家发明专利1件，获品种权授权3项；获省、厅级科技成果奖7项；发表科技论文60余篇，其中第一作者或通信作者论文20余篇; 陈友订，博士，二级研究员。广东省农业科技发展战略研究专家，中国作物学会水稻产业分会理事，广东省种子协会副会长，广东省作物学会副理事长。主要从事功能性水稻遗传育种以及水稻株型育种理论与实践研究，首次提出了“水稻动态株型育种”新概念，构建了华南双季水稻动态株型模式，并应用于水稻育种与新种质创制。先后主持或承担国际合作项目、国家星火计划重点项目、国家成果转化、广东省自然科学基金、广东省重大专项、广东省农业攻关及广东省百项工程等各级课题70多项；获得各类科技成果奖励12项；主持育成通过审定品种15个、通过鉴定不育系1个；取得授权发明专利7项；在国内外学术刊物上发表论文80多篇，出版著作4部.
通讯作者
- 陈友订（1962—），男，博士，研究员，研究方向为水稻遗传育种，E-mail：chenyoud@126.com.
文章历史
- 收稿日期：2021-08-27
2. 广东海洋大学滨海农业学院，广东 湛江 524088
2. College of Coastal Agricultural Sciences, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China
随着区域经济发展与人们生活水平的提高，一些富裕人群由于膳食结构不合理、体力劳动强度和运动强度下降，导致肥胖、“三高”疾病（高血糖、高血压、高血脂）、心血管疾病、糖尿病、慢性肾病等慢性疾病发病率越来越高。据报道，2017年全球慢性肾病（Chronic kidney disease, CKD）发病率超过9.1%，我国总发病人数超过1.323亿人、发病率超过9.5%，表明CKD已经成为影响大众健康的重大疾病[1]。截至2019年底，全球糖尿病患者总人数达到4.63亿，我国则达到1.16亿，并呈逐年增长的趋势[2]。另一方面，贫困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，食物中某些人体必需微量元素缺乏（如缺铁、缺锌、缺硒等），导致营养性贫血症、维生素A缺乏症等地方病流行。因此，保证食物供应的营养和健康功能是未来食品科学、医学和公众营养科学共同关注的课题[3-4]。功能性水稻是一类具有特殊遗传背景的水稻，在胚乳、胚和米糠中含有某种或多种较普通水稻品种高得多的具有生理调节功能的活性成分，其稻米供某些疾病患者、年老体弱者等特殊人群食用，既可以满足日粮需求，又具有调节人体生理代谢、增进人体健康等多种功能。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、26kD抗过敏蛋白）、活性多糖（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[5]。
我国65%以上人口以水稻为主粮[6]，广东省居民传统上以水稻为主食。近30年来，随着经济发展与生活水平提高，肉类在食物结构中所占比重越来越高，特别是广东人传统上以鸡、鸭、猪骨等肉类为食材的老火靓汤已成为日常饮食习惯，使得广东地区慢性肾病、糖尿病发病率不断提高，特别是慢性肾病发病率显著高于全国其他地区[7]。肾病患者由于蛋白质代谢障碍，不宜食用蛋白质含量高的食物；缺铁、缺锌病人通常需要食用铁、锌含量高的食品以补充上述元素，达到治疗与保健的功效；癌症患者增补富硒食品可以提高对癌细胞扩散的抵抗力[5, 8-9]。针对不同病患类型，应用常规育种技术与现代生物技术相结合，培育具有调节人体生理功能、对患者疾病有辅助治疗和保健作用的功能性水稻新品种，对改善我国以稻米为主食人群的营养与健康状况具有十分重要的意义。功能性水稻概念虽然在20世纪90年代才提出来，但其研究发展很快，已成为一个重要的水稻研究领域。本文就功能性水稻研究进展及其发展前景进行综述。
1 功能性水稻分类 1.1 有色稻有色稻为一类因果皮含有某种花色素物质而糙米表皮呈现出不同于普通稻米的特殊颜色的水稻，其中以果皮呈紫色的黑米和红褐色的红米最为常见。我国具有悠久的有色稻米栽培历史，最早可追溯到晋代，并被中医学视为药食同源的重要滋补食品[10]。明李时珍著《本草纲目》记载补血糯（黑糯）有“滋阴补肾、健脾暖肝、明目活血”的保健功能，并有“补中益气、治消渴、暖脾胃、虚寒泄痢、缩小便、收自汗”等功效[10]。在印度，有色稻由于可以提高人体免疫力而被称为药用稻，供免疫力低下、身体虚弱者食用，以提高身体免疫力[11]。随着现代医学的发展，有色米的保健功能得到进一步的科学证实，使有色米的开发应用成为功能性水稻研究的重要组成部分。
1.2 低谷蛋白水稻水稻种子中绝大多数的蛋白质是贮藏蛋白。根据溶解性质的不同，水稻种子贮藏蛋白可分为碱溶性的谷蛋白、醇溶性的醇溶蛋白、水溶性的白蛋白和盐溶性的球蛋白等4种，其中谷蛋白含量最高，占蛋白质总量的80%左右[12]。谷蛋白和醇溶蛋白在胚乳中以蛋白体的形态存在，醇溶蛋白积淀在蛋白体PB-I内，谷蛋白储藏在蛋白体PB-II中[13]。稻米贮藏蛋白一般在糠层和胚中含量较胚乳高，越向胚乳深层，含量越少；糊粉层和颖壳等外层组织中白蛋白和球蛋白含量较高，胚乳中则谷蛋白含量最高[14]。稻米储藏蛋白的溶解性、生物价和能量吸收性能都很好，而且其氨基酸组成比较平衡，赖氨酸、苏氨酸等必需氨基酸含量较高，是人类重要的蛋白质来源之一[14-15]。
临床研究结果显示，低蛋白饮食是CKD临床干预的重要手段，能有效延缓CKD进展[16]。正常饮食达到充足能量摄入往往伴随摄入的蛋白质增多，很难达到热量充足、高效价、低蛋白的要求，而控制饮食减少食物摄入量虽然能满足蛋白质限量要求，但常会出现热量不足，容易引起营养不良[17]。天然种植低谷蛋白大米（谷蛋白含量低于4%）由于稻米中可消化吸收蛋白质含量较普通大米低，因而可用作肾病患者康复治疗期间的主食，既能满足患者正常代谢的能量需求，又能控制蛋白质摄入量，能显著改善患者蛋白代谢压力，有助于加快患者康复速度。低谷蛋白水稻作为肾病患者专用功能稻首先在日本开发成功，目前低谷蛋白大米已成为日本肾病患者的首选主粮[18]。
1.3 高抗性淀粉水稻普通稻米具有较高的血糖指数（Glycemic index, GI），对于日益增多的广大糖尿病患者尤其是非胰岛素依赖的Ⅱ型糖尿病患而言，如何解决高血糖与饥饿的矛盾、促进患者康复治疗与心身健康是当今面临的严峻课题。抗性淀粉（Resistant starch, RS）是指在健康小肠中可以避开胰腺α- 淀粉酶的水解而不被消化吸收的淀粉的降解产物的统称[19]。RS最早由Englyst等[20]在测定不溶性膳食纤维时发现并命名。与不溶性膳食纤维相比，RS具有相似的生理功能，但生化特性和消化特性等方面表现出巨大差异[20-22]。富含RS的淀粉类食物消化慢，可作为缓慢释放葡萄糖的载体，延长人体能量供给和饱腹感时间，但又基本不影响人体正常的能量代谢，因而在预防与控制人体代谢综合症（如Ⅱ型糖尿病、肥胖以及心血管疾病）方面有益，对维持肠道健康（如预防和控制结肠癌、大肠息肉以及肠炎等）方面亦具有重要应用价值[23-25]。临床试验结果表明，高RS稻米对增加患者饱腹感、节制饮食和控制血糖指数功效显著，而且还可有效防止便秘、肠炎和痔疮等肠道疾病，对降血脂和控制体重有一定功效[26]。
1.4 富微营养水稻微营养是指人体需求量少但不可或缺，或者非人体必需但对健康有益的微量元素、维生素、特殊氨基酸等营养物质。普通稻米中微营养含量低且生物有效性差，难以满足人体代谢的基本需要。因此，在以谷物为主食的发展中国家及欠发达地区，人体微营养不良的情况非常普遍。据报道，全球约20亿人口表现铁缺乏症、每年近80万儿童因缺锌而致死，大量婴幼儿因缺乏维生素A造成智力发育不全、易感传染病和失明等严重后果，给个人、家庭和社会均带来沉重的精神负担和经济负担[27-28]。应对各类微营养缺乏症，最常用的方法是在食物中添加相应的元素或维生素以增加其摄入量，达到消除相关症状的目的。然而，食物添加微营养物质存在安全风险、费用较高等问题。
要安全有效、长期持续地解决人们微营养缺乏的问题，应用现代生物育种技术培育富含微营养物质的粮食作物，提高人体摄入量，是一种最为高效、经济的方法[29]。水稻是世界上最重要的粮食作物之一，全世界超过50%的人口以水稻为主食，培育富铁、富锌、富维生素A等的水稻品种将是解决相关人群微营养缺乏问题的重要途径。要培育富微营养水稻品种，可以通过两种途径实现，首先是从品种资源中筛选、发掘富含微营养物质的种质资源，通过现代水稻育种技术培育产量、抗病性、适应性等综合性状符合生产要求的富微营养水稻新品种并推广应用；其次是利用生物技术，克隆其他物种中存在的富微营养基因，通过转基因技术导入水稻品种，培育富微营养水稻新品种。
1.5 药物制造生物反应器水稻植物为药用重组蛋白质或多肽提供了一个非常好的生产平台。基于植物的药用重组蛋白质或多肽生产方法，与传统的微生物发酵系统或哺乳动物细胞合成方法相比具有以下优点：生产成本低，易于控制生产规模，不受哺乳动物病原体的污染，以及药物分子能够在环境温度下长期储存而不降解[30]。水稻的栽培、收获、加工和储存设施在全世界范围内都已非常完善，水稻种子作为生物反应器，一旦建立了完善的转化系统，由于较高的稻谷产量和重组蛋白提取效率，与同等条件下的其他谷物相比具有特别的优越性[31]。此外，水稻种子中积累的重组蛋白在室温下可稳定保存数月，无需冷藏而提高生产成本。即使在烹煮后，重组蛋白的活性仍能保持。除了注射用重组蛋白外，以大米种子为基础的口服药物因其能抵抗严酷的酸性环境和消化酶，因而还能被有效地输送到肠道[30]。因此利用水稻作为药用重组蛋白质、多肽、维生素和褪黑素等药物的生物反应器，生产相关药品，日益受到关注。
2 国内外功能性水稻研究进展功能性水稻的研究于20世纪80年代由日本首先开展，并很快成为全球水稻遗传育种学研究的热点。国际水稻研究所（IRRI）于1990年代开展富微量元素稻米遗传育种研究，通过常规育种技术育成比普通稻米铁、锌含量高的富铁、富锌水稻品种。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该项目[10]。
2.1 有色稻研究进展我国有着上千年的有色稻栽培历史，拥有丰富的种质资源，目前国内作物品种资源库保存的稻种资源中有色稻种占10%左右，其中红米种质最多[32]。有色稻米的色素合成与沉积部位为种子的果皮部分，其随颖果发育而逐渐沉积于果皮[33-34]。授粉后3d，颖果的远胚端即开始沉积少量的花色素；授粉后5d，在颖果靠内稃一侧大量沉积，并且贯穿胚端和远胚端；授粉后6d，花色素布满整个颖果皮，但靠外稃的一侧明显少于靠内稃一侧，即与胚同侧的部位沉积较慢，而与胚异侧的部位沉积较快；到授粉后7d，整个颖果皮都沉积了花色素，而且均匀一致，不同水稻品种颖果着色程度有所差异[34]。
研究表明，紫色米皮受分别位于第1、3、4染色体的3个基因Kala1、Kala3和Kala4共同作用。当基因Kala4不存在时，果皮呈无色；当Kala4基因存在、其他两个基因不存在时，果皮呈棕色；当基因Kala4和Kala1同时存在时，果皮呈黑褐色；当基因Kala4和Kal3同时存在时，果皮呈棕褐色；Kala1、Kala3和Kala4同时存在时，果皮呈紫黑色[35]。黑米色素含量表现数量遗传特征，符合加性- 显性模型，高色素含量等位基因对低色素含量等位基因色表现为显性[36]。水稻中决定红色果皮的基因有两个，分别是Rc与Rd[37]。Rc与Rd互补，Rc被定位在第7染色体，而Rd位于第1染色体。Rc负责产生水稻果皮的褐色色素，当只有Rc存在时产生红褐色的种子；Rc与Rd都存在时，果皮呈深红色；而只有Rd存在时，果皮没有任何颜色[37]。精细定位结果显示，Rc基因位于第7染色体BAC克隆AP005098于AP005779的重叠区域[37]。进一步研究发现Rc基因实际上是一个编码Helix- Loop-Helix结构蛋白基因[27]。Rc是一个空等位基因(null-allele)，由于第6外显子一段14bp的碱基缺失引起移码突变和启动子提前终止，使基因失效，Rc对rc为显性效应[38]。
有色稻遗传育种方面，近20年来应用现代水稻育种技术，大批有色稻品种在全国各地相继育成。例如，中国水稻研究所通过体细胞无性系变异育成果皮乌黑色的黑珍米[39]、广东省农业科学院生物技术研究所应用DNA导入方法育成高产高糙米蛋白含量的黑优粘[40]、贵州省农业科学院水稻研究所育成红米杂交稻组合金优红[41]。广东省农业科研单位与农业生产管理部门对有色稻米开发与应用非常重视，早在2009年即在广东省水稻新品种区域试验中设立特用稻试验圃，先后育成华小黑、软红米、红荔丝苗、粤红宝、南红1号和南红3号等一批有色稻品种通过审定并大力推广[42-44]。目前广东省有色稻年种植面积超过1.33万hm2。
华南农业大学刘耀光院士团队利用Cre/loxP重组系统和新创建的不可逆重组的突变loxP位点，开发了新一代的高效多基因载体系统TGSⅡ（TransGene Stacking Ⅱ），利用该系统将来自玉米和彩叶草的8个花青素合成的关键基因导入水稻并在胚乳特异表达，培育出在胚乳中合成并沉积虾青素的紫晶米水稻[45]。紫晶米的培育成功，为功能稻育种、合成生物学、复杂代谢途径的基因工程操作以及涉及多个基因的重要农艺性状的改良提供了新的方法。
2.2 低谷蛋白水稻研究进展1993年，Iida等[46]通过化学诱变结合全蛋白SDS-PAGE电泳技术筛选，获得了低谷蛋白- 高醇溶蛋白的突变体材料NM67，NM67的总蛋白含量与原始亲本接近，但谷蛋白含量明显降低、13ku醇溶蛋白含量明显上升、球蛋白含量也略有升高。SDS-PAGE分析发现，NM67 4个酸性亚基条带中最大的一个带缺失，3个碱性亚基条带中最小的一个带其量减少，但没有出现降解形成的新条带。在2D-电泳相对应的酸性斑点中，最大的1a缺失而最小的4a减少[47-49]。对突变体后代分离群体分析发现，低谷蛋白与高醇溶蛋白的特性总是相伴出现，并受显性单基因控制，不存在剂量效应。结合RFLP标记将它们定位于第2染色体的XNpb243和G365之间，距XNpb243标记为8.5 cM[47]。Wang等[50]进一步将低谷蛋白基因LGC-1定位于第2染色体与RM1358距离3.8 cM的位置。以NM67为亲本，通过遗传改良育成用于商业化生产的低谷蛋白品种LGC-1、Saikai 231等，并作为肾脏病、糖尿病人专用的水稻品种应用于临床试验，效果显著，受到日本各大医院以及肾脏病和糖尿病患者的普遍欢迎[18, 48-49, 51]。随后Satoh等[52-53]、Qu等[54]和曲乐庆等[55]通过MNU（N-甲基硝基脲）诱变，获得α-1、α-2亚基减少的低谷蛋白突变体。Wang等[56]通过对一个自然变异的水稻低谷蛋白突变体OsVPE1基因的图位克隆和功能分析，发现突变体和野生型间在该基因上只有一个核苷酸的差异，导致突变体中液泡加工酶OsVPE1蛋白的269位由Cys（半胱氨酸）突变为Gly（甘氨酸），功能互补试验证实了OsVPE1就是突变基因，该基因位于第4染色体长臂RM252~RM7187之间。
中国农业科学院与南京农业大学合作，以LGC-1和越光为亲本，通过回交育种技术育成我国第一个粳型低谷蛋白水稻品种W3660，并实现商品化，深受北京、江苏等地糖尿病和肾病患者的欢迎[57]。随后又相继育成W0868、W088等高产、优质、抗病粳型低谷蛋白水稻新品种，并实现商业化开发应用。广东省农业科学院水稻研究所利用W3660为亲本，应用常规育种技术与分子标记选择技术和蛋白质分析技术相结合，将低谷蛋白基因LGC-1导入籼稻品种五山丝苗，育成籼型低谷蛋白水稻品种N198[58]；以N198为亲本，将LGC-1导入含抗稻瘟病基因Pi-2和抗白叶枯病基因Xa23的丝苗型水稻育种双抗中间材料，育成一批双抗稻瘟病、白叶枯病的丝苗型低谷蛋白水稻新品系。
2.3 高抗性淀粉水稻研究进展以水稻为原料开发的高抗性淀粉食品，最初比较常见的是煮谷米（Parboiled rice），其主要原理是通过高温、高压处理等加工方式提高RS含量[59-60]。但是煮谷米在加工制作过程中会破坏稻米中部分营养成分，导致营养流失，而且价格高昂，普通消费者难以承受，因此筛选高RS水稻品种资源、通过遗传改良手段进行高RS稻米新品种开发市场前景广阔。
普通稻米RS含量很低，热米饭中RS含量一般在1%以下，即使冷米饭中RS含量也大多低于2%。Hu等[61]对直链淀粉含量在0~26.7%的常规籼稻、常规粳稻和杂交籼稻品种（组合）的热米饭RS含量进行测定发现，仅个别品种RS含量超过2%，绝大部分品种（组合）RS含量在0.4%以下。同类型水稻品种（组合），RS含量随直链淀粉含量增加而增加，但RS含量又不完全受AM含量决定。因此，直接从生产上的主栽水稻品种中筛选高RS品种难度较大，须从遗传资源库筛选或人工创造遗传变异的方法发掘高RS水稻种质。
Butardo等[62]应用RNA干扰技术，使得淀粉分支酶SBE Ⅱ b表达水平下调，获得直链淀粉含量高达41.2%、RS含量高达4.8%（较其原始亲本Nipponbare高10倍）的转化植株。浙江大学应用辐射诱变技术，培育出首个RS含量高达3.6% 的高RS籼稻品种浙辐201，并以杂交水稻强优恢复系R7954为起始材料，经航天搭载诱变，筛选培育出高RS突变体RS111[63]。RS111直链淀粉含量26.7%，其热米饭中RS含量比普通品种高2~4倍，采取优化蒸煮方式热米饭中RS可高达10%[64]。浙江大学还利用来自美国的高RS种质RS102，应用杂交育种技术育成糖尿病患者专用高抗性淀粉粳稻品种宜糖1号，其米饭中RS含量高达10.17%[65]。国际水稻研究所应用化学诱变技术对水稻品种Kinmaze进行诱变处理，获得1份ae突变体，并以ae突变体与IR36杂交获得高RS水稻突变体AE，其RS含量高达8.25%[64]。上海市农业科学院应用花药培养技术和常规育种技术相结合，育成高RS粳稻新品种降糖稻1号，其RS含量高达14.86%[66]；应用CRISPR/Cas9系统编辑水稻淀粉分支酶基因SBE3，获得RS含量超过10% 的高RS水稻新品系[67]。云南省农业科学院从云南稻种质资源新平早籼群体中系统选育出功米3号，其米饭中RS含量高达10%以上[68]。
广东省农业科学院水稻研究所科研人员从该所种质资源库保存的1.8万份栽培稻资源中，通过对直链淀粉含量信息进行检索，筛选出直链淀粉含量27% 以上的资源466份，对筛选出的高直链淀粉种质进行抗性淀粉检测，筛选出RS含量达8.3% 的高RS种质GDRS1120-3；随后，应用杂交育种技术将GDRS1120-3与现代水稻优良品种进行杂交，育成高抗性淀粉水稻新品系GDRS16-20和GDRS16-33，其热米饭RS含量分别达8.3%、10.04%；参考Englyst[20]和Goni[22]的方法并进行优化，进一步研究抗性淀粉生化特性，用淀粉葡糖苷酶进一步降解α- 胰淀粉酶消化后的稻米淀粉残余物，发现降解产物能分离出葡萄糖和脂肪物质，按照Fuentes-Zaragoza等[69]对抗性淀粉的分类方法，推测GDRS1120-3的RS主要是RS5型。
2.4 富微营养水稻研究进展富微营养水稻研究目前多见于富含γ- 氨基丁酸（GABA）、维生素A、铁、锌、硒和钙等微营养物质的水稻。
动物大脑中GABA浓度很高，在抑制中枢神经系统和周围组织中的神经传递方面起着基础作用[70]。GABA作为一种抑制性神经递质与亨廷顿病、帕金森病、老年痴呆症、癫痫、阿尔茨海默病、强直综合征和精神分裂症相关的信号通路改变有关，可以缓解患者病情[71]。GABA具有激活肝和肾功能、促进胰岛素分泌的作用，有助于糖尿病的治疗[72]。此外，GABA还具有降血压、增进记忆力和提高免疫力等功效[73]。基于GABA的诸多功效，日本、韩国和中国等以大米为主食的国家均非常重视高GABA水稻培育。1981年，Satoh等[74]利用化学诱变剂MNU处理水稻金南凤品种合子细胞而率先获得巨胚突变体（Giant embyro-ge），其胚比金南凤大2~3倍，其糙米经浸水处理后胚芽萌动初期GABA合成急剧增加并累积；之后，通过遗传改良先后育成Haiminori、北海269和奥羽359等巨胚稻新品种，其中Haiminori通过3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[10]。
韩国科学家从粳稻Hwachungbyeo中筛选巨胚突变体，该突变体的赖氨酸、生育酚和维生素B1含量均明显高于野生型[75]。中国农业科学院水稻研究所、南京农业大学、福建农林大学等单位也通过不同途径获得相应的突变体材料，并育成可以商业化生产的巨胚稻新品种或杂交稻组合[76-77]。
研究表明、稻米中铁、锌、锰、铜等微量元素的含量存在显著的基因型差异[78-79]。稻米的胚和米皮中微量元素含量比胚乳高得多[80-82]。富微量元素水稻育种目前以常规育种技术为主。李晨等[83]从189份水稻种质中筛选获得1份糙米铁含量高达52.65 mg/kg的富铁栽培稻种质；赖来展等[84]应用孤雌诱导及子房培养技术育成糙米铁含量高达52.20 mg/kg的富铁水稻品种黑优粘3号；IRRI育成的富铁水稻新品种IR164已在菲律宾等东南亚国家推广应用[85]。应用转基因技术，将大豆、菜豆、豌豆等豆类植物的铁蛋白基因导入水稻培育富铁转基因水稻，也是目前富铁水稻育种的一条重要途径。Goto等[86]将大豆铁蛋白基因转入水稻，获得铁蛋白在水稻中能稳定表达积累的转基因植株，其糙米中铁含量比受体品种高3倍；刘巧泉等[87]将菜豆铁蛋白基因导入粳稻品种武香粳9号，转基因植株精米中铁含量显著提高；叶红霞等[88]在105份转豌豆铁蛋白基因水稻后代纯系中，发掘到2份铁含量比受体亲本分别提高4.82和3.46倍的富铁转基因水稻种质。
2005年先正达（Syngenta）公司通过转基因技术培育出稻米类胡萝卜素含量高达37 μg/g的第二代“黄金大米”，为解决贫困地区维生素A缺乏的状况提供了可能[89]。杨树明等[90]应用水稻杂交育种技术培育出高钙红米新品种功米1号，其糙米Ca含量达254 mg/kg。
硒对人类健康很重要，参与各种代谢过程，硒缺乏会增加癌症和心血管疾病的风险。硒补充剂多用于治疗自身免疫性甲状腺疾病，但过量的硒使用也会提高代谢综合症发生的风险[91]。在育种实践中，尚未筛选到相应的富硒遗传资源材料，因此通过育种提高稻米硒含量目前还无法实现。生产上富硒稻米的开发都是通过在富硒土壤环境下种植或施用硒肥进行生物强化的方法提高稻米硒含量[92-93]。
2.5 药物制造生物反应器水稻研究进展利用水稻作为药物制造生物反应器，目前最成功的是水稻重组人体白蛋白（OsrHSA）大规模生物合成与纯化[31, 94]。武汉大学杨代常团队应用转基因技术，将人体白蛋白基因导入水稻，转基因水稻谷粒中人体白蛋白（HSA）含量占谷物总可溶性蛋白质的10.58%。大规模生产条件下，每公斤糙米可生产高达2.75 g纯度大于99% 的OsrHSA。OsrHSA的物理和生化特性显示其与血浆提取的HSA（pHSA）具有相当的促细胞生长和治疗肝硬变效率。此外，OsrHSA在体内外免疫原性方面与pHSA相似。动物试验结果显示OsrHSA安全性高，有助于满足全世界对人血清白蛋白日益增加的需求[32]。
褪黑素是一种广泛存在于动植物中的多功能生物分子，介导了许多重要功能，包括通过其潜在的抗氧化活性和激活有丝分裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase, MAPK）的功能刺激生长和激发胁迫耐受力[95-96]。褪黑素在人体健康方面的功能主要包括助眠[97]、神经退行性疾病治疗[98]、抗氧化作用[99]、骨质疏松预防[100]等，富褪黑素食品已成为食品业未来发展的重要技术领域[101]。水稻也能合成褪黑素，而且通过生物技术手段可以显著提高其合成水平。Choi等[102]应用转基因技术对水稻叶绿体咖啡酸O- 甲基转移酶过表达，提高了叶绿体褪黑素合成量。Lee等[103]应用转基因技术下调水稻N- 乙酰5- 羟色胺脱乙酰酶（N-acetylserotonin deacetylase, ASDAC）基因表达水平，显著提高了褪黑素合成水平。以上研究为探索富褪黑素水稻育种提供了重要启示。随着生物技术的发展，通过生物技术手段开发褪黑素生物合成的水稻生物反应器，大规模生物合成与提取褪黑素用于人体医疗与保健将有巨大的发展空间。
3 功能性水稻研究当前世界经济发展不均衡的现象相当严重，在公众营养方面朝两个极端发展：一方面，在经济发达地区，高血压、高血脂和高血糖等“三高”病症人数呈明显增加趋势；另一方面，在经济落后地区，营养缺乏问题更加突出。因此，世界各国对功能性水稻的需求日益增大[3-4]。培育具有富含多种微营养成分（包括微量元素铁锌硒、维生素及有益氨基酸等）的水稻新品种对于改善公众营养十分关键[79-80]。低谷蛋白水稻品种可以满足有肾机能障碍的CKD和糖尿病患者的低蛋白饮食要求，解决患者主粮问题，有利于患者康复治疗与保健。日本将低谷蛋白稻米用于肾脏病患者治疗期间作主粮取得良好效果[18]，目前低谷蛋白稻米已成为日本肾脏病患者首选主粮。高抗性淀粉含量水稻供糖尿病患者食用可明显降低餐后血糖浓度上升速度和峰值，有利于有效控制患者病情[104-105]。通过常规育种、远缘杂交育种、诱变育种等方法并综合改良，进一步挖掘具有多种功能活性成分的功能性水稻显得愈加重要，开展功能性水稻相关基础理论研究和生理活性物质的作用机理研究，可以保障高效、合理利用营养物质，达到增进公众健康、降低疾病的目的[106]。
近年来，功能性水稻的选育发展很快，国内外已经开发出包括保健型、辅助疗效型及其他特殊用途的功能性水稻，其中辅助疗效型功能性水稻是通过品种改良育成的一种含有较高水稻功能性成分比例的功能性水稻，对肾脏病、糖尿病、“三高”症、肥胖、动脉硬化、骨质疏松等疾病的治疗和康复保健具有重要辅助作用，患者治疗期间作主食可以调节身体生理代谢，利于提早康复，达到辅助治疗的效果。近年来，欧美和日本等国家非常重视稻米中必需成分和生理活性成分的研究。研究表明，稻米的胚和种皮富集64% 以上营养元素和生理活性物质，稻米中也富集着各种具有生理效应的功能性因子，如铁、锌、硒等微量营养元素以及γ- 氨基丁酸（GABA）、肌醇、谷维素、维生素E、谷胱甘肽、膳食纤维、N - 去氢神经酰胺等多种功能性生理活性成分[107]。充分发掘利用稻米中功能成分的潜力巨大，应用遗传育种手段提高稻米功能成分，不仅可望直接用于增强人体机能和代谢平衡，还可提高稻米的附加值，扩大稻米的利用范围，使稻米既可以作为粮食也可作为一种新型功能保健品和食品工业的一种重要原材料，促使相关稻米加工产业升级，显著提高水稻生产效益[106]。
功能性水稻育种未来将从功能的单一型向复合型过渡，由保健型向保健与辅助疗效相结合转变。未来如果培育出低谷蛋白有色稻品种，其既是有色稻，又是低谷蛋白水稻，这样对身体虚弱的肾病患者即可实现低蛋白干预治疗，又可增加花青素、黄酮类物质的摄入，对提高患者人体免疫力非常有利。将低谷蛋白水稻与高抗性淀粉水稻进行杂交育种，培育低谷蛋白高抗性淀粉水稻，对解决低蛋白、低热量饮食需求的糖尿病患者尤其是糖尿病肾病患者的主粮问题有着非常重要的意义。
随着相关基础学科的发展，水稻遗传育种与相关学科的交叉融合与相互促进作用日益重要。功能性水稻研究与生理学、营养学和医学等学科间的紧密结合将是推动该领域研究不断突破的前提基础。在育种技术上，以多组学生物技术和常规育种相结合的方法，不断挖掘与创制功能性水稻种质、培育功能性水稻新品种是功能性水稻研究的发展方向。
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（责任编辑 邹移光）