高温胁迫下水稻胚乳淀粉分支酶各同工型基因的表达特征

 以稻米品质温度敏感型的早籼稻品种浙辐49为材料,利用人工气候箱控温处理试验和实时荧光定量PCR技术,探讨了水稻发育胚乳中淀粉分支酶(starch branching enzyme, SBE)的3种主要同工型基因 (SBEⅠ、 SBEⅢ和SBEⅣ) 在不同温度处理下的相对表达量差异及动态变化特征。结果表明,高温处理对水稻胚乳中SBE基因的表达调控因其同工型的种类而异,SBEⅣ基因在高温处理下呈上调表达,而SBEⅠ和SBEⅢ基因在高温处理下的相对表达量则明显降低,表现为下调表达;与SBEⅣ等同工型相比,水稻胚乳中SBEⅠ基因对高温胁迫的表达响应相对更敏感。     

水稻不同粒位小穗轴的超微结构差异及其CaM活性的细胞化学定位

以同一稻穗内的不同部位小穗轴为材料,利用低温包埋、免疫胶体金标记和透射电镜技术,对维管束韧皮部的超微结构差异及其花后动态变化进行观察比较,并对筛管-伴胞细胞中的CaM活性与分布进行细胞化学定位。结果表明,稻穗不同部位小穗轴的维管束组织结构差异,主要表现在中央大维管束的总面积、韧皮部面积和导管面积上,强势粒小穗轴的维管输导组织结构一般优于弱势粒小穗轴;水稻抽穗开花后不同部位小穗轴中央维管束筛管分子和伴胞等细胞的超微结构变化过程大致相同。其中,筛管分子在水稻开花前均已分化成熟,而伴细胞仍保持着较完整的细胞结构特征,之后逐渐呈现出明显的退化迹象;与弱势粒小穗轴相比,强势粒小穗轴在灌浆启动时筛管厚壁和伴细胞中的线粒体等细胞器和胞间连丝的数量丰富、CaM标记密度高,表现出较明显的启动机能和输导生理优势,但至水稻灌浆中期之后,不同粒位间小穗轴的输导生理差异可能并不明显。     

氮素和水分处理对稻米植酸含量和蛋白组分的影响

以直立密穗型粳稻品种秀水110和弯曲散穗型粳稻品种春江15为材料,对不同氮素水平处理和水分管理方式下稻米植酸含量和蛋白组分的影响及其互作效应进行了研究。结果表明,旱作栽培处理会导致水稻籽粒中植酸含量上升,而施氮处理对籽粒植酸含量的影响效应与水稻的水分管理方式有关,在常规水作条件下,高氮处理（N3）的籽粒植酸含量有所提高,但在旱作栽培方式下,中氮（N2）和低氮处理（N1,不施N）的籽粒植酸含量却略高于高氮处理（N3）,氮素水平与水分管理方式间的互作效应明显; 水稻籽粒植酸含量与粗蛋白总量、4种蛋白组分（清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白）及有关产量性状指标（有效穗数、每穗粒数、千粒重和结实率）在不同水肥处理间的相关性不显著,但氮肥用量过高不仅会导致水稻的产量水平下降,而且也不利于稻米营养品质的改良; 水肥处理对水稻籽粒植酸含量、蛋白总量和4种蛋白组分穗内粒位分布也存在一定影响,着生在稻穗下部的弱势粒,其稻米植酸含量高于稻穗上部或中部的强势粒,因此改善弱势粒灌浆的水肥管理措施将有利于稻米植酸含量的降低。     

水稻籽粒氮代谢几个关键酶对花后高温胁迫的响应及其与贮藏蛋白积累关系

以早籼水稻嘉935和嘉353为材料,利用人工气候箱设高温(32℃)和适温(22℃)处理,探讨了高温对水稻籽粒氮代谢关键酶活性的影响及其与籽粒粗蛋白含量和各种氨基酸组成间的关系,并结合荧光定量PCR对水稻籽粒谷氨酰胺合成酶(GS) 2个同工型基因的表达及其温度响应进行了检测分析。结果表明,花后高温处理对谷草转氨酶(GOT)和谷丙转氨酶(GPT)的影响基本一致,均表现灌浆前期升高、后期下降的趋势,但花后高温处理下水稻籽粒中粗蛋白总量和各类氨基酸含量的增加,并不一定是其籽粒氮素物质的转运能力和蛋白质合成能力的增强所致;谷氨酰胺合成酶(GS)在高温处理下的生理活性普遍高于其相应时期的低温处理,其中,GS2是GS基因在水稻胚乳中高表达的一种同工型,在水稻灌浆后期的表达量甚至超过GS1,高温胁迫处理会通过改变GS1和GS2基因在籽粒中的转录水平,从而对水稻籽粒灌浆中后期的GS活性产生调控。     

低植酸突变体水稻灌浆过程中籽粒淀粉合成与茎鞘物质转运特性

以协青早(XQZ)及其低植酸突变系(os-lpa1)为材料，通过对灌浆过程籽粒中植酸含量、蔗糖和淀粉积累变化动态的比较分析，并结合叶、茎、鞘等器官中碳水化合物的转运和籽粒淀粉合成代谢有关关键酶生理活性的测定，对os-lpa1灌浆充实不良、千粒重明显降低的生理原因进行了分析。结果表明，灌浆期os-lpa1剑叶、茎、鞘等器官中的蔗糖和可溶性总糖含量均高于其对照亲本XQZ，但os-lpa1籽粒中的淀粉积累量却明显降低。胚乳中ADPG焦磷酸化酶(ADPG-Ppase) 和淀粉磷酸化酶(SPase)的活性降低，可能是os-lpa1灌浆充实不良、籽粒淀粉积累量明显下降的主要原因之一。此外，os-lpa1灌浆期间叶鞘中的蔗糖磷酸合酶(SPS)和果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)活性也显著低于其相应灌浆期的对照亲本XQZ，导致茎鞘等器官中淀粉积累量增多和“流”不畅，这可能也是其产量水平降低的一个重要因素。     

花后高温下水稻可溶性淀粉合酶同工型基因的表达模式

利用人工气候箱设高温(32℃)和适温(22℃)两个温度处理,结合实时荧光定量PCR技术,对水稻胚乳中可溶性淀粉合酶(SSS)8个主要同工型基因的表达特征及其温度响应进行了检测分析。结果表明,水稻SSS各同工型基因对花后高温胁迫的响应表达模式明显不同,SSSIIb、SSSIIc、SSSIIIb和SSSIVa等同工型基因呈上调表达模式,而SSSIIa、SSSIIIa等则呈下调表达模式;SSSI和SSSIIIa是水稻SSSs基因在胚乳中表达的主要形式,而其他6种同工型基因的相对表达量均较低;与SSSI、SSIIc、SSSIIIb和SSSIVb相比,水稻胚乳中SSSIIb、SSSIIIa和SSSIVa等同工型基因对高温胁迫的响应表达更敏感。     

水稻胚乳糖质突变体Sug-11的淀粉粒结构和粒径分布及相关理化特性

本试验以水稻胚乳糖质突变体Sug-11与其野生型对照中花11为材料,利用扫描电镜、激光散射粒度分析仪、差示扫描量热分析仪和X-射线衍射图谱等方法,对两者稻米淀粉粒的形态结构、粒径分布、晶体结构和酶解抗性及其糊化过程中的热力学参数变化进行比较分析,揭示胚乳糖质稻米淀粉的理化特征,为稻米品质改良和功能稻米的开发提供理论依据.结果表明,胚乳糖质突变体Sug-11的稻米淀粉粒径分布呈单峰状正态分布,与野生型对照相比其稻米淀粉平均粒径值(6.48 μm)显著降低,大型淀粉粒(粒径大于8μm)比例(21.63％)显著减少,而小型和中型淀粉粒比例则明显增多,扫描电镜下Sug-11的淀粉粒结构更接近于籽粒灌浆过程胚乳尚未完全充实时的淀粉粒形态结构特点;突变体Sug-11的淀粉粒酶解抗性与野生对照相比显著下降,其抗性淀粉含量的下降幅度接近50％,同时,Sug-11除具有相对较低的淀粉糊化温度外,其淀粉粒糊化过程的热焓值(△H)也显著降低.Sug-11糖质突变体的淀粉晶体类型与野生对照相同(A型淀粉晶体),其淀粉粒的相对结晶度(35.3％)略低于对照,两者间的差异主要表现在诸尖峰的相对强度比值和相对结晶度上,而20°2θ/18°2θ的尖峰相对强度比值则高于其野生对照;糖质突变对稻米淀粉的化学组分(成)、膨胀势和溶解度也产生了十分显著的影响,突变体Sug-11的淀粉溶解度显著高于野生对照,而淀粉膨胀势和表观直链淀粉含量则显著低于野生对照材料.     

氮、磷、锌营养对水稻籽粒植酸含量的影响及与几种矿质元素间的相关性

 以协青早、秀水110及其辐射诱变获得的低植酸突变系（HIPi1和HIPj1）为材料，通过水培试验对不同氮、磷、锌浓度处理下水稻籽粒植酸含量差异及与几种矿质元素间的相关性进行了比较分析。高水平氮、磷、锌浓度处理的籽粒植酸含量较同一品种的低氮、磷、锌处理均有所降低，但在水稻生育期间，籽粒植酸含量对磷、锌处理浓度变化的敏感性，则因品种的植酸类型特征而异；氮、磷浓度增加能分别提高铁或降低铜在籽粒中的积累，但在高锌处理下，籽粒铁含量明显降低、而钾和镁的含量等却有所升高； 籽粒植酸含量一般与K、Mg、Fe、Cu 4种矿质元素含量呈正相关、与籽粒Zn含量呈负相关，但统计显著水平因品种而异。低植酸突变体籽粒中的K、Mg、Fe、Zn等含量虽略有下降，但可以通过适当的介质营养条件来调节有关矿质营养在水稻籽粒中的积累。     

水稻糖质胚乳突变体Sug-11籽粒灌浆过程的淀粉合成关键酶活性及其与淀粉理化特性关系

以水稻糖质胚乳突变体Sug-11与其野生型对照中花11为材料,通过对两者籽粒中可溶性总糖、蔗糖含量和淀粉含量以及有关淀粉品质理化指标的比较,结合籽粒灌浆过程中糖类物质含量、淀粉合成代谢关键酶活性和相关同工型基因转录表达水平的动态测定,从籽粒淀粉合成代谢角度,对水稻糖质突变体Sug-11的籽粒糖类含量变化和千粒重下降的生理原因进行了分析。结果表明,Sug-11糖质突变体与其野生型在灌浆初期的可溶性糖和蔗糖含量差异并不明显,随着籽粒灌浆进程,两者间的籽粒糖分含量差异在灌浆中后期逐步趋于明显;与野生型相比,Sug-11糖质胚乳突变体的稻米直链淀粉含量和直链淀粉碘蓝值显著下降,而淀粉溶解度和支链淀粉碘蓝值则显著升高,糖质胚乳突变对稻米淀粉的理化特性也产生了明显的影响;在籽粒淀粉合成代谢的几个关键酶中,Sug-11糖质突变体籽粒中的DBE活性及其在灌浆过程中的动态变化与其野生型存在明显差异,揭示了胚乳糖质突变体Sug-11籽粒中淀粉积累减少、糖分含量增加主要是由籽粒灌浆中后期的PUL转录表达水平和DBE活性的大幅下降所引起的,而Sug-11的籽粒灌浆不良和千粒重下降等现象,则与其ADPGase活性在籽粒灌浆前期的显著下降存在一定的联系。     

水稻胚乳贮藏物代谢相关基因响应花后高温胁迫的微阵列分析

【目的】揭示花后高温条件下水稻灌浆过程中胚乳淀粉和蛋白贮藏物代谢相关基因的表达谱,并阐明部分重要功能基因对花后高温胁迫的响应表达模式。【方法】利用人工气候箱设高温(日均温度32℃,日最高温36℃/日最低温28℃)和适温(日均温度22℃,日最高温26℃/日最低温18℃)2个温度处理,并在水稻开花后的不同时期取样,对水稻胚乳贮藏物代谢各类相关基因的表达谱与表达模式进行高通量的cDNA微阵列检测。【结果】在水稻胚乳贮藏物代谢的相关基因中,以对高温胁迫响应表现较迟钝的基因居多,其高温处理与低温处理之间的杂交信号(nARVOL)比值(称R值)大致在0.8—1.2,但随高温处理时间的持续,呈上调或下调差异表达的基因数量均有明显增加;花后高温对胚乳糖代谢和淀粉合成类基因表达的调控效应,不仅随各个基因的功能类型、代谢途径和灌浆进程的差别变化而异,而且其表达丰度及其上调或下调幅度在很大程度上还与该功能基因的同工型(或酶亚基)有关;高温处理下水稻胚乳中的谷蛋白、醇溶蛋白和球蛋白类基因多呈下调表达特征,但也会随其所调控的蛋白亚基组分的不同而异,从而对胚乳贮藏蛋白的亚基构成和组分变化产生较大影响;与胚乳白贮藏物代谢密切相关的糖信号传导类基因、核糖体蛋白类基因和逆境防御蛋白类基因普遍比直接参与胚乳贮藏物合成路径的功能基因对高温胁迫响应表现敏感。【结论】花后高温胁迫对水稻胚乳灌浆贮藏物代谢的调控相当复杂,涉及到众多的功能基因位点。