双色素稻米：一种兼具增强营养与抗氧化特性的双色素全谷物

《Foods》：Dual-Pigmented Rice: A Dual-Pigmented Whole Grain with Enhanced Nutritional and Antioxidant Properties

　　

： 有色稻米因其富含天然生物活性化合物及潜在的健康促进作用而备受重视。本研究以黑稻品种华墨香5号（HMX）为材料，培育出三个遗传背景相似但果皮色素沉着不同的稻米品系。其中，BRHMX（一种同时积累花青素（anthocyanins）与原花青素（proanthocyanidins）的双色素稻米品系）和RHMX（一种积累原花青素的红米品系）通过杂交、连续回交及分子标记辅助选择（marker-assisted selection）获得，而白米品系WHMX则来源于HMX的航天诱变突变体。比较分析显示，果皮色素沉着的差异对籽粒形态及主要营养成分（包括淀粉、蛋白质和氨基酸）影响甚微。与HMX相比，BRHMX保留了HMX花青素含量的80%以上，同时其原花青素含量较RHMX高出103%。此外，BRHMX表现出最高的总酚含量及31种可溶性酚酸的最高水平，并通过ABTS和FRAP法测定显示出最强的化学抗氧化能力。非靶向代谢组学分析显示，黄酮类化合物和可溶性酚酸是与果皮颜色差异相关的主要代谢物类别。代谢组与转录组的整合分析进一步提示，在果皮发育早期，花青素与原花青素生物合成途径之间可能存在代谢流的重新分配。蒸煮处理通常会降低花青素、原花青素及总酚含量，同时削弱化学抗氧化能力，但变化幅度在四个品系间存在差异。综上所述，本研究发现新培育的双色素稻米品系兼具传统黑米和红米的特征，为全谷物稻米产品开发提供了宝贵的遗传资源。

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一、研究背景与意义

水稻是全球半数以上人口的主粮，尤其在亚洲地区作为日常膳食的重要组成部分。随着经济发展和粮食安全水平的提升，水稻育种目标已从单纯追求高产和抗逆性逐渐转向品质与营养价值的提升。有色稻米，尤其是黑米和红米，因其富含天然生物活性化合物及潜在的健康促进作用而受到广泛关注。黑米主要在果皮中积累花青素，而红米则以积累原花青素为特征。花青素和原花青素均为重要的植物源抗氧化剂，具有自由基清除、抗炎、心血管保护及代谢紊乱调节等生物活性。然而，这两种色素类型在稻种资源中通常分别存在，极少有品种能同时积累两者。此前的研究多在不同遗传背景的品种间进行比较，难以区分果皮色素效应与遗传背景混杂因素的影响。因此，在高度相似的遗传背景下开发同时积累花青素和原花青素的双色素稻米品系，对于深入解析色素沉着的代谢基础并开发高营养价值全谷物稻米产品具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

研究人员以优质全谷物黑稻品种华墨香5号（HMX）为母本，以红米品系HHZ-Rc为父本进行杂交，通过连续回交、分子标记辅助选择及自交，培育出与HMX遗传背景高度相似但果皮颜色不同的四个品系：双色素品系BRHMX（同时携带功能性Kala4和Rc等位基因）、红米品系RHMX（携带功能性Rc但非功能性Kala4）、白米品系WHMX（由HMX航天诱变获得，两个基因均非功能性）以及原始黑稻HMX。基因组SNP芯片分析显示，BRHMX与HMX的遗传相似度最高（98.04%），其次为WHMX（95.76%）和RHMX（93.56%）。四个品系在相同田间条件下种植，采用随机完全区组设计，每个品系设三个生物学重复。研究人员系统比较了四个品系的籽粒形态、主要营养成分、色素含量、酚类化合物组成及化学抗氧化能力，并整合代谢组与转录组分析揭示色素沉着的代谢调控机制。

三、主要技术方法

研究人员采用了多种关键技术方法：利用KASP竞争性等位基因特异性PCR进行Rc基因分型，结合全基因组SNP芯片评估遗传相似度；采用高效液相色谱法（HPLC）定量花青素，DMACA比色法定量原花青素，LC-MS/MS定量可溶性酚酸；通过ABTS和FRAP法测定化学抗氧化能力；对授粉后10天（10 DAP）的果皮进行非靶向代谢组学分析和转录组测序，并整合两组数据进行相关性分析；蒸煮处理后再次测定生物活性成分和抗氧化能力以评估烹饪影响。

四、研究结果

4.1 遗传背景相似的华墨香品系培育

通过杂交、连续回交和分子标记辅助选择，成功培育出四个遗传背景高度相似但果皮颜色不同的华墨香品系。BRHMX与HMX遗传相似度达98.04%，WHMX为95.76%，RHMX为93.56%。

4.2 籽粒形态、色素含量、主要营养成分、总酚及总抗氧化能力分析

色素含量测定显示，HMX积累0.92 mg/g花青素但无可检测原花青素；BRHMX同时积累花青素（0.74 mg/g）和原花青素（3.21 mg/g）；RHMX含1.58 mg/g原花青素但无花青素；WHMX两种色素均无。BRHMX保留了HMX花青素含量的80.4%，原花青素含量较RHMX增加103%。籽粒形态和主要营养成分（总淀粉、直链淀粉、总蛋白及17种氨基酸）在四个品系间无显著差异。脂肪酸组成存在差异，BRHMX和RHMX的不饱和脂肪酸比例增加。BRHMX总酚含量最高，31种可溶性酚酸积累水平最高，ABTS和FRAP抗氧化能力分别为HMX的1.25倍和1.51倍。蒸煮后各品系的花青素、原花青素、总酚及抗氧化能力均不同程度下降。

4.3 成熟种子代谢组分析

非靶向代谢组学在成熟种子中鉴定出1599种代谢物，其中莽草酸和苯丙烷类化合物占比最大（32.08%），包括51种酚酸和263种黄酮类化合物。PCA和HCA显示四个品系代谢谱差异明显。BRHMX相对于其他品系表现出更多高积累代谢物。KEGG富集分析显示差异代谢物主要富集于黄酮生物合成、黄酮醇生物合成和花青素生物合成通路。

4.4 10 DAP果皮代谢组与转录组整合分析

10 DAP果皮代谢组分析显示BRHMX和HMX代谢特征相近。转录组分析中HMX与BRHMX的差异表达基因最少。BRHMX中功能性Rc等位基因与LAR表达增加相关，与增强的原花青素积累一致。相关性分析显示花青素-3-O-葡萄糖苷与PAL、CHI6、ANS及过氧化物酶基因正相关，儿茶素和表儿茶素与LAR及特定过氧化物酶基因正相关。转录因子OsTTG1在网络中连通性最高，OsBBX14和OsMADS24与Kala4、OsTTG1及DFR存在强关联。

五、讨论与结论

讨论部分指出，BRHMX的代谢结果并非传统黑米和红米的简单中间类型，功能性Rc等位基因的引入在维持花青素积累的同时显著增强了原花青素积累，提示共享黄酮前体向原花青素生物合成的潜在重新分配。OsTTG1、OsBBX14和OsMADS24可能为参与色素积累的候选转录因子。脂肪酸差异因稻米总脂含量较低，对整体营养影响有限。蒸煮导致生物活性成分显著下降，但BRHMX蒸煮后仍同时保留两类色素。研究局限性包括色氨酸因酸水解条件未定量，抗氧化活性仅通过体外化学法评估。

结论部分：本研究系统表征了四个遗传背景相似的华墨香稻米品系，发现果皮色素差异对籽粒形态和主要营养成分影响有限。双色素品系BRHMX在蒸煮前表现出增强的原花青素和总酚积累及更高的化学抗氧化能力，同时保留了可观的花青素含量。代谢组与转录组整合分析表明黄酮相关代谢通路与果皮颜色变异密切相关。蒸煮显著降低了花青素、原花青素、总酚及化学抗氧化能力。BRHMX作为双色素全谷物稻米开发的优质遗传资源具有广阔的应用前景。