综述：水稻粒径和品质的分子基础与遗传改良，以提高产量并促进人类健康

《Science Bulletin》：Molecular bases and genetic improvement of rice grain size and quality for optimized yield and human health

　　

曹清丁|郑际绍|刘颖|钱倩|任德勇

中国国家水稻研究所水稻生物学与育种国家重点实验室，杭州310006，中国

摘要

随着消费者对更健康食品需求的增加，现代育种越来越注重在不降低产量的前提下对作物进行生物强化。水稻作为一种广泛消费的主食，通过同时改善粒度和整体质量来优化产量，或通过多种生物强化策略来提升营养价值，在改善人类健康方面具有巨大潜力。这些关键谷物特性共同支撑着水稻作为功能性主食的发展。目前，在解析潜在的遗传网络和生物合成途径方面的进展为调控粒度与营养质量提供了实际途径。本文综述了水稻粒度和营养质量调控的最新进展以及遗传改良方法，旨在为协同提升产量和质量提供了合理的分子设计策略。此外，还讨论了改良谷物的多功能应用，以展示在同步改善粒度和营养质量方面的潜力，从而将可持续水稻生产的进步与人类健康成果联系起来。

章节片段

水稻：从传统主食向功能性食品的转变

应对营养安全与可持续生产的双重挑战是当代农业研究的核心重点。然而，尽管某些地区的粮食短缺问题已得到缓解，但微量营养素缺乏（即所谓的“隐性饥饿”）已成为日益紧迫的挑战[1]。这种情况在以谷物为主食的人群中更为普遍[2]。现代作物育种越来越注重提升作物的加工和食用价值

对控制粒度和质量的基因的了解使得水稻的应用范围超越了传统的粮食角色，包括种子生产、种质保存、育种、天然产物加工，以及作为生物反应器合成生理活性物质（图1）。

操纵粒度调控基因不仅能够改善谷物外观和产量，还是杂交种子生产中的关键工具，有助于降低成本

小穗生长和胚乳发育受多重信号途径调控（图3），并通过转录调控和翻译后修饰进行精细调控，并通过核心细胞过程实现（图4）。本节重点介绍关键的粒度调控因子和机制，为提高产量和外观质量提供了合理的目标，其中许多内容在表S1（在线）中进行了总结。

作为主食，水稻的营养质量由淀粉、蛋白质、脂肪、维生素和微量营养素决定[4]。本节回顾了影响这些营养特性的功能决定因素、富集途径和遗传调控方法（图5）。这些营养质量调控因子的详细列表见表S2（在线）。

传统育种和分子育种、优良资源挖掘、精准基因组编辑以及等位基因堆积技术提高了作物的产量、抗性及品质[8]、[9]、[10]、[280]。针对性调控、功能重构以及对内源水稻基因的顺式元件优化，使得能够设计出协同改善粒度和营养特性的策略（图6）。一些代表性的自然或工程改造的优良等位基因在表S3（在线）中列出。

测序、基因组编辑、大数据分析和智能算法的快速发展使得在现代作物育种中实现全球粮食安全目标变得更加现实[277]、[285]、[297]、[298]。分子育种策略结合全面的机械化手段，克服了传统育种的高成本、不可预测性和缓慢的进程，从而简化了育种过程并提高了效率（图6）。这些进步得益于对相关基因组的深入挖掘

作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（32188102和32372118）、国家重点研发计划（华东地区水稻种质精准评估项目2021YFD1200503）、浙江省自然科学基金（LZ25C130010和LD24C130001）、中央公益性科研机构基本科研业务费（Y2026YC43）、海南省创新平台专项研究基金（YSPTZX202303）以及中国农业科学院的支持