影響稻米理化品質(zhì)微效基因的定位與效應(yīng)解析.pdf

1、水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一。稻米品質(zhì)是稻米作為商品流通與消費(fèi)過(guò)程中的一種綜合評(píng)價(jià)，反映了稻米本身的物理及化學(xué)特性。稻米品質(zhì)屬于典型的質(zhì)量-數(shù)量性狀，在主效基因控制的基礎(chǔ)上還存在一些微效基因。利用高覆蓋度的秈粳間染色體片段代換系(CSSL)鑒定微效QTL，優(yōu)勢(shì)突出。隨著粳稻品種日本晴和秈稻品種9311基因組測(cè)序工作的完成，以及高密度分子標(biāo)記圖譜的構(gòu)建， CSSL群體的構(gòu)建變得易行，為深入挖掘影響稻米品質(zhì)的微效QTL或基因提供了便利，從而

2、能為稻米品質(zhì)改良提供新的基因資源。
　　本研究利用以秈稻品種9311為供體、粳稻品種日本晴為受體構(gòu)建的整套CSSL為材料，考察了群體稻米品質(zhì)主要理化指標(biāo)，借助重測(cè)序鑒定的精確基因型圖譜，利用ICiMappingv2.2軟件定位到一批相關(guān)的QTL，同時(shí)發(fā)現(xiàn)5個(gè)QTL具有一因多效，對(duì)定位到含這些QTL的3個(gè)關(guān)鍵家系進(jìn)一步分析，通過(guò)淀粉分子結(jié)構(gòu)的剖析，探索QTL效應(yīng)對(duì)淀粉結(jié)構(gòu)的影響。為稻米品質(zhì)的形成及其變異提供豐富的遺傳機(jī)理。以此同時(shí)，

3、利用轉(zhuǎn)基因材料和近等基因系等遺傳材料對(duì)參與胚乳淀粉合成的SSI基因等位變異的效應(yīng)解析。主要研究結(jié)果如下:
　　1、利用染色體片段代換系定位稻米理化品質(zhì)性狀的微效QTL
　　粳稻品種日本晴和秈稻品種9311都含有相同的Wxb等位基因，因此利用以這兩個(gè)親本為受體和供體的染色體片段代換系進(jìn)行品質(zhì)分析，可避免因該主效基因差異對(duì)稻米品質(zhì)的影響。本研究重點(diǎn)以已構(gòu)建的127個(gè)染色體片段代換系為材料，通過(guò)全基因組重測(cè)序分析鑒定其基因型，利用

4、ICiMapping v2.2軟件定位到了一批與稻米品質(zhì)相關(guān)的微效QTL。
　　1)稻米理化品質(zhì)是一個(gè)綜合性狀，各性狀間存在復(fù)雜的關(guān)系。由于不同的研究者所用的實(shí)驗(yàn)材料和分析方法各不相同，并且性狀本身在遺傳表達(dá)上較復(fù)雜，因此對(duì)稻米的遺傳控制有著不同的解釋。本研究對(duì)影響稻米理化品質(zhì)的7個(gè)品質(zhì)性狀14個(gè)參數(shù)進(jìn)行了QTL分析，在兩個(gè)環(huán)境下共檢測(cè)到35個(gè)微效QTL，其中19個(gè)微效QTL受環(huán)境影響較小，能穩(wěn)定存在。部分QTL與前人報(bào)道的結(jié)果相

5、同。還有一批QTL如qGC7.1和qGT12.1與實(shí)驗(yàn)室前期研究結(jié)果一致，QTL定位區(qū)間得到進(jìn)一步縮小。
　　2)檢測(cè)到5個(gè)具有多效性的QTL，即一個(gè)QTL位點(diǎn)（簇）對(duì)多個(gè)稻米品質(zhì)性狀有效應(yīng)。其中3個(gè)QTL簇與淀粉的理化性質(zhì)有關(guān)。第一個(gè)QTL簇位于第2染色體上，與直鏈淀粉、糊化溫度和冷膠粘度的遺傳有關(guān)，即qAC2.1、qGT2.1、qCPV2.1位于相同的位點(diǎn)，此位點(diǎn)在代換系N132中檢測(cè)到;第二個(gè)QTL簇在第3染色體上，控制著峰

6、值粘度，膠稠度、糙米蛋白含量的遺傳，即qPKV3.1、qGC3.1和qBRPC3.1位于同一位點(diǎn)，此位點(diǎn)在代換系N29中檢測(cè)到;第三個(gè)QTL簇位于第6染色體上，控制著糙米和精米蛋白質(zhì)含量的遺傳，即qBRPC6.1與qMRPC6.1位于相同的位點(diǎn)，在多個(gè)代換系中(N24、N39、N66、N67)檢測(cè)到。第四個(gè)QTL簇位于第7染色體上，與稻米蛋白質(zhì)含量遺傳有關(guān)，即qBRPC7.1與qMRPC7.1位于相同的位點(diǎn)，在多個(gè)代換系中(N48、N6

7、0、N62、N73、N88)檢測(cè)到。第五個(gè)QTL簇在第12染色體上，與直鏈淀粉、糊化溫度、峰值粘度和冷膠粘度的遺傳相關(guān)，即控制直鏈淀粉的qAC12.1、控制糊化溫度的qGT12.1、控制峰值粘度的qPKV12.1以及控制冷膠粘度的qCPV12.1位于相同的染色體片段上，在代換系N127中檢測(cè)到。
　　2、利用3個(gè)重點(diǎn)染色體片段代換系分析重要QTL形成的淀粉結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
　　與受體親本相比，含有多個(gè)定位QTL的3個(gè)關(guān)鍵染色體片段代

8、換系(N29、N127和N132)成熟種子淀粉的糊化起始溫度降低，吸熱峰前移，此結(jié)果與RVA譜的結(jié)果一致。淀粉的DSC相應(yīng)特征值數(shù)據(jù)顯示，它們對(duì)應(yīng)的峰值溫度、終止溫度、熱焓值，較受體親本均有所降低，接近于供體親本9311。淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，含有來(lái)自9311代換片段的N29、N127和N132，其稻米淀粉含有較少的A鏈和短B鏈，推測(cè)短分支的支鏈淀粉A鏈和B1鏈含量的減少可能由QTL效應(yīng)引起。綜合分析，3個(gè)極端家系稻米淀粉可能由于含有較

9、少的A鏈和短B鏈、較多的中長(zhǎng)鏈組分，共同抑制了淀粉粒的膨脹，從而導(dǎo)致了稻米理化性質(zhì)的變化。
　　3、水稻SSI基因等位變異的遺傳效應(yīng)分析
　　可溶性淀粉合成酶基因SSI在水稻理化品質(zhì)形成中的作用并不大，屬微效基因。但其確切的效應(yīng)并沒(méi)有被詳細(xì)解析。本研究利用含不同SSI等位基因（秈稻、粳稻）來(lái)源的SSI-RNAi材料及近等基因系，對(duì)不同SSI等位基因的表達(dá)、對(duì)稻米理化品質(zhì)與淀粉結(jié)構(gòu)的效應(yīng)等進(jìn)行了祥細(xì)分析。結(jié)果顯示，SSI在秈粳

10、間的兩個(gè)主要等位基因（SSI j和SSIi）表達(dá)的差異引起了稻米淀粉結(jié)構(gòu)的微妙變化，進(jìn)而表現(xiàn)為對(duì)稻米理化品質(zhì)有不同的效應(yīng)。
　　對(duì)含不同SSI等位基因的水稻品種分別抑制SSI基因后，稻米的理化品質(zhì)產(chǎn)生了顯著的影響。SSI-RNAi轉(zhuǎn)基因材料直鏈淀粉含量極顯著提高，峰值粘度，崩解值呈極顯著降低。不同SSI等位基因遺傳背景下，SSI-RNAi材料的表現(xiàn)也存在一定的差異。含SSIj等位基因的粳稻背景下，RNAi系稻米的消堿值比未轉(zhuǎn)化親本

11、高，達(dá)到了極顯著差異;而在SSI i等位基因的秈稻背景下，RNAi系稻米的消堿值比親本要低許多。RVA譜的峰值時(shí)間在秈稻RNAi系與親本間達(dá)到了極顯著差異，而在粳稻背景下沒(méi)有差異。這也進(jìn)一步暗示了不同SSI等位基因?qū)Φ久灼焚|(zhì)遺傳的效應(yīng)是不同的。對(duì)稻米淀粉的DSC分析表明，SSI-RNAi材料與其未轉(zhuǎn)化親本相比，起始溫度都顯著下降，表現(xiàn)為提前糊化，熱晗值都下降。淀粉結(jié)晶度數(shù)據(jù)表明，RNAi系相對(duì)親本而言，淀粉結(jié)晶度下降。說(shuō)明干擾SSI基因

12、表達(dá)后能引起淀粉晶體的改變。推測(cè)SSI基因在RNAi系中表達(dá)量降低后，可能引起淀粉結(jié)晶度下降，最終影響稻米的理化品質(zhì)及食味值。由GPC分析結(jié)果推測(cè)SSIj等位基因可能負(fù)責(zé)淀粉中長(zhǎng)鏈的合成，一旦受干擾，淀粉結(jié)構(gòu)中中鏈長(zhǎng)組份減少，SSIi則有可能負(fù)責(zé)低分子量鏈的合成。在轉(zhuǎn)基因系中可以看到當(dāng)SSIi被抑制后，低分子量淀粉分子組分減少。
　　利用近等基因系，我們發(fā)現(xiàn)在相同的日本晴(NIP)遺傳背景下，不同SSI等位基因（SSIj和SSIi

13、）表達(dá)存在差異。輪回親本（NIP-SSIj）和其近等基因系NIP-NIL-SSIi稻米的直鏈淀粉含量相近，近等基因系NIP-NIL-SSIi稻米R(shí)VA譜比輪回親本高，發(fā)現(xiàn)峰值粘度極顯著增加，熱漿粘度顯著下降，崩解值顯著提高。這也暗示著秈、粳稻稻米品質(zhì)之間的差異，除受Wx主效基因影響外，還與SSI等位基因的變異有一定的聯(lián)系。DSC分析表明，SSI等位基因的變異導(dǎo)致了起始溫度顯著下降，表現(xiàn)為提前糊化，而峰值粘度、終止時(shí)間、熱晗值與輪回親本相

14、比，均出現(xiàn)一定程度的下降。SSI等位基因的變異未能引起淀粉的結(jié)晶度的變化。上述結(jié)果表明，當(dāng)龍?zhí)馗χ械腟SIi導(dǎo)入日本晴后，近等基因系中SSI等位基因表達(dá)發(fā)生了改變，隨之引起低分子量短鏈的增加。這說(shuō)明SSI等位基因在秈粳稻淀粉鏈長(zhǎng)的分布中功能存在差異，同時(shí)意味著SSI等位基因間的變異導(dǎo)致秈粳稻之間支鏈淀粉結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異。
　　綜合上述研究及取得的結(jié)果，一是通過(guò)以粳稻為遺傳背景的染色體片段代換系在兩年兩個(gè)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)，對(duì)影響稻米理化品質(zhì)