以腹切米突變體為材料解析粳米腹白形成的生理與分子機制.pdf

1、隨著我國居民生活水平的提高，優(yōu)質(zhì)粳米消費需求“南移西擴”趨勢明顯，消費量快速提升。在南方有條件的地區(qū)穩(wěn)步推進“秈改粳”已成為農(nóng)業(yè)部促進粳稻生產(chǎn)、增加粳米供應(yīng)的重要舉措。堊白是胚乳中白色不透明的部分，是最重要的稻米外觀品質(zhì)指標之一，也是影響碾米品質(zhì)和蒸煮食味品質(zhì)的重要因子。近年來，新育成品種堊白達標率有所提高，但在江蘇等南方粳稻主產(chǎn)區(qū)仍然普遍存在主栽品種堊白米率較高、堊白度較大等問題。以滿足經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)日益增長的優(yōu)質(zhì)米需求為目標，在穩(wěn)產(chǎn)基

2、礎(chǔ)上，改良外觀品質(zhì)，尤其是降低堊白米率已成為南方粳米產(chǎn)業(yè)發(fā)展的當務(wù)之急。因而，開展粳稻堊白研究，揭示堊白的形成與調(diào)控機制，對于推進我國南方稻區(qū)“秈改粳”進程具有重要的理論和實際應(yīng)用價值。
　　稻米堊白是由基因型與環(huán)境共同控制的，涉及碳、氮等多種代謝和調(diào)控途徑的復雜性狀。堊白遺傳機理的復雜性、代謝途徑的多樣性及對環(huán)境因子響應(yīng)機制上的多變性，致使目前堊白相關(guān)基因鑒定、克隆等遺傳機理研究以及調(diào)控堊白的農(nóng)藝措施研究進展緩慢。本研究以創(chuàng)制的

3、高腹白腹切米突變體DY1102為材料，在有效消除遺傳背景和環(huán)境因素影響的基礎(chǔ)上，比較分析了成熟期堊白胚乳和透明胚乳之間在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生化組分和蛋白表達等方面上的差異。同時，采用轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等系統(tǒng)生物學技術(shù)，整合分析了發(fā)育穎果中腹白相關(guān)基因的表達特征及其調(diào)控的代謝網(wǎng)絡(luò)。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)成熟籽粒的理化分析結(jié)果表明，堊白胚乳和透明胚乳在形態(tài)結(jié)構(gòu)和生化組成上差異顯著。堊白胚乳中淀粉粒結(jié)構(gòu)疏松、顆粒之間存在明顯

4、空隙，部分淀粉粒表面存在微孔。堊白胚乳中淀粉含量顯著增加，蛋白質(zhì)、氨基酸含量則顯著降低。與透明胚乳相比，堊白胚乳中支鏈淀粉聚合度小于12的短鏈顯著增加，而長鏈降低。在礦質(zhì)元素上，堊白效應(yīng)使得As、Ba、Cd、Cr、Mn、Na、Sr及V元素含量顯著增加，B、Ca、Cu、Fe和Ni元素含量顯著降低，在總P、植酸P、K、Mg和Zn元素含量上則無顯著差異。胚對胚乳總蛋白質(zhì)和氨基酸組分含量，以及除Ca外的其余16元素含量均有顯著的負效應(yīng)，啟示出胚

5、效應(yīng)在堊白研究中的重要性。
　　(2)成熟籽粒蛋白的iTRAQ全譜分析顯示，堊白胚乳和透明胚乳在蛋白表達上差異顯著，主要表現(xiàn)在碳水化合物代謝以及蛋白質(zhì)合成、折疊和降解等方面。利用iTRAQ技術(shù)分析了成熟籽粒腹白胚乳蛋白質(zhì)的表達譜特征。通過比較分析鑒定了113個與堊白相關(guān)的差異表達蛋白，其中70個蛋白表達上調(diào)，余下43個表達下調(diào)。其中，在碳代謝中，淀粉的合成、降解以及細胞壁合成過程均可能參與堊白形成。蛋白質(zhì)代謝是差異表達蛋白中的第一

6、大類，占其總數(shù)的27.4％。在堊白組織中鑒定到PDIL2-3和BiP等蛋白顯著下調(diào)，由此推斷蛋白質(zhì)代謝在堊白形成過程中具有重要作用。此外，還鑒定了與堊白相關(guān)的ROS清除、離子轉(zhuǎn)運、信號轉(zhuǎn)導途徑以及脅迫反應(yīng)等相關(guān)蛋白，為堊白形成的分子機理及生化基礎(chǔ)研究提供了參考。
　　(3)穎果發(fā)育代謝組學研究表明，堊白形成可能主要與淀粉、蛋白及細胞壁合成途徑等合成能力降低有關(guān)。采用非靶向代謝組分析技術(shù)，比較了發(fā)育過程中的腹切米突變體籽粒堊白和透明

7、部位在代謝組上的差異。共鑒定出籽粒發(fā)育過程相關(guān)的214個代謝物，主要參與中心代謝途徑及部分次生代謝途徑的代謝物。比較堊白和透明部位在代謝物上的差異，發(fā)現(xiàn)與堊白相關(guān)的180種差異代謝物。代謝途徑分析表明，堊白部位參與淀粉和蛋白等貯藏物質(zhì)合成的相關(guān)代謝物表達降低。與此同時，ROS清除系統(tǒng)中抗壞血酸和α-生育酚含量，及其他具抗氧化代謝物如PAs含量均增加。滲透調(diào)節(jié)代謝物如甜菜堿、海藻糖以及棉子糖均含量增加。螯合礦質(zhì)元素離子的植酸及合成前體含量

8、均增加，而轉(zhuǎn)運礦質(zhì)元素離子的煙酰胺及植物鞘氨醇均下降。并伴隨ROS清除系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)、細胞壁合成和離子平衡等代謝過程的擾動。研究結(jié)果初步揭示了堊白形成相關(guān)的代謝網(wǎng)絡(luò)，并探討了胚在堊白形成中的作用。
　　(4)穎果發(fā)育轉(zhuǎn)錄組和蛋白質(zhì)組聯(lián)合分析結(jié)果顯示，堊白部位碳、氮代謝轉(zhuǎn)向次生代謝，醇溶蛋白累積降低，果皮光合作用能力降低。通過利用RNA-Seq和iTRAQ技術(shù)分析發(fā)育穎果中堊白部位及透明部位的基因表達特性，從38476個基因和464

9、6個蛋白中鑒定到了240個差異基因和363個差異蛋白，實現(xiàn)了堊白相關(guān)基因發(fā)掘的準確聚焦。在碳、氮代謝上，堊白胚乳中心碳代謝及氧化磷酸化受抑而產(chǎn)能減少，含硫氨基酸及芳香族氨基酸代謝增強，且轉(zhuǎn)向次生合成。淀粉降解和細胞胞壁分解增強。在蛋白質(zhì)代謝上，堊白胚乳因核糖體蛋白表達下調(diào)使得合成能力減弱，非泛素介導的蛋白酶相關(guān)基因表達的上調(diào)使其降解能力增強，最后導致醇溶蛋白尤其是13kD亞基累積降低。在物質(zhì)轉(zhuǎn)運和激素代謝上，碳氮代謝底物相關(guān)轉(zhuǎn)運子表達均

10、增強，參與激素合成及其激素的受體及轉(zhuǎn)運載體整體呈表達上調(diào)趨勢。此外，堊白部位果皮光合能力降低?；谝陨限D(zhuǎn)錄組和蛋白組學的平行分析，本研究初步揭示了堊白相關(guān)的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為揭示堊白形成與調(diào)控機制提供參考。
　　綜合以上結(jié)果，堊白的形成雖然是一個受控于多種代謝途徑和多個細胞器、組織互作的復雜過程，但仍有路(pathway)可循。特別是在碳、氮代謝的轉(zhuǎn)向、蛋白合成能力降低而降解能力增強所致的13kD亞基降低，以及胚和果皮在堊白形成中的