利用淀粉合成相关基因的转基因系研究水稻颖果和淀粉粒的发育及结构

淀粉合成酶、分支酶和脱支酶等是水稻胚乳中直链与支链淀粉合成的最主要酶类，编码这些酶基因的突变或人为干涉表达，可使稻米品质发生显著改变，同时也常伴随籽粒乳白化(或垩白增加)、粒宽和粒厚降低、粒重减轻等负面影响，甚至导致淀粉粒形态和晶体结构发生改变，籽粒不能正常发育，这些现象的成因目前尚不清楚。.本项目利用籽粒形态结构发生明显改变的淀粉合成相关基因的不同转基因水稻纯合系及其未转化对照，从组织-细胞-亚细胞水平比较分析转基因水稻及其未转化对照在颖果发育、淀粉粒发育及其形态结构上的差异，从解剖学、细胞学和发育学上进一步阐明转基因水稻籽粒乳白化、粒宽和粒厚降低、粒重减轻等的原因，查明形态变异的淀粉粒的发育和结构特征。该申请具有丰富的实验材料和良好的前期研究基础，相关研究结果可为深入了解淀粉合成相关基因对稻米品质的影响提供重要的理论依据，同时对于认识谷物胚乳发育、淀粉粒形成和结构等具有一定的参考价值。

可溶性淀粉合成酶(SSS)、颗粒结合淀粉合成酶(GBSS)、淀粉分支酶(SBE)和淀粉脱支酶(DBE)参与直链淀粉和支链淀粉的合成，这些酶基因突变或人为干涉表达，可使稻米品质发生改变，同时也常伴随籽粒乳白化、粒厚降低、粒重减轻等，甚至导致淀粉粒形态和结构发生改变。本项目对抑制GBSS、SSS、SBE和DBE基因表达的转基因稻及其亲本开展如下一些工作：测定成熟籽粒的外观品质和化学组成，研究它们在颖果发育、淀粉粒发育和结构上的差异，观察和分析转基因稻籽粒乳白化、粒厚降低、粒重减轻等的细胞学原因，重点研究来源于水稻特青的抑制SBEI/IIb基因表达的高直链水稻TRS淀粉的发育、结构和功能特性。同时本项目还研究了高直链水稻和玉米异形淀粉粒的结构特性、植物C-型晶体淀粉的结构和功能特性，并建立了淀粉结构特性定量测定的一些方法。.研究结果表明，抑制SBEIIb、SBEI/IIb或ISA2基因表达导致水稻籽粒乳白化，粒厚、粒重和淀粉含量显著降低，直链淀粉含量显著提高。抑制SBEIIb或SBEI/IIb基因表达使水稻淀粉由A-型晶体变为C-型。在颖果发育早期，抑制SBEIIb、SBEI/IIb或ISA2基因表达的转基因稻淀粉发育和结构特性与亲本无明显差异；而在颖果发育中、后期，转基因稻淀粉发育受到干扰，异形淀粉粒开始发育和积累，直链淀粉含量明显改变，淀粉积累受阻，胚乳细胞数量比亲本少，胚乳细胞不充实，颖果体积小，最终导致成熟籽粒乳白化、粒重和淀粉含量降低。颖果粒厚方向上的胚乳细胞层数减少和宽度降低引起粒厚降低。水稻TRS成熟籽粒直链淀粉含量极显著提高，富含抗性淀粉，在颖果发育中、后期，淀粉体内独立存在的淀粉亚颗粒外围开始沉积B-型晶体淀粉，亚颗粒相互融合，在外围形成环带将亚颗粒包围在其内，逐渐发育形成半复粒C-型晶体淀粉。半复粒C-型淀粉的外围环带和B-型晶体赋予TRS淀粉具有很强的抗糊化、水解和消化特性。高直链作物中的异形淀粉粒结构特性因形态不同表现显著差异，不同植物来源的C-型淀粉有多种晶态分布方式，具有独特的结构和功能特性。.上述研究为了解淀粉合成相关酶对稻米品质的影响提供理论依据，对基因工程改良稻米品质所面临的籽粒乳白化、粒重减轻等问题提供参考，丰富和充实禾谷类作物胚乳发育、淀粉粒形成和结构等相关学科的知识，为淀粉品质改良稻米的培育、开发和应用提供信息资料。