张家健，汪雨萍，刘海平，蒋 龙，欧阳真诚，何 胜，刘 杨，张 璞，谢建萍，罗 杰，章 萍，李德悦，张红林*

（1.赣州市农业科学研究所，江西 赣州 341000；2.赣州市农业农村局，江西 赣州 341000）

黑米稻是水稻的变种，具有种植历史悠久、分布范围广、品种资源丰富、遗传多样性等特点。黑米稻谷经砻谷脱壳而成的糙米被称为黑米，其果皮呈黑色、紫黑色或黑褐色。研究发现，黑米含有丰富的蛋白质、花青素、植物脂肪、维生素、矿质元素、黄酮类化合物等营养成分，具有重要的食用、药用价值及特殊的工业用途，被广泛应用于食品、医疗保健品、工业天然染料等行业领域［1-4］。黑米用途广泛、需求量大，且我国黑米年产量巨大。据美国农业局统计数据显示，2017年中国黑米总产量为148.87万t，占世界黑米总产量的35.5%左右［5］。近年来，为促进黑米相关产业发展，推动黑米消费市场升级，科研工作者们进行了大量黑米稻优质品种选育和优质性状遗传机理方面的研究。

1 黑米稻种质资源情况

中国拥有丰富的黑米稻种质资源，赖来展等［6］研究表明：在统计到的411个世界黑米资源中，中国拥有373个不同的黑米品种类别，占比90.8%。这些品种按粒型分为籼型、粳型2种，以籼型黑米稻为主；按粒质分为糯性和粘性2种类型，以黑糯稻品种资源占比较多。代表品种资源有洋县黑谷、容县黑糯、香血糯、海南黑米、黑香粳糯等。目前，仍有一些优质地方黑米稻品种在我国部分水稻生产区保留种植。自身遗传物质的不同和长期环境的差异造成了黑米稻品种资源的千差万别，在这些黑米稻种质资源中，有富含蛋白质的黑米稻种质资源，也有富含矿物质的黑米稻种质资源，还有富含花青素的黑米稻种质资源等。

2 黑米稻品种选育情况

近年来，水稻育种科技工作者们以地方黑米稻种质材料或其他稻种资源为基础材料，通过育种技术方法成功培育了一批黑米稻新品种，部分优质黑米稻品种已通过审定。近年审定的黑米稻品种以常规、籼型、糯性品种为主，杂交黑米稻品种较少，这与我国传统黑米稻种质资源类型情况及黑米需求市场紧密相关。我国传统黑米稻品种生育期一般为140～170 d，株高150 cm，产量在1500～5000 kg/hm2之间，或略高［7］。2010年之前，黑米稻审定品种的生育期集中于140～170 d之间，与传统黑米稻品种接近；2011年以后，通过审定的黑米稻品种生育期一般在105～140 d。在株高和产量方面，1983～2021年审定的黑米稻品种株高集中于90～120 cm；产量一般在5000 kg/hm2以上，部分产量达8000～10000 kg/hm2。此外，近年选育的黑米稻品种在抗性上较传统黑米稻品种有明显增强。生育期的缩短、产量的提高及抗性的增强，使近年选育的黑米稻品种更加适应市场需求。

3 黑米稻果皮颜色的遗传研究

黑米稻果皮颜色与普通稻有着直观而明显的区别，黑米稻果皮是由母本子房壁发育而成的，因此，黑米稻果皮颜色性状主要受母本基因型控制。近年来，对黑米稻性状遗传的研究主要集中在黑米稻果皮颜色性状遗传探究方面。

3.1 黑米稻果皮色素基因研究

目前已发现与黑米稻果皮色素相关的基因主要有Ra基因、Pb基因、Pp基因、Kala4基因、Kala3基因等。

3.1.1Ra基因Ra基因最早由Hu等［8-9］研究发现，并定位于水稻第4染色体上，由Ra1基因和Ra2基因组成，编码bHLU（基本螺旋-环-螺旋）转录激活因子，调控水稻花青素的生物合成途径。通过基因测序发现，不同黑米稻品种Ra基因序列基本相同，与白米稻品种相比，均在起始密码子后第7外显子处存在2 bp的GT缺失［10-12］。梁婷婷［13］对黑米Ra基因的功能进行了验证分析，发现Ra基因主要通过bHLH蛋白复合物影响花青素成基因ANS的表达量来促进黑米果皮中花青素物质的累积。

3.1.2Pb基因Pb基因（Prp-b）位于第4号染色体上，由Hsieh等［14］于1964年发现，其控制紫黑米果皮颜色性状表达。王彩霞等［15］以豫南黑籼糯、川黑糯与培矮64S杂交，通过F2代分离群体对Pb基因进行精细定位，将Pb基因定位于一段25 kb范围的标记之间，并根据前人研究结果和基因性质推测Pb基因与Ra基因为同一基因，该基因第7外显子内GT的缺失与黑米果皮颜色性状紧密相关。Rahman等［16］发现黑米果皮的显性Pb基因相对于白米果皮的隐性Pb基因存在2 bp（GT）的缺失，并且水稻果皮色泽的形成至少需要1个显性Pb等位基因的存在。

3.1.3Pp基因Pp基因（Prp-a）位于第1号染色体上，也是由Hsieh等［14］于1964年发现的，与Pp基因共同作用使水稻果皮呈现紫黑色，只有Pp基因作用时果皮表现为白色。Rahman等［16］选用黑米品种“Heugnambyeo”与3个白色果皮水稻品种杂交，通过分析后代不同基因型的表型认为，水稻紫黑色果皮性状是受2对互补等位显性基因Pp和Pb控制的，Pp等位基因对隐性Pp等位基因表现为不完全显性，Pp显性等位基因的数量决定了黑米中花青素-3-葡萄糖苷的浓度和果皮颜色的深浅。王晓光［17］以紫香糯和春江糯2号为亲本，通过构建黑米果皮颜色近等基因系，经分析F2代分离群体比，认为黑米果皮颜色性状符合Hsieh等［14］由2对基因Pp和Pb控制的观点。

3.1.4Kala4基因 Oikawa［18］等通过构建黑米和白米的分离群体发现了Kala4基因，并将Kala4基因定位于水稻第4号染色体Os04g0557500基因的一段25.6 kb的基因组区域内。通过FPNI-PCR和DNA凝胶印迹分析发现，黑米果皮颜色性状起源于Kala4基因重复序列异构引起的bHLH基因异位表达。朱思然［19］研究发现，黑米和白米中Kala4基因启动子区域的结构存在不同，通过分析认为，稻米果皮颜色的性状受Kala4基因的调控，并且Kala4基因对黑米果皮性状的形成起着剂量效应的作用。

3.1.5Kala3和OsMYB3基因Kala3和OsMYB3基因均为R2R3-MYB转录因子。Kim等［20］研究发现，黑色果皮水稻品种的Kala3启动子区比红色和白色品种多一个串联的重复多态序列，分析认为Kala3启动子内的重复次数与Kala3的转录激活相关，并且Kala3与Kala4基因共同介导了水稻花青素生物合成基因的激活。赵明超［21］通过对45份黑米和533份水稻糙米的花青素含量进行全基因组关联分析，发现水稻第3号染色体上的OsMYB3和第4号染色体上的Kala4与糙米花青素累积显著关联，OsMYB3、Kala4和OsPAC1可以两两互作并结合形成三元复合体，激活花青素生物合成结构基因的表达。

3.2 黑米稻果皮颜色的遗传分析

黑米稻果皮颜色的深浅与果皮中花青素的含量紧密关联，黑米所含花青素越高，则果皮颜色越深［19］。而黑米稻果皮花青素含量的多少跟花青素的合成、累积、降解有关，主要受相关基因控制。综合已发现的黑米果皮色素基因分析，黑米果皮颜色性状与多基因表达相关，呈现数量性状遗传，存在显性、加性和隐性上位性效应。这些基因包括Ra/Pb、Kala4、Pp、Kala3、OsMYB3基因等，但在不同黑米品种中控制黑米果皮颜色性状的主要基因有所差异。“甜黑米”、豫南黑籼糯、川黑糯等材料中果皮呈现黑色，主要是受1对显性等位基因Ra/Pb控制；Heugnambyeo、紫香糯等材料果皮颜色性状主要受2对等位基因Ra/Pb和Pp基因的共同作用，其中Ra/Pb显性等位基因参与控制水稻的果皮色泽，Pp显性等位基因的数量决定黑米中花青素-3-o-葡萄糖苷的浓度，进而影响黑米果皮颜色的深浅；黑米稻Koshihikari品种果皮颜色同时受到bHLH转录因子Kala4基因、R2R3-Myb转录因子Kala3基因和Kala1基因的共同调控。

4 黑米稻育种方法

4.1 黑米稻系统育种

育种工作者从现有的或传统的黑米稻品种中选择变异单株，经鉴定、品种比较，获得目标黑米新品种。近年来，通过系统法选育的黑米稻品种有赣南黑米、锦黑稻1号、双亚黑一号、海丰黑糯2号、银黑香粳等。

4.2 黑米稻杂交育种

利用水稻杂种优势理论，对现有的水稻种质资源或传统黑米稻品种等进行杂交改良，选育黑米稻不育系、恢复系、保持系和优质黑米稻新品种，实行黑米杂交稻的两系配套生产和三系配套生产。通过杂交育种方法培育的黑米稻品种有纯黑一号、紫两优737、珍粳168、“黑珍珠”等。

4.3 黑米稻诱变育种

利用物理、化学诱变获得的突变植株材料是培育水稻新种质材料的一种有效方法。早在1993年洋县黑米名特作物研究所利用太空辐射诱变方法对“洋县黑稻”种质资源进行了改良，于21世纪初育成了洋黑糯4号［22］。Nao等［23］为改良日本福岛传统黑色糯米品种yayi-murasaki的落粒性，利用γ射线进行诱变处理，从落粒性、育性、穗型方面筛选出了几个株系，用于yayoi-murasaki优质新品种的选育。Purwanto等［24］用100 Gyγ射线诱导处理了黑米稻品种Boyalati和Bantul的突变株，并对黑米M4代材料进行了干旱处理，筛选出抗旱高产的黑米稻新品种。黄艺宁等［25］利用60Co-γ射线对扬稻6号干种子进行了辐射诱变，并对果皮黑色突变体进行自交选育，获得了继承原始亲本扬稻6号大部分农艺性状的黑米稻R9311-01。周姚［26］利用化学诱变剂甲基磺酸乙酯（EMS）诱变黑米品种黑帅发生了突变，获得了67株与花青素积累相关的突变株。

4.4 黑米稻分子标记辅助育种

分子标记辅助育种技术在黑米育种上的应用主要是对控制黑米果皮基因或连锁基因进行分子标记，通过检测相关标记基因，快速筛选出黑米材料。蔡治君等［27］利用分子标记技术对香型巨胚水稻中间材料“2009-211H”和非香正常胚黑色糯性水稻“上实黑糯”的杂交后代进行香味基因和蜡质基因筛选，选育出产量显著高于父本“上实黑糯”的黑色香型巨胚水稻新株系。曾跃辉［12］利用特异性分子标记对黑米水稻品种的果皮基因进行基因型鉴定和黑米杂交品种的选育。张桂权［28］利用分子标记辅助选择的方法结合杂交、回交等传统育种方法，以华粳74为受体，黑米品种联鉴33为供体选育获得了华小黑1号黑米品种。

4.5 基因工程技术创制黑米稻育种材料

黄昕颖［29］利用农杆菌介导法，将葡萄花青素还原酶（ANR）基因导入到“黑粳谷”和“香血糯”中获得了比原花青素含量更高的转基因黑米植株。Susanto等［30］对Hd3a开花基因进行了RPP16启动子编辑，并通过农杆菌介导法导入到印尼黑米植株中，获得开花早表型的转基因植株，缩短了全生育期。周姚［26］以黑米品种黑帅的基因为模板扩增了花青素代谢途径中的7个重要结构基因，利用转基因育种技术将结构基因导入到白米品种中，获得了相关结构基因超表达植株。梁婷婷［13］为确定Ra基因在植物中的功能，以甜黑米为材料，通过农杆菌介导法将Ra基因导入到日本晴中，获得了转基因植株材料。陈美春［31］采用基因工程技术将ANR基因导入到黑米531成熟胚的愈伤组织中，获得了携带ANR基因的抗性愈伤组织。

5 展望

中国黑米稻种质资源具有分布范围广、资源丰富、适应性强、生态多样等优点，但传统的黑米资源一般表现为株叶形态差、产量低、易倒伏、抗病性差等特点［7］。现实中种植户种植传统黑米稻的效益一般，大量传统地方黑米稻种质资源在生产中慢慢遗失。因此，加强地方优质黑米稻种质资源的保护，建立黑米稻种质资源库是非常有必要的。

黑米含有比普通大米更加丰富的蛋白质、多种维生素、胡萝卜素和粗纤维等营养物质，以及Fe、Ca、Zn、Se等多种微量元素和特殊生理活性成分（多酚、黄酮类等）［30］，具有重要的抗氧化、抗衰老、降血脂、预防心血管疾病、预防癌症等重要功效［32-38］，但黑米稻较普通水稻而言产量更低，食用适口性更差。因此，以市场需求为导向，利用现代育种技术提高黑米稻产量和功能营养物质含量，改善黑米适口性是黑米稻育种的重要方向。

黑米稻果皮颜色性状与多基因表达相关，呈现数量性状遗传，存在显性、加性和隐性上位性效应，但不同品种果皮颜色所受的主要控制基因有所差异。已定位出影响黑米稻果皮色素的基因主要有Ra/Pb、Pp、Kala4、OsMYB3基因，其中Pp基因位于第1号染色体，OsMYB3基因位于第3号染色体，Ra/Pb、Kala4基因在第4号染色体。此外，在第6、10、11、12号染色体上也发现存在影响黑米稻果皮颜色的相关基因。因此，对黑米稻果皮颜色的遗传机理和控制基因还需进一步深入研究。