有色稻米及其相关基因研究进展

吴月娥, 段海燕, 姜恭好

中国农学通报. 2025, 41(4): 19-24

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中国农学通报 ›› 2025, Vol. 41 ›› Issue (4) : 19-24. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0158
生物科学

有色稻米及其相关基因研究进展

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Colored Rice and Its Related Genes: A Review

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摘要

为了解有色稻米及其相关基因的研究进展,归纳了有色稻米的功能,分析了RaRcRdOsC1OsB2基因对有色稻米性状的影响。这些基因通过影响花青素和原花青素的积累,决定了米粒的红、黑、紫等颜色。研究指出了相关稻米颜色基因在水稻育种中的局限性,目前的研究还不够系统,导致无法充分利用这些基因的多样性,也不能证明这些基因在水稻其他性状上的作用。笔者认为可以采用全基因组关联分析和群体遗传学方法,系统分析这些基因在不同水稻品种中的变异和表达模式,为水稻遗传改良提供数据支持,也可以利用遗传学方法和现代生物技术手段探索这些基因在水稻其他性状中的功能,为水稻的多性状改良提供理论依据。

Abstract

To understand the research progress of colored rice and its related genes, the functions of colored rice were summarized, and the effects of Ra, Rc, Rd, OsC1 and OsB2 genes on the traits of colored rice were analyzed. These genes determine the red, black, and purple colors of rice grains by influencing the accumulation of anthocyanins and proanthocyanidins. In this paper, we point out the limitations of related rice color genes in rice breeding. And the current research is not systematic enough to make full use of the diversity of these genes and prove the role of these genes in other rice traits. It is believed that genome-wide association analysis and population genetics method can be used to systematically analyze the variation and expression patterns of these genes in different rice varieties, and provide data support for rice genetic improvement. We can also use genetic methods and modern biotechnology methods to explore the functions of these genes in other traits of rice, to provide theoretical basis for the improvement of multiple traits of rice.

关键词

有色稻米 / 基因 / 形成机制 / 调控机制 / 分子标记

Key words

colored rice / gene / formation mechanism / regulation mechanism / molecular marker

引用本文

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吴月娥 , 段海燕 , 姜恭好. 有色稻米及其相关基因研究进展. 中国农学通报. 2025, 41(4): 19-24 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0158
WU Yue’e , DUAN Haiyan , JIANG Gonghao. Colored Rice and Its Related Genes: A Review. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2025, 41(4): 19-24 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2024-0158

0 引言

有色稻米是一种具有特殊颜色的稻米品种,独特的外观和丰富的营养成分使其备受关注[1]。有色稻米对人体健康是有益的,它不仅可以提高人体免疫力,还可以预防心血管等疾病。可以通过食用有色稻米获取人体必需的物质和元素,从而更好地满足身体的营养需求[2]。中国有色米资源丰富,在果皮、种皮内堆积的花青素使有色稻米的种皮颜色分为黑米、红米等[3-4]。原花青素在果皮中的沉积和氧化聚合是形成红米的原因,花青素的沉积是形成黑米的原因[5]
花青素在抗衰老、抑制脂肪堆积、防癌、治癌等方面具有重要作用[6]。Jati等[7]的研究证实黑米和红米可以替代印尼饮食中的白米,以达到更好的营养摄入。此外,红米在亚洲几个国家普遍用作面包、冰淇淋和白酒等食品着色剂[8]。Kitisin等[9]的研究证明了泰国有色米提取物的潜在用途,特别是红米,是作为抗氧化剂和抗炎的重要来源。
目前黑米的品种已有200多种,世界黑米产量的62%来源于中国。科学研究已经证实黑米及其提取物可以帮助人类预防或缓解肥胖、高血糖、非酒精性脂肪肝炎、骨质疏松和癌症等慢性疾病[10-11]。抗氧化和抗炎特性使黑米可以保护肝脏和肾脏免受损伤[12-14]
黑米是一种特别品种的水稻,它被广泛认为是一种有价值的粮食作物。黑米经过糙米的加工后,只去掉了外壳,保留了大部分的膳食纤维和植物化学物质,成为人们获取这些营养物质的良好来源。越来越多的人开始关注黑米的感官特性、高营养价值以及对健康的益处。近年来的研究发现,黑米含有丰富的对人体健康有益的生物活性化合物,包括多酚、类黄酮、维生素B和纤维等。黑米米糠中富含抗氧化化合物,深紫色是其显著特点之一[15]。黑米(Oryza sativa)的名称起源可归因于其富含的天然花青素类化合物,包括但不限于花青素-3-葡萄糖苷(cyanidin-3-glucoside)和芍药苷-3-葡萄糖苷(peonidin-3-glucoside)。这些化合物在普通水稻品种中较为罕见,它们赋予了黑米独特的颜色和营养价值[16]
当前的研究多集中于黑米,有关有色稻米的遗传基础、品种选育、栽培管理和营养评价等领域的研究尚存在诸多空白。为了更好地利用有色稻米资源、促进其产业发展,本研究在遗传学层面上解析有色稻米种皮颜色形成的遗传机制,包括相关基因的定位、克隆和功能分析,在育种学层面上开发新的分子标记,加快有色稻米新品种的选育进程,提高产量和品质,旨在为有色稻米的遗传育种、功能食品开发和产业化提供科学依据和技术支持,以满足消费者对健康食品的需求,推动有色稻米产业的健康发展[17]

1 有色稻米的功能

有色稻米中的主要功能性成分包括花青素、氨基酸、蛋白质、γ-谷维醇、黄烷-3-醇等。与普通白米相比,有色稻米功能性成分以及微量元素的含量较高[18]。花青素是一种广泛存在于植物中的类黄酮物质,具有抑菌、抗炎和抗癌等特性。通常来说,花青素很少以游离形式存在,其主要分布在植物细胞壁中,以糖苷键与植物中的多糖(纤维素、淀粉等)相结合[4,17]。传统的花青素提取方法通常为溶剂萃提法,即通过利用有机溶剂(如乙醇-水、丙酮-水等)浸没破坏细胞壁,释放出其中的花青素[19]
有色稻米是一种与传统白色稻米相比颜色不同的稻米品种,包括黑米、紫米、红米等[20]。以黑米为原料的研究探究了黑米膳食纤维的发酵改性及降胆固醇功效,明确了改性黑米膳食纤维较未改性黑米膳食纤维的持水力、持油力、吸水膨胀力显著增高,对葡萄糖、胆固醇及胆酸钠的吸附性显著提升,确定发酵改性黑米膳食纤维具有降胆固醇的功效[21]
近年来,有色稻米受到越来越多人的关注和喜爱,不仅因为其独特的颜色和口感,更重要的是它们所具备的丰富营养和潜在健康功能。
首先,有色稻米富含多种营养成分。其中,黑米富含蛋白质和维生素E,具有滋阴、润燥、补肝肾、强筋骨等功效。紫米含有大量的花青素和抗氧化物质,可以帮助预防心血管疾病、癌症及阿尔茨海默病等。红米则富含膳食纤维和维生素B群,对缓解便秘、降低胆固醇、增强体力等方面有一定作用。
其次,有色稻米具备抗氧化和抗炎特性。据研究表明,有色稻米中富含花青素及其他抗氧化成分,可消除自由基并减少氧化应激对细胞的损害,有抑制衰老、预防慢性疾病的功效[22]。此外,有色稻米中的多种活性成分还具有抗炎作用,能够减轻炎症反应和相关疾病的发生。
另外,有色稻米对血糖控制和体重管理也有积极影响。研究表明,有色稻米相比白色稻米具有较低的血糖指数,可帮助稳定血糖水平,减少血糖波动和胰岛素的释放[23]。此外,有色稻米中具有膳食纤维,可增加人体的饱腹感,进而进行体重管理和控制。
此外,有色稻米还被发现具有一定的抗菌和抗肿瘤活性。研究发现,有色稻米中的活性成分可以抑制一些病原微生物的生长,对细菌感染具有一定的防治作用。此外,有色稻米中的特定成分还显示出对肿瘤细胞的抑制作用,具备一定的抗肿瘤潜力。
总之,有色稻米作为一种富含营养和具有多种功能的稻米品种,可对人体健康产生积极影响。然而,需要注意的是,虽然有色稻米具有丰富的营养成分和潜在功能,但并不能解决所有健康问题,合理膳食结构和均衡营养摄入依然是重要的保障因素。

2 与有色稻米形成相关的关键基因

2.1 Ra基因

Ra基因是编码MYB转录因子的基因,与稻米颜色调控密切相关。突变的Ra基因会导致稻米外层胚乳层色素沉积发生变化,进而影响稻米的颜色。Ra基因在类胡萝卜素合成途径中的关键基因表达中扮演着重要角色,包括调控类胡萝卜素合成酶等。这些调控作用直接影响了稻米颜色的形成过程。
紫米的特点是花青素在籽粒果皮中沉积丰富。在水稻中,控制紫色果皮性状的Pb基因位于第4染色体上。相较于白色米,紫米因独特的紫色而具有显著的优势。王彩霞等[24-25]的研究结果表明,所有白色果皮的F2植株和所有非紫色水稻品系(63个白色品系和22个红色品系)均不存在GT缺失,但所有20个紫色水稻品系均存在GT缺失。也就是说,Ra基因可能是Pb基因,进一步说明水稻紫色果皮是由于Ra基因第7外显子GT缺失引起的。
在最早的研究中发现Ra基因定位于水稻第4染色体上,由Ra1基因和Ra2基因组成,编码b HLH(基本螺旋-环-螺旋)转录激活因子,从而调控水稻花青素的生物合成途径[26]。基因测序发现虽然黑米稻品种不同,但是各品种的Ra基因序列基本相同,相比于白米品种,均在起始密码子后第7外显子处存在2 bp的GT缺失。
Ra基因由11个外显子和12个内含子构成。邵雅芳等[27]的研究发现,在黑米中,第10外显子存在2 bp缺失;而紫叶白米则在第2外显子处存在8 bp缺失,以及第6内含子处存在30 bp缺失。研究人员将这些缺失应用于黑米和白米的重组自交系进行筛选和验证,结果显示黑米的Ra基因型为Ra/Ra,白米的基因型为ra/ra,而褐米则可能出现Ra/Ra或者ra/ra的基因型。这些分析表明,该基因的2 bp缺失仅存在于黑米和褐米的cDNA中[26]

2.2 Rc基因

Rc基因是一种编码MYB转录因子的基因,在稻米颜色调控中具有重要的功能和作用。Rc基因的突变会导致稻米外层胚乳层的色素沉积减少或丧失,使稻米呈现出透明或浅色的特征。Rc基因通过调控色素合成途径中的关键基因的表达,如苯丙氨酸氨基转移酶等,影响稻米的颜色形成。
在云南地区的水稻遗传资源中,粳稻地方种具有更为丰富的遗传多样性。总的来说,同一地区的不同地方品种之间存在显著的遗传差异。这种显著遗传差异的形成与云南地区独特的气候条件和复杂的地理环境密切相关。在研究的水稻资源中,红米的Rc基因呈现野生型,而白米的rc基因则表现为突变型。这些突变类型表现为第6外显子内的14个碱基缺失[28]
经过引入含有bHLH基序的基因,转基因植物中出现了棕色种子,表明Rc基因编码了bHLH蛋白。研究人员对Rc基因座进行比较研究后发现,仅在该基因座中存在14 bp的缺失现象[29]。Zhu等[30]开发了一种CRISPR/cas9介导方法,将14 bp的框移缺失恢复为框内突变,其中缺失为3个碱基的数倍,从而功能性地恢复了隐性等位基因,并成功地将3个优秀的白果皮水稻品种转化为红果皮水稻品种。大多数白果皮水稻品种都是由14 bp的Rc的缺失产生的,所以将这种方法应用于大多数白果皮水稻品种,这将显著加速红色水稻新品种的选育,这些新品种具有出色的农艺性状。

2.3 Rd基因

Rd基因编码还原酶,在有色稻米的颜色调控中起到关键作用。还原酶能够将颜色素还原为无色化合物,从而调控稻米颜色的深浅。Rd基因突变会导致还原酶活性降低或丧失,进而影响有色稻米颜色的形成。
筛选目标基因的其中一种方法是将分子标记建立在目标基因编码序列中。利用该方法,建立了2个红米性状筛选的分子标记,这些标记直接与2个目标基因的关键位点相关。通过这些分子标记的应用,成功筛选出了具有RdRc基因显性纯合的植株,并结合传统育种方法在田间进行了农艺观察和产量性状筛选。建立与目标基因相关的分子标记,使研究人员能够更精确地筛选出具有特定性状的植株,为有色稻米的育种工作提供了重要的辅助手段。利用这些分子标记,研究人员可以更加高效地选择出性状显著的植株,并在田间观察中进一步评估其农艺性状和产量特性。这种方法的应用有助于加快有色水稻新品种的培育。
研究发现,Rd基因在有色稻米中具有重要的功能和调控机制。研究人员通过克隆和序列分析发现,Rd基因编码一种酶,它在有色稻米颗粒的外部和内部组织中发挥着关键作用。该酶具有还原酶活性,可以将颜色素沉积过程中的前体化合物还原为具有特定颜色的化合物,从而影响稻米的颜色形成。
Rd基因的表达模式和调控机制已经得到广泛研究。研究表明,Rd基因在有色稻米中高度表达,并且其表达水平与稻米颜色的深度密切相关。Rd基因的过表达可以增加酶活性,加速颜色素的还原过程,从而使稻米呈现出更深的颜色。相反,Rd基因的抑制或缺失会导致酶活性降低,颜色素还原减少,稻米呈现较浅的颜色。
此外,Rd基因的表达受到多种内外部因素的调控。例如,光信号、温度和激素等因素可以调节Rd基全基因组关联分析,共定位到了包括RdRbRcOs MYB3基因在内的21个候选基因。通过系统进化树及表达谱分析基因的表达水平,进而影响有色稻米颜色形成过程。

2.4 OsC1基因

作为水稻驯化的重要基因,OsC1与水稻叶鞘和叶尖色素积累密切相关。OsC1是一种R2R3-MYB转录因子,它可以调控花青素合成途径中结构基因OsDFROsANS的表达[31]。研究发现,其中存在2种功能缺失突变,其中一个10 bp缺失突变起源于籼稻亚种,另一个2 bp缺失突变起源于粳稻亚种。此前的报道还指出,细尖花青素缺陷品种受到低水平的选择,这意味着可能还存在其他未知基因共同作用于这些性状[32]

2.5 OsB2基因

花青素在不同组织中特异性积累的机制主要是由于在启动子或UTR区的调控元件中存在差异,而不是编码序列本身的差异[33]。研究结果表明,形成黑米的决定性因子Kala4OSB2基因。进一步分析发现,造成种皮中花青素的特异性积累并不是由于OSB2编码区中的核苷酸差异,而是由于这2个品种中OSB2基因启动子的结构差异[34]

3 基因之间的作用

何展坤等[35]发明了一种利用植物活体成像仪测量水稻果皮花青素相对含量的方法。通过对核心群体中的花青素测量数据进行研究,确定了8个MYB家族基因,成为新的花青素合成相关的候选基因。白色是水稻的主要种皮颜色,RcRd 2对等位基因主要控制水稻红色种皮性状[36-37]
对6个旱稻品种果皮着色的RcRd基因进行分析,结果表明所有的旱稻品种都有一个Rd基因,该基因编码一个完整的二氢黄酮醇-4还原酶,没有早期翻译终止密码子[38-39]。然而,具有白色果皮的旱稻品种被发现有一个缺陷的Rc基因,在第7外显子有14个碱基的缺失,这可能会破坏原花青素生物合成的正调节因子的功能。
Chen等[40]描述了Rc基因如何负责棕色谷粒果皮中色素的积累。此外,红米粒需要Rd基因来增加色素含量[41]。因此,RcRd基因参与水稻籽粒中的红色色素沉着,Rcrd参与水稻籽粒中的棕色色素沉着,并且rcrdrcRd产生普通的白色水稻籽粒。Chen等[40]报道,红米和糙米含有大量的儿茶素、儿茶酚单宁和邻苯二酚。Rc定位在7号染色体基因座44处,在基因座31处的spl 5和基因座45处的V-11(p11)之间。它负责在所谓的糙米中产生色素,糙米在红棕色背景上具有深棕色不规则斑点。Rd本身不产生任何色素。Rd定位于1号染色体基因座84处,位于基因座83处的A和基因座85处的shr-1之间。
在一些水稻中,通过14 bp缺失破坏Rc基因,导致功能丧失突变。由于水稻是一种自花授粉植物,推测在水稻栽培过程中产生白色水稻的纯合rc基因座已被强烈的人类偏好所选择。Rc基因的DNA序列变异及其在野生近缘种和栽培稻品种中的地理分布,将对水稻驯化产生极大的影响。Rc/rcRd/rd与蛋白质功能的关系反映了水稻的进化历史[42]
对目标基因筛选来说,建立与决定性状直接相关的位点上的分子标记是最为有效的标记类型之一。张亭亭等[43]的研究成功建立了2个红米性状筛选的分子标记,这些标记直接涉及2个目标基因的关键性位点。通过这些分子标记,已经成功筛选出了RdRc基因都具有显性纯合的植株,并结合常规育种方法对纯合植株进行田间农艺观察和产量性状筛选[44-46]。这种筛选方法可以快速培育出红米水稻的新品种[47-49]
OsB1OsB2Pl的等位基因,因为OsB2缺少保守的C末端,所以仅在紫叶水稻叶片中大量表达,在黑米水稻叶片中少量表达,而在白米和红米水稻叶片中不表达。在黑米和紫叶水稻的叶片中,OsANS的表达量不多,但是OsB1OsB2的表达使紫叶水稻中的花青素大量积累[50]
综上所述,Ra基因、Rc基因、Rd基因、OsC1基因和OsB2基因是与有色稻米形成密切相关。它们通过调控色素合成途径、颜色素沉积和还原等步骤,影响稻米的颜色特征。深入研究这些基因的功能和调控机制,对于揭示有色稻米的颜色形成过程和优化育种策略具有重要意义。

4 展望

(1)尽管已经明确了有色稻米相关基因与水稻籽粒颜色的关系,但对于这些基因的具体调控机制,以及与其他相关基因的交互作用了解有限。可以通过构建转基因水稻模型,结合蛋白质组学、转录组学等现代生物技术手段,深入研究这些基因的调控网络,以揭示其作用机制。
(2)对于有色稻米相关基因在不同水稻品种中的表达模式和变异情况,目前的研究还不够系统,导致无法充分利用这些基因的多样性。可以采用全基因组关联分析和群体遗传学方法,系统分析这些基因在不同水稻品种中的变异和表达模式,为水稻遗传改良提供数据支持。
(3)目前关于有色稻米相关基因的分子标记开发相对较少,限制了其在水稻育种中的应用。可以利用高通量测序技术和生物信息学工具,开发更多的与有色稻米相关的分子标记,以辅助水稻品种的选择和培育。
(4)关于这些基因在环境因素影响下的表达变化研究较为薄弱,限制了人们对水稻适应不同环境的能力的理解。可以通过模拟不同环境条件下的水稻种植实验,结合基因表达分析,探究这些基因在逆境条件下的表达模式,以提高水稻的环境适应性。
(5)尽管已知有色稻米相关基因对水稻籽粒颜色有重要影响,但对于它们在水稻其他性状(如产量、抗逆性等)上的作用了解不足。可以利用遗传学方法和现代生物技术手段,如基因编辑技术,探索这些基因在水稻其他性状中的功能,为水稻的多性状改良提供理论依据。

参考文献

[1]
吴娟, 陈小龙. 有色稻米籽粒颜色遗传研究进展[J]. 安徽农学通报, 2021, 27(15):37-38.
[2]
杨加珍, 曾亚文, 杜娟, 等. 紫黑米种质功能成分综合研究与利用[J]. 生物技术进展, 2015, 5(1):47-53.
紫黑米富含花青素、黄酮、多酚等功能成分,着重介绍了花青素等功能成分的含量差异及其影响因素、功能研究、基于代谢机理与育种及食品加工工艺的功能成分强化研究、功能成分的利用及提取工艺等领域的研究进展。针对国内外紫黑米功能成分综合研究利用进展,提出紫黑米的育种利用、食品保健、医药研发和分子机理研究及其新型功能食品研制与产业化对策,以期为紫黑米相关研究提供参考。
[3]
闵军. 多吃有色稻米益处多[J]. 湖南农业, 2013, 428(8):37.
[4]
师江, 李倩, 李维峰, 等. 不同产地紫米营养成分比较及其相关性分析[J]. 热带作物学报, 2022, 43(11):2324-2333.
为评价不同品种紫米淀粉、脂肪、花青素、多酚、氨基酸和矿质元素间的差异,探究不同营养成分之间的关系,选取云南墨江(MJ)、湖南新化(HN)、贵州黎平(GZ)和陕西汉中(SX)4个产地的紫米,并与红米(R)、黑米(B)进行比较。结果显示,不同产地紫米成分含量存在差异,具有不同营养特征。HN紫米的淀粉含量最低(68.13%),脂肪(2.38%)、矿质元素Fe、K、Mg、Mn、Na、P、Zn含量最高,其中Mn(80.37 mg/kg)、Na(10.75 mg/kg)元素显著高于其他产地;MJ和SX紫米花青素(533.03 mg/kg,412.54 mg/kg)、多酚(340.55 mg/100 g,387.91 mg/100 g)含量显著高于其他产地,而GZ紫米花青素(156.55 mg/kg)和多酚(239.23 mg/100 g)显著低于其他产地紫米。SX紫米氨基酸总量(74.37 g/kg)与必需氨基酸(total essential amino acids,ΣEAA,26.09 g/kg)含量最高,与其他紫米差异不显著。紫米成分间相关性分析显示,花青素与多酚呈极显著正相关(0.625),二者分别与Ca呈显著负相关(-0.571,-0.549)。Asp、Gly与Fe、Ca呈显著正相关,大部分元素间呈显著正相关。不同有色稻米间,红米淀粉(74.73%)含量最高,花青素(9.05 mg/kg)、氨基酸总量(55.94 g/kg)、ΣEAA(19.78 g/kg)、Fe(6.51 mg/kg)、Mg(609.41 mg/kg)、P(1746.72 mg/kg)元素含量最低,与紫米和黑米差异显著(P<0.05)。黑米花青素(533.03 mg/kg)、多酚(453.53 mg/100 g)含量显著高于(P<0.05)其他有色稻;黑米和紫米氨基酸含量差异不显著(P>0.05),但显著高于(P<0.05)红米。有色稻ΣEAA与非必需氨基酸总量(total non-essential amino acid,ΣNEA)比例在0.54左右。主成分分析将3种有色稻分为红米、紫黑米两组,前3个主成分可以解释总方差的91%。第一主成分(PC1)贡献率为67.5%,代表矿质元素,说明产地是有色稻米成分组成差异的主要原因。第二主成分(PC2)占总方差的18.2%,主要为总花青素含量、氨基酸等。
[5]
TETSUO O, HIROAKI M, TAICHI O, et al. The birth of a black rice gene and its local spread by introgression[J]. The plant cell, 2015, 27(9):2401-14.
The origin and spread of novel agronomic traits during crop domestication are complex events in plant evolution. Wild rice (Oryza rufipogon) has red grains due to the accumulation of proanthocyanidins, whereas most cultivated rice (Oryza sativa) varieties have white grains induced by a defective allele in the Rc basic helix-loop-helix (bHLH) gene. Although the events surrounding the origin and spread of black rice traits remain unknown, varieties with black grains due to anthocyanin accumulation are distributed in various locations throughout Asia. Here, we show that the black grain trait originated from ectopic expression of the Kala4 bHLH gene due to rearrangement in the promoter region. Both the Rc and Kala4 genes activate upstream flavonol biosynthesis genes, such as chalcone synthase and dihydroflavonol-4-reductase, and downstream genes, such as leucoanthocyanidin reductase and leucoanthocyanidin dioxygenase, to produce the respective specific pigments. Genome analysis of 21 black rice varieties as well as red- and white-grained landraces demonstrated that black rice arose in tropical japonica and its subsequent spread to the indica subspecies can be attributed to the causal alleles of Kala4. The relatively small size of genomic fragments of tropical japonica origin in some indica varieties indicates that refined introgression must have occurred by natural crossbreeding in the course of evolution of the black trait in rice. © 2015 American Society of Plant Biologists. All rights reserved.
[6]
蔡光泽, 罗樊, 蔡兴勇, 等. 黑米水提物功能活性成分分析[J]. 西昌学院学报(自然科学版), 2021, 35(2):8-14.
[7]
SHAOKUN S, AIBIN H, TINGCHENG Z, et al. Effects of shading at different growth stages with various shading intensities on the grain yield and anthocyanin content of colored rice (Oryza sativa L.)[J]. Field crops research, 2022,283.
[8]
JATI I R A P, NOHR D, DONATUS H K, et al. Nutrients and antioxidant properties of Indonesian underutilized colored rice[J]. Nutrition and food science, 2014, 44(3):193-203.
[9]
LAL K M, SAHOO R T, NAYAK L. Black rice: The emerging concept in nutraceutical[J]. Rashtriya krishi, 2017, 12(2):121-122..
[10]
KITISIN T, SAEWAN N, LUPLERTLOP N, et al. Potential anti-inflammatory and anti-oxidative properties of Thai colored-rice extracts[J]. Plant omics, 2015, 8(1) :69-77..
[11]
HALAH A, DI W, ZISHENG L. Black rice (Oryza sativa L.) processing: evaluation of physicochemical properties, in vitro starch digestibility, and phenolic functions linked to type 2 diabetes[J]. Food research international, 2020, 141:109898-109899.
[12]
LEONG J S O, DIMENG Y, PUTRI H P, et al. Postprandial glycemic and lipidemic effects of black rice anthocyanin extract fortification in foods of varying macronutrient compositions and matrices[J]. Science of food, 2023, 7(1):59-59.
[13]
赵明超. 黑米花青素生物合成分子机制研究及其营养价值评价[D]. 武汉: 华中农业大学, 2022.
[14]
CHOI E, LEE J. The effects of antioxidant and anti-aging treatment of UVB-irradiated human HaCaT keratinocytes with ethanol extracts of colored rice varieties[J]. Korean journal of food science and technology, 2018, 50(6):653-659.
[15]
CHANG K J, IK S H, DUCK W S, et al. Relationship of radical scavenging activities and anthocyanin contents in the 12 colored rice varieties[J]. Abstracts of papers of the American chemical society, 2011, 54:693-699.
[16]
王璧琮, 潘大伟, 谢锐, 等. 复合酶@ZIF-8的制备及其黑米花青素提取性能[J]. 化工进展, 2024, 43(3):1403-1411.
利用体相原位生长法制备了具有优良催化活性和稳定性的α-淀粉酶&纤维素酶@ZIF-8(A&C@ZIF-8)纳米颗粒,结合溶剂萃取过程,可实现黑米中花青素的有效提取。该纳米颗粒中的α-淀粉酶和纤维素酶能分别通过水解多糖链上的α-1,4糖苷键和β-1,4糖苷键来解离植物细胞壁。同时,由于ZIF-8框架良好的空间限域保护作用,这两种酶展现出良好的高温环境耐受性和有机溶剂耐受性。该纳米颗粒的平均粒径为405nm,呈现多角球形颗粒状,其对两种酶的总负载量为18%(质量分数)。A&C@ZIF-8纳米颗粒中的酶可耐受72℃的高温环境,此时α-淀粉酶和纤维素酶的活性分别比其游离酶高出33.2%和247.3%。此外,当利用A&C@ZIF-8纳米颗粒结合溶剂萃取过程进行花青素协同提取时,其每100g提取量达到了200.39mg/g,比仅利用溶剂萃取时的提取效果提升了26.3%。该工作为创新设计和构建用于植物细胞中活性物质提取的固定化酶复合功能材料提供了新策略。
[17]
郑菲艳, 郑建华, 王洪飞, 等. 中国有色稻米功能性成分遗传与育种研究进展[J]. 福建农业学报, 2021, 36(1):115-123.
[18]
徐丽丽, 刘书涵, 李世伟, 等. 黑龙江省部分有色稻种质资源的遗传多样性分析[J]. 种子, 2020, 39(8):34-39.
[19]
SIRILAK N, CHANTANAN T, KANAPORN S, et al. Application of raw starch degrading enzyme from Laceyella sacchari LP175 for development of bacterial cellulose fermentation using colored rice as substrate[J]. 3 Biotech, 2021, 11(3):147-147.
[20]
WANWAN S M, HANIFA A P, DEWAYANI W, et al. Grain color measurement and nutrient content of local pigmented rice from South Sulawesi[J]. IOP conference series: earth and environmental science, 2023(1):12-57.
[21]
关玉婷. 改性黑米膳食纤维功能特性、降胆固醇功效及应用研究[D]. 邯郸: 河北工程大学, 2022.
[22]
ZHANG L N, CUI D, MA X D, et al. Comparative analysis of rice reveals insights into the mechanism of colored rice via widely targeted metabolomics[J]. Food chemistry, 2022, 399:133926.
[23]
YANG W, CHEN L, ZHAO J L, et al. Genome-wide association study of pericarp color in rice using different germplasm and phenotyping methods reveals different genetic architectures[J]. Frontiers in plant science, 2022(13):841191-841191.
[24]
WANG C X, SHU Q Y. Fine mapping and candidate gene analysis of purple pericarp gene Pb in rice (Oryza sativa L.)[J]. Chinese science bulletin, 2007(22):3097-3104.
[25]
王彩霞. 有色米的品质特性与种皮颜色性状的分子遗传学研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2007.
[26]
张家健, 汪雨萍, 刘海平, 等. 黑米稻育种及果皮色素遗传研究进展[J]. 江西农业学报, 2022, 34(5):13-17.
[27]
邵雅芳, 刘程智, 包劲松. 水稻Ra基因的分子标记开发及应用[J]. 分子植物育种, 2016, 14(9):2405-2411.
[28]
李霞, 杜娟, 杨晓梦, 等. 云南地方有色米种质资源多样性及Rc基因的遗传变异分析[J]. 西南农业学报, 2019, 32(12):2719-2723.
[29]
王武建. 转录因子OsIRO3和OsIRO4在调控水稻铁稳态中的功能及作用机制研究[D]. 南京:南京农业大学,2020.
[30]
ZHU Y W, LIN Y R, CHEN S B, et al. CRISPR/Cas9-mediated functional recovery of the recessive rc allele to develop red rice[J]. Plant biotechnology journal, 2019, 17(11):2096-2105.
Red rice contains high levels of proanthocyanidins and anthocyanins, which have been recognized as health-promoting nutrients. The red coloration of rice grains is controlled by two complementary genes, Rc and Rd. The RcRd genotype produces red pericarp in wild species Oryza rufipogon, whereas most cultivated rice varieties produce white grains resulted from a 14-bp frame-shift deletion in the seventh exon of the Rc gene. In the present study, we developed a CRISPR/Cas9-mediated method to functionally restore the recessive rc allele through reverting the 14-bp frame-shift deletion to in-frame mutations in which the deletions were in multiples of three bases, and successfully converted three elite white pericarp rice varieties into red ones. Rice seeds from T in-frame Rc lines were measured for proanthocyanidins and anthocyanidins, and high accumulation levels of proanthocyanidins and anthocyanidins were observed in red grains from the mutants. Moreover, there was no significant difference between wild-type and in-frame Rc mutants in major agronomic traits, indicating that restoration of Rc function had no negative effect on important agronomic traits in rice. Given that most white pericarp rice varieties are resulted from the 14-bp deletion in Rc, it is conceivable that our method could be applied to most white pericarp rice varieties and would greatly accelerate the breeding of new red rice varieties with elite agronomic traits. In addition, our study demonstrates an effective approach to restore recessive frame-shift alleles for crop improvement.© 2019 The Authors. Plant Biotechnology Journal published by Society for Experimental Biology and The Association of Applied Biologists and John Wiley & Sons Ltd.
[31]
MENG L Z, QI C Y, WANG C H, et al. Determinant factors and regulatory systems for anthocyanin biosynthesis in rice apiculi and stigmas[J]. Rice, 2021, 14(1):37.
Anthocyanins cause purple, brown or red colors in various tissues of rice plants, but the specific determinant factors and regulatory systems for anthocyanin biosynthesis in almost all tissues remain largely unknown. In the present study, we mapped and isolated two complementary genes, OsC1 encoding a R2R3-MYB transcriptional factor and OsDFR encoding a dihydroflavonol 4-reductase, which are responsible for the purple coloration of apiculi and stigmas in indica cultivar Xieqingzao by the map-based cloning strategy. We also identified two tissue-specific pigmentation genes, OsPa for apiculi and OsPs for stigmas, by phylogenetic analysis of all anthocyanin biosynthesis-associated bHLH transcriptional factors in maize and rice, CRISPR/Cas9 knockout and transcriptional expression analysis. The OsC1, OsPa and OsPs proteins are all localized in the nucleus while the OsDFR protein is localized in the nucleus and cytoplasm, and the OsC1 and OsDFR genes are preferentially strongly expressed in both purple-colored tissues while the OsPa and OsPs genes are preferentially strongly expressed in apiculi and stigmas, respectively. OsC1 specifically interacts with OsPa or OsPs to activate OsDFR and other anthocyanin biosynthesis genes, resulting in purple-colored apiculi or stigmas. OsC1 itself does not produce color but can produce brown apiculi when functioning together with OsPa. Loss of function of OsDFR alone leads to brown apiculi and straw-white stigmas. Genotyping and phenotyping of a panel of 176 rice accessions revealed diverse genotypic combinations of OsC1, OsDFR, OsPa and OsPs that enable accurate prediction of their apiculus and stigma pigmentation phenotypes, thus validating the general applicability of the OsC1-OsDFR-OsPa and OsC1-OsDFR-OsPs models to natural populations. Our findings disclosed the biological functions of OsC1, OsPa and OsPs, and shed light on the specific regulatory systems of anthocyanin biosynthesis in apiculi and stigmas, a further step in understanding the regulatory network of anthocyanin biosynthesis in rice.
[32]
郑婕. 水稻叶色性状的全基因组关联分析及叶片花青素合成调控机理的研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2018.
[33]
HIROYUKI K, SAKIKO H, TAKAYOSHI I, et al. Chemically induced expression of rice OSB2 under the control of the OsPR1.1 promoter confers increased anthocyanin accumulation in transgenic rice[J]. Journal of agricultural and food chemistry, 2007, 55(4):1241-1247.
Anthocyanin pigmentation provides an excellent system with which to study the regulation of gene expression in higher plants. In this study, OsPR1.1 promoter was isolated and the promoter activity was monitored using a reporter gene OSB2, which encodes a transcription factor for anthocyanin synthesis in rice plants. We introduced PR::OSB2 plasmid into an isogenic Taichung 65, no. 99-962 T-65 CBA B9F5 (T65 CBA), rice line (Oryza sativa L.) and found that the transgenic rice plants exhibited anthocyanin accumulation by the induced expression of OSB2 after chemical treatments with methyl jasmonate (MeJA) and 2,6-dichloroisonicotinic acid (DCINA). The shoots of the PR::OSB2 transgenic rice plants changed color to red after application of the chemicals accompanying with the increased anthocyanin content to approximately 5-fold by MeJA and 2-fold by DCINA, respectively. The anthocyanin accumulation was consistent with the increase of the expression of OSB2 and anthocyanidin synthase (ANS). This color change system could provide a useful and easy way to produce transgenic plants for monitoring of chemicals in the environment.
[34]
KIM D, PARK S, LEE J, et al. A rice B-box protein, OsBBX14, finely regulates anthocyanin biosynthesis in rice[J]. International journal of molecular sciences, 2018, 19(8):2190.
[35]
何展坤, 崔延春, 徐庆国, 等. 水稻果皮花青素含量的全基因组关联分析[J]. 农业现代化研究, 2023, 44(2):370-380.
[36]
张元野, 尹丽颖, 李荣田, 等. 利用CRISPR/Cas9技术创制Rc基因恢复红稻[J]. 中国水稻科学, 2022, 36(6):572-578.
【目的】将栽培稻品种恢复为米质优、抗逆性强的红稻具有较大的研究价值。利用CRISPR/Cas9基因编辑技术,编辑原花青素转录调节因子Rc基因,恢复红种皮特性,以改良水稻米质,提升抗逆性。【方法】利用CRISPR/Cas9技术,以Rc为靶基因,构建突变载体pYLCRISPR/Cas9-Rc-gRNA,以空育180、上育453为材料,转化获得转基因植株,通过测序手段和表型观察验证成果。【结果】分子水平检测获得Rc突变材料2种,其中KY-1在1414―1417 bp缺失4个碱基,终止子突变为苯丙氨酸;SY-1在1411 bp处缺失1个碱基,终止子突变为天冬氨酸。2种编辑材料均恢复为红米表型,且具有一定耐盐碱能力。【结论】利用CRISPR/Cas9基因编辑技术成功获得恢复红种皮表型的纯合株系,为红米改良提供基础材料。
[37]
SHAO Y F, JIN L, ZHANG G, et al. Association mapping of grain color, phenolic content, flavonoid content and antioxidant capacity in dehulled rice[J]. Theoretical and applied genetics, 2011, 122(5):1005-1016.
Phytochemicals such as phenolics and flavonoids in rice grain are antioxidants that are associated with reduced risk of developing chronic diseases including cardiovascular disease, type-2 diabetes and some cancers. Understanding the genetic basis of these traits is necessary for the improvement of nutritional quality by breeding. Association mapping based on linkage disequilibrium has emerged as a powerful strategy for identifying genes or quantitative trait loci (QTL) underlying complex traits in plants. In this study, genome-wide association mapping using models controlling both population structure (Q) and relative kinship (K) were performed to identify the marker loci/QTLs underlying the naturally occurring variations of grain color and nutritional quality traits in 416 rice germplasm accessions including red and black rice. A total of 41 marker loci were identified for all the traits, and it was confirmed that Ra (i.e., Prp-b for purple pericarp) and Rc (brown pericarp and seed coat) genes were main-effect loci for rice grain color and nutritional quality traits. RM228, RM339, fgr (fragrance gene) and RM316 were important markers associated with most of the traits. Association mapping for the traits of the 361 white or non-pigmented rice accessions (i.e., excluding the red and black rice) revealed a total of 11 markers for four color parameters, and one marker (RM346) for phenolic content. Among them, Wx gene locus was identified for the color parameters of lightness (L*), redness (a*) and hue angle (H (o)). Our study suggested that the markers identified in this study can feasibly be used to improve nutritional quality or health benefit properties of rice by marker-assisted selection if the co-segregations of the marker-trait associations are validated in segregating populations.
[38]
AMER H M, MOHD KASIM N A, SHAMSUDDIN A, et al. Nucleotide variations of 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 2 (NCED2) and pericarp coloration genes (Rc and Rd) from upland rice varieties[J]. Biotech, 2020, 10(3):105.
[39]
梅中青, 汤芬芬. 优质红米粳型赤皮稻改良品种——赤峰1号的选育与栽培技术[J]. 农业科技通讯, 2006(5):20-21.
[40]
CHEN Q X, NAGAO N, ITANI T, et al. Anti-oxidative analysis, and identification and quantification of anthocyanin pigments in different coloured rice[J]. Food chemistry, 2012, 135(4):2783-2788.
Anthocyanin pigments in coloured rice cultivars were isolated and identified using high-performance liquid chromatography techniques. Two black rice cultivars (Asamurasaki, Okunomurasaki) contained three major anthocyanins: cyanidin-3-glucoside, peonidin-3-glucoside and malvidin. Chinakuromai (black) rice additionally contained a fourth anthocyanin, petunidin-3-glucoside. Four red rice cultivars contained only malvidin. The total anthocyanin content varied greatly among black rice cultivars (79.5-473.7 mg/100g), but was lower in red rice (7.9-34.4 mg/100g). Total phenolic content was similar between red (460.32-725.69 mg/100g) and black (417.11-687.24 mg/100g) rice. The oxygen radical absorbing capacity was ranked as follows: red (69.91-130.32 μmol Trolox/g)>black (55.49-64.85 μmol Trolox/g)>green (35.32 μmol Trolox/g)>white (21.81 μmol Trolox/g) rice. The antioxidant capacity resulted mainly from the seed capsule, not the endosperm. The anthocyanin pigments contributed little to the total antioxidant capacity of red (0.03-0.1%) and black (0.5-2.5%) rice cultivars. Hence, the antioxidant capacity is derived mainly from other phenolic compounds.Copyright © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.
[41]
赵辉, 张万霞, 柳哲胜, 等. 紧穗野生稻(O. eichingeri A. Peter)控制红色果皮基因的定位[J]. 植物遗传资源学报, 2009, 10(2):201-204.
[42]
TSUTOMU F, MASAHIKO M, TOMOYUKI O, et al. The Rc and Rd genes are involved in proanthocyanidin synthesis in rice pericarp[J]. The plant journal, 2007, 49(1):91-102.
[43]
张亭亭, 窦兰兰, 王英存, 等. 控制水稻红米性状相关基因分子标记的开发[J]. 上海师范大学学报(自然科学版), 2015, 44(5):485-489.
[44]
HADIQA I, MOHSIN T A, SAQIB A, et al. Effects of red rice flour addition on the rheological, textural, sensory and bioactive properties of wheat flour-based pan breads[J]. International journal of food science technology, 2022, 58(1):473-481.
[45]
康水英. 施氮量对红米杂交稻金农3优3号产量和农艺性状的影响[J]. 福建稻麦科技, 2023, 41(3):17-21.
[46]
韩为胜, 许开放, 王发文, 等. 红米稻两优5989的选育及应用[J]. 园艺与种苗, 2021, 41(2):72-74.
[47]
林成豹, 黄显波, 邓则勤, 等. 抗病优质红米杂交稻新品种山两优186的选育与应用[J]. 福建稻麦科技, 2023, 41(3):5-7.
[48]
MAIBANGSA M, CHOUDHURY D, MAIBANGSA S, et al. Importance of red rice (deep water rice) production and its potential of export from dhemaji district of assam[J]. International journal of environment and climate change, 2023, 13(10):4113-4118.
[49]
管玉圣, 蒋刚, 王楚桃, 等. 高产优质红米杂交水稻新组合晶红优52的选育与应用[J]. 杂交水稻, 2023, 38(6):105-108.
[50]
邵雅芳, 徐非非, 唐富福, 等. 水稻花青素合成相关基因的时空表达研究[J]. 核农学报, 2013, 27(1):9-14.
水稻花青素的生物合成受很多因素的影响,最根本的影响因素是结构基因和调控基因的表达水平不同,导致色素积累的差异性。本文通过半定量PCR方法研究一些结构基因和调节基因的时空表达差异性。发现OsPAL, OsCHS和OsCHI为花青素的基本表达基因,在叶片、茎、花期及花后1~2周的种子中均有表达。OsF3H, OsF3’H和OsDFR不在茎中表达,在叶片、花期和花后1~2周内均有表达,且在花后1~2周内,其表达量与时间成正比。OsANS在黑米和紫叶水稻的叶片和花中有少量表达,在花后1~2周内,仅在黑米中表达,且表达量与时间成正比。OsB1和OsB2特异性地在紫叶水稻的叶片中表达,OsC1也特异地在花期时表达。说明水稻不同部位的花青素积累受控于不同的基因,具有一定的时空表达特异性。

基金

黑龙江大学与企业合作横向项目“水稻育种材料性状的分子标记选择分析”(20043分析)
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