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有色米的品质特性与种皮颜色性状的分子遗传学研究

王彩霞  
【摘要】: 有色米是色素沉积在水稻种子的种皮中形成的,红米和紫米是其中最常见的两种。红米和紫米种皮内的色素均属于类黄酮物质,前者为原花色素,后者为花色素苷。现今世界范围内主栽和食用的白米是由红米驯化而来。本试验分析了同等条件下栽培的有色米和白米的营养和功能品质;开展红米材料ZhuⅠ种皮颜色性状的遗传分析、基因定位;通过研究来自世界各地的221份水稻材料的Rc基因片段的多态性探讨了白色种皮性状可能的演化途径;完成了水稻紫色种皮性状遗传特性分析、基因定位,并对紫色种皮性状的侯选基因Ra的DNA序列和表达进行了分析。主要研究结果如下: 1对同等条件下栽培的4份红米材料、6份紫米材料以及白米对照的糙米进行分析,结果表明,除了总蛋白、氨基酸和植酸含量,其它所测指标包括灰分、粗脂肪、粗纤维、总淀粉、金属元素(Fe、Zn、Ca、Cu、Mn、Mg、Mo)、抗性淀粉含量、氨基酸相对含量以及脂肪酸组成,供试有色米材料的变幅涵盖了白米对照。对于总蛋白、氨基酸及植酸含量,虽然供试有色米材料整体均高于白米对照,但从与紫米色素含量的关系来看,总蛋白、氨基酸及植酸含量与色素含量之间并无相关性,这种差异可能是选材的原因造成的。 2紫米种皮色素主要成分为矢车菊素-3-葡萄糖苷和芍药素-3-葡萄糖苷,不同品系色素的含量存在较大的差异,最高达12.44mg/g,最低为2.20mg/g。红米和紫米米皮提取物的抗氧化性显著高于白米,其中紫米NL5-9的DPPH清除能力为白米对照池优S48的14倍。紫米的抗氧化性与其色素含量呈正相关,说明花色素苷是紫米中主要的抗氧化物质。 3水稻红色种皮对白色种皮呈显性。培矮64S/ZhuⅠ分离群体中不同有色植株间种皮的颜色具有着色深浅的差异,但培矮64S/ZhuⅠF_2群体中有色纯合:有色杂合:白色纯合单株的分离比例符合1:2:1,表明培矮64S与ZhuⅠ之间种皮颜色性状的差异由一对主效果基因控制。该基因被定位在第7染色体上,分别与RM542和RM8247相距16.63cM、4.58 cM,与前人报道的Rc基因位置相当。 5据报道,白米种皮不着色的遗传基础是Rc基因第6外显子的一个14bp缺失。DNA测序结果表明,在这14bp差异处,ZhuⅠ与野生稻IRGC-105491(红色种皮)的序列相同,而培矮64S与Jefferson(白色种皮)的序列相同。因此,ZhuⅠ红色种皮与培矮64S白色种皮的差异也可能是源于这一14bp缺失。ZhuⅠ的Rc基因片段与自然界存在的红色种皮野生稻相同,同时,它与协青早B间存在较高比率的SSR差异,因此ZhuⅠ的红色种皮性状可能来自协青早B与外来红米花粉的窜粉,而并非如记载的由协青早B发生显性突变而来。6从161个白米品种中检测到10份材料的Rc基因不存在上述14bp缺失,表明红米向白米的演化至少存在两条途径。第一条途径是由于Rc基因第6外显子14bp碱基的缺失突变引起,世界上大多数的白米品种包括白色种皮的非洲栽培稻都可能源于这一突变。第二条途径以来自阿富汗、伊拉克、巴基斯坦的10份材料为代表,其白色种皮不是由于Rc基因的14bp缺失引起,而有可能是源于Rc基因第6外显子内一个由C到A的单碱基突变。 7水稻紫色种皮对白色种皮呈显性。培矮64S/豫南黑籼糯和培矮64S/川黑糯F2分离群体中不同有色植株间种皮的颜色具有着色深浅的差异,有色单株:白色单株的分离比例符合3:1,表明紫米与自米种皮颜色性状的差异受一对主效基因控制。 8利用培矮64S/豫南黑籼糯和培矮64S/川黑糯F2群体,将控制紫色种皮性状的Pb基因定位在第4染色体25kb范围以内(TIGR4:chromosome 4:27712299-2773775);其间包括两个侯选基因bhlh16和Ra。 9对侯选基因Ra进行序列分析发现,与白米品种培矮64S、9311(籼)和日本晴(粳)相比,豫南黑籼糯和川黑糯中Ra基因第7外显子存在一个GT缺失。根据GT缺失发展了一个CAPS标记CAPSRa,并对两个F_2分离群体和100余份水稻品种进行分析。结果发现,所有F_2白米单株以及所有白米(n=63)和红米(n=23)品种的CAPSRa基因型与培矮64S相同,而所有紫米品种(n=20)与豫南黑籼糯和川黑糯相同。根此推测,Ra基因可能即为Pb基因,水稻紫色种皮性状可能由Ra基因的GT缺失引起。


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