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水稻胚乳淀粉合成相关基因克隆与高温影响稻米品质的分子生理学机制研究

姜华武  
【摘要】: 水稻稻米淀粉的组成、结构与积累是稻米品质与产量的决定因素。本研究以籼稻浙733和粳稻浙农大104为材料,克隆了胚乳淀粉合成部分相关基因,分析了表达特性及功能;同时探讨了高温影响稻米品质与淀粉合成酶的关系,结果如下: 1 从水稻未成熟种子全长cDNA文库中克隆到葡萄糖-6-磷酸/磷酸转运体(GPT)基因,推导的氨基酸序列与玉米GPT具有91%的同源性。OsGPT在水稻基因组中为单拷贝,定位于8号染色体,并与一个籽粒千粒重QTL连锁;在胚乳与根中高水平表达,叶片中只有痕量表达。说明水稻胚乳细胞中胞浆内碳水化合物可能是以葡萄糖-6-磷酸进入造粉体用于淀粉合成。 2 水稻胚乳存在两种果糖激酶,其活性只受高浓度ATP的抑制,而不受高浓度果糖抑制。通过PCR从水稻胚乳中获得两个果糖激酶克隆,OsFKⅠ和OsFKⅡ。OsFKⅠ和OsFKⅡ都具有ATP结合结构域和果糖激酶特有的果糖结合结构域。在大肠杆菌中证明这两个基因表达产物具有果糖激酶活性。OsFKⅠ和OsFKⅡ主要在未成熟种子和根中表达,OsFKⅡ在未成熟种子内的表达量高于OsFKⅠ。两个果糖激酶基因在水稻基因组中都是单拷贝,分别定位于1号染色体和8号染色体上,并且OsFKⅠ与一个千粒重QTL连锁。 3 聚丙烯酰胺凝胶电泳分析显示水稻胚乳中存在多种淀粉合(成)酶同工型,根据电泳迁移率可以分为3类。从水稻胚乳中克隆了3个SSSⅡ基因,并在大肠杆菌中表达证明了其淀粉合(成)酶活性。这三个基因在水稻基因组中都是单拷贝,分别定位在10号(SSSⅡ-1),2号(SSSⅡ-2)和6号(SSSⅡ-3)染色体上。这3个基因3’端的6个外显子的排列完全一致,说明有共同进化来源。在5’端差异很大,可能由此赋予了不同的功能。SSSⅡ-2在水稻中为低水平组成性表达;SSSⅡ-1主要在胚乳中表达,但在叶中也有少量表达;SSSⅡ-3则只在胚乳中表达。SSSⅡ-3与alk基因紧密连锁,而SSSⅡ-1也同一个千粒重QTL连锁,说明SSSⅡ-1和SSSⅡ-3在稻米淀粉积累与品质形成方面具有重要作用。 4 候选克隆(Candidate gene approach)和图位候选克隆(Positional candidate cloning)已成为基因克隆与基因功能分析的重要途径。本研究通过生物信息学方法定位了水稻胚乳淀粉合成与积累相关的56个候选基因,发现有31个基因与水 稻千粒重和糊化温度、胶稠度等QTL连锁,说明水稻胚乳淀粉积累与淀粉结构 可能与这些基因相关,为进一步研究水稻产量的形成和稻米品质形成的分子基础 提供了参考。 5稻米品质明显受环境温度的影响。为了研究高温影响稻米品质的分子生 理学机制,以浙733为材料,开花后分别移植于高温(2 9/35”C)和适温(22/28 。C)生长,分析了稻米品质变化和胚乳淀粉合成相关基因的表达变化。灌浆期高 温改变稻米淀粉的组成与结构,使直链淀粉含量降低和支链淀粉长B链比例增 加,从而降低稻米蒸煮品质,原因是胚乳颗粒结合淀粉合(成)酶和淀粉分支酶 的表达与活性降低。高温加速了籽粒的灌浆,缩短了灌浆期,降低了籽粒的充实 度,从而增加稻米坚白面积并降低了稻米的整精米率。水稻成熟时,胚乳中以及 茎叶中残留的可溶性总糖含量增加。与此相对应,高温对叶片蔗糖磷酸合成酶活 性影响不大,而胚乳蔗糖合(成)酶、ADP葡萄糖焦磷酸化酶、可溶性淀粉合 (成)酶活性在灌浆高峰期活性略有增加,但在灌浆后期迅速下降。说明高温主 要是通过影响胚乳的淀粉合成而影响籽粒产量和稻米品质。


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