功能稻育种进展与产品开发

功能稻育种进展与产品开发

何　琴,卢礼斌,蒋家焕,叶新福3

(福建省农科院稻麦研究所,福建福州350019)

摘　要:本文简述了功能稻的概况,在介绍功能稻地方资源的基础上,描述了功能稻常规育种和转基因育种两个育种方法,并概括了功能稻的产品开发现状和方向。文末,对功能稻在育种和产品开发方面存在的问题进行了讨论,指出功能稻有广阔的发展前景。

关键词:功能稻;育种进展;产品开发

中图分类号:S511　文献标识码:A　文章编号:1008-9799(2004)04-0041-04

　　随着社会经济的发展和人民生活水平的提高,人们的膳食结构逐渐由温饱型向营养型转变。功能稻的营养价值、健康作用和生产效益均优于普通大米,具有较大的生产潜力和开发前景。近年来,国内外育种工作者致力于功能稻育种研究工作,并取得了较大的进展,为了适应这种消费结构的变化及满足人民的营养保健需求,功能稻的研究利用和产品开发也得到蓬勃发展[1～5]。1　功能稻概述

1984年,日本首先提出了“功能性食品”的概念,随后进行了大规模的相关研究,并于1992年提出了“生产功能性稻米的水稻培育”的研究计划项目。上海交通大学的赵则胜在2002年的《初论功能性稻米》一文中提出了功能性水稻的初步概念[6]。廖江林等提到功能营养稻是指具有稳定遗传性状,富含一种或几种营养元素,食用后能改善人体生理功能的特种用途的新型水稻品种或组合[7]。与普通稻相比,功能营养稻含有更丰富的蛋白质、氨基酸、矿质元素和维生素等营养成分,具有增强免疫力、延缓衰老、养肝补血、滋阴补肾、暖脾健胃等多种药用和营养保健功能[3,8]。因此,功能稻米及其相关产品历来受到广大人民的喜爱和青睐。自古被人们视为米之珍品的紫黑糯,不少地方就曾用作“贡米”,民间作

　　3通讯作者

　　　收稿日期:2004-10-17

为“月家米”专供孕、产妇补虚养身之用[9,110]。

功能稻米不仅是天然的营养保健食品,而且是生产营养保健食品的很好的原材料[11～13]。2　功能稻地方资源

水稻起源于中国,中国地域辽阔,地形气候多变,因此中国有着悠久的栽培历史和水稻资源,其中也包括大量的功能稻资源。据1995年赖来展等的调查和检索,中国收集的世界黑米资源共411个品种,中国有373个,占9018%。从类型看,粳粘8个,粳糯127个,籼粘129个,籼糯109个,种类齐全。籼型黑糯主要分布在陕西、云南、贵州、广西、四川、湖北、湖南、安徽、上海等省(市)。籼型黑粘主要分布在广东、广西等省(区);从色泽看,黑色稻和紫色稻主要分布在云南、贵州、广西、广东、陕西、四川、福建、湖南、江苏等省,以糯米类型居多。红米稻主要分布在河南、云南、贵州、广西、江西、江苏、福建、湖南、陕西、山西等省,籼粳、粘糯都有。另外,陕西省还有少量绿米稻和金色稻品种[14,15]。

比较有代表性的传统品种有:江苏的鸭血糯,含铁量高,可作儿童、老年补血养身的健康营养食品;广西的紫米稻是天然色素和滋补珍品,具有补血益气、止泄、缩小便的功能;陕西黑米有

因是否具有同源性,各种糯性品种是否具有新的利用价值。

参考文献

[1]何中虎.

9.

[2]章清杞,

麦科技,[3]庄铁成,

糯小麦的研究概况[J].作物杂志,1999(2):7～

陈志雄.我国糯稻的研究与利用概况[J].福建稻2000(3):53～55.

魏凤乐,王月.玉米淀粉含量的遗传与育种[J].

中国农学通报,1993(6):6～9.

[4]丁国祥,李天炬,曾庆曦.糯高粱籽粒淀粉含量及组分的配

合力分析[J].绵阳经济技术高等专科学校学报,1999(2):18～20.

[5]毛丽萍,高俊华,王润奇,等.谷子胚乳糯性基因的染色体

定位研究[J].华北农学报,2000(4):10～14.

[6]李桂凤,林澄菲,吕萧,等.我国大麦品种资源淀粉含量的

地理分布规律及气候生态分析[J].大麦科学,1994(3):11～14.

[7]E1Domon,M1Fuijita,N1Ishikawa1Theinsertion/deletionpolymor2

phismsinthewaxygeneofbarleygeneticresourcesfromEastAsia[J]1TheorApplGenet(2002):132～138.

・42・

“黑珍珠,世界米中之王”的美称,有强身健体的作用,对头昏、目眩、贫血等有医用功能。此外,还有云南的接骨糯,广西的广西子米,河南的河南香米,河北的胭脂米,广西的东兰黑米等众多地方品种[1,7,15]。3　常规育种与功能稻311　巨胚稻品种选育

巨胚稻糙米既可做保健食品原料,也是提取高营养价值米油的主要原料,具有很高的营养价值和保健功能,巨胚稻又分为两种类型:利用普通稻通过诱变方法产生巨胚变体,再经系统选育或与普通稻杂交育成的普通型巨胚稻;利用现有的巨胚稻与某种特种稻(如香稻、色稻等)杂交选育而成的新型巨胚稻。尤其是新型巨胚稻既保留了巨胚稻的优点,又赋予巨胚稻新的特点,具有更高的价值[16,17]。巨胚稻已引起了国内外水稻育种家的关注,许多科研单位纷纷开展相关的研究工作,并取得了一定的成果。

吉林省农业科学院水稻研究所以巨胚稻和清香糯杂交,于1996年育成了“巨胚清香糯”,蛋白质和脂肪含量分别为914%和314%。1998年,上海交通大学农科院与日本国合作研究育成巨胚稻6601,其胚芽部分比普通稻的胚芽重2～3倍,其中含有丰富的生理活性物质和营养物质。经日本食品研究中心测定,巨胚糙米中维生素E、矿质元素钙和锌的含量比普通糙米高得多。福建农业大学育成的巨胚稻LongtepuB,糙米品质分析表明:蛋白质和脂肪含量均显著高于亲本,其中,甲硫氨酸(Met)、亮氨酸(Leu)和赖氨酸(Lys)含量分别提高了11183%,5199%和5199%。上海交通大学农学院与上海浦东新区合庆镇农技站合作,成功培育出了黑粳巨胚稻和红粳巨胚稻两种巨胚色稻,兼具有巨胚稻和色稻的营养价值和保健价值,同时改良高产巨胚稻正在选育中。此外,还有中国农科院水稻研究所育成巨胚稻G1,中国有关育种单位育成中国巨胚稻1号,浙江省农科院育成具有高营养价值和附加价值的巨大胚米等报道。在1997年日本召开的长寿米的机理与开发利用研讨会上,已把巨胚稻列为“长寿米”之一,号召国民重视和食用[2,16,17]。312　色稻品种选育

江苏省农科院选育的龙睛4号,据米质分析:糙米蛋白质含量为1112%,维生素B1含量为

μμ4124g/g,含铁量2911mg/kg,含硒量5713g/kg,这些指标均居同类品种之首。广东的枣红稻,据分析,含有丰富的蛋白质、氨基酸、单糖、多糖、酚类、黄酮以及植物甾醇等成分,还含有其他的

福建稻麦科技2004年12月(Dec12004)

一些药用成分[1]。安徽省凤台县五彩香稻米研究所大力开发以极品香米为主导的红、紫、黑、绿、白五彩香稻米,并经国家商标局注册商标为“淮王贡米”,有滋阴补肾、补气养血、明目乌发之功效[18]。还有中国水稻研究所培育的天香绿米、优质金香糯,安徽省农民培育的“五彩玉米稻”,广东的黑优粘等大量具有各种保健功能的色稻相继育成的报道[19,20]。

顾德法等对紫黑糯米特种营养的研究[9];张名位等的黑米品质性状的相关性研究[21];孙玲等对黑米资源的黄酮含量及其与粒型性状的相关性研究[22]等等,大量相关研究都验证了色稻中含有丰富的营养元素。一些报道还指出,一些色稻中还含有一般稻米所缺乏的维生素C、胡萝卜素、强心苷、黄酮、花青素、生物碱、植物甾醇等营养元素[23,24]。

研究人员还进行了大量的动物试验:徐飞用黑米喂养贫血大鼠,证实了黑米对缺铁性贫血有显著疗效[25];黄玉提取黑米的生理活性物质对小白鼠进行灌胃和腹腔注射处理,指出黑米可以提高耐缺氧能力,加强神经中枢的抑制和镇静作用,对白细胞下降有保护功能[26];上海农学院和上海仁济医院应用上农黑米进行食疗临床试验,证实黑米及其产品可显著提高孕妇血中的Hb和血清铁含量,防止妊娠时红蛋白下降,减少妊娠贫血病的发生率并且可以使直肠癌患者面色红润、精神好转、食欲增加[1]。313　其他

上海市农业科学院作物育种栽培研究所水稻育种中心、陕西汉中地区农科所、广东省农业科学院生物技术研究所和上农特种稻研发中心等研究机构的专家正在通过常规育种的手段结合检测功能性成分和食疗临床试验进行着能生产出甜米、低蛋白质米、高蛋白质米、糖尿病人食用米等等具有功能性稻米的水稻新品种的培育工作[6]。上海交大农科院与浦东新区合庆镇农机站合作选育出集香、甜、糯为一体的“香甜糯”新品系,丰产性好、品质优、适口性佳,具有广阔的开发前景[2]。4　转基因技术与功能稻

转基因技术在功能稻育种中已得到普遍应用,国内外已有相当多的相关报道[5,27,28]。目前,主要有以下两个研究方向:(1)通过将目的基因导入水稻,改良水稻的营养品质,主要集中在蛋白质含量、氨基酸和微量元素三个方面;(2)通过优良基因的导入,提高功能稻的产量、抗病虫性、抗逆性等,改良功能稻的物理性状。

福建稻麦科技,2004,22(4)

普通水稻中有一种植物酸会阻碍人体消化系统对铁的吸收,瑞士的研究人员通过把水仙的几种基因转入水稻中,使水稻含铁量增高,从而弥补了植物酸妨碍人体从稻米中吸收的铁[6];Ye等(2000)通过将四种酶的基因导入水稻育成了颜色呈金黄色、富含β-胡萝卜素(维生素A原)的金米,大大提高了稻米中的维生素A含量,为医治维生素A缺乏症提供了新途径;Lucca等(2001)将一个菜豆的铁蛋白基因导入水稻,再将来自Aspergillusfumigatus的一个热稳定植酸酶基因导入水稻,最后使一个富含半胱氨酸的内源类金属硫蛋白超表达,植酸被完全降解,使铁含量大大提高,有利于改善食用大米人群中铁的营养[5];日本通过将大豆的遗传基因组移植到水稻中育成可降低人体胆固醇、预防动脉硬化等疾病的富球蛋白的稻米和预防夜盲症和贫血的富铁稻米,此外还通过将鸡蛋中的白蛋白重组到水稻中,育成能预防高血压、牙周炎、糖尿病以及花粉症等疾病的水稻品种[29];台湾中兴大学通过将芝麻2S清蛋白基因植入台农67号品系水稻中,培育出富含蛋氨酸的芝麻营养米[30];湖南农学院关于外源DNA导入水稻的育种效果研究,富威力等关于菰DNA导入水稻引起的性状变异研究,Goto等(1999)将大豆铁蛋白基因转入水稻的试验等报道,都说明了转基因技术在水稻品质改良、功能性提高中的重要性和优越性[5]。

在兼顾安全性的同时,世界各地的科学家们还致力于通过基因工程技术开发新的基因源,将获取的高产、抗病虫、抗逆境等目的基因,通过利用直接吸收、显微注射、载体的应用、电击法和枪击法等方法,引入到现有品种中,再通过组织培养或有性杂交技术培育出转基因的功能性水稻新品种。

中国水稻研究所从国际著名优质米Basmati370体细胞无性系变异后代中发现黑米突变体,经过连续选育,于1990年育成黑珍米。黑珍米与亲本相比,表现出生育期缩短、株高降低、有效穗增加、结实率提高、抗病等优良性状,但同时出现穗粒数减少、千粒重下降等性状退化的现象[31];1987年,上海成功培育出上农香糯原生质体再生植株,经原生质体再生植株后代观察,其农艺性状表现出生育期缩短、株高降低、有效分蘖数上升、结实率增加、抗病性提高等趋势[32]。5　产品开发

长期以来,人们对功能稻米的认识还较简单,利用也较为单一,多集中在黑米上,且主要用来煮粥。20世纪90年代以来,随着研究的不断深

・43・

入及加工业的迅速发展,各类以功能稻为原料的产品层出不穷。这些产品充分利用和深入开发了功能稻中所含的各种营养元素,针对性地满足了不同人群的各种医疗保健需求。以黑米为原料开发的系列黑色食品已逾百种,其中广东、上海、陕西、浙江等省市发展较快[33],产品受到广大消费者的青睐。511　初加工产品

配方功能米指利用食物资源营养互补原理,将多种稻米经过科学处理,配比制成一种营养丰富,品味好,具有医疗保健作用的稻米。上海交大农学院将上农香糯、上农香粳、上农黑糯、乌贡黑米、上农米仁等按一定比例组配而成的功能2号米获2000年上海市发明产品推广实施金奖,年销售量超过100t;闫晗等用垦黑糯93-896、垦香90-493、垦香糯92-291、垦94-202四个品种配比,制成富含铁、钙、铜、磷、锌等微量元素,能满足缺微量元素人群需求的配方功能稻米。目前市面上功能稻的初加工产品还有八宝饭、水磨干粉、年糕、方糕等等[2,4,23]。512　深加工产品

主食类　主要有营养粉丝、面条、八宝饭、八宝粥、罐头等。其中,广东省农科院生物技术研究所以该所的黑优粘米为原料,研制成的黑(粘)米营养粉丝的加工技术已获得国家发明专利。还有上海的满天星速冻八宝饭、乌贡系列粥,江西的黑米面条,广东的宫廷粥等等[2,4,33]。

酒与饮料　该类产品主要采用酶工程的发酵技术,将稻米中的淀粉降解为单糖、乳酸或酒精,制成系列酒精饮料或非酒精饮料,包括黑米酒、黑米啤酒、黑五类酒、黑米可乐、黑米乳酸饮料、黑米绞股蓝养生宝、黑米果蔬汁等[2,34]。

糊类与糕点类　该类产品主要应用挤压膨化技术,使功能稻米内部组织疏松,淀粉、蛋白质结构改变,利于消化酶的渗透与侵入。主要产品有面包、膨化食品、儿童食品、饼干、营养羹以及各种糊类食品。上海医科大学保健品发展中心选用巨胚米为主料生产的巨胚米幼儿米粉,有促进幼儿生长、智力发育和预防佝偻、软骨、消化不良等作用。这类产品还有上海农科院的乌贡系列米粉、乌贡系列营养羹,广东省研制的“宝宝星”,广西黑五类食品集团公司研制的黑米芝麻糊等系列糊类食品等等[2,17,35]。

精制类药保健产品　该类产品应用现代化精致技术,从稻米中有效提取功能因子,进行相应的浓缩、调配和稳定化处理。主要产品有:色素、口服液、胶囊、速溶茶冲剂等。上海农学院特种

・44・

稻课题研制的“上农”牌天然营养黑米素获国家专利并通过成果鉴定,可直接食用或作为食品的天然色素,对肿瘤患者和缺铁性贫血有很好的疗效。还有广东的黑健素冲剂、黑米果茶、黑米营养健身茶,陕西研制的黑米营养素口服液等[2,10,36]。6　存在问题与今后方向

对功能稻品种的营养与药用成分的分析还比较单一、粗糙,评价不够系统,多数品种只是测试1～2个主要营养成分,而可能忽略掉其它一些重要的功能因子,无法充分挖掘开发这些资源的营养保健价值。同时,相关的临床试验和生物活性物质的动物试验研究就显得更少了。今后还要求开展更深入、更全面的研究试验工作。

近年来,虽然功能稻加工业也取得了一定的发展,生产出一系列具有医疗保健功能的产品。但主要还是集中在色稻中的黑米上,对其他功能稻产品的开发和研究都比较少,而且产品品种较单一,技术含量较低,功能因子明确、食疗效果明显的保健食品也还有待进一步深层次开发。拓宽功能稻品种的研究范围,充分挖掘、深层次的开发功能稻中的各种功能营养元素,增加产品的技术含量,将会带来巨大的经济效益和社会效益。

自1985年以来,由于功能稻越来越受到广大育种工作者和消费者的关注,功能稻的育种研究工作取得了巨大的发展,选育出了一系列新品种。常规育种与分子育种技术的结合利用,也使功能稻的综合形状得到了很大的改善。然而,相对于一般水稻,功能稻还是普遍存在产量低,抗性差,适应性窄,难以大面积推广等问题。因此,如何在不影响其功能性的前提下提高产量和扩展适应性,是当今育种工作者亟待解决的问题;同时,加强关于功能稻品质性状的遗传规律的研究,运用生物工程技术,增加功能稻中营养元素的种类和含量、提高其功能性,将是育种工作者的一个重要研究方向。

参考文献

[1]赵则胜1中国特种稻学术研讨会论文集[M].上海:上海科

技教育出版社,1992.

[2]赵则胜,戚家华,陈永清,等.特种稻米的开发[M].上

海:上海教育出版社,2003.

[3]赵则胜,赖来展,郑金贵.中国特种稻[M].上海:上海科

学技术出版社,1995.

[4]赖来展.黑色食品的研究与加工技术[M].北京:中国农业

科技出版社,1997.

[5]闫新甫.转基因植物[M].北京:科技出版社,2003.

[6]赵则胜.初论功能性稻米[J].上海农业学报,2002,18

(增刊):1～4.

福建稻麦科技2004年12月(Dec12004)

[7]廖江林,肖国樱,李阳生,等.我国功能营养稻研究进展及

发展对策[J].农业现代化研究,2003,24(3):170～173.[8]陈文,石磊,唐艳芳,等.黑优粘米酶解水提液延缓衰老作

用研究[J].上海农学院学报,1996,14(4):258～261.[9]李军,顾德法,徐飞.紫黑米营养价值和药理功能研究现状

[J]1种子,1995(6):38～40.

[10]顾德法,徐美玉.紫黑糯米特种营养研究[J].中国农业科

学,1992,25(5):36～41.

[11]闫晗,魏建平,谢若明,等.配方功能米的研制与开发

[J].垦殖与稻作,1999(4):5～7.

[12]赖来展.黑色食品的兴起与发展[J].广东农业科学,1997

(5):2～5.

[13]张名位.特种稻米及其加工技术[J].北京:中国轻工业出

版社,2000:2～11.

[14]张名位,赖来展,杨雄.中国黑米种质资源的评价与利用

研究进展[J].湖北农学院学报,1995,15(4):309～317.[15]陈成斌,赖群珍1我国特种稻研究概述[J]1广西农业科

学,1993(2).

[16]宣文敏.特种稻米育种研究进展[J]1农业与技术,2002,

22(3):67～69,74.

[17]赵则胜,蒋家云1高营养功能性巨胚稻米研究初报[J]1

上海农业学报,2002,18(增刊):5～8.

[18]安徽开发成功五彩香稻米[J].中国农村科技,2003:50～

51.[19]张建明,朴钟泽,陆家安,等.中国特种稻的研究利用现

状与前景[J].上海农业学报,2002,18(增刊):53～57.[20]我国大米新生族[J]1农村实用技术与信息,2002(2):

20.

[21]张名位,彭仲明,徐运启.黑米品质性状的相关性研究[J]

1广东农业科学,1993(5):32～35.

[22]孙玲,张名位.黑米资源的黄酮含量及其与粒形性状的相

关性[J].湖北农学院学报,2000,20(1):1～5.

[23]赖来展,张名位,陈春洪,等.黑优粘糙米粉的研制[J].

广东农业科学,1995(5):14～16.

[24]沉明泉.上农米药用成分的分析初报[J].上海农学院学

报,1994,12(2):137～139.

[25]徐飞等.紫黑米提高贫血大鼠血红蛋白作用的研究[J].营

养学报(天津),1989(2):104～106.

[26]黄玉.黑米的药理作用[J].广西医学院学报.1986,8

(13):37～39.

[27]江良荣,李义珍,王侯聪,等.稻米营养品质的研究现状

及分子改良途径[J].分子植物育种,2004,2(1):113～121.

[28]赖来展,陈春洪,余之德,等.应用生物技术研究系列中

华黑色食品[J].广东农业科学,1993(5):38～39.

[29]吴仲国.日开发出转基因保健稻米[N].科技日报,

200013123.

[30]何永进.台湾用基因工程技术育出芝麻营养米[J].中外食

品加工技术,2003(8):13～14.

[31]赵成章,戚秀芳,杨长登.应用无性系变异技术培育黑珍

米的研究[J].中国水稻科学,1993,7(2):120～122.

[32]潘重光,叶正祥,吴爱忠.导入模糊多基因提高上农香糯

抗病性的研究[J]1上海农学院学报,1993,11(4):284～290.

[33]张名位,赖来展,杨雄.黑米保健食品的加工进展[J].中

国稻米,1995(4):20～21.

[34]李魁,王梅玉.我国黑米发酵饮料的研制[J].食品科学,

1993(4),15～18.

[35]梁郎都,黄永刚,吴慧勋,等.黑米膨化食品研制[J].广

东食品工业科技,1993(4):13～15.

[36]傅翠珍.黑糯米药用有效成分的初步研究[J].中国水稻科

学,1991,5(2):72.