水稻胚乳突变体筛选与特性研究进展

本文在简要介绍胚乳的发育、组成及品质性状遗传的基础上,综述了与淀粉、蛋白质和微营养相关的系列胚乳突变及相关性状的基因定位。胚乳突变主要包括糯性、暗色、云雾状、糖质、皱缩、粉质米、低直链淀粉、高直链淀粉、低粘滞性、高抗性淀粉、低水溶性蛋白、蛋白体缺失、高赖氨酸、高铁、低植酸等方面。     

Strategies for applying selenium for biofortification of rice in tropical soils and their effect on element accumulation and distribution in grains

This study aimed to investigate the effects of the selenium (Se) application via soil (SeVI) and leaf (SeIV and SeVI) on agronomic attributes of rice and the spatial distribution of Se and other elements in biofortified rice grains. For this, a field trial was conducted using six Se rates (0, 5, 10, 20, 40, and 80 g ha⁻¹). Physiological evaluations in rice leaves, rice grain yield, and Se and other elements content were assessed. Spatial distributions of Se and other elements were visualized mapping the biofortified rice grains with μXRF. The results showed that the strategies and rates of Se applied to the plants were effective for producing Se-rich rice grains. Although Se application did not change the rice yield, it affected some enzyme activities, improving the antioxidant system of the plant. The spatial distribution of the different elements found in the biofortified rice grains varied substantially, with Se accumulations mainly in the endosperm, whereas P, K, Fe, and Zn accumulate in the embryo. Agronomic biofortification of rice with Se, via soil or leaf, is a promising strategy to be adopted in tropical soils in order to produce rice grains with adequate Se contents for human consumption.     

色氨酰-tRNA合成酶基因WRS1调控水稻种子发育

【目的】氨酰-tRNA合成酶（aminoacyl-tRNA synthetases, aaRSs）与遗传信息传递密切相关,已发现植物中aaRSs家族蛋白在维持翻译功能之余,还参与配子发生与胚发育、质体的早期发育以及免疫信号的感知与病害防御等生物学过程。本研究利用水稻胚乳发育缺陷突变体,分析水稻色氨酰-tRNA合成酶（WRS1）在胚乳发育中的作用,证明WRS1基因编码一个影响水稻胚乳发育的关键因子。【方法】本研究通过甲烷磺酸乙酯（ethyl methane sulfonate, EMS）诱变籼稻（Oryza sativa subsp. indica）品种N22,筛选到一个稳定遗传的水稻粉质胚乳突变体（wrs1）,图位克隆获得目标基因。对wrs1成熟种子进行形态学观察以及淀粉相关理化性质测定,利用细胞学切片分析wrs1发育中胚乳的结构,利用实时荧光定量PCR（quantitative real-time PCR, qRT-PCR）和GUS活性染色分析基因表达模式,通过qRT-PCR比较野生型与突变体花后12 d胚乳中淀粉合成相关基因表达情况,免疫印迹检测野生型与突变体成熟种子中淀粉合成酶蛋白积累情况,使用全自动氨基酸分析仪测定游离氨基酸含量。【结果】 wrs1突变体幼苗表现出明显的发育滞后且逐渐蔫萎死亡,从杂合突变体（WRS1wrs1）中分离到的粉质籽粒呈现明显的腹部皱缩,粒厚、千粒重下降,同时总淀粉含量下降,糊化淀粉的峰值黏度和崩解值均低于野生型。wrs1突变体发育胚乳中复合淀粉颗粒变小,排列疏松。WRS1定位于第12染色体长臂约183 kb的区间内,测序发现编码色氨酰-tRNA合成酶（tryptophanyl-tRNA synthetase, WRS）基因的第6外显子上发生单碱基替换,导致一个保守位置上的甲硫氨酸被替换。wrs1突变体中大部分淀粉合成相关基因表达量下调,且野生型与突变体间基因表达的变化与相应蛋白积累的差异存在不一致的趋势。wrs1突变体籽粒中蛋白质积累降低,而游离氨基酸含量显著升高。【结论】 WRS1编码色氨酰-tRNA合成酶,该基因突变后通过影响氨基酸稳态和蛋白质合成,造成淀粉合成相关基因异常表达从而影响淀粉的合成与积累,导致种子发育缺陷。     

甜玉米品质遗传改良研究进展

甜玉米为具有果蔬和谷物特征的新型农作物,其营养丰富,适口性好,受到国内外消费者和科研人员的广泛关注。甜玉米含淀粉合成缺陷基因,糖类在胚乳中大量积累,是鲜食玉米主要类型之一。根据缺陷基因的不同,甜玉米可分为普甜玉米、超甜玉米和加强甜玉米等类型,不同类型间食味品质和营养品质差异较大。甜度、爽脆度、果皮厚度、风味等是甜玉米的主要食用品质特性,这些性状受微效多基因控制,其遗传研究及育种改良应用均面临很大挑战。目前,甜玉米品质相关的研究取得了一定进展,研究者对甜玉米食味品质（含糖量、果皮厚度等）和营养品质（维生素、矿物元素、蛋白含量等）的主要评价指标进行鉴定和分析,获得了大量研究成果,主要集中在表型变异、遗传力、QTL 位点、候选基因等层面。这些研究的开展为甜玉米营养改良提供了重要的理论和分子基础。对甜玉米品质相关（包括甜玉米形成的遗传基础、维生素 E、果皮厚度、锌含量、玉米黄质和蛋白质含量）的国内外研究进展进行综述,并探讨了甜玉米遗传改良的发展方向,为甜玉米品质改良和优质品种培育提供理论依据。     

水稻粉质皱缩胚乳突变体fse4的表型分析与基因克隆

【目的】水稻种子主要以淀粉形式储藏能量。淀粉合成需要多种酶类和调控因子参与，机制较为复杂。本研究利用水稻胚乳发育缺陷突变体，克隆和鉴定新的调控淀粉合成相关基因，旨在为研究淀粉合成及其调控提供理论依据。【方法】从化学诱变剂甲基亚硝基脲（1-methyl-1-nitroso-urea, MNU）处理的宁粳3号(Ningjing 3, WT)突变体库中筛选到一个能稳定遗传的胚乳粉质皱缩突变体，命名为fse4 (floury and shrunken 4 )。与籼稻品种Dular杂交获得F1种子（F2），通过图位克隆的策略确定FSE4候选基因。利用杂合植株（FSE4fse4）分离出的粉质种子，观察形态学特征，分析其理化性质。使用扫描电镜和半薄切片技术观察胚乳结构。使用qRT-PCR和免疫印迹分析淀粉合成相关基因表达模式和淀粉合成相关酶类的蛋白积累量。利用全自动氨基酸分析仪测定成熟胚乳各氨基酸含量。【结果】突变体fse4籽粒宽度、厚度以及千粒重显著下降，同时胚乳中总淀粉、总蛋白、直链淀粉含量亦显著下降，而脂肪含量显著上升；淀粉黏度、崩解值和消减值显著低于野生型。突变体fse4中多为单粒型淀粉颗粒，且排列分散。FSE4定位于第5染色体长臂约252 kb的区间内，测序发现编码Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因 （Delta 1-pyrroline-5-carboxylate synthetase, P5CS）第1外显子上发生单碱基替换，导致一保守的氨基酸发生变异。突变体fse4中大部分淀粉合成相关基因表达量下调，多种淀粉合成相关蛋白积累量减少。突变体fse4米粉中多种氨基酸含量发生显著变化，游离氨基酸含量是其野生型的3.6倍。此外，外源喷施脯氨酸能部分恢复突变体fse4种子萌发缺陷表型。【结论】FSE4编码脯氨酸合成关键限速酶P5CS，该基因对胚乳中氨基酸的合成及代谢起重要的调控作用，并影响淀粉的合成与积累。     

Endosperm Texture in Wheat

One of the fundamental means of classifying wheat is through its endosperm texture. It impacts significantly on the milling process affecting among other things flour particle size and milling yield. Hardness in wheat is largely controlled by genetic factors but it can be affected by the environment and factors such as moisture, lipid, and pentosan content. The principal genetic locus controlling endosperm texture in wheat, Ha, is located on the chromosome 5D. At this locus several genes, notably the puroindolines, have been identified. Puroindolines are the major components of the 15 kDa protein band associated with starch granules that is more abundant in soft wheats than in hard. Recently the puroindolines have been shown to enhance grain hardness in rice. In this review we discuss the structure of hard and soft wheat endosperm with particular emphasis on when differences in endosperm texture can be detected in the developing seed. The role of the environment and other factors that may affect the endosperm texture is also examined together with the role of the puroindoline genes at theHa locus. Finally, we compare endosperm hardness in wheat and in barley.     

咖啡小粒种六倍体和中小粒杂种四倍体胚乳的组织培养

进行了利用咖啡胚乳离体培养技术培育六倍体咖啡胚乳植株及四倍体中小粒种咖啡种间杂种的研究。结果表明:将小粒种咖啡自花授粉所得六倍性胚乳及以中粒种咖啡为母本、小粒种咖啡为父本进行杂交所获得的四倍性种间杂种胚乳,分别在附加有6-BA1~2mg/L和NAA2mg/L的改良MS培养基上培养,能诱导出有效的愈伤组织;在附加有6-BA或KT0.5mg/L,NAA0.1mg/L的改良MS培养基上,愈伤组织能分化出各种类型的胚状体;在附加有NAA或IBA0.5mg/L及2g/L活性炭的1/2MS培养基上,胚状体可被诱导生根而再生完整的六倍体咖啡胚乳植株和四倍体种间杂种咖啡胚乳植株。      

OsESV1基因对水稻淀粉合成的影响

【目的】 研究水稻EARLY STARVATION1 (OsESV1)基因对水稻淀粉代谢的影响。【方法】 通过CRISPR-Cas9技术获得osesv1突变体,考查osesv1的表型及胚乳淀粉的理化特性,分析OsESV1的表达特性及相关功能。【结果】 OsESV1蛋白在植物界中十分保守。osesv1突变体株高、穗长、每穗粒数低于野生型,分蘖数显著多于野生型,叶片中淀粉含量显著下降,籽粒中的直链淀粉含量上升,而总淀粉含量无明显变化。OsESV1呈组成型表达,并且具有昼夜节律表达的特征。OsESV1蛋白定位在叶绿体内且呈点状分布。酵母双杂交和双分子荧光互补实验结果表明OsESV1蛋白可以与ADP-葡萄糖焦磷酸化酶小亚基(OsAGPS) 2a和OsAGPS1互作。【结论】 OsESV1基因影响水稻叶片的淀粉合成途径,而对胚乳淀粉合成的影响不明显。     

草莓胚和胚乳发育的研究

以哈尔滨地区推广的“戈雪拉”和“小实”草莓品种为材料,采用常规石蜡切片法,荧光技术和透射电镜技术,对草莓受精、胚和胚乳的发育过程进行观察,其结果如下：１．草莓属于多心皮离生单雌蕊,柱头较小,表面有栅状排列的乳突细胞,花柱细长,中央可见有较发达的引导组织,子房内１枚横生胚珠,单珠被,厚珠心,蓼型胚囊,利用荧光法可清楚看到落在柱头上的花粉萌发,花粉管的延伸途径,即由柱头一花柱引导组织—子房内壁—胎座—胚珠表面—进入珠孔。２．胚的发育过程与大多数双子叶植物基本一致,先后经历了合子—二细胞原胚—球形原胚—心形胚—鱼雷形胚—成熟胚等阶段,胚发育属紫菀型,胚的形态呈直立型。３．草莓属核型胚乳,先后经历初生胚乳核—胚乳游离核—胚乳细胞—胚乳逐渐被胚吸收等过程,戈雪拉品种幼胚发育中,在其周围具有一个特殊的结构