基于GWAS挖掘稻米芳香族氨基酸积累的新基因及其功能验证

Rice (Oryza sativa L.) is one of the most important food crops worldwide. Nowadays, With the improvement of people's living standard, the demand for high-quality rice is expected to increase dramatically. The concentration of essential amino acids (EAA) is an important determinant of nutritional quality in rice. Therefore, it is particularly important to improve the nutritional quality of rice by increasing the content of essential amino acids. In recent years, our research team have collected 533 accessions of cultivated rice at the global scale which represent both the genetic diversity in cultivated species and the usefulness in rice improvement, and we also have detected their aromatic amino acids (AAAs) content in grain. We found these accessions had great natural variations in AAAs content in grain. In this project, we will perform genome-wide association study (GWAS) to identify candidate loci with good reproducibility. Then we will select candidate genes for functional test by genetic transformation in rice. Also, we will analysis the different gene haplotype of the candidate gene playing crucial roles in AAAs accumulation, and consequently help to clarify the molecular basis of natural variation of rice AAAs and produce new rice materials for rice breeding towards high nutritional quality.

水稻是全世界最重要的粮食作物之一。随着生活水平的不断提高，人们对稻米品质的要求也日益增加。稻米中必需氨基酸的含量是影响稻米品质的一个重要因素。因此，通过增加稻米中必需氨基酸的含量来改良稻米的营养品质已显得尤为重要。本实验室前期收集了533份具有广泛遗传多样性的水稻种质资源材料，申请人对这些材料的芳香族氨基酸(AAAs)进行含量的测定，发现不同水稻品种的AAAs积累存在非常大的变异。本项目拟全面分析这些材料籽粒中AAAs的积累情况并进行全基因组关联分析(GWAS)，鉴定效应显著且重复性好的功能区段。结合全基因组表达谱信息，筛选候选基因并在水稻中进行遗传转化和功能验证。分析候选基因不同基因型和AAAs吸收、积累功能上的关系，为培育高营养品质的水稻品种提供理论指导和技术支持。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，为人类提供最基本的营养成分，包括蛋白质、淀粉和氨基酸等。必需氨基酸是指人体不能合成必须从饮食中获得的一类氨基酸，但是当前稻米中必需氨基酸含量无法满足人们的日常膳食营养需求。因此，亟需克隆控制稻米氨基酸积累的关键基因，通过分子育种手段培育高氨基酸积累的水稻新品种。项目组通过全基因组关联分析鉴定到1个调控水稻籽粒芳香族氨基酸积累的关键基因OsAAAT1，利用分子生物学、生物化学、遗传学等试验解析了OsAAAT1调控水稻氨基酸积累的分子机制，并且鉴定到1个OsAAAT1的优异等位基因型。表达模式分析试验表明OsAAAT1主要在水稻开花时期的节（包括节I-IV、穗节）和穗轴中表达，亚细胞定位结果显示OsAAAT1是个定位在细胞质膜的蛋白。氨基酸吸收试验结果表明OsAAAT1具有中性氨基酸转运活性，负责水稻根系中性氨基酸的吸收，并且参与氨基酸由地上部向籽粒中的转运过程。Osaaat1突变体植株的主根长度显著少于野生型，根毛长度和密度显著多于野生型；OsAAAT1超量表达植株主根长度显著增加，根毛长度和密度则显著减少，表明OsAAAT1还参与调控水稻主根的伸长和根毛的发育。进一步的研究显示，不同水稻品种OsAAAT1基因的表达量与水稻籽粒氨基酸含量呈显著正相关。OsAAAT1在水稻自然种质群体中存在2个主要单倍型（Hap1和Hap2）,Hap2单倍型水稻品种中的OsAAAT1表达量要显著高于Hap1水稻品种中的表达量，将Hap2单倍型导入梗稻品中能够显著增加糙米中氨基酸的含量，表明OsAAAT1的Hap2单倍型可以被应用在高氨基酸积累的水稻新品种培育。