水稻超亲变异系OsRSRI基因序列比较及表达调控分析

发布时间：2020-07-14 00:31

【摘要】：随着人们生活质量的提升,人们对稻米品质的要求也日渐提高。由于稻米主要以米饭形式被消费,因此在众多的稻米品质内容中蒸煮食味品质最为重要。胚乳的直链淀粉和支链淀粉的含量和比例及支链淀粉的精细结构等对稻米蒸煮食味品质的形成起重要作用。淀粉合成与积累过程很复杂,涉及到一系列的酶促反应,而Os RSR1(Rice Starch Regulator1)转录因子调控这些酶基因的转录表达,OsRSR1表达水平与淀粉合成关键酶基因表达水平有密切关系。另一方面,储藏于DNA碱基序列中的生物遗传信息是通过转录和蛋白质的翻译最终表达,且基因编码区中一个碱基的变化还会改变对应蛋白的功能。作物品种间有性杂交后代产生超亲变异是普遍的生物遗传变异现象,也是选育作物新品种的重要变异来源,而且品种间有性杂交仍然是目前或将来选育新品种的主要途径。通过RNA干扰技术对研究基因进行双重功能鉴定是一种可靠的分子技术手段。因此,利用RNA干扰和定量表达分析等技术,深入研究OsRSR1结构特点和变异途径以及转录表达特性等对阐明淀粉合成的分子调控机理和淀粉品质改良等具有重要的理论及实践指导意义。本研究选用胚乳直链淀粉含量超亲变异的子代东农1701和东农1724及其亲本系选1号、通769,OsRSR1表达干扰遗传转化株系东农1724及直链淀粉含量极低的糯稻品种龙稻8号和直链淀粉含量极高的籼稻品种八十儿为供试材料,通过盆栽试验比较分析不同灌浆时期各淀粉组分含量和OsRSRI表达量,稻米RVA谱特性,并克隆6个供试材料OsRSR1的DNA和cDNA序列,并比较分析因DNA及mRNA碱基序列变化引起的氨基酸序列、结构域和功能的变化、基因表达干扰材料品质性状和基因表达量变化及对氮素营养的响应。研究结果如下:(1)灌浆过程中,直链淀粉、支链淀粉和总淀粉的合成与积累主要在灌浆前期和中期,品种间直链淀粉在不同灌浆时期积累量呈现出糯稻粳稻㩳籼稻的趋势;直链淀粉含量高的品种,其评价优良食味品质品种的有效指标崩解值小,消减值和回复值大。(2)灌浆初始阶段和后期阶段OsRSR1表达量大,灌浆中期表达量小,呈V字形变化趋势;灌浆各个时期6个供试材料按OsRSRI表达量由高到低排序依次为龙稻8号、东农1724、通769、系选1号、东农1701和八十儿,与该材料的籽粒直链淀粉含量高低排序正好相反,两者间呈负相关关系,而且品种间有性杂交子代OsRSR1表达量会出现超亲变异。(3)直链淀粉含量不同的品种间OsRSR1 DNA及mRNA碱基序列和氨基酸序列并不完全一致,与亲本相比有性杂交后代DNA碱基序列在外显子区和内含子区均发生变化,而且DNA转录mRNA过程中也发生个别碱基的变化,形成与DNA碱基序列不匹配的mRNA碱基序列;OsRSR1由8个外显子和7个内含子组成,功能分析表明OsRSR1主要功能是调控其它基因的表达;氨基酸差异并没导致OsRSR1编码蛋白的基本元件和功能变化,该蛋白结构域保守性很强。(4)淀粉合成关键酶基因表达量变化趋势与OsRSR1表达量变化趋势正好相反;OsRSR1表达干扰能显著提高水稻灌浆过程中籽粒SS1、GBSS1、AGPL2、SBEIIb和ISAI的表达量,对表达量峰值影响从高到底依次为GBSS1、SBEIIb、ISAI、SS1和AGPL2;淀粉合成关键酶基因的表达量升高,提高胚乳直链淀粉含量,提高淀粉的消减值,降低崩解值,最终降低稻米的蒸煮食味品质;增加灌浆成熟期氮素营养能降低籽粒OsRSR1和下游结构基因SS1、GBSS1、AGPL2、SBEIIb和ISAI的表达量,尤其是OsRSR1灌浆中期表达量降低幅度最大,进而影响淀粉的合成积累,最终影响产量和品质。
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S511
【图文】：

造粉体,淀粉合成,途径,淀粉

图 1-2 造粉体中储藏淀粉合成途径[12]。Fig.1-2 starch synthesis in the powders[12]图 1-3 淀粉合成途径[12]。Fig.1-3 starch synthesis pathway[12]淀粉（Amylose）是由 α-1,4 糖苷键连接而成的无分支状螺旋结构，如图淀粉由 GBSS 催化合成[14]，包括 GBSSI 和 GBSSII 两种同工型。表 1-1 所

淀粉合成,途径

3图 1-3 淀粉合成途径[12]。Fig.1-3 starch synthesis pathway[12]（Amylose）是由 α-1,4 糖苷键连接而成的无分支状螺旋结构，如图由 GBSS 催化合成[14]，包括 GBSSI 和 GBSSII 两种同工型。表 1-1 所器官中直链淀粉的催化合成和支链淀粉中葡聚糖链的形成，在直链，是直链淀粉合成中必须的酶促反应；GBSSII 主要负责叶片和非储[15-18]。水稻胚乳直链淀粉含量的高低主要受遗传因素控制，有以下倍体核基因-Wx 基因控制、受两对互补显性基因控制、受不同位点稻可根据直链淀粉含量的不同划分为：粳稻、糯稻（1~2%）和非糯：极低（2~10%）、低（10~20%）和中等（20~25%），高含量可分为中高27%）。

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图 1-4 直链淀粉和支链淀粉结构示意图[22]Fig.1-4 The structural representation of amylose and amylopectin starch[22]支链淀粉（Amylopectin）是一个具有树枝形分支结构的多糖，主链由 α-1,4 糖苷键首尾连接而成，分支为 α-1,6 糖苷键，如图 1-4。支链淀粉占总淀粉的 55~80%，是植物淀粉的主要组成[23]。支链淀粉由 3 种酶相互作用合成，如表 1-1：AGPase、SSS、SBE 和 DBE。AGPase催化 ADP 葡萄糖的合成，为淀粉合成提供底物。水稻胚乳中 AGPase 的活性与淀粉积累正相关，是淀粉合成的限速酶，该酶的超表达能提高水稻产量[24]。SSS 控制支链淀粉链的延伸，根据氨基酸结构不同，在水稻叶片和胚乳中可分为 SSSI、SSSII、SSSIII 和 SSSIV 4 个同工酶基因，单一 SSS 同工型基因缺失不会终止支链淀粉合成，但会改变支链淀粉的结构和形态[25-27]。SBE 能使线性葡萄糖链上形成分支，在水稻中有以下 3 种同工型基因：SBEI、SBEIIb和 SBEIIa，在支链淀粉的合成中起关键作用。DBE 通过水解 α-1,6 糖苷键形成支链淀粉的精细结构，根据 DBE 作用底物不同可分为异淀粉酶（Isoamylase,ISA）和极限糊精酶或 R 酶（Pullulanase, PUL; R enzyme）两大类[28-29]，而 ISA 又有 3 种同工型：ISA1、ISA2 和 ISA3。Ball 等[30]研究表明，SBE 催化产生的支链淀粉分支随机分布，DBE 则“修剪”掉支链淀粉的糖链，抑制糖原的合成，使之形成支链淀粉晶体结构。表 1-1 水稻胚乳中淀粉合成相关基因的功能及表达特征Tab. 1-1 Information function and expression pattern of starch synthesis genes in rice endosperm

【参考文献】