以腹切米突变体为材料解析粳米腹白形成的生理与分子机制

Grain chalkiness is a complex trait as affected by interaction between genotype and environment and controlled by multiple regulatory pathways. High occurrence of white-belly grains has been one of the main obstacles for japonica rice production in southern China. This study aims to elucidate the physiological and molecular foundation of white-belly formation, using a notched-belly mutant with high rate of white-belly grains and employing the combination of system biology approaches including transcriptomics, proteomics, and metabolomics. In particular, effect of both genotype and growth environment can be minimized by comparison between the chalky part and translucent part of grains of the mutant. The resulting genetic networks and regulatory pathways or factors related to white-belly should be of significance for both rice improvement and cultivation practices aiming for high quality rice with lower chalky grain rate, and of practical value for japonica rice production in southern China.

垩白是一个由基因型与环境共同控制、涉及多种代谢与调节途径的复杂品质性状。以腹白为主的垩白米率较高已成为制约我国南方优质粳稻生产的关键障碍。本项目以申请者创制的高腹白腹切米突变体为材料，运用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等系统生物学方法，通过突变体籽粒胚乳近胚端（垩白部位）和远胚端（透明部位）之间在碳、氮等代谢生理、活性氧清除、激素调节机制以及转录因子等方面的比较，在有效消除遗传背景和发育环境影响的基础上，精确解析调控腹白的基因网络、代谢途径和调控因子。研究结果可为垩白等品质性状的遗传改良和栽培调优提供有价值的参考，有助于破解垩白米率较高这一制约南方粳稻品质提升的重要难题。

稻米垩白是由基因型与环境共同控制的，涉及碳、氮等多种代谢和调控途径的复杂性状。垩白遗传机理的复杂性、代谢途径的多样性及对环境因子响应机制上的多变性，致使目前垩白相关基因鉴定、克隆等遗传机理研究以及调控垩白的农艺措施研究进展缓慢。本研究以创制的高腹白腹切米突变体DY1102为材料，在有效消除遗传背景和环境因素影响的基础上，比较分析了成熟期垩白胚乳和透明胚乳之间在形态结构、生化组分和蛋白表达等方面上的差异。同时，采用转录组学、蛋白质组学和代谢组学等系统生物学技术，整合分析了发育颖果中腹白相关基因的表达特征及其调控的代谢网络。研究结果表明，垩白的形成虽然是一个受控于多种代谢途径和多个细胞器、组织互作的复杂过程，但仍有路（pathway）可循。本研究特别是在碳、氮代谢的转向、蛋白合成能力降低而降解能力增强所致的13kD亚基降低，以及胚和果皮在垩白形成中的作用等方面为垩白研究提供了有价值的新参考。另一方面，本研究所利用的腹切米突变体材料，能有效消除基因型和环境的干扰，准确聚焦于垩白相关的核心代谢或基因，初步展示了新材料创制在栽培生理研究中的应用前景。