周新橋 陳達剛 郭 潔 劉傳光 陳友訂

(廣東省農業(yè)科學院水稻研究所/廣東省水稻育種新技術重點實驗室,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。依據國際糖尿病聯(lián)盟(International Diabetes Federation,IDF)的調查,2000年,全世界糖尿病患者為1.51億人,而2017年已達到近4.51億人(18～99 歲),預測至2045年,18～99 歲的糖尿病患病人群將達到6.93億人[1]。全球范圍內,中國糖尿病患者人數(shù)最多,高達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2.9億,患心血管病死亡人數(shù)占居民疾病死亡總人數(shù)的40%以上,居首位[3];高血壓是最常見的慢性心血管病,是全球疾病負擔的主要原因,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)目前也達到了2.7億。當下,通過調節(jié)飲食(醫(yī)食同源),從源頭預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物的統(tǒng)稱[5]。RS是人們在測定不溶性膳食纖維時發(fā)現(xiàn)的,故認為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,但兩者在化學本質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間,且對人體正常的能量代謝影響甚小,有益于預防與控制人體代謝綜合癥的發(fā)生,并在維持腸道健康,如預防和控制結腸癌、大腸息肉及腸炎等的發(fā)生,具有潛在應用價值[4,9-13]。因此,RS 迅速成為了功能性食品研究的熱點,同時被認為是研究碳水化合物與健康關系的最重要發(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]利用浙江大學開發(fā)的高RS 稻米產品“宜糖米”開展食療評價,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含量的相關因素、水稻RS 產生的分子機制、國內外高RS 水稻開發(fā)應用現(xiàn)狀的研究進展進行綜述,以期為高RS 水稻育種及高RS 稻米產品開發(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入大腸[20]。根據RS的來源和抗消化機理,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)、化學改性淀粉(RS4)和直鏈淀粉-脂質復合物(RS5)。其中,RS1 指因植物細胞壁屏蔽或蛋白質成分隔離導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,具有特殊晶體結構;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晶體而抗消化,是用于生產加工最具前景的一類淀粉;RS4 指通過物理或基團化學修飾后,淀粉分子結構發(fā)生變化而產生抗酶解性的一類淀粉[21];RS5 指直鏈淀粉的螺旋結構內部非極性區(qū)域與脂質的碳氫鏈之間的疏水性交互作用形成單螺旋包接結構,這類復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、淀粉結構、鏈長、淀粉顆粒形狀、淀粉結晶度、熱力學特性和支鏈淀粉結構、回生等因素均會對RS的形成產生影響[26-30]。此外,稻米中其他成分,如蛋白質、脂肪、纖維素、低聚糖、非淀粉多糖、自由糖、乳酸、植酸、酚和礦物質等也會影響RS的形成[7,22-25,31-32]。脂類與直鏈淀粉形成復合物、蛋白質于外部包被淀粉顆粒或填充于淀粉顆粒結構中,可明顯提高稻米RS含量。除了以上內部因素,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、時間、壓力、烹調方式、貯藏時間和條件等[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,國內外有關RS 遺傳規(guī)律與數(shù)量性狀座位(quantitative trait locus,QTLs)定位研究的報道非常少。羅曦等[30]研究表明,水稻RS含量受母性效應的影響,是由少數(shù)主效基因和多個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起作用,同時也受非加性效應以及細胞質效應的影響,從雜種低世代開始對高RS含量稻米株系進行跟蹤、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基因位點較遠。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。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個水稻品種進行全基因組關聯(lián)分析,鑒定出與精米中RS含量相關的4個QTL,其中2個位于第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 染色體的標記InDel2～InDel6之間的573.3 kb 區(qū)域,其中該區(qū)間內的SBE3基因(編碼淀粉分支酶)可能為候選基因。序列分析結果表明,與SBE3基因相比,sbe3-rs基因存在單堿基差異,從而導致了Leu-599 到Pro-599的改變,最終導致SBE3的限制性內切酶位點的缺失,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,鑒定了一個負責調控RS 生物合成的新基因——可溶性淀粉合成酶突變基因(ssIIIa),認為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)在內的蛋白復合體的形成,從而減少了對PPDK和AGPase活性的影響,通過丙酮酸激酶的活動促進了脂類的合成,而SSIIIa的功能缺失降低了支鏈淀粉的合成,促進了直鏈淀粉的合成,最終通過形成直鏈淀粉-脂質復合物(RS5),提高了胚乳中RS含量。ssIIIa和顆粒結合淀粉合酶(granule-bound starch synthase,GBSS)共同參與了RS的合成,ssIIIa對RS的調控依賴于Wxa基因的高表達,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 國內外高RS 水稻開發(fā)應用現(xiàn)狀

最初,RS的產品開發(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 淀粉食品價格高昂,普通消費者難以承受。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對稻米中部分營養(yǎng)成分破壞,導致營養(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含量進行了測定,除了極個別品種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,直接從目前生產上的主栽水稻品種中進行高RS 品種篩選,難度較大,有待從遺傳改良的角度進行深入發(fā)掘。

Butardo 等[46]應用RNA 干擾技術,使得淀粉分支酶SBE Ⅱb表達水平下調,獲得了AM含量高達41.2%、RS含量高達4.8%的轉化植株,較其原始親本Nipponbare 高10倍。浙江大學在建立高RS 稻米的高效間接篩選技術的基礎上,培育了首個高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系R7954為起始材料,經航天搭載誘變,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10%[48]。長期臨床試驗表明,RS111 稻米對穩(wěn)定患者餐后血糖濃度的效果良好[49]。應用雜交育種技術,浙江大學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26.2%,煮制米飯中RS含量高達10.17%[49],并被加工成產品“宜糖米”進行銷售。

國際水稻研究所對水稻品種Kinmaze 進行化學誘變處理,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含量高達到8.25%[48]。上海市農業(yè)科學院利用花藥培養(yǎng)技術和常規(guī)育種技術,選育得到國內第一個高RS含量的粳稻新品系——降糖稻1號,其RS含量達14.86%[50](市場銷售產品“優(yōu)糖米”),之后應用CRISPR/Cas9系統(tǒng)編輯水稻淀粉分支酶基因SBE3,獲得了RS含量達10%以上的高RS 水稻新品系[51]。云南省農業(yè)科學院從云南稻種及其初級核心種質資源“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10%以上[30]。

4 結論與展望

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,國內外有關高RS水稻種質的創(chuàng)制和遺傳改良主要通過化學誘變、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)應用,但僅宜糖1號、功米3號等個別品種在生產上得到較大面積的推廣。加強種質創(chuàng)制及品種改良是當前高RS 水稻開發(fā)與應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 水稻遺傳控制基因將不斷被發(fā)掘,在此基礎上開發(fā)控制RS含量基因或主效QTL的功能標記或緊密連鎖分子標記用于高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,可將水稻中負責調控RS 生物合成的基因ssIIIa、控制高直鏈淀粉含量基因Wxa應用于高RS 分子標記輔助選擇育種[42,52]。隨著基因編輯技術的發(fā)展,對已知功能的RS含量相關基因進行編輯,發(fā)掘新的高RS 水稻種質將是一條重要的高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)應用的高RS 水稻品種較少,市場供應明顯不足,使得高RS 稻米價格過高,嚴重阻礙了高RS 稻米開發(fā)與應用。因此,加快高RS 稻米種質資源篩選、創(chuàng)制與品種選育研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。