保健功能性专用稻米的研究与开发
可行性研究报告
一、选题的必要性
1、项目所处技术领域产业政策
我国水稻育种取得了举世瞩目的成就，杂交稻、超级稻等水稻品种的选育和推广，极大地提高了水稻的单产和总产，为解决十三亿人口的温饱问题做出了巨大的贡献。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,目前的稻米品质难以满足我国城乡居民日益提高的生活水平以及日益扩大的特殊市场的需求。保健功能稻的营养价值、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。近年来，国内外育种工作者致力于保健功能稻育种研究工作，政府出台有关扶持粮食生产的政策，加大相关项目资金投入的力度，保健功能稻的研究利用和产品开发具有广阔的开发前景。
2、项目所处技术领域技术发展现状
有研究表明，肾病和糖尿病患者食用谷蛋白含量超过4%的稻米会导致氨中毒，缺铁性贫血病患者食用有机铁含量高的稻米可以有效缓解病症，高血压病患者食用高γ-氨基丁酸（GABA）含量的稻米能起到降压效果，夜盲症患者服用富含维生素A的食品能减轻症状。美、澳等多国科学家认为，治疗或缓解上述患者发病程度最经济有效的方法，是改善膳食结构，从天然食品中获取足够的营养成分，因而保健功能型水稻品种（系）的选育和优质特殊营养品质稻米的开发，具有重要的实践意义和广阔的市场开发前景。
稻米是人们蛋白质的基本来源，水稻种子蛋白质含量占粒重的10%左右，稻米蛋白质主要为谷蛋白和醇溶蛋白两大类，其中谷蛋白占蛋白质总量的70%左右，是稻米中人体可吸收蛋白的主要成分。但蛋白质食入量过高会加重肾病和糖尿病患者的病情，因此，低谷蛋白含量的稻米适合广大肾病和糖尿病患者食用。有关低谷蛋白水稻品种的研究，始于20世纪80年代，Iida等（1993）利用γ射线或0.2%乙烯亚胺处理“日本优”（Nihomasari），获得低谷蛋白水稻突变体NM67，遗传分析表明，NM67的低谷蛋白（高醇溶蛋白）性状是由单个显性基因控制的。以该突变体为亲本选育出谷蛋白含量低于4%的水稻新品种“LGC-1”（low glutelin content-1）。与普通稻米相比，该品种谷蛋白含量低，稻米中可吸收蛋白少，认为是对肾病患者非常有效的食疗辅助品。临床应用表明，用LGC-1稻米进行的饮食辅助治疗（平均食用7个月），不仅能够减少蛋白摄入量，明显降低血清肌酸酐含量，有效缓解患者的病情，而且还解除了以稻米为主食（精米食入量120~180 g /天）的患者在治疗期间不能吃稻米的痛苦，患者的精神负担得到明显的减轻，对治疗起到了显著的辅助作用。但迄今为止，还没有选育出适合我国稻区种植的低谷蛋白含量的籼型水稻品种。
铁是人体许多正常生理过程中不可缺少的重要元素，但铁在生物体内含量相当低，缺铁是世界上最为严重的营养缺乏症之一，铁缺乏症可影响人的中枢神经系统功能，造成智力减低，贫血病、帕金森症等都与铁营养缺乏有关。20世纪80年代末，日本科学家利用化学诱变的方法，从粳稻品种“越光”中选育出“富含铁”的突变体。该突变体含有可被人体吸收的水溶性有机铁比普通水稻品种高出3~6倍；用此突变体杂交选育出的“富含铁”水稻新品种“GCN4”、品
系“026”已开始推广应用。三年临床试验结果表明，贫血病患者食用“富含铁”的稻米，具有显著的补血效果，能缓解患者的病症。此外，通过基因工程方法获得富铁植物也是可能的。Lucca 等（2002）将菜豆铁蛋白基因转入水稻，使水稻种子中铁的含量提高了2倍。Goto等（1999）等通过农杆菌介导，将大豆铁蛋白cDNA转入水稻，在水稻特异性种子存储蛋白谷蛋白启动子GluB-1的控制下，只在谷粒中富集铁，转基因干种子中铁含量为13.3~38.2ug/g，正常植物种子为8.6~14.3ug/g，铁含量平均提高3倍左右。我国贫穷落后地区和边远山区，由于营养不良及其它如偏食等原因造成的贫血病患者达1亿人左右。这些病人需要常年服用各种昂贵的药物或补血剂（补血剂主要成分是铁元素）来减轻病症，带来很大的经济和精神负担。通过日常饮食补充人体所需的铁元素，是缓解缺铁性贫血病人症状最经济、有效的途径。
自1990年以来，利用化学诱变的方法，日本九州大学和农业生物资源研究所先后从“越光”中选育出富含γ-氨基丁酸（γ-Aminobutiric acid,GABA）的突变体。这种稻米浸水后，GABA 会急剧增加并累积。GABA是中枢神经系统内重要的抑制性神经递质，是在人脑能量代谢过程中起重要作用的活性氨基酸，具有激活脑内葡萄糖代谢，促进乙酰胆碱合成，降低血压，治疗癜病，防止动脉硬化，调节心律失常，防止皮肤老化的功能，对精神性疾病和遗传性疾病具有一定的疗效。食用高GABA含量的稻米对高血压患者具有较好的治疗作用。日本农业试验场等育种单位育成了富含γ-氨基丁酸的水稻品种“Haiminori”，并已通过日本医学会组织的三年临床试验，作为高血压患者的专用米在全国定点种植专卖。近年来，我国高血压患者的人数不断增加，据1998年统计，全国高血压病患者的总人数超过6000万，癜病发病率为
0.5%~1.5%。培育、推广高γ-氨基丁酸含量的高血压患者专用功能型稻米，对推行全民健康计划有重要的实际意义。
维生素A（VA）是重要的脂溶性维生素之一，具有维持机体正常视觉功能，保障骨骼、牙齿正常生长，保护上皮系统的完整，增强机体抗病力的功能，缺乏VA可导致夜盲等症状。据WHO估计，1995年全球有近300万0~5岁儿童表现为临床VA缺乏，我国属轻度临床VA缺乏国家。食物是机体所需VA的重要来源，Ye等（2000）采用基因工程的方法培育出胚乳中富含VA的水稻，研究表明，“红野丝苗6号”VA含量高达414.8个单位/千克。富含VA的水稻品种有待进一步开发利用。
3、项目技术先进性，对相关领域技术进步的推动作用
培育、开发分别能满足糖尿病、肾病，贫血病，高血压与夜盲症患者等特殊群体需求的保健功能性专用水稻新品种（系），是水稻品质改良研究的新领域和新趋势，也是本项目的主要研究目标，具有十分重要的科学意义和市场价值，此类研究我国尚未见报道，国内外尚无专利申请或知识产权保护。
该项目的研究所建立的一套能直接指导保健功能性专用水稻新品种（系）选育的技术体系，可为特种水稻育种提供一个新的思路、方式和手段，推动保健功能性专用水稻生产、加工等产业的蓬勃发展。
4、项目目前进展情况
近年来，项目组已收集到低谷蛋白含量水稻种质“LGC-1”，富含有机铁水稻种质“GCN4”、
“026”，高GABA含量的水稻种质“Haiminori”，富含维生素A的水稻品种“金稻”，并已开展了将这些特殊性状转移到我省主栽水稻品种中去的杂交配组和后代跟踪分析研究，初步掌握了利用电泳技术测定水稻种子谷蛋白含量，利用PCR技术检测低谷蛋白水稻植株，利用氨基酸分析仪分析稻种GABA含量，利用高压液相色谱仪测定维生素A含量，利用原子吸收分光光度计测定水稻组织中铁的含量等生化检验、检测分析方法。
项目组主要研究人员承担了省科技厅重点项目“利用分子标记辅助选择技术培育耐储藏水稻新品种”研究。十五期间，项目组完成了省科技厅“利用分子标记辅助选择技术培育耐储藏水稻新品种”、农业部“功能性高铁、高维生素A（VA）水稻遗传种质的引进及应用”等项目的研究，部分研究成果达到国内领先水平。近五年项目组主要成员在国内一级学报如《中国农业科学》、《中国水稻科学》、《遗传学报》等国内有较大影响的期刊上发表学术论文十余篇。
二、技术方案论述
1、项目技术关键点或创新点论述，项目完成时达到的技术水平
低谷蛋白、富含有机铁、高GABA和维生素A含量等性状难以像其它农艺性状一样通过田间观察和室内考种鉴定，必须借助分析仪器及生物技术手段才能对目标性状进行选择。因此，需要建立一套低谷蛋白含量，富含有机铁，高GABA和维生素A含量水稻新品种（系）的筛选、鉴定体系。低谷蛋白含量、富含有机铁、高GABA和维生素A含量等特殊品质性状与水稻高产、优质等农艺性状的结合，传统育种方法和现代生物技术的结合，是本研究的技术关键和创新点。
项目完成时可达到国内领先水平。
2、项目技术方案论述：生产技术、工艺流程、主要技术参数
研究内容：引进国外具有保健功能的低谷蛋白，富含有机铁，高γ-氨基丁酸(GABA)和维生素A含量的水稻种质，通过杂交、回交育种方法，借助分子标记辅助选择和生化分析等现代水稻品质性状分析、筛选、鉴定手段，选育分别适合糖尿病、肾病，贫血病，高血压与夜盲症患者需求的具有保健功能的水稻新品种（系）。按照高产优质“无公害水稻”或“绿色食品——大米”的生产操作技术规程，进行无公害化推广应用，生产具有保健功能的无公害稻米。具体为：
（1）引进、吸收、消化国外低谷蛋白，富含有机铁，高γ-氨基丁酸(GABA)和维生素A 含量的水稻种质，与我省当前推广的优质高产多抗优良水稻品种进行特殊品质性状的杂交、回交转移利用；
（2）利用分子标记辅助选择技术及生物化学（如电泳分析、氨基酸分析、原子吸收分析）等现代分析、筛选、鉴定方法，筛选具有低谷蛋白，富含有机铁，高GABA和维生素A含量等特殊品质性状的株系，培育适合我省种植的高产、优质、多抗保健功能型籼型水稻新品种（系）；在此基础上组装一套能直接指导保健功能型水稻新品种（系）选育的技术体系；
（3）按照“无公害水稻”或“绿色食品——大米”的生产操作技术规程，进行无公害化推广应用，加工生产能满足糖尿病、肾病，贫血病，高血压与夜盲症等特殊群体需求的无公害保健专用功能型稻米。
研究方法：
（1）利用已有的低谷蛋白，富含有机铁，高GABA和维生素A含量的水稻种质，与我省当前推广的主栽优质高产多抗优良水稻品种“赣早籼40号”、“赣晚籼19号”等进行杂交，分别选择具有不同品质性状的优良株系进行多代回交，至性状稳定后进行品质分析、鉴定，在小区试验的基础上进行大面积多点试验示范，培育适合我省种植的高产、优质、多抗保健功能型籼型水稻新品种（系）；
（2）筛选与低谷蛋白含量性状紧密连锁的分子标记，建立基于PCR分析检测技术的分子标记辅助选择育种体系；探索利用电泳技术结合簿层扫描测定水稻种子谷蛋白组成及不同亚基的含量，利用氨基酸分析仪分析稻种GABA含量，利用高压液相色谱仪测定维生素A含量，利用原子吸收分光光度计测定水稻组织中铁含量的生化检验、检测、分析方法；
（3）在上述基础之上组装一套能直接指导保健功能型水稻新品种（系）选育的技术体系；按照高产优质“无公害水稻”或“绿色食品——大米”的生产操作技术规程，进行多点大面积无公害化推广应用，生产能满足特殊人群需求的无公害保健专用功能型稻米。
技术路线：
3、项目技术质量指标：项目产品达到的主要技术性能指标、执行的质量标准、通过的国家相关行业许可认证等
获得与低谷蛋白紧密连锁并且能直接应用于辅助选择育种的分子标记；组装一套传统育种技术与分子标记和生化标记辅助选择育种技术相结合保健功能型水稻新品种（系）的育种体系；选育分别能适合糖尿病、肾病，贫血病，高血压与夜盲症患者需求，具有保健功能的水稻新品种（系）4~6个；按照高产优质“无公害水稻”或“绿色食品——大米”的生产操作技术规程，进行多点大面积无公害化推广应用，生产具有保健功能的无公害稻米。
①获得谷蛋白含量低于粒重的4%，能满足糖尿病、肾病患者需要的水稻新品种（系）1~2个；
②获得干种子中有机铁含量达到5~8mg/100g以上（比一般水稻种子的铁含量平均提高2~3倍），能满足贫血病患者需要的“富铁化”水稻新品种（系）1个；
③获得GABA含量比一般水稻种子高2~3倍，能缓解高血压、癜病病人症状的高“γ-氨基丁酸（GABA）”含量水稻新品种（系）1~2个；
④获得高维生素A含量(β-胡萝卜素含量达到30mg/g)，能缓解夜盲患者症状的水稻新品种（系）1个。
所组装的保健功能型水稻新品种（系）育种体系能直接指导水稻育种实践。在国内外重要杂志上发表研究论文4~5篇。
4、分阶段描述项目执行过程中各阶段目标
2006.1～2006.12 引进水稻特殊种质资源，建立并完善分子及生化标记辅助选择、鉴定功能性水稻品种（系）选育的技术体系，开展杂交配组300~500个，获F1种子3000~5000粒，送海南南繁。
2007.1～2007.12 杂种F1代南繁加代，应用分子及生化标记辅助选择低谷蛋白含量、富含有机铁、高GABA和维生素A含量性状，与优良主栽水稻品种进行回交，获得BC1代；夏季南昌种植，选择目标性状的单株，继续用优良主栽水稻品种回交，得到BC2代。
2008.1～2008.12 BC2代南繁加代，选择目标单株进行回交，得到BC3代；夏季南昌种植，选择目标单株，继续用优质水稻品种回交，得到BC4代。
2009.1～2009.12 BC4代南繁加代，分别获低谷蛋白含量、富含有机铁、高GABA和维生素A含量等特殊品质性状的稳定品系个5~8，进行小区试验、品质分析；夏季南昌种植，进行多点区试（争取进入省区试）。
2010.1～2010.12 进行保健功能性水稻新品系的多点繁殖、推广、示范，种植面积100公顷以上，组织专家测产验收，4~6个表现较好的品系报省品种审定委员会进行品种审定，结题鉴定。
5、项目经费预算情况：项目投资总额、项目已完成投资、项目须新增投资及投资构成和投资预算、申请科技三项经费的使用预算（见附表）
三、项目实施支撑条件
1、项目技术来源
本项目属于国外引进消化与创新技术。
2、项目实验、检测条件
项目申请单位具备了开展本研究所需的实验条件和仪器设备（如PCR仪、电泳仪、氨基酸分析仪、原子吸收分光光度计等），拥有温室、网室、大田等试验用地10公顷。
3、项目申请单位人才资源情况：技术人员总数、中高级技术人员比例
项目申请单位江西省农科院农副产品加工测试研究所，现有技术人员25人，占总数的85%，其中高中级技术人员比例达到70%。
4、项目组人员专业结构、职称结构
项目组拥有育种经验丰富、实验技术熟练的研究人员，目前从事水稻遗传育种、品质分析等研究工作的人员有12人，其中具有高级职称的2人、具有中级职称的5人，人才知识、专业、年龄结构合理。
5、项目新增投资筹集情况
四、项目预期经济效益
1、预期市场需求
全世界有糖尿病、肾病，贫血病，高血压与夜盲症患者近6亿。我国肾病和糖尿病患者近8000万人，贫血病患者在1亿人左右，全国高血压病患者的总人数超过6000万，0~5岁VA缺乏儿童近60万，保健功能性专用稻米市场开拓前景十分广阔。如按1%的肾病和糖尿病患者食用低谷蛋白稻米，以每人每年50公斤计算，每年需要此类功能性稻米4万吨，每公斤增收0.5元计，则年创直接经济效益2000万元；以1%的贫血病患者食用富含有机铁的稻米，以每人每年食用50公斤计算，每年需要富含铁的稻米5万吨，每公斤增收0.5元计，则年创直接经济效益2500万元；以1%的高血压病患者食用高GABA含量的稻米，以每人每年食用50公斤计算，每年需要富含铁的稻米3万吨，每公斤增收0.5元计，则年创直接经济效益1500万元。以上各项预计年创直接经济效益共计6000万元，同时还可减轻患者常年服用各种昂贵药物造成的经济和精神负担，因此，保健功能性水稻品种（系）的选育和推广应用，不仅具有广阔的市场前景，而且能产生巨大的经济效益和社会效益。
2、预期盈利水平
低谷蛋白稻米，预计年创直接经济效益2000万元；富含铁的稻米，预计年创直接经济效益2500万元；高GABA含量的稻米，预计年创直接经济效益1500万元，以上各项共计年创直接经济效益6000万元。同时，还可减轻患者常年服用各种昂贵药物带来的经济和精神负担，
社会效益显著。
3、预期产业化前景
依据无公害及绿色食品生产操作规程，按照“公司+研究实体”的模式进行保健功能性专用稻米的产业化生产开发，预计种植业亩新增效益100元，加工业亩新增效益50元，按年种植40万亩计，每年可新增效益6000万元，产业化前景广阔。
4、项目实施风险分析
目前，我国保健专用功能性水稻品种（系）的选育体系尚未形成，也还无此类稻米的生产、加工、销售。本项目将选育出适于江西稻区种植，适合肾脏病、糖尿病、贫血病和高血压患者食用的保健专用籼型水稻新品种（系）。
项目已有较好的前期研究工作基础，研究人员知识结构合理，专业门类齐全，申报项目研究方法可靠，技术路线可行，年度计划任务恰当，经费预算合理，能按计划完成项目指标任务，无任何风险。
五、项目预计社会效益、环境效益
1、对社会发展的作用
通过本项研究，预期能获得具有低谷蛋白、富含有机铁、高GABA和维生素A含量等特殊品质性状的水稻品种（系）4~6个，将大力推动我国保健功能性水稻生产、加工的产业化发展。通过生产该类功能性稻米，对提高糖尿病、肾病，贫血病，高血压与夜盲症的疗效，缓解病人的症状，减轻患者的经济和精神负担，提高全民素质，扩大市场空间，增强国际国内竞争
力，增加农民收入，解决“三农”问题，具有十分显著的社会效益。
2、对资源利用情况
通过引进、吸收、消化国外的特殊水稻遗传种质，改造我省现有丰产、优质品种“赣晚籼30号”，可创新我国保健功能性水稻新品种（系）4~6个。
3、对人才培养情况
通过该项目的实施，项目组成员将学习并掌握分子标记技术和高铁、高β-胡萝卜素（VA 前体）性状鉴定技术，提高育种技术水平。
4、环境影响及效益
按照高产优质“无公害水稻”或“绿色食品——大米”的生产操作技术规程进行推广应用，生产能够满足特殊人群需求的无公害保健功能性稻米，不会对环境产生影响。
附表申请科技三项经费使用预算表