水稻Wx-lsv基因控制高直链、低黏滞特性淀粉合成的分子机制研究

Starch is the most abundant component of rice endosperm and the amylose/amylopectin ratio as well as the fine structure has been considerated to be the most important factors affecting the cooking and sensory properties of rice and also the application of in food and non-food industries. In the previous study, we identified an indica rice cultivar (Q11) with a novel starch property. The grains of this cultivar have a high amylose content and a normal appearance like those of other conventional cultivars with similar amylose levels, but present a very low starch viscosity (LSV) with characteristics that differ from other rice cultivars with low starch viscosity. Genetic analysis revealed that the low starch viscosity was controlled by a dominant gene. By using the F2 segregation population and derived near-isogenic lines (NILs), we had fine mapped the target gene to a narrow range with 10.17 kb and proved the target gene is a new allele of Wx, named Wx-lsv. Based on these foundation, further studies will be conducted to prove the detailed mutant in Wx-lsv. Secondly, the function and genetic variation of the target gene will be carefully stutied, with the aim to underlying the mechanism of Wx-lsv gene involving in starch biosynthesis and grain quality formation. Finally, the knowledgements as well as constructed genetic materials might be very useful for the application of rice starch with novel viscosity in quality improvement and food processing.

淀粉是水稻胚乳中的最主要成分，其组成与结构是决定稻米品质及其加工应用性能的最重要因素。申请者在前期研究中筛选发掘了一份具特异淀粉特性的籼稻种质Q11，其稻米外观品质和表观直链淀粉含量等常规理化指标与现有一些高直链淀粉含量籼稻品种相仿，但却表现出极低的淀粉黏滞性。遗传分析表明该性状受单显性核基因控制，利用图位克隆法已经将目的基因精细定位在10.17kb的范围并且通过功能验证试验证明其为一个新的Wx等位基因，命名为Wx-lsv。本研究拟在此基础上对Wx-lsv启动子的5个突变位点进行功能验证，并利用酵母杂交等技术鉴定功能突变位点的特异结合蛋白，明确其对Wx基因的表达调控方式。其次，以近等基因系和转基因系为材料，进一步通过基因表达、酶活、稻米品质性状及淀粉结构特性的分析，解析Wx-lsv参与稻米淀粉合成和高直链、低黏滞性淀粉形成的分子机理，以期为稻米品质改良和功能性种质的开发利用提供有利线索。

水稻是我国重要的粮食作物，为满足广大消费者对高质量稻米的需求，水稻生产不仅需要高产，而且还要高质。稻米品质表现为多样性，就消费者所关心的性状而言，蒸煮与食味品质因直接与食味的好坏相关，是消费者所首要关心的性状。表观直链淀粉含量和胶稠度两个理化指标是评价稻米适口性的重要标志，而这两个指标与参与直链淀粉合成的Wx基因直接相关。在前期研究中，我们克隆了一个新的Wx等位基因Wxlsv，初步验证了其是控制高直链、低淀粉黏滞性的目标基因，但关于其控制稻米高直链、低淀粉黏滞性的机制并不清楚，本研究主要围绕这一新Wx等位基因开展功能研究。通过构建系列的转基因系和近等基因系，证明Wxlsv所编码的GBSSI主要是由于第十外显子的C/T差异造成的氨基酸替换来改变酶活性的。转基因实验和蛋白高级结构分析表明，GBSSI的第415残基由脯氨酸突变为丝氨酸后，酶活性明显降低，进一步通过磷酸化分析表明，丝氨酸能够被磷酸化，该位点的磷酸化降低了GBSSI的酶活而造成其合成的直链淀粉含量下降。通过扫描电镜和淀粉精细结构分析，发现Wxlsv编码的GBSSI合成直链淀粉长链的能力下降而造成直链淀粉中短链部分明显增加，因此造成了淀粉粒和米饭在蒸煮过程中难以彻底糊化而造成低淀粉黏滞性和米饭口感较差。最后，通过对426份水稻种质的遗传多样性和进化分析，发现Wxlsv在进化中属于祖先基因，当下栽培稻中的各种Wx等位变异类型都是从其进化而来。综上，Wx基因第十外显子的SNP是GBSSI重要的活性位点，其可以作为未来优质稻米新品种培育的重要基因编辑位点。最重要的是本研究解析了不同Wx等位基因的进化关系，相关研究对于理解稻米淀粉合成调控机制以及淀粉精细结构与稻米品质形成的关系具有重要的参考价值，同时，已经开发的不同等位基因的分子标记，能够方便育种家开展相关等位基因的育种利用。