水稻糙米B族维生素含量的自然变异和遗传位点研究

Rice serves as an important food source feeding over half of the world’s population, while vitamin B (VB) deficiencies are common among those people who consuming rice as the main staple food. The development of rice cultivars with high VB by molecular mark-assisted breeding is vital to fundamentally solve these problems, which, however, depends largely on the selection of elite rice cultivars with high VB content and the finding of the genetic loci controlling VB content in rice. In this proposal, on one hand, the simultaneous detection method for various VB components based on ultra-high performance liquid chromatography-triple quadrupole mass spectrometer (UHPLC-QQQ-MS/MS) will be developed, and then used to detect VB contents in brown rice of 300 rice cultivars that have high quality of single nucleotide polymorphisms (SNPs), to reveal the natural variation of VB contents among these cultivars and to select the elite cultivars with high levels of VB. On the other hand, genome-wide association study (GWAS) on VB content will be performed together with analyses on gene annotation, gene expression profiles and the metabolic pathways of VB, to explore the causal genetic loci and genes. The strong alleles controlling VB content in brown rice will be determined finally. This study will lay a solid theoretical foundation and provide causal qualitative trait loci (QTLs) or genes and elite cultivars for future molecular marker-assisted breeding efforts in improving VB content in rice.

水稻是世界一半以上人口的重要食物来源，但以水稻为主食的人群易患B族维生素缺乏症。分子标记辅助选择育种提高水稻糙米B族维生素含量将有助于从根本上解决此类问题，但前提是必须筛到B族维生素含量高的优良品种及挖掘到控制水稻糙米B族维生素含量的遗传位点。本申请拟一方面建立基于超高效液相色谱-三重四级杆质谱联用检测B族维生素的方法，并完成对300个有高质量单核苷酸多态性（SNP）数据的水稻糙米B族维生素含量的测定，揭示水稻糙米B族维生素含量的自然变异，筛选出B族维生素含量高的优良品种。另一方面，拟通过全基因组关联分析，结合基因注释、基因表达模式和B族维生素的代谢途径探究控制水稻B族维生素含量的遗传位点和功能基因，同时分析水稻中B族维生素含量高的强等位基因型。本研究将为分子标记辅助选择育种提高水稻糙米B族维生素含量奠定理论基础并提供靶标遗传位点或基因及优良亲本。

水稻是世界一半以上人口的重要食物来源，但以水稻为主食的人群易患B族维生素缺乏症。分子标记辅助选择育种提高水稻糙米B族维生素含量将有助于从根本上解决此类问题，但前提是必须筛到B族维生素含量高的优良品种及挖掘到控制水稻糙米B族维生素含量的遗传位点。本研究项目建立了基于超高效液相色谱-三重四级杆质谱联用检测B族维生素的方法，该方法可以在8分钟之内定量检测水稻糙米中的VB1、VB2、VB3、VB6和VB9。完成了对300个有高质量单核苷酸多态性（SNP）数据的水稻糙米B族维生素含量的测定，揭示了水稻糙米B族维生素含量的自然变异，筛选出了各B族维生素含量分别高的优良品种。通过全基因组关联分析（GWAS），结合基因注释和B族维生素的代谢途径探究控制水稻各B族维生素含量的遗传位点和功能基因。通过水稻基因表达时空数据库，分析了GWAS获得的、参与各B族维生素生物合成途径的关键酶基因的表达，发现多数基因在胚中的表达量高于胚乳，这与胚中含有更高的B族维生素相符合。同时发现多个基因在叶片中具有高表达，提示作为源器官的叶片可能为库器官的糙米提供B族维生素合成所需的前体物质或者直接提供B族维生素。因此我们对水稻糙米成熟过程中不同时间点的剑叶做了代谢组分析，然后分析糙米与叶片中代谢物的关联，发现有些B族维生素例如VB1和VB2在糙米和剑叶之间高度关联。本研究为分子标记辅助选择育种提高水稻糙米B族维生素含量奠定理论基础并提供靶标遗传位点、关键基因及优良亲本。