中国水稻研究所钱前团队提出优产健康稻米遗传改良策略 | Science Bulletin

小满时节，北方饱满的麦子蕴藏一派丰沛营养，南方的稻种也乘此生机，蓄足力量，静待耕耘。实现粮食高产与优质，不仅关乎百姓生计，更成就了绵延万年的农耕文明中，人与作物共生不息的“大满足”。粮食安全与营养健康是国家战略的重要支撑，关乎经济发展与民生福祉。当前，水稻等禾本科作物重要农艺性状的遗传权衡研究已取得实质性突破，产量、耐逆性与抗病性的协同改良已初步实现“鱼与熊掌兼得”。优异遗传因子的鉴定与现代分子设计的结合，正让高产优质水稻成为现实。而产量稳定且高营养的稻米创制，已成为消费者、作物育种及功能基因组研究共同关注的战略焦点与核心目标，将深刻重塑全球粮食供给格局，为民众健康与生活品质提供坚实保障。

中国水稻研究所钱前团队在Science Bulletin在线发表了题为“Molecular bases and genetic improvement of rice grain size and quality for optimized yield and human health”的综述论文，为水稻产量与品质协同改良研究确立新框架。文章全面综述水稻籽粒大小调控途径和营养品质强化的最新进展，提出了健康稻米分子设计与多元化应用的新思路，旨在优化稻米产量、提升营养价值并保障健康，为推动高产优质健康稻米从理论研究走向育种应用提供了重要参考。

水稻作为全球重要的禾本科粮食作物，其产量与品质的协同提升，是保障粮食安全、应对营养健康挑战的关键方向。籽粒大小决定千粒重，是影响水稻产量的重要因素，与稻米品质共同构成高产优质协同改良的核心。尽管稻米以淀粉为主要成分，但其籽粒中蛋白质、油脂、必需微量营养素以及多种健康生理活性物质的积累，受到复杂遗传网络和代谢通路调控。这些调控网络为稻米营养强化、有害成分降低和功能型稻米创制提供了丰富的分子靶点。通过精准分子设计，不仅可以提高稻米营养价值，还可降低镉、砷等有害元素积累，并通过代谢工程增强甚至重构特定生物合成通路，从而拓展稻米在健康食品、功能营养和高价值化加工中的应用潜力（图1）。

图1: 籽粒大小与品质改良的多元化应用

水稻粒型与营养品质的遗传改良常受基因多效性制约，产生与其他关键农艺性状的权衡效应。比如，粒型改良可能伴随外观品质下降或穗粒数减少，从而影响整体产量和商品价值；营养品质提升也可能导致食味蒸煮品质降低或关键产量性状受损。近年来，一系列调控粒型与营养品质的关键基因、优异等位形式和功能位点被鉴定，部分遗传因子能够在一定程度上缓解甚至打破此类权衡关系，在保障产量和品质协同提升的同时增强稻米营养健康价值。这些发现为优产健康稻米的分子设计提供了直接靶点和可操作路径（图2）。

图2: 水稻粒型与营养品质的优异调控因子

水稻籽粒大小调控方面，综述系统概括了多条高度保守的核心信号通路，包括G蛋白信号、MAPK级联、植物激素信号、Hippo通路以及胞内动态囊泡运输系统等（图3）。这些通路协同作用于从小穗颖壳发育和胚乳充实过程，通过将上游发育信号逐级传递至下游效应子，最终精细调控粒重和品质。

图3: 水稻粒型调控的主要信号通路

文章从染色质修饰、转录调控与翻译后修饰等多个层级，总结了籽粒大小调控过程中的分子开关与解码调控网络，并阐明了细胞周期与细胞骨架共同驱动的核心细胞学执行机制（图4）。

图4: 水稻粒型的多层级调控机制

在稻米营养品质改良方面，综述重点聚焦淀粉、蛋白质与油脂等主要营养组分的遗传调控机制，以及通过生物强化策略富集微量必需营养素和多种健康相关生理活性物质的研究进展（图5）。同时，解析水稻有害重金属及类金属元素的吸收、转运、区隔化与籽粒积累机制，是健康稻米改良的另一关键路径。通过定向调控相关转运蛋白和代谢通路，有助于创制低镉、低砷积累的优质稻米品种，在提升营养价值的同时降低潜在风险，进而协同保障人体健康。

图5: 稻米营养品质的改良途径

最后，该文系统总结了水稻粒型与营养品质改良的传统育种方法和现代分子育种技术，着重阐述了优异等位基因的挖掘与定向创制路径（图6）。以籽粒为核心载体实现产量与品质协同提升的分子设计策略，关键在于整合粒型调控模块、营养代谢网络和优异遗传资源，借助精准编辑和分子设计手段实现多目标优化。该策略有望确保稻米优产健康，并兼具可持续食用价值与多元化应用潜力，为筑牢全球粮食安全防线、增进人类营养健康事业提供新的科学支撑。

图6: 稻米优产健康设计的综合策略与展望

中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室丁朝庆博士和邵征绩博士为论文共同第一作者。中国水稻研究所水稻生物育种全国重点实验室任德勇研究员和钱前院士为共同通讯作者。该研究获得国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等资助。