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稻米蛋白质含量QTL qGPC-10的图位克隆与功能研究

杨宜豪  
【摘要】:水稻(Oryza sativaL.)是我国乃至世界范围内最主要的粮食作物之一,对保障粮食安全具有举足轻重的作用。近几十年来,我国水稻产量不断提高,但稻米品质却普遍偏低,与国外优质籼粳品种存在较大的差距。为此,人们围绕稻米品质的遗传解析和改良开展了许多研究,特别是稻米淀粉品质的研究。稻米胚乳中的蛋白质是仅次于淀粉的第二大贮藏物质,大量研究表明蛋白质含量的高低与组成严重影响着稻米品质,特别是营养品质与蒸煮食味品质。然而,蛋白质含量是一个典型的数量性状,极易受到环境条件和其他农艺性状的影响,其遗传调控机制研究相对缓慢,严重制约了水稻品质改良的进展。因此,解析稻米蛋白质含量的遗传调控机制、克隆控制蛋白质含量的主效基因,对于水稻品质改良具有重要的意义。本研究对不同类型水稻种质的稻米蛋白质含量进行测定,分析了稻米蛋白质在种质资源中的遗传变异及引起变异的主要因子;同时利用一套由籼粳交组合衍生的染色体单片段代换系(CSSL)在多环境下进行稻米蛋白质含量QTL定位;进一步对鉴定到的主效QTL qGPC-10进行了图位克隆与功能研究。主要研究结果如下:1.水稻籽粒蛋白质遗传变异与分布不同环境下402份种质资源稻米蛋白质含量的调查表明,稻米蛋白质含量在自然群体中表现为广泛的连续变异,呈单峰正态分布,极差约为8%左右。年际间群体的平均蛋白质含量相差近2%,说明环境条件对蛋白质含量具有较大的影响。进一步分析表明,粳型亚种内存在更多的低蛋白质含量品种,而籼型亚种则拥有更多的高蛋白质含量品种,籼稻品种的平均蛋白质含量显著高于粳稻品种,表明籼粳亚种间稻米蛋白质含量存在明显分化。对103份具有相似生育期和株高的籼粳品种的四种贮藏蛋白含量分析表明,谷蛋白含量在群体中的变异可解释总蛋白含量变异的73.9%,表明谷蛋白含量是籼粳亚种稻米蛋白质含量差异的主要因子。2.稻米蛋白质含量QTLqGPC-10精细定位由于稻米蛋白质含量极易受到环境条件的影响,为进一步探明稻米蛋白质含量的遗传调控机制,在5个环境下测定了粳稻Sasanishiki和籼稻Habataki杂交衍生的染色体单片段代换系(CSSL)及两亲本的稻米蛋白质含量。结果表明,亲本间稻米蛋白质含量差异明显,籼稻品种Habataki的蛋白质含量显著高于粳稻Sasanishiki,CSSL群体中稻米蛋白质含量呈连续广泛分布,表明稻米蛋白质含量为典型的数量性状。QTL定位结果表明,在5个环境中共鉴定到13个QTL位点,其中qGPC-1和qGPC-10在5个环境中均能重复检测。该结果表明qGPC-1和qGPC-10可能对环境不敏感,是造成该群体中稻米蛋白质含量差异的关键位点。进一步利用CSSL SL431与亲本Sasanishiki杂交配置的高世代群体,将qGPC-10精细定位在第10号染色体约35Kb范围内,该区段内共有4个ORFs。比较4个ORFs在NILs间各组织中的表达情况表明,只有LOC_Os10g26060在NILs的胚乳中表达量呈极显著差异(P=0.0003)。3.稻米蛋白质含量QTLqGPC-10克隆与功能研究基因敲除和互补试验表明,LOC_Os10g26060为qGPC-10的候选基因,编码一个谷蛋白前体蛋白OsGluA2。RT-PCR分析表明,OsGluA2在胚乳中特异表达,且籼型等位基因的表达量显著高于粳型。基因测序结果表明,OsGluA2在自然群体中存在5种单倍型,其中类型1的表达量与谷蛋白含量均显著低于其他4种类型。融合表达试验表明位于OsGluA2启动子区的一个SNP(-1100)与其转录表达水平相关,可将OsGluA2的等位基因分为低表达(OsGluA2LET)和高表达(OsGluA2HET)两种等位基因类型。群体遗传和进化分析表明,OsGluA2在水稻驯化过程中未受到人工选择,且主要分布于粳稻中的OsGluA2LET起源于野生稻。NIL及转基因材料的稻米贮藏物质及淀粉理化特性分析表明,OsGluA2是稻米蛋白质含量的正调节因子,其表达量越高,谷蛋白的含量越高,沉积谷蛋白的蛋白体Ⅱ体积越大。此外,该基因同时还影响稻米淀粉相关品质的表达及稻米中各类氨基酸含量,对稻米品质具有多重影响。


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