水稻粉质皱缩胚乳突变体fse4的表型分析与基因克隆

• 作者: 万建民 刘世家 刘喜 张文伟 杜溢墨 江玲 潘天 王益华 田云录
• 来源期刊: 中国水稻科学
• 学科: 农学
• 关键词: 粉质胚乳 淀粉合成 基因克隆 Δ1-吡咯啉-5-羧酸合成酶 氨基酸合成与代谢
• 年，卷（期）: 2019,（6）
• 所属期刊栏目: 研究报告
• 页码范围: 499-512
• 页数: 14页
• 分类号: Q343.5|S511.032
• 字数: 9884字
• 语种: 中文
• DOI: 10.16819/j.1001-7216.2019.9058

摘要

[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.