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水稻胚乳垩白形成机制的生理生化与转录组水平解析

刘晓璐  
【摘要】: 垩白是指稻米胚乳中白色不透明的部分。垩白现象的出现直接影响稻米的外观品质和蒸煮品质,这是因为高垩白的稻谷在精碾加工过程中极易破碎、整精米率低,并且在蒸煮后米饭蓬松中空、蒸煮食味品质较差。研究表明,稻米垩白性状属于复杂的数量性状,受多基因控制,目前对于垩白形成的分子机制尚不清楚,这在很大程度上阻碍了稻米品质的遗传改良。本研究以Asominori为遗传背景、IR24为供体的高垩白染色体片段置换系(CSSL)和低垩白品系Asominori为材料,通过生理生化分析和cDNA微阵列分析,研究稻米垩白形成的酶学特性及相关基因的表达调控。研究结果表明,稻米垩白的形成具有复杂的内在生理环境,与灌浆期水稻籽粒细胞内的碳代谢(淀粉合成和降解;纤维、半纤维素和果胶生物合成)、信号传递、细胞防御、抗氧化平衡等基因功能类群和调控网络途径密切相关。此外,研究中同时发现高垩白CSSL50中的氧化-还原体系被激活,表明ROS信号传导途径与稻米垩白形成存在密切的相关性。主要研究结果如下: 1.稻米垩白的形成与淀粉合成酶动力学变化、较快的籽粒灌浆速率,以及淀粉粒的精细结构相关。生理生化分析研究结果发现,高垩白置换系CSSL50与低垩白品系Asominori胚乳细胞中淀粉体的形态存在差异,Asominori淀粉体为多边形、排列紧密、颗粒间基本没有空隙、透光性好;然而,CSSL50籽粒胚乳垩白部位的淀粉体为椭圆形、排列疏松、颗粒间存在较大空隙、透光性差;与Asominori相比,CSSL50中聚合度为8和9的短链比例显著偏高,聚合度为12的中长链,以及聚合度为17的长链所占比例显著偏低;高垩白CSSL50的SuSy、AGPase、SBE和DBE酶的活性显著高于低垩白Asominori;在灌浆后10-15 d时,CSSL50籽粒灌浆速率明显高于Asominori。上述结果表明CSSL50高垩白性状的形成与淀粉合成酶动力学变化,较快的籽粒灌浆速率,以及淀粉粒的精细结构密切相关。 2.稻米胚乳垩白的形成可能与灌浆期籽粒细胞内的信号传递、细胞防御、抗氧化平衡、碳代谢、转录调控和蛋白降解等基因功能类群和调控网络途径密切相关。基因表达谱分析发现,以低垩白背景亲本Asominori为参比,高垩白置换系CSSL50中极显著上调或下调(P 0.01)的基因623个,其中上调的有324个,下调的有299个。结合差异基因的相关功能注释,将此623个差异表达基因分为18个功能类别,其中6个主要功能类别基因群(信号传递、细胞防御、抗氧化平衡、碳代谢、转录调控和蛋白降解)占差异显著基因总量的68.8%,说明稻米胚乳垩白的形成可能与灌浆期籽粒细胞内的信号传递、细胞防御、抗氧化平衡、碳代谢、转录调控和蛋白降解等基因功能类群和调控网络途径密切相关 3.稻米垩白的形成与多糖合成关系密切。结合基因差异表达、碳代谢相关酶活性和物质含量变化等研究结果,发现稻米垩白的形成与增强的淀粉代谢和减弱的纤维、半纤维素及果胶生物合成密切相关。基于生理生化测定结果和基因表达谱分析结果对碳代谢相关差异表达基因进行pathway构建,发现水稻碳代谢影响稻米垩白形成的机制表现出一致性,即在形成稻米高垩白的生理环境中,淀粉合成能力增强,降解程度减弱,与此相反,在低垩白环境下胚乳细胞中纤维素和半纤维素的合成能力减弱,降解程度增强。 4.基于本研究中基因芯片、RT-PCR和过氧化氢含量变化的研究结果,可发现高垩白近等基因系CSSL50中抗氧化体系被激活。本研究发现高垩白CSSL50的过氧化氢含量显著地高于低垩白背景亲本Asominori。同时,SOD、APX、GPX、MDAR和PrxR等抗氧化基因在高垩白CSSL50中的表达水平均显著高于Asominori,说明高垩白CSSL50籽粒胚乳中的抗氧化体系被激活,清除多余氧化自由基(如:过氧化氢等)的能力高于Asominori。此外,GST、Glx和Trx基因在高垩白CSSL50中的表达水平也均显著高于Asominori;而CSSL50的LOX基因表达水平显著地低于Asominori;RT-PCR结果进一步证明了这一结果。因此,CSSL50籽粒胚乳中的抗氧化修复体系的功能明显高于Asominori,说明稻米胚乳垩白产生是在被激活(提高)的抗氧化水平的环境下进行的,且通过改变碳水化合物代谢而实现的。 5.综合上述研究结果得出稻米垩白的形成同时受特定基因型和特定生理环境互作决定。稻米垩白形成的内在生理环境特征表现为,蛋白质合成和降解能力均增强、淀粉合成能力增强,但是纤维素和半纤维素的合成能力减弱;基因表达谱等分子研究结果显示,在稻米垩白形成过程同时由多种激素、逆境信号途径的参与和互作;其中,ROS信号传导途径与稻米垩白形成密切关联,而氧化-还原体系被激活程度及其消除胚乳生境内ROS的能力可能将在一定程度上决定了稻米垩白的形成度。至此,本研究在基因水平上发现了CSSL50产生垩白的原因/机理与经典遗传和生理研究结果“外界环境胁迫(如:高温、光照条件等)条件导致稻米垩白产生”相一致。


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