aBIOTECH | 傅向东团队利用高光谱表型揭示水稻籽粒品质的遗传基础
水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的主食作物之一，养活了全球一半以上的人口。随着生活水平的提升，市场需求正从产量转向优质谷物。直链淀粉含量和蛋白质含量是影响大米食味的两个关键因素，但其遗传基础仍未被充分解析。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东团队在aBIOTECH 发表了题为“Hyperspectral phenotyping reveals the genetic basis of grain quality in rice”的研究论文。该研究提出了一条兼具效率与解析力的新路径：将高光谱表型与全基因组关联分析相结合，从高维光谱信息中提取与品质密切相关的表型指纹，进而挖掘控制籽粒品质的关键遗传位点。
该研究以241份水稻材料为对象，涵盖籼稻和粳稻两个亚群，系统测定了籽粒表观直链淀粉含量和蛋白含量。研究团队利用覆盖400-2000 nm的可见光-短波红外高光谱成像系统获取486个波段的反射率信息，并结合导数变换、特征筛选、样本划分和机器学习建模，构建了品质性状预测流程。结果显示，高光谱模型对表观直链淀粉含量和蛋白含量均具有很高的预测精度，分别达到R² = 0.97和R² = 0.92（图E）。通过特征排序筛选出的代表性波段具有明确的化学可解释性，证实了高光谱数据对籽粒内部化学信息的捕获能力。例如，约780 nm的短波近红外区域可能与籽粒微结构及淀粉堆积状态有关；约1468 nm和1998 nm的波段则与蛋白相关基团以及蛋白-淀粉复合基质的振动信息相关。
图1. 通过高光谱成像对稻米中直链淀粉和蛋白质含量进行遗传解析
相比传统质量测定值，研究进一步证明，高光谱衍生特征能够更敏感地捕获与品质相关的遗传信号。基于高光谱特征开展GWAS后，研究者不仅检测到了经典位点，还发现了传统方法不易揭示的新位点（图F-K）。针对直链淀粉含量，在1号染色体上定位到qAAC(780.791nm)-1-3位点，并将其锁定到“绿色革命”基因SD1（图G）。结果表明，sd1等位变异在带来半矮秆和高产优势的同时，也会提高直链淀粉含量，从而可能对食味品质产生不利影响（图H）。针对蛋白含量，在染色体5上定位到 qPC(1998.98nm)-5-1位点，并进一步确认GW5为其主效基因(图L)。研究结果显示，高产相关的gw5等位变异与较高蛋白含量相关，揭示了这一经典粒型基因在籽粒品质形成中的新作用（图M）。
综上所述，该研究将具有窄波段、空间分辨率和化学特异性的高光谱成像，转化为可直接用于遗传解析的数量化表型，并发现经典高产基因在提高水稻产量的同时可能伴随牺牲食味品质的代价。该成果不仅提升了水稻籽粒品质性状的高通量解析能力，也为优质高产协同育种提供了新的技术思路，展示了高光谱表型技术在作物智能育种中的广阔应用前景。
该研究得到了中国国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的资助。中国科学院遗传与发育生物学研究所胡伟娟、华中农业大学陈晓茜、北京农学院植物科学技术学院余建平、海南大学邓婕为共同第一作者；中国科学院遗传与发育生物学研究所胡伟娟、吴昆、傅向东、刘蔷为共同通讯作者；中国科学院合肥物质科学研究院叶亚峰博士和华中农业大学杨万能教授深度参与了此项工作。
引用本文：Hu W, Chen X, Yu J, Deng J, Ye X, Zhang C, et al. Hyperspectral phenotyping reveals the genetic basis of grain quality in rice. aBIOTECH 2026:100039.
https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100039
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