李逸翔 周新橋 陳達剛 郭潔 陳可 張容郡 饒剛順 劉傳光* 陳友訂

（1 廣東海洋大學濱海農業(yè)學院，廣東湛江524088；2 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/廣東省水稻工程實驗室，廣州510640；第一作者：1143678526@qq.com；*通訊作者：guyliu@tom.com）

γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid, GABA）是一種動植物中普遍存在的四碳非蛋白質氨基酸。在哺乳動物中樞神經系統(tǒng)中，GABA 是一種重要的抑制性神經遞質，介導40%以上的抑制性神經傳導[1]。在高等植物中，GABA 主要參與逆境脅迫響應，調節(jié)碳氧平衡和植物生長發(fā)育等一系列重要生命活動[2]。研究表明，當植物應對逆境時，體內會產生應急機制積累更多的GABA，而通過外源噴施GABA 也能顯著提高植物的抗脅迫能力，如抗高溫脅迫、鹽脅迫、銨脅迫和干旱脅迫等[3-5]。由于GABA 具有調節(jié)人體血壓、提高肝腎功能、輔助治療糖尿病，以及改善睡眠質量等作用，近年來對其生理作用的研究越來越受關注[6-8]。

水稻是我國主要的糧食作物之一，在其各器官中GABA 普遍存在[9]。而富含GABA 的稻米能調節(jié)人體血壓，對治療高血壓有著顯著效果，因此，如何提高稻米或米制品的GABA 含量近年來得到水稻育種和食品加工界的高度重視。本文綜述了近年來水稻GABA 相關研究進展，圍繞水稻GABA 含量及品種間差異、GABA代謝通路、GABA 保健功能、提高稻米GABA 含量的方法以及國內外高GABA 含量水稻選育和應用現(xiàn)狀進行系統(tǒng)述評，以期為高GABA 水稻育種及產品開發(fā)提供理論參考。

1 水稻GABA 含量及品種間差異

GABA 作為植物體內的一種非蛋白質類氨基酸，在水稻中的含量較低，不同部位及不同品種之間的差異明顯。在大多數水稻品種中，葉片的GABA 含量要比籽粒高2～3 倍。由于我們食用的是稻米，因此目前關于水稻GABA 的研究主要還是集中在稻米上。楊樹明等[10]研究發(fā)現(xiàn)，水稻不同部位GABA 含量差異顯著，其中皮胚為100.9～448.1 mg/kg，穎殼為36.4～88.7 mg/kg，糙米為25.0～88.3 mg/kg，精米為10.0～59.8 mg/kg，GABA 主要分布在胚及種皮等部位。柏鶴等[11]發(fā)現(xiàn)，大部分特種水稻品種稻米GABA 含量與普通白米相近，只有巨胚糯米、香糯米以及白甜米GABA 含量較高，為210.8～219.2 mg/kg，比一般白米高6.57%～10.82%。KARLADEE 和SURIYONG[12]對21 個水稻品種（11 個地方紫米品種和10 個現(xiàn)代白米品種）進行發(fā)芽試驗，發(fā)現(xiàn)在發(fā)芽48 h 內白米品種KDML 和紫米品種Kum Doi Saket 的平均GABA 含量分別達到了234.8 mg/kg 和236.3 mg/kg，為其中最高。吾建祥等[13]對浙江稻區(qū)適栽的28 個水稻品種進行GABA 含量測定，結果表明各品種間存在顯著差異，其中以金早47 最高為330.4 mg/kg，是含量最低的錢優(yōu)1 號（55.2 mg/kg）近6.0 倍。

2 GABA 在水稻中的代謝通路

研究表明，GABA 在水稻中的合成與代謝主要是GABA 支路和多胺降解途徑（圖1）[14-15]。在水稻各器官中，谷氨酸（Glutamic acid，GA）在谷氨酸脫羧酶的催化作用下發(fā)生不可逆的脫羧反應產生GABA；之后GABA在GABA 轉氨酶的作用下發(fā)生轉氨反應，進而轉化為琥珀酸半醛；琥珀酸半醛最后通過琥珀酸半醛脫氫酶發(fā)生氧化反應，轉化生成琥珀酸，從而進入到三羧酸循環(huán)[16]。

圖1 GABA 代謝通路

高等植物GABA 也可以在多胺降解途徑中產生，由多胺在聚胺生物合成酶的基因調控及非生物壓力下通過一系列酶促反應生成并累積。主要是腐胺在亞精胺合成酶的催化作用下合成亞精胺，而亞精胺又經過精胺合成酶轉化為精胺，之后精胺氧化降解形成4-氨基丁醛，在甜菜堿醛脫氫酶催化下合成GABA[13]。其中GABA 的前體物質4-氨基丁醛同時也是水稻香味特征物質2-乙酰-1-吡咯啉的共同前體物質[17-19]。

研究表明，稻米GABA 代謝過程主要集中在稻米的糊粉層和胚等組織，并且在籽粒發(fā)育過程中GABA代謝以降解為主。其原因在于負責調控GABA 降解的GABA-T1 和GABA-T2 表達水平相對較高，致使籽粒發(fā)育過程中GABA 含量總體呈降低的趨勢[14]。

3 GABA 對人體的保健功能

GABA 對人體具有良好的保健功能，如降低血壓、控制血糖、促進睡眠、增強記憶力、預防及治療癲癇等[20]。哺乳動物的腦血管中存在GABA-能神經系統(tǒng)，當GABA 和具有擴張血管作用的GABAA 受體以及對交感神經有抑制作用的GABAB 受體結合時，能有效促進血管擴張從而起到降低血壓的效果[21]。臨床試驗中，對食用高GABA 大米的成年高血壓患者進行早晚2 次血壓檢測，發(fā)現(xiàn)食用GABA 大米后患者早晨的血壓有明顯改善，而夜間血壓測量值無明顯變化[22]。在對自發(fā)性高血壓大鼠大腦注射15 μmol GABA 后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，注射組大鼠的動脈壓力感受器反射功能明顯增強，證明GABA 能有效調節(jié)心率并降低血壓波動[23]。此外，GABA 對于糖尿病的治療也有著突出的效果。在哺乳動物中，胰島內的GABA 含量僅次于中樞神經系統(tǒng)，可由胰島β 細胞合成[24]。研究表明，2 型糖尿病患者體內GABA 含量較低，通過口服GABA 能緩解其病情[25]。劉宇凡等[26]通過對2 型糖尿病小鼠持續(xù)飼喂2 g/L 的GABA 水溶液，檢測血糖相關指標，結果表明患2 型糖尿病小鼠的空腹血糖和胰島素抵抗指數明顯高于正常小鼠，其胰腺組織胰島素表達量、胰島β 細胞數目以及負責維持胰島β 細胞表型和胰島素合成的胰腺十二指腸同源框等均降低，而GABA 的干預能明顯改善上述情況。在先前的研究中，GABA 具有抑制神經細胞的作用，由此可以推斷GABA 可能存在類似的情況，可以提高胰島素抵抗水平，上調胰腺十二指腸同源框表達水平，拮抗2 型糖尿病小鼠胰島β 細胞數目減少及胰島素分泌下降等。除此之外，GABA 作為一種抑制性神經遞質，與癲癇、阿爾茨海默癥、帕金森病等精神類病理密切相關，對其進行更深層次的研究是解決此類疾病的重要途徑[27]。

4 提高稻米GABA 含量的方法

4.1 種子萌發(fā)階段通過理化處理提高稻米GABA 含量

發(fā)芽糙米是糙米經發(fā)芽、干燥等過程之后得到的帶胚芽的米制品。由于糙米極大程度保留了糊粉層和胚乳以外的部分，其所含有營養(yǎng)成分遠高于普通精米，具有較高的GABA。普通稻米中GABA 含量非常少，在適當溫度和濕度條件下，種子萌發(fā)能促使稻米中GABA 的合成和積累[28]。其原因是發(fā)芽過程中稻米內部發(fā)生大量酶解反應使其底物谷氨酸含量增加，并使谷氨酸脫羧酶活性增強，促進GABA 的生成積累[29-30]。

通過控制發(fā)芽的環(huán)境條件能促進GABA 的合成與累積。綜合目前已有的研究結果，發(fā)現(xiàn)添加適當底物的條件下，當發(fā)芽溫度為30 ℃～40 ℃、發(fā)芽時間為24～32 h、浸泡環(huán)境pH 值為5.4～5.9 時，GABA 合成和累積量最高[31-38]。

除此之外，通過對種子發(fā)芽期間進行一定程度的脅迫處理，也是稻米富集GABA 含量一條重要的思路。研究表明，在水稻種子萌發(fā)階段利用CO2和N2進行低氧脅迫處理可顯著提高GABA 積累量，尤其是在發(fā)芽36 h 之后GABA 積累效果顯著，且CO2對于發(fā)芽糙米GABA 積累的促進效果優(yōu)于N2[39-40]。種子在低氧環(huán)境下之所以能產生大量GABA，原因在于低氧脅迫下細胞組織酸化，體內H+含量增加，刺激增強谷氨酸脫羧酶的活性并抑制谷氨酸轉氨酶的活性，進而促進GABA積累。SHIGEMATSU 和MURAKAMI[41]研究指出，高壓脅迫處理可誘導去殼種子發(fā)芽過程中的谷氨酸轉化為GABA，從而提高稻米的GABA 含量。在200 MPa 高壓下處理10 min 后，稻米中的游離氨基酸與未處理樣品無明顯差異，但兩樣品置于25 ℃下保存4 d，期間經過高壓處理樣品的GABA 含量隨著保存時間的增加而不斷增加，且高于未處理樣品，其GABA 濃度也隨著培養(yǎng)液中谷氨酸濃度的增加而增加。在發(fā)芽過程中，進行一定程度的鹽脅迫能夠增強細胞間滲透壓，使細胞膜流動性發(fā)生改變，從而引起一系列磷酸化反應并激活鈣離子通道，使得細胞質中鈣離子含量大量增加，活化谷氨酸脫羧酶進行脫羧反應積累GABA。陳春旭等[42]用133.5 mmol/L 的NaCl 溶液對去殼種子進行鹽脅迫后發(fā)現(xiàn)，種子的谷氨酸脫羧酶活力和GABA 含量都呈現(xiàn)先增加再下降的趨勢，當發(fā)芽至3 d 時達到最大值，其中谷氨酸脫羧酶活性為非脅迫下發(fā)芽糙米的1.24 倍，而GABA 含量為1 217.1 mg/kg ，是非脅迫下發(fā)芽糙米同期的1.12 倍。馬麗等[43]將去殼種子分別置于-70 ℃、-20 ℃、-5 ℃、0 ℃和10 ℃下進行低溫脅迫發(fā)芽，發(fā)現(xiàn)在0 ℃下其GABA 含量富集程度最高，為非低溫處理的1.19 倍，積累效果明顯。綜上所述，對發(fā)芽期間的種子進行脅迫處理，可以進一步提高其GABA 合成量。目前對于種子的脅迫研究大多是圍繞一種方式，未來可以通過分析多種脅迫方式共同處理下的聯(lián)合效應，以達到更高的GABA 含量。其次，對種子進行脅迫處理，與植株整體受脅迫所引起的GABA 積累及抗逆性變化有何關聯(lián)，其內部調控網絡及信號傳遞鮮有報道，仍需進一步探索與證實。

4.2 通過遺傳育種技術提高稻米GABA 含量

在高GABA 含量水稻遺傳育種方面，目前最具成效的當屬巨胚水稻的成功培育。巨胚稻是通過人工誘變的手段獲得的一種特殊水稻種質資源，其最顯著的特點是胚的大小是普通水稻品種的3～5 倍[44]。水稻GABA 主要集中在胚中，因此巨胚米所含有的GABA含量明顯高于其他水稻品種。楊艷荔[45]分析了5 個水稻品種與其相應的巨胚突變體糙米中GABA 含量。結果表明，M86、98-14B、1813B 和TB 每100 g 糙米粉中分別含有1.7、3.4、3.3 和5.5 mg 的GABA，而各品種對應的巨胚突變體Mge86、98-14geB、1813geB 和TgeB 每100 g 糙米粉中含有4.0、15、5.1 和27.0 mg GABA，GABA 含量顯著增高。

巨胚水稻作為一種高營養(yǎng)價值的功能性水稻，其選育工作一直備受國內外育種家的關注。日本學者SATOH 和OMUAR[46]通過誘變技術首次成功獲得金南風（Kinmaze）的巨胚突變體，以其為親本，MAEDA 等[47]在2001年通過雜交和系統(tǒng)選育培育出新的巨胚水稻品種Haiminori，其GABA 含量明顯高于其他水稻品種。

目前國內對于巨胚水稻的選育也取得了許多成果。1997年，中國水稻研究所通過雜交育種育成巨胚品系巨胚1 號[48]。福建農林大學在2003年通過誘變獲得秈稻龍?zhí)仄諦 巨胚突變體，其絕大多數農藝性狀與龍?zhí)仄諦 無明顯差異，但絕對胚質量和相對胚質量從0.63 mg 和2.78%增加至1.15 mg 和6.07%，包括GABA在內的各種氨基酸含量平均提高5.45%～30.36%[49]。上海市農業(yè)科學院在2009年從韓國引進巨胚稻花晴M-2-565-11-3-B，以其為母本進行雜交并育成巨胚粳1號，其胚的大小比對照組高197.6%，胚質量占比可達7.11%，其中GABA 含量高達78.0 mg/kg，各類蛋白質、維生素、膳食纖維含量均較高，營養(yǎng)價值豐富[50]。上海師范大學在2011年通過對水稻品種超2-10 成熟胚離體培養(yǎng)獲得巨胚突變體上師大5 號，除千粒重差異較大外，其余農藝性狀無明顯差異[51]。除此以外，上海師范大學在2014年通過分子標記輔助常規(guī)育種獲得黑色香型巨胚水稻新品系2013-2207 和2013-2305，并在2017成功選育出紅米巨胚水稻新品系上師大10 號[52-53]。福建農林大學在2020年成功培育出巨胚糯稻恢復系福巨糯2 號等[54]。上述研究成果為高GABA 水稻開發(fā)與應用打下了重要基礎。

4.3 通過基因工程技術提高稻米GABA 含量

利用基因工程的方法富集GABA 是培育高GABA水稻的重要途徑之一。植物中的GABA 由GAD 催化谷氨酸生成。植物的GAD 攜帶的一個C-末端延伸，可以通過結合Ca2+和CaM（鈣調素）來調節(jié)自身的酶活性。AKAMA 和TAKAIWA[55]發(fā)現(xiàn)，C 端截短的水稻GAD2（OsGAD2ΔC）蛋白活性比野生型GAD 高出40倍以上，利用過表達C 端截短的水稻OsGAD2 蛋白和過表達OsGAD2ΔC 構建載體同時通過農桿菌導入水稻愈傷組織中，構建轉基因細胞系，發(fā)現(xiàn)其愈傷組織的GABA 含量分別是野生型的6 倍和100 倍，但是其轉基因水稻具有矮化和不育等不良表型。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，如果僅在水稻種子中特異性表達OsGAD2ΔC，則其再生的轉基因水稻并未出現(xiàn)其他不良表型，而轉基因水稻稻米中GABA 的含量增加了30 倍左右。而在進一步對GAD3 的研究中，通過CRISPR/Cas9 基因編輯技術，重新構建了GAD 蛋白，也得到了類似的結果，除了籽粒GABA 含量較高之外，平均粒質量和蛋白質含量均優(yōu)于野生型[56-57]。此外，周露等[58]利用RNAi 策略抑制水稻中OsGABA-T1 的表達，干擾株系葉片和種子中OsGABA-T1 和OsGABA-T2 基因的表達量，最終促使轉基因水稻GABA 含量顯著增加，而其他氨基酸含量沒有明顯變化。

5 高GABA 米制食品的開發(fā)應用及前景展望

5.1 高GABA 米制食品的開發(fā)應用

水稻是世界上最主要的糧食作物之一，我國超過65%以上人口以水稻為主糧[59]。隨著我國居民的生活水平的改善，對飲食的要求也逐步從“吃飽”轉向“吃好”，中醫(yī)醫(yī)典基于“藥食同源”提倡的食療、養(yǎng)生等也日益受到人們的重視。研究表明，高GABA 發(fā)芽糙米及米制品對提高人體免疫力，改善身體健康水平具有重要意義，對其相關產品的加工生產已成為國內外食品研究的熱點之一[60]。

隨著我國人口老齡化的不斷加劇，因心血管疾病死亡的人數高居城鄉(xiāng)居民總死亡人數的首位，在農村及城市的占比分別為45.50%和43.16%[61]。而高血壓是最常見的一種心血管疾病，中國高血壓調查（China Hypertension Survey，CHS）在2012—2015年間的調查結果表明，我國成年居民高血壓患病率高達27.9%，未來我國高血壓總患病人數將達到2 億人以上，形勢嚴峻[62]。如何有效控制高血壓對心血管疾病防治十分重要。研究表明，富含GABA 食物對調節(jié)人體血壓有著突出療效，中國古時民間用于降血壓的紅曲霉中主要的降壓成分就是GABA[63-64]。而動物實驗證實，富含GABA大米可以有效降低高血壓大鼠的血壓，并減少心血管疾病并發(fā)癥的可能[65]。

長期以來，日本對高GABA 發(fā)芽糙米及相關產品的研究一直居于世界前列，早在1996年就成功開發(fā)了多種高GABA 發(fā)芽糙米食品，目前已經進入產業(yè)化和商品化的階段，市場認可度較高[66-67]。相較而言，我國對發(fā)芽糙米的研究時間較短，深加工產品少，規(guī)模也不大，目前主要還是集中在試驗摸索階段。隨著2003年我國啟動“發(fā)芽糙米產業(yè)化項目”，對高GABA 發(fā)芽糙米食品的開發(fā)應用也取得了顯著進展[68]。目前常見的發(fā)芽糙米產品大致可分為三大類：發(fā)芽糙米主食類食品、發(fā)芽糙米酒類以及發(fā)芽糙米飲料等。

5.1.1 高GABA 發(fā)芽糙米主食類食品

發(fā)芽糙米主食類食品主要是應對現(xiàn)代社會節(jié)奏加快而研制的速食食品，是以發(fā)芽糙米粉為原料制成的速食粥、面包、饅頭以及餅干等，既能滿足快節(jié)奏的生活方式，又能提供高品質的營養(yǎng)補充。蘇登[69]圍繞速食粥的復水率、外觀、氣味、黏著性以及口感等5 個指標，對69 個水稻品種發(fā)芽糙米加工成的速食粥進行理化性質分析和感官評價，篩選出3 個最適合加工成發(fā)芽糙米速食粥的品種3D987、3D957 和3D955，其GABA含量最高可達204.0 mg/kg，并利用熱分循環(huán)干燥的方法完善了發(fā)芽糙米速食粥加工工藝，使其口感相較于市面上普通速食粥有很大改觀。尹永祺等[70]利用經鹽脅迫及氯化鈣處理的富含GABA 發(fā)芽糙米及大豆為原料研制新型高GABA 營養(yǎng)干面條。通過對面條的加工工藝和面條配方分別進行正交及單因素試驗，圍繞GABA 含量、水分含量、熟斷條率、感官評價以及綜合評價，開發(fā)出富含GABA，并且外觀色澤口感營養(yǎng)俱佳的功能性營養(yǎng)面條，面條最終GABA 含量達到（69.6±1.3）mg/kg，感官評價得分為（86.7±1.6）分。CORNEJO等[71]研究了不同萌發(fā)時間（0 h、12 h、24 h 和48 h）的發(fā)芽糙米對其制得的發(fā)芽糙米粉面包營養(yǎng)效益的影響。通過測定其GABA 含量和淀粉、葡萄糖等體外蛋白質消化率和體外酶解率得出，糙米萌發(fā)48 h 后的面包具有較高含量的GABA 和豐富的營養(yǎng)價值。總體來說，高GABA 發(fā)芽糙米主食類食品種類較多，形式多樣，符合目前大眾的飲食多樣性需求。隨著未來食品加工技術的不斷發(fā)展，高GABA 主食類食品也將更多的應用在實際市場上，滿足越來越多人們的日常需求。

5.1.2 高GABA 發(fā)芽糙米酒類

目前我國市面上酒類同質化嚴重，開發(fā)富含GABA 的特色酒類，可以豐富我國酒類產品，推動酒類產業(yè)的發(fā)展，提高國際競爭力。周艷華等[72]以高GABA 發(fā)芽糙米粉作為主要原料之一釀制富含GABA 保健啤酒，通過研究發(fā)芽糙米使用量、酒花添加量、酵母接種量以及發(fā)酵溫度等對GABA 保健啤酒品質的影響，最終確定最佳的加工工藝，成功研制出GABA 含量高達68.8 mg/L 的保健啤酒。范明成等[73]對釀造米酒的發(fā)芽糙米進行處理，確定最適的發(fā)芽糙米發(fā)芽條件，并通過200 MPa 的超高壓處理獲得GABA 含量高達27.4 mg/L的優(yōu)質米酒，極大提高了米酒的風味品質。蓋倫等[74]在研究白酒的生產加工時通過糙米發(fā)芽來提升其GABA含量，探究最佳工藝參數，結果表明，當浸泡溫度為30 ℃、浸泡時間為18 h、發(fā)芽時間為20 h、發(fā)芽溫度為28 ℃時效果最好，通過一系列加工步驟成功制得高品質GABA 白酒。

5.1.3 高GABA 發(fā)芽糙米飲料

以發(fā)芽糙米為原料制得的飲品，色澤均勻呈淡米黃色，口感柔和，具有濃厚米香，緩解了發(fā)芽糙米較差口感，適口性改善，大米營養(yǎng)價值提高。CCERES 等[75]利用發(fā)芽糙米、糙米以及浸泡過的糙米分別發(fā)酵，通過測定其活性成分含量如GABA、酚類化合物、γ-谷維素，并且評估了發(fā)酵劑培養(yǎng)的可行性、酸化模式、技術功能特性和感官評價等，結果顯示，利用發(fā)芽糙米進行發(fā)酵的酸奶GABA 含量可達7.4 mg/kg，顯著高于對照組的0.5 mg/kg。傅金鳳等[76]分別利用富含GABA 的發(fā)芽糙米發(fā)酵和金白龍茶葉浸提獲得發(fā)芽糙米酒和茶浸提液，進行復配得到發(fā)芽糙米酒茶復合飲料，其口味更加豐富，GABA 含量高達358.7 mg/kg，茶多酚含量為805.7 mg/kg，具有良好的保健效果。李飛等[77]利用發(fā)芽糙米和乳酸菌混合發(fā)酵，通過對料液比、接種量、發(fā)酵時間和溫度進行單因素試驗并進行響應面分析優(yōu)化工藝，成功研發(fā)出一款口感優(yōu)良、營養(yǎng)豐富的發(fā)芽糙米活性乳酸菌飲料。

5.2 前景展望

高GABA 水稻的培育與應用還處于起步階段。目前國內外高GABA 水稻品種的選育成果主要集中在巨胚稻上，但對巨胚基因（ge）影響GABA 合成與代謝的分子機理尚不明確。隨著對水稻GABA 合成與代謝遺傳機理研究的不斷深入，可以結合多組學研究方法，探明GABA 合成代謝途徑中關鍵酶基因，挖掘控制GABA 合成基因，開發(fā)可用于分子輔助選擇育種的分子標記，進一步提高水稻GABA 含量，培育高GABA 水稻品種并用于高GABA 大米及米制品開發(fā)，是高GABA 水稻研究和應用的重要途徑。

研究表明，每日攝入30～100 mg 的GABA 對人體能起到一定的保健作用。GABA 在動植物中廣泛存在，但一般情況下個體含量較少，人體從食物中攝取的GABA 無法滿足保健功能的需求。目前國內市場上可見的GABA 食品極少，因此開發(fā)富含GABA 的功能食品具有迫切的市場需求和廣闊的市場前景。由于稻米中GABA 主要集中在胚和種皮上，糙米保留了這些部位而GABA 含量較高，發(fā)芽糙米的GABA 含量比普通糙米又有顯著提高。因此，發(fā)芽糙米目前是高GABA 食品研究重點。但發(fā)芽糙米價格比較高、口感不佳，長期以來未被消費者廣泛接受。未來如果可以通過育種方法提高水稻胚乳的GABA 含量，將促進稻米加工產業(yè)升級及提高水稻生產效益。目前我國對高GABA 稻米及相關產品的生產加工和市場推廣都還在起步階段，各品種發(fā)芽工藝差異較大，相關產品質量參差不齊，需要不斷提高產品質量并制定更加規(guī)范的產業(yè)化標準。