水稻淀粉分支酶基因表达特性及启动子结构比较分析
发布时间：2019-12-03 15:21
【摘要】：淀粉的组成与结构是决定稻米品质最主要的因素。淀粉分支酶(SBE)是水稻淀粉合成过程中的关键调控酶之一,有Os SBEI、Os SBEIIb和Os SBEIIa三种同工酶基因型。基因启动子决定了基因的表达时间、部位及强度,对基因启动子结构的研究能够在一定程度上说明基因的表达特性。本研究以直链淀粉含量超亲变异的子代和亲本及籼稻品种八十儿和糯稻品种龙稻8号为供试材料,通过盆栽试验分析不同灌浆时期籽粒各淀粉组份含量、SBE活性、SBE同工酶基因型表达量以及克隆6个供试材料的Os SBEI、Os SBEIIb和Os SBEIIa启动子,分析启动子克隆序列的碱基变化和调控元件的变化等,旨在为阐明直链淀粉积累的调控机制及启动子结构变异与转录表达量的关系和创制品质改良的分子手段提供理论依据。研究结果如下:灌浆过程中6个供试材料的直链淀粉、支链淀粉和总淀粉含量呈直线增长,籼稻品种八十儿的直链淀粉积累量及积累速度优于粳稻超亲变异系品种优于糯稻品种龙稻8号;直链淀粉含量低的品种,最高粘度、热浆粘度和崩解值比较大,降低直链淀粉含量有利于提高稻米的蒸煮食味品质。灌浆过程中籽粒SBE活性变化趋势呈单峰曲线,在抽穗后20 d左右达到峰值后下降,直链淀粉含量高的品种其酶活性高于直链淀粉含量低的品种,即籼稻粳稻糯稻。灌浆过程中SBE同工酶基因型的转录表达量变化动态与酶活性变化动态一致,二者呈极显著正相关关系。OsSBEIIb在胚乳中的表达量最高,Os SBEI次之,Os SBEIIa最低,几乎不表达。在6个供试材料的SBE同工酶基因型中,Os SBEIIb启动子序列变异程度最低,与NCBI已公布的日本晴同源性高达99.93%,Os SBEI基因启动子为99.20%,而Os SBEIIa基因启动子为96.90%,但其变异程度却最高。供试材料间各SBE同工酶基因型启动子虽然有不同程度的碱基变异,但这些变异位点并没有引起启动子调控元件种类的变化,只是引起了数量上的变化。Os SBEI、Os SBEIIb和Os SBEIIa启动子序列均包含多种顺式作用元件,不仅包含基本核心调控元件、加强转录水平的调控元件、种子特异表达必需元件,还包含大量的光相应相关元件、激素响应相关元件、逆境诱导相关元件、组织表达相关元件等。超亲变异子代各SBE同工酶基因型启动子序列与亲本存在不同程度的变异,Os SBEI只有1处碱基变化,该变化引起2种调控元件的改变;Os SBEIIb的碱基序列存在4处变化,引起了4种调控元件的改变;Os SBEIIa的5处碱基变化导致7种调控元件的改变。
【图文】：
1.2.1 淀粉生物合成淀粉是葡萄糖高聚体，是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式，淀粉在植物贮藏器官中的生物合成途径如图 1-1 所示。胚乳等贮藏器官中淀粉的积累与合成是通过一系列酶促反应进行的，整个淀粉的生物合成可分为三个过程：腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）的产生、直链淀粉的合成、支链淀粉的合成。在水稻胚乳中，合成淀粉的原料来自于植物叶片光合作用产生的碳水化合物，即蔗糖，通过筛管等结构将其运输至胚乳细胞。蔗糖在胞液中蔗糖合酶的作用下分解为果糖和脲苷二磷酸葡萄糖（UDPG），果糖在果糖激酶的作用下生成 6-磷酸果糖（F-6-P），UDPG 在脲苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的作用下生成 1-磷酸葡萄糖（G-1-P），然后 F-6-P 在葡萄糖磷酸变构酶的作用下生成 6-磷酸葡萄糖（G-6-P），而 G-1-P 在胞质葡萄糖磷酸变位酶的作用下生成 G-6-P，生成的 G-6-P 在己糖-磷酸转运体的作用下进入造粉体中，在葡萄糖磷酸变位酶的作用下生成 G-1-P，然后，G-1-P 在 ADP 葡萄糖焦磷酸化酶（AGPP）作用下生成 ADPG。随后 ADPG 在颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS）和可溶性淀粉合成酶（SSS）的作用下产生线性的α-1,4 糖苷键组成的淀粉链，然后以线性α-1,4 葡萄糖链为底物，在淀粉分支酶（SBE）的作用下作用下引入α-1,6 糖苷键形成具有分支结构的支链淀粉，并进一步在脱分支酶（DBE）、磷酸化酶和葡萄糖转移酶的作用下对其淀粉结构进行修饰，最后合成具有一定结构特性的直链淀粉和支链淀粉。1.2 国内外研究动态
前 言直链淀粉（Amylose）为无分支的螺旋结构，由α-1,4 糖苷键连接而成，见图 1-2。植物直链淀粉的合成由淀粉粒结合淀粉合成酶（Granule bound starch synthase, GBSS）催化[5]，该酶有 GBSSI 和 GBSSII 两种同工型，见表 1-1。GBSSI 主要负责催化合成贮藏器官中的直链淀粉，对直链淀粉的延长起主导作用，是直链淀粉合成所必须的，也负责支链淀粉中较长葡聚糖链的形成；GBSSII 负责叶片和非贮藏器官中直链淀粉的合成[6-9]。稻米直链淀粉的高低受遗传因素控制，，目前有三种观点[10-12]：受一对主效三倍体核基因-Wx 基因控制、受两对互补显性基因控制、受不同位点的等位基因控制。国际水稻所根据直链淀粉不同，将水稻划分为以下几个等级：以粳稻为基础，糯性（1-2%）和非糯性（>2%）。非糯性稻米还可以分为：极低（2-10%）、低（10-20%）和中等（20-25%），高含量可分为中高（25-27%）和高含量（>27%）。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S511
本文编号：2569244
【图文】：
1.2.1 淀粉生物合成淀粉是葡萄糖高聚体，是细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式，淀粉在植物贮藏器官中的生物合成途径如图 1-1 所示。胚乳等贮藏器官中淀粉的积累与合成是通过一系列酶促反应进行的，整个淀粉的生物合成可分为三个过程：腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG）的产生、直链淀粉的合成、支链淀粉的合成。在水稻胚乳中，合成淀粉的原料来自于植物叶片光合作用产生的碳水化合物，即蔗糖，通过筛管等结构将其运输至胚乳细胞。蔗糖在胞液中蔗糖合酶的作用下分解为果糖和脲苷二磷酸葡萄糖（UDPG），果糖在果糖激酶的作用下生成 6-磷酸果糖（F-6-P），UDPG 在脲苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶的作用下生成 1-磷酸葡萄糖（G-1-P），然后 F-6-P 在葡萄糖磷酸变构酶的作用下生成 6-磷酸葡萄糖（G-6-P），而 G-1-P 在胞质葡萄糖磷酸变位酶的作用下生成 G-6-P，生成的 G-6-P 在己糖-磷酸转运体的作用下进入造粉体中，在葡萄糖磷酸变位酶的作用下生成 G-1-P，然后，G-1-P 在 ADP 葡萄糖焦磷酸化酶（AGPP）作用下生成 ADPG。随后 ADPG 在颗粒结合型淀粉合成酶（GBSS）和可溶性淀粉合成酶（SSS）的作用下产生线性的α-1,4 糖苷键组成的淀粉链，然后以线性α-1,4 葡萄糖链为底物，在淀粉分支酶（SBE）的作用下作用下引入α-1,6 糖苷键形成具有分支结构的支链淀粉，并进一步在脱分支酶（DBE）、磷酸化酶和葡萄糖转移酶的作用下对其淀粉结构进行修饰，最后合成具有一定结构特性的直链淀粉和支链淀粉。1.2 国内外研究动态
前 言直链淀粉（Amylose）为无分支的螺旋结构，由α-1,4 糖苷键连接而成，见图 1-2。植物直链淀粉的合成由淀粉粒结合淀粉合成酶（Granule bound starch synthase, GBSS）催化[5]，该酶有 GBSSI 和 GBSSII 两种同工型，见表 1-1。GBSSI 主要负责催化合成贮藏器官中的直链淀粉，对直链淀粉的延长起主导作用，是直链淀粉合成所必须的，也负责支链淀粉中较长葡聚糖链的形成；GBSSII 负责叶片和非贮藏器官中直链淀粉的合成[6-9]。稻米直链淀粉的高低受遗传因素控制，，目前有三种观点[10-12]：受一对主效三倍体核基因-Wx 基因控制、受两对互补显性基因控制、受不同位点的等位基因控制。国际水稻所根据直链淀粉不同，将水稻划分为以下几个等级：以粳稻为基础，糯性（1-2%）和非糯性（>2%）。非糯性稻米还可以分为：极低（2-10%）、低（10-20%）和中等（20-25%），高含量可分为中高（25-27%）和高含量（>27%）。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S511
【引证文献】
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1 郭丽君;葛根淀粉积累的生理及分子基础研究[D];广西大学;2018年
本文编号：2569244
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