張愛民，李 欣，劉冬成，孫家柱，陽文龍

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品質(zhì)支撐農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)與未來發(fā)展

張愛民，李 欣，劉冬成，孫家柱，陽文龍

（中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/植物細(xì)胞與染色體工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

品質(zhì)是農(nóng)作物最重要的經(jīng)濟(jì)性狀，品質(zhì)的優(yōu)劣決定了產(chǎn)品的應(yīng)用價(jià)值和市場競爭力。克隆重要農(nóng)作物品質(zhì)形成的功能基因，解析品質(zhì)形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，建立品質(zhì)改良的分子育種體系，對于作物品質(zhì)的遺傳改良，提高人們的生活水平，使人們在溫飽的基礎(chǔ)上吃好、吃的營養(yǎng)、吃的健康具有重要意義，是社會健康持續(xù)發(fā)展的最基本保障。

長期以來，由于受到人口增長壓力和糧棉油等產(chǎn)品總量的制約，中國農(nóng)作物品種改良對品質(zhì)重視不夠。品質(zhì)性狀遺傳改良的基礎(chǔ)研究滯后，致使大多數(shù)農(nóng)作物品種品質(zhì)不優(yōu)，產(chǎn)品不僅沒有足夠的國際市場競爭力，而且很難滿足日益增長的人民生活需求。品質(zhì)問題成為制約中國農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。隨著中國加入世界貿(mào)易組織協(xié)定，農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)以及作物品質(zhì)改良在一段時(shí)間內(nèi)受到相應(yīng)的重視。但近幾年，由于強(qiáng)調(diào)糧食總量要求，品質(zhì)改良的要求又有所降低或被忽視，統(tǒng)計(jì)上的優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物種植面積與實(shí)際種植面積相差甚遠(yuǎn)[1-2]。因此，在國家農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域多個重大項(xiàng)目支持下，依據(jù)中國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和社會發(fā)展的實(shí)際需求，科技工作者深入系統(tǒng)地開展農(nóng)作物品質(zhì)改良的基礎(chǔ)研究，目標(biāo)是克隆控制重要農(nóng)作物品質(zhì)性狀形成的關(guān)鍵基因并獲得自主知識產(chǎn)權(quán)，解析品質(zhì)形成的分子生物學(xué)基礎(chǔ)，努力提升中國作物品質(zhì)改良的理論和技術(shù)水平，增強(qiáng)中國農(nóng)產(chǎn)品國際競爭力。品質(zhì)性狀重要功能基因克隆以水稻、小麥、玉米、大豆和棉花五大作物為主要研究對象，采用功能基因組學(xué)方法，對作物品質(zhì)性狀基因開展深入系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究。研究的品質(zhì)性狀包括農(nóng)產(chǎn)品的外觀商品品質(zhì)、加工品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、貯藏品質(zhì)等，也包括健康品質(zhì)與生物品質(zhì)等，力求闡明優(yōu)質(zhì)性狀形成的機(jī)理，建立品質(zhì)性狀分子改良的技術(shù)體系，培育農(nóng)作物優(yōu)質(zhì)新品種，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，改善人們的生活水平，滿足人們?nèi)找嬖鲞M(jìn)的營養(yǎng)和健康需求。

經(jīng)過近十年不懈的努力，中國科學(xué)家在作物品質(zhì)基因克隆和分子生物學(xué)研究領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)展，獲得了一系列原創(chuàng)性、高水平的研究成果。本期推出的4篇關(guān)于水稻、小麥、大豆和棉花品質(zhì)研究的綜述性文章，總結(jié)回顧了中國科學(xué)家在品質(zhì)研究領(lǐng)域的進(jìn)展，同時(shí)也介紹了國際上關(guān)于農(nóng)作物品質(zhì)研究的發(fā)展和趨勢，將有助于讀者和同行們了解國內(nèi)外品質(zhì)研究現(xiàn)狀，為作物育種家們提供可能的基因資源與信息，推動農(nóng)作物品質(zhì)改良的進(jìn)一步深入。

根據(jù)作物最終用途與加工產(chǎn)品不同，對其品質(zhì)需求也不盡相同。

稻米品質(zhì)性狀的組成較為復(fù)雜，主要包括碾磨加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)等四個方面[3]?！兜久灼焚|(zhì)性狀基因的克隆與功能研究進(jìn)展》一文圍繞這4個方面，全面介紹了所克隆的新基因及其功能，重要性狀，如淀粉合成等，多基因參與的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，明確了一批重要基因的有利等位變異，并對如何利用這些重要功能基因進(jìn)行水稻品質(zhì)改良進(jìn)行了展望。

小麥?zhǔn)鞘澜缟戏N植面積最廣、總產(chǎn)量和營養(yǎng)價(jià)值最高、加工食品種類最多的糧食作物。它是世界上35%左右人口的主要碳水化合物來源，也是植物蛋白質(zhì)的主要提供者。小麥面粉含有其他作物所不具備的面筋，因此，適于制作面條、面包、饅頭、餅干、糕點(diǎn)等多種食品。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對以小麥粉為原料生產(chǎn)的精制面食、保健食品和營養(yǎng)食品的需求不斷增加，并且對小麥相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)要求也越來越高。人們不僅要吃飽吃好，還要吃的營養(yǎng)，吃的健康。因此，在以加工品質(zhì)研究為主的基礎(chǔ)上，營養(yǎng)和健康品質(zhì)正在成為小麥品質(zhì)改良的重要研究方向和育種目標(biāo)[4]?！缎←湢I養(yǎng)和健康品質(zhì)研究進(jìn)展》一文從籽粒微量營養(yǎng)元素、膳食纖維和對人體健康有益的次生代謝產(chǎn)物等方面介紹了國內(nèi)外在基因資源篩選、測定方法、基因克隆以及育種改良等方面取得的重要進(jìn)展，為中國開展小麥營養(yǎng)和健康品質(zhì)研究提供了參考和借鑒。

大豆是重要的經(jīng)濟(jì)作物，其種子蛋白質(zhì)和油脂含量都比較高，為人類生活提供了優(yōu)質(zhì)的食用油和植物蛋白[5]。中國是世界大豆原產(chǎn)國，但近年來中國大豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展不夠景氣，這與中國大豆的品質(zhì)水平不高不無關(guān)系。大豆的脂肪酸含量、蛋白含量以及異黃酮含量決定了其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。針對生產(chǎn)上大豆品質(zhì)存在的主要問題，中國科學(xué)家開展了控制和提高大豆脂肪酸含量和蛋白含量的深入研究，從基因克隆到調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，從大豆本身及其外緣種中克隆了許多重要的功能基因和調(diào)控基因，初步明確了脂肪酸和蛋白合成積累過程?！洞蠖蛊焚|(zhì)調(diào)控基因克隆和功能研究進(jìn)展》總結(jié)了相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展，對在大豆基因組測序完成的基礎(chǔ)上，利用傳統(tǒng)的雜交育種結(jié)合分子標(biāo)記、合成生物學(xué)和基因編輯等新一代植物育種技術(shù)進(jìn)行大豆品質(zhì)改良的前景進(jìn)行展望。

棉花是世界最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。全球有80多個國家種植商業(yè)棉，150多個國家從事棉花進(jìn)出口貿(mào)易，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值每年高達(dá)5000億美元。自20世紀(jì)90年代以來，隨著紡織工業(yè)的發(fā)展，棉紡企業(yè)強(qiáng)調(diào)以較強(qiáng)、較細(xì)和纖維更整齊的棉纖維作為紡織原料。因此，棉花品質(zhì)育種從以前側(cè)重外在品質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)重內(nèi)在品質(zhì)，即在一定絨長的基礎(chǔ)上主要強(qiáng)調(diào)纖維強(qiáng)度和麥克隆值等。與此相適應(yīng)，世界棉花市場將棉花定價(jià)依據(jù)由原來的絨長改成纖維強(qiáng)度等綜合品質(zhì)。隨著棉花纖維發(fā)育和品質(zhì)性狀研究的深入，越來越多的政府機(jī)構(gòu)和企業(yè)對這一領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣，并投入大量資金，力圖揭示棉花纖維發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制，發(fā)掘棉花纖維品質(zhì)相關(guān)的關(guān)鍵基因，進(jìn)而創(chuàng)造棉花優(yōu)質(zhì)品種，占領(lǐng)世界棉花市場。中國將棉花纖維品質(zhì)改良列為重大研究目標(biāo)，開展了棉花基因組研究、棉纖維發(fā)育和優(yōu)質(zhì)纖維形成相關(guān)基因克隆和功能研究?！睹藁ɡw維品質(zhì)改良相關(guān)基因研究進(jìn)展》一文闡述了中國科學(xué)家在此領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展和原創(chuàng)性成果。中國科學(xué)家在世界上率先完成了棉花A、D兩個二倍體棉花、四倍體陸地棉和海島棉的基因組測序[6]，克隆了一大批調(diào)控棉花纖維起始、發(fā)育、成熟的重要基因，為棉花品質(zhì)育種奠定了基因資源的重要基礎(chǔ)。

應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，作物品種類型豐富，品質(zhì)變異極為復(fù)雜。參與作物品質(zhì)形成的基因眾多，多數(shù)基因特別是幾個關(guān)鍵基因又都存在多個等位變異。然而，目前對于這些基因的功能及其變異的效應(yīng)研究大多數(shù)僅集中于個別基因、多數(shù)研究也都只是在少數(shù)作物品種中開展，對于這些基因及復(fù)等位基因之間的相互關(guān)系和互作效應(yīng)等，都還了解很少。對這些問題的深入研究，將為作物品質(zhì)的設(shè)計(jì)改良提供非常重要的線索。另外，需要將健康品質(zhì)和生物品質(zhì)的研究提上議事日程。國際上提倡谷物消費(fèi)，重視健康品質(zhì)，包括微量元素（如鐵，硒等）在種子中的含量，次生代謝產(chǎn)物含量（如葉酸，維生素，類黃酮等含量），注重降低和減少作物中的過敏源，如大豆中的過敏蛋白，小麥中的多種過敏蛋白等。這些方面的研究在國際上已經(jīng)起步，中國應(yīng)給予重視和開展部署，特別是在基因克隆方面的部署有利于國際競爭，取得優(yōu)勢。

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（責(zé)任編輯 李莉）

Quality - the future of crop production

Zhang Ai-min, Li Xin, Liu Dong-cheng, Sun Jia-zhu, Yang Wen-long

(Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS/The state Key laboratory of Plant Cell and Chromosome engineering, Beijing 100101)