本篇报道围绕2017年度上海市技术发明奖二等奖项目“调节餐后血糖的水稻高抗性淀粉的基因发掘及新品种选育”展开，该奖项由上海市农科院作物育种栽培研究所水稻中心朴钟泽领衔的特种稻研究团队获得。
发现抗性淀粉
1982年，英国科学家英格利斯特（Englyst）等人在进行膳食纤维研究时，发现不溶性膳食纤维中含有淀粉成分，并首先将这种淀粉定义为抗性淀粉。
与普通淀粉由α-1，4糖苷键链接而成、可分解为葡萄糖不同，缠绕成团的抗性淀粉以直链淀粉分子自由卷曲相互靠近，通过分子间氢键形成双螺旋，许多双螺旋相互叠加形成许多微小的晶核，晶核不断生长、成熟，成为更大的直链淀粉结晶。
直链淀粉结晶区阻止淀粉酶靠近淀粉结晶区域的α-1，4葡萄糖苷键，并阻止淀粉酶活性中心的结合部位与淀粉分子结合，从而使直链淀粉结晶具有抗淀粉酶消化的能力。
这种淀粉不能被小肠中的淀粉酶水解，不能在小肠中被消化吸收和提供葡萄糖，不引起血糖应答，在人的胃肠道中可以与挥发性脂肪酸起发酵反应。这种又被称为“抗酶解淀粉”“难消化淀粉”的物质，存在于马铃薯、香蕉、大米、玉米、小扁豆、白芸豆、鹰嘴豆等部分天然食品中，特别是在高直链玉米淀粉中，抗性淀粉含量高达60%。
1992年，欧洲抗性淀粉协会（EURESTA）将抗性淀粉定义为“不被健康人体小肠吸收的淀粉及其分解物的总称”。
而不被吸收有不被吸收的好处。人们每天摄入的营养素可分为6大类，包括使人体维持体温、呼吸、心跳、胃肠蠕动、肾脏泌尿等功能的蛋白质、脂肪、碳水化合物等3种产热（能）营养素和无机盐、水、维生素等3种非产热（能）营养素。其中，五谷杂粮等碳水化合物的消耗占每人每天供能的55%～65%。
我国传统主食水稻的食用部分含有70%～80%的淀粉，但稻米中抗性淀粉的含量很低，热米饭中一般低于1%，冷米饭中也仅占1%～2.1%，因而，米饭容易被消化吸收，糖尿病患者用餐后血糖迅速上升，体内却没有足够的胰岛素应对，容易引发高血糖。
这让我国的糖尿病患者“望米兴叹”，以往使用糙米、燕麦、杂粮等来替代主食，是许多糖尿病患者不得不选择的方式，但这些食物的口感、味道和稻米完全不同，更满足不了亚洲人对稻米的“胃口依赖”。
在肠道中停留时间可达2～7个小时甚至更长的抗性淀粉既可提供饱腹感，又对大米中的普通淀粉有包埋作用，可以延缓糖的释放和吸收，减少人体内胰岛素反应，对非胰岛素依赖型患者尤其适合，堪称糖尿病患者的福音。
此外，研究还发现，不同于膳食纤维被食用后由人体原样排出，抗性淀粉能实现很多功能性转化，有不少优越的生理功能：它可以降低血清中的胆固醇和甘油三酸酯，有效降低血脂和预防脂肪肝的形成；由于体积大，吸水膨胀后能刺激肠道蠕动，使排便变得容易，因此对防治便秘、窒息病，减轻刺激痔疮症状，稀释一些可能会刺激肿瘤细胞生长的有毒物质具有重要作用；它还是肠道益生菌的食物来源，分解后成为乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，可缓解腹泻、消化不良等症状；抗性淀粉在结肠中的发酵则是阻止结肠癌发生的重要因素。
提高水稻中抗性淀粉含量
如何提高大米中的抗性淀粉含量，让人们吃得更健康？分子生物学为21世纪的水稻遗传改良提供了可能。
多年来，上海市农科院作物育种栽培研究所水稻中心特种稻研究团队瞄准健康主食方向，长期潜心在功能水稻育种和品种改良等研究领域探索，创新培育了适合不同亚健康人群食用的低谷蛋白水稻、高营养巨胚水稻以及有色水稻等一批功能水稻种质资源，育成了数十个功能水稻新品系并推广应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
特别是团队经过20余年攻关研究，首次在国内外通过正向遗传学定位的方法，定位了控制抗性淀粉合成的基因sbe3-rs并获得授权发明专利，建立了高抗性淀粉水稻品种选育的分子标记辅助选择育种体系，成功培育出了“降糖稻1号”（商品名为“优糖米”）。相关科研项目“调节餐后血糖的水稻高抗性淀粉的基因发掘及新品种选育”获得2017年度上海市技术发明奖二等奖。
此前，2005年，浙江大学以我国主推杂交水稻恢复系R7954为起始材料，经航天搭载诱变，筛选创造了富含抗性淀粉的突变体RS111，其抗性淀粉含量高达7.0%，采取优化蒸煮方法，其热米饭中抗性淀粉含量可达10%。
2006年，浙江大学通过辐照诱变早籼稻新品系201获得高抗性淀粉早籼稻突变新品种“浙201”，其抗性淀粉含量为3.6%。
2011年，浙江大学以R7954为亲本，与源于美国的高抗性淀粉含量粳稻突变体RS102杂交，育成了糖尿病患者专用的水稻品种“宜糖米1号”，其生米中抗性淀粉含量为0.68%，通过煮制，米饭中抗性淀粉含量高达10.17%，并被加工成产品第三代“宜糖米”进行销售。
云南省农业科学院2008年从云南稻种及其初级核心种质资源“新平早籼”群体中系统选育出高抗性淀粉籼稻“功米3号”，并用于商业开发，商品名为“适糖米”，该品种生米抗性淀粉含量为8.0%～8.5%，煮制的米饭抗性淀粉含量高达10%～13%。
上海市农业科学院培育的“降糖稻1号”为国内首个采用化学诱变和常规育种结合选育的高抗性淀粉含量粳稻品系。
据复旦大学附属华东医院对其进行的血糖指数（GI）测试，普通白米饭的GI可达80以上，GI低于55的属于低生糖食品，“降糖稻1号”的GI只有48.53。以“降糖稻1号”为供体，科研人员又成功选育了功能性和高产优质兼顾的新高抗性淀粉含量的水稻品种“优糖稻2号”和“优糖稻3号”等系列品种（系），其抗性淀粉含量经农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心检测达15.2%，为普通水稻品种的20多倍。
用复旦大学公共卫生学院营养与食品卫生教研室教授厉曙光的话说：“吃普通米饭，患者的胰腺受不了，分泌不出那么多胰岛素，吃‘优糖稻’对胰岛就像一种安抚、抚摸，不需要它分泌那么多，胰岛的压力自然就降低了。”
普通稻米和优糖稻米对比
灵感来自韩国实验室
对于“优糖稻”品种的最初设想可以追溯至20世纪80年代，主人公是后来成为上海市农科院作物育种栽培研究所的朴钟泽研究员。
朝鲜族的朴钟泽出生、成长于盛产水稻的吉林延边农村。20世纪80年代，在日本研修期间，他第一次记住了“功能水稻”这个名词——原来水稻除了满足口粮需要，还可以用来研发各种保健功能。
他琢磨，随着人们生活水平的提高，饮食结构已发生巨大变化，因膳食结构不平衡和营养过剩而造成的糖尿病、肥胖症、高血压、高血脂、冠心病等“文明病”已成为危害我国人民健康的主要疾病，且呈逐年扩大趋势。而水稻作为三大粮食作物之一，稻米淀粉含量最高，是人类最重要的碳水化合物和能量来源之一。改良稻米中的营养成分，有利于降低人体对碳水化合物的吸收，从而可能降低“文明病”的发病率。
韩国首尔大学农学系作物育种实验室是韩国农业学界享有盛誉的一家作物育种实验室，在水稻诱变技术领域特别知名，朴钟泽曾在那里研修化学诱变技术。
辛苦又危险的化学诱变工作需科研工作者长时间弯着腰、踩在水田里，用肉眼在田间寻找外观发生目标突变的植株，并带到室内检测，观察其成分是否有变。等到收获的季节，这些突变的植株种子都要收集起来，次年再种下去，看是不是还保有相关性状。如此反复验证的过程，再加上中途各种研究诉求，从开始处理到发现想要的品种，往往需要四五年或更多的时间。整个实验周期相当漫长，研究者没有足够的热爱和耐心，很难完成这样清苦的坚守。
朴钟泽在优糖米产品上市发布会上
育种生涯中，朴钟泽有心在田间收集了1万多个外观发生突变的水稻植株，将籽粒一部分打成稻米，一部分留作种子，剥掉硬壳的稻米用于观察籽粒的突变，种子用于后续种植、观察。他获得了500多份突变植株，并把它们分别装进种子袋，带在身边。当时中国人的饮食健康观念还远没有像现在这样科学、普及，后来进入课题组的杨瑞芳说起自己的这位恩师，认为他特别具有前瞻性。
回国后，朴钟泽将突变的种子播进实验田，经过三四年时间，定型了几个品种。条件差的时候，他身边只有一名临时工伴随。2003年，在所里领导的支持下和别的水稻研究团队废弃的实验室基础上，他才建起一个实验室。但相关研究需要的测试、分析费用都很昂贵，负责后勤的同事经常打电话对他说：“朴博士，钱又不多了，你要想想办法啊！”他就又四处去“化缘”。
经过几年的筛选、育种，在朴钟泽培育出来的种子中，有四五种的膳食纤维含量高达5%～7%，而当时一般功能性水稻中的膳食纤维含量，大概在0.5%～1%。由于当时没有更多的资金去做交叉验证，相关数字又远远超出了朴钟泽自己的想象，这个惊人的检测结果不了了之。
2006年底，朴钟泽再次获得上海市财政资助到韩国研修时，阴差阳错地没有被安排去育种实验室，而到了品质实验室。有一天他发现同实验室的一位博士在做一种名叫“抗性淀粉”的物质研究。这种淀粉较其他淀粉难降解，在体内消化缓慢，吸收和进入人体血液都较缓慢。
“如果能够种出抗性淀粉含量高的水稻，糖尿病患者不就可以痛痛快快地吃饱米饭了吗？”朴钟泽兴奋地想。
当时，高抗性淀粉含量的水稻资源在国内外都还鲜见报道，朴钟泽却已预感到在这个方向上的研究将会有大的进展。
那次到韩国，他随身带了15种种子样品，原本想测一下膳食纤维的含量，在实验室同行博士研究的启发下，他马上请博士帮忙改测种子的抗性淀粉含量。结果让两个人都大为吃惊，朴钟泽更是欣喜若狂！
在这些种子中，有5种的抗性淀粉含量超过13%，最高的一种竟高达14.1%！而普通大米的抗性淀粉含量只有0.5%。
上天给朴钟泽的这个惊喜，是近10年来他通过对几十个品种的诱变处理，反复观察和分析鉴定，最终在十几万个突变群体中得到的高膳食纤维含量的遗传稳定突变体。
随后，团队针对性地对高抗性淀粉水稻的外观特性做了系统研究，并选取其他水稻品种杂交育种，确定了育种路线，育种效率大大提高。2009年，课题组的第一个“孩子”——“降糖稻1号”正式诞生。
寻找水稻抗性淀粉基因位置
遗憾的是，“降糖稻1号”产量较低，且熟期晚、不抗病、不抗倒伏、出糙率和出米率低，稻米口感差，吃起来比较硬。
又由于每亩稻米产量不足500斤，相应的生产成本和销售价都偏高，市场上以每千克上百元的超高价格销售，严重影响了该品种的推广。
此外，由于朴钟泽最初使用的是化学诱变材料，发现属于偶然，可重复性受到质疑，专利也没能获得批复。
朴钟泽陪同外宾专家参观优糖稻3号展示田
研究从光明跌入黑暗
传统育种方法是通过表现型间接对基因型进行选择，这种选择方法存在周期长、效率低等许多缺点，一直没有取得突破性的进展。分子标记技术的出现，生物信息学的发展，为人们从分子水平上研究水稻性状的基因定位提供了技术支撑，为人们利用分子标记辅助选择水稻品种提供了可能。
这个过程先要通过水稻杂交、自交，产生基因的分离和交换，再利用分子生物学技术，大致确定目标基因范围，并运用现代科技手段，不断缩小距离。将它确定在一个相当小的范围之内，然后再比对基因库信息，最终找到那个神秘的“达 · 芬奇密码”。
白建江和从浙江大学水稻分子遗传育种方向博士毕业的杨瑞芳等课题组成员的加入，推动了研究的进展，他们6月插秧、7月取样、8月杂交，在实验室与稻田之间来回穿梭，将采集来的植株叶片在实验室磨好，提取DNA，做分子标记，再根据分子标记多态性和抗性淀粉含量表型做关联分析……从海量的工作中一步步缩小目标区段。
功夫不负有心人，他们发现了突变后使抗性淀粉含量升高的基因的具体位置！这一原创成果使未来的育种和检验方便了很多。
课题组在2015年系统建立了“高抗性淀粉水稻品种选育的分子标记辅助选择育种和常规育种相结合的技术体系”，同时从全国收集优质、抗病、高产和抗倒伏的品种，一次次种植、筛选、淘汰，再种植、筛选、淘汰，循环往复地开展高抗性淀粉杂交改良水稻的培育尝试。最终成功选育的功能性和高产优质兼顾的新高抗性淀粉含量水稻品种“优糖稻2号”和“优糖稻3号”中，抗性淀粉含量高达13%，是普通水稻品种的20多倍，且亩产都接近或超过了千斤，价格也比“降糖稻1号”降低了许多，更多的糖尿病患者得以从中受益。
据悉，高抗性淀粉粳稻新品种“优糖稻”近期已进入大规模育种阶段，市农科院牵手上海新成食品有限公司在上海浦东新区祝桥镇建立了1 000亩“优糖稻”种源基地，并将依托该基地，5年内将种植规模扩大到10万亩。
“优糖稻”有望走上百姓餐桌
为了让“糖友”们吃上更好吃的“优糖稻”，研究者还变身“大厨”，尝试各种“烧饭”方式，包括与不同比例稻米混配后蒸煮、膨化、制作米粉及发酵等加工方式。
经实验筛选出的“优糖稻”米粉、饼干、“麦稻米”等越来越多既不影响抗性淀粉含量，又可改善食用品的食用形态，有望为调整人们的膳食结构，应对不断攀升的“文明病”做贡献。
中国食品科技学会名誉副理事长潘迎捷表示，我国自主研发的膳食食品产业目前还是一片蓝海，90%被国外垄断。“优糖稻”成果转化开启了产学研合作开发特殊膳食食品的先河。
本文由上海市“科技创新行动计划”科普项目（19DZ2332500）资助