颗粒结合型淀粉合成酶研究进展

本文综述了小麦胚乳中合成直链淀粉的关键酶——颗粒结合型淀粉合成酶(GBSS)的研究进展，展望了GBSS的研究前景。小麦中的GBSS基因在种子中特异表达；控制3个Waxy，位点的基因Wx—A1、Wx—B1和Wx—D1，分别位于7AS、4AL和7DS上；六倍体小麦和二倍体小麦中3个GBSS的DNA序列从起始密码子到终止密码子，Wx—A1为2781bp，Wx-B1为2794bp，Wx—D1为2862bp。基因的完全编码区含有11个外显子和10个内含子，在核苷酸序列上三个糯基因彼此之间有惊人的同源性；研究表明，直链淀粉含量和淀粉糊化特性受Wx—B1的影响最大，其次是Wx-D1缺失蛋白，Wx-A1缺失蛋白的影响最小。GBSS的鉴定技术包括I2—KI染色、电泳和分子标记技术鉴定。     

水稻Wx基因的等位变异及育种利用研究进展

胚乳中直链淀粉含量是决定稻米蒸煮与食味品质的最重要指标,其在不同品种间变异范围较大。蜡质基因(Waxy,Wx)控制着稻米中直链淀粉的合成,是影响稻米蒸煮与食味品质的最重要基因。目前,在栽培稻中已鉴定了Wx基因的多个复等位变异,包括Wxa、Wxb、wx、Wxop、Wxin、Wxmq、Wxmp、Wxhp等,这些等位变异是造成稻米品质差异的主要原因。综述了目前已发现的Wx基因的主要等位变异类型及变异所产生的效应,简要回顾了各Wx等位基因在育种上的利用,展望了今后Wx基因的主要研究方向。     

转反义Wx基因水稻颖果的发育及物质积累

以转反义Wx基因粳稻和籼稻品系为材料,研究其颖果的发育和物质积累。结果表明,直链淀粉含量降低后的转基因水稻品系籽粒的粒重会有所下降,而且直链淀粉含量下降越多,粒重的下降幅度也越大。单个颖果胚乳细胞的数目也有不同程度的下降,但在籽粒发育早期（花后6 d前）,转基因水稻的胚乳细胞增殖速率明显高于其亲本。直链淀粉降低后的转基因品系籽粒可溶性糖含量在发育初期（花后9 d前）低于其同时期的亲本,而花后9 d后则明显高于其亲本。转基因水稻籽粒中的总淀粉含量有不同程度的下降,而支链淀粉的含量却相对增加,从而改变了籽粒中淀粉的组成,但对籽粒中蛋白质的积累没有显著影响。     

根癌农杆菌介导的水稻转化系统的优化及转反义Wx基因植株的获得

以具不同直链淀粉含量的籼粳稻品种为受体材料,试验了适宜于根癌农杆菌介导转化的水稻愈伤组织诱导培养基及其诱导培养的时间。结果表明,一种基于MS基本培养基的商品培养基较适合作为籼粳稻幼胚愈伤组织的诱导培养基;对于籼型杂交稻亲本协青早B,转化前幼胚较适合的愈伤组织诱导培养天数为8 d左右。在此基础上,将反义蜡质（Wx）基因分别导入上述受体亲本中,获得了一批转基因水稻植株。PCR和Southern杂交分析表明反义Wx基因已经整合进了转基因水稻的基因组中。遗传分析表明外源基因在转基因水稻后代中的分离符合3∶1的理论比例。     

中国大麦种质资源Wx蛋白分析及糯大麦分子标记验证

利用1D-SDS-PAGE分析了中国167份不同直链淀粉含量类型的大麦种质资源Waxy 蛋白类型,发现在低直糯大麦和无直糯大麦两种类型中,可能存在四种生化遗传变异类型。其中有两种与无直糯大麦有关,一种是Wx基因可以正常转录,但转录产生的Wx蛋白无活性,不能催化直链淀粉合成;另一种是Wx基因不能正常转录,既无Wx蛋白产生,也无直链淀粉合成。另外两种与低直糯大麦有关,一种是Wx基因可以正常转录,但转录产生的Wx蛋白活性有限,催化直链淀粉合成的功能降低;另一种是Wx基因不完全正常转录,产生的Wx蛋白数量有限,影响直链淀粉合成。利用4个大麦与小麦的STS标记和2个大麦与小麦的SSR标记对不同Wx蛋白类型进行糯性鉴定,结果表明,迄今利用的Wx基因的STS引物P1可能只适合用于CDC Candle遗传类型相同的糯大麦品种或基因型的鉴定。其它标记均不能用于鉴定大麦糯性胚乳表型,因此当前对于糯大麦育种及Wx分子鉴定研究而言,还有待于开发新的分子标记。     

小麦胚乳Wx蛋白缺失对淀粉含量和淀粉特性的影响

为给面条小麦亲本材料的筛选提供可靠依据，用SDS-PAGE和STS-PCR结合的方法鉴定了24个品种的Wx蛋白亚基组成，测定了这些品种的淀粉含量、膨胀势和RVA参数。结果表明，与正常材料相比，Wx蛋白亚基缺失材料的胚乳中直链淀粉含量减少，支链淀粉和总淀粉含量变化不明显，Wx蛋白亚基缺失的数目越多，直链淀粉含量减少得就越多，糯麦的直链淀粉含量最少。在本研究参试材料特定遗传背景干扰的情况下，在Wx蛋白的三个亚基中Wx-A1蛋白亚基对直链淀粉含量影响最大。Wx蛋白亚基的缺失还使面粉的膨胀势、RVA参数的高峰粘度、崩解值增大，峰值时间延长，而使最终粘度、回生值和糊化温度降低，Wx蛋白亚基缺失的数目越多，这些特性变化的幅度越大。在缺失单个亚基的情况下，Wx-B1亚基的缺失使小麦粉的淀粉特性表现最好。相关分析表明，直链淀粉合成数量的减少是导致上述淀粉特性发生变化的主要原因。     

青海高原春小麦糯性新品系的筛选及其直链淀粉含量

为了培育适合青海高原种植的春小麦糯性新品系,利用DNA分子标记技术检测了80株青春533×糯麦1号F2代材料的Wx基因缺失情况,同时测定了不同Wx基因缺失类型F2代材料的小麦籽粒直链淀粉含量。结果表明,在80株F2代分离群体材料中,单缺失WxA1或WxB1或WxD1基因的材料分别为8份、11份、9份;同时缺失WxA1和WxD1基因的材料为10份,同时缺失WxB1和WxD1基因的材料为12份,同时缺失WxA1和WxB1基因的材料为9份;WxA1、WxB1和WxD1基因全部缺失的材料为8份。Wx基因的缺失数量与直链淀粉含量的高低有密切关系,缺失1个Wx基因（部分糯小麦）,直链淀粉含量比对照（青春533）降低5.28%~11.35%;缺失2个Wx基因（部分糯小麦）,直链淀粉含量比对照降低10.73%~19.81%;缺失3个基因（糯小麦）的直链淀粉含量为0.97%,比对照降低30.53%。高原春小麦与糯性小麦杂交的F2代直链淀粉含量下降幅度要比前人所研究的材料下降幅度大,并且WxB1单缺失引起直链淀粉含量下降（11.35%）比WxA1和WxD1双缺失所引起的下降幅度要大（10.73%）。     

通过分子标记辅助选择培育优良食味水稻新品种

 为了培育食味品质优良、综合丰产性好的粳稻新品种,以高产粳稻品种武香粳14作母本,具有暗胚乳突变基因的优质粳稻品种关东194作父本配制杂交组合。利用与暗胚乳突变基因Wx mq直接相关的单核苷酸差异,设计合成了CAPS标记,该标记能区分含或不含Wx mq基因的纯合基因型和杂合基因型。利用该标记对武香粳14/关东194衍生的F5、F6株系进行辅助选择,筛选到含Wx mq基因的纯合基因型,成熟后对胚乳淀粉性质的调查结果与分子检测结果完全一致,分子标记辅助选择效果达100%。最终将关东194的暗胚乳突变基因Wx mq与高产基因聚合于一体,育成含有暗胚乳突变基因Wx mq的优良食味粳稻新品种南粳46。     

高AC水稻淀粉合成相关酶基因表达的温度效应

以高直链淀粉含量(AC)早籼稻品种嘉育353为材料,利用人工气候箱设置高温(日均温32℃)和适温(日均温22℃)2个温度处理,采用实时荧光定量PCR技术分析了不同灌浆温度下水稻胚乳中3个淀粉分支酶基因(sbe1、sbe3和sbe4)、3个淀粉脱支酶基因(R酶基因、isa1和isa2)以及2个淀粉合酶(GBSSⅠ和SSSⅠ)基因的表达特性。结果显示,除了sbe4、isa1和GBSSⅠ基因外,其余基因高温下表达量均显著高于适温,表明sbe1、sbe3、R酶基因、isa2以及SSSⅠ基因属于温度敏感型基因,可能在水稻胚乳淀粉合成的温度调控方面起着关键作用。     

水稻粉质胚乳突变体flo7的理化性质及基因定位

淀粉约占水稻胚乳干物质总量的80%,胚乳中淀粉的组分与含量以及颗粒结构决定了稻米品质。从粳稻品种日本晴(Nipponbare)组培后代中获得了一个稳定遗传的粉质胚乳突变体flo7(floury endosperm 7)。该突变体胚乳表现为白色不透明粉质状,同时突变体种子粒长有所增加,而粒宽、粒厚和千粒重均显著降低。与野生型相比,在灌浆过程中突变体flo7籽粒中干物质的积累量减少,而葡萄糖、果糖等游离糖含量增加。突变体flo7成熟种子的直链淀粉含量和胶稠度显著下降,而碱消值显著增加。胚乳横截面扫描电镜分析发现,突变体flo7胚乳中淀粉颗粒形状不规则,排列疏松。遗传分析表明flo7粉质状胚乳突变表型符合单隐性核基因控制的遗传分离规律。以突变体flo7和南京11杂交衍生的F2群体为材料,利用简单重复序列(SSR)和插入缺失(Indel)分子标记,将flo7定位在第12染色体长臂末端C2-11和C5-15之间,物理距离为95.1kb,该区间内包含13个开放阅读框(ORF)。在籽粒灌浆过程中利用实时荧光定量PCR分析淀粉合成相关基因的表达,发现在突变体中多个淀粉合成相关基因表现出不同程度的上调和下调,表明FLO7在水稻种子中淀粉的合成与调控中起着重要作用。     

Molecular marker for screening rice cultivars with intermediate amylose content in indica

The waxy (Wx) gene of rice encodes the granule-bound starch synthase(GBSS), which was required in the synthesis of amylose in endosperm. The anylose content (AC) of rice endosperm played an important role in grain yield,palatability, and processing quality.     

Molecular marker for screening rice cultivars with intermediate amylose content in indica

The waxy (Wx) gene of rice encodes the granule-bound starch synthase(GBSS), which was required in the synthesis of amylose in endosperm. The anylose content (AC) of rice endosperm played an important role in grain yield,palatability, and processing quality.     

Tryptophanyl-tRNA Synthetase Gene WRS1 Regulates Rice Seed Development

【Objective】Aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) are closely related to the transmission of genetic information. Besides translation, aaRSs in plants participate in gametogenesis and embryo development, early plastid development, immune signal perception and disease defense. In this study, we used a rice endosperm defective mutant to analyze the function of tryptophanyl-tRNA synthase (WRS1) during seed development, proving that WRS1 gene encodes a key factor affecting rice endosperm development. 【Method】In this study, a stably-inherited rice floury endosperm mutant (wrs1) was screened from the mutant library of indica cultivar N22 (Oryza sativa subsp. indica) induced by ethyl methane sulfonate (EMS). Map-based cloning and complementation test identified the target gene. Morphological observation and starch physicochemical properties of wrs1 mature seeds were analyzed. Semi-thin sections were prepared to observe the developing endosperm structure with a scanning electron microscope. qRT-PCR and GUS staining were performed to analyze the expression of WRS1. The expression of starch synthesis related genes in the endosperm at 12 days after flowering was determined by qRT-PCR, and these protein expression levels in mature seed were detected by immunoblotting. The free amino acid contents of mature seeds were measured with a fully automatic amino acid analyzer. 【Result】The seedlings of wrs1 were featured by obvious delay in development and finally withered and died. The floury grains isolated from the heterozygous mutant (WRS1wrs1) showed shrunken belly, decreased grain thickness and thousand-grain weight. Total starch contents, the peak viscosity and breakdown viscosity of pasting starch were lower in wrs1. The compound starch granules in developing endosperm of wrs1 were smaller and loosely arranged. WRS1 was restricted to the 183 kb region of the long arm of chromosome 12. Sequencing revealed a single base substitution in exon 6 of the tryptophanyl-tRNA synthetase gene (WRS1), resulting in a substitution of methionine. The expression of most starch synthesis-related genes in wrs1 was down-regulated, while these proteins showed different accumulation levels. The contents of proteins in wrs1 grains were decreased, while free amino acids contents were significantly increased. 【Conclusion】WRS1 encodes tryptophanyl-tRNA synthase. Mutation of this gene affects amino acid homeostasis and protein synthesis in rice endosperm, resulting in abnormal expression of the genes in starch synthesis pathway which affects starch synthesis and accumulation, and eventually lead to seed development defects.     

Development and Substance Accumulation of Caryopsis in Transgenic Rice with Antisense Wx Gene

China is one of the leading nations in production as well as consumption of rice. Almost more than half of Chinese people live on rice. But most of the widely grown rice is of low quality, especially with high amylose content [1]. The higher level of amyl…     

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。     

CRISPR/Cas9系统编辑水稻Wx基因

【目的】 直链淀粉含量与稻米品质密切相关。Wx基因是控制水稻直链淀粉合成的主效基因,通过对Wx基因定点编辑以获得稳定遗传、直链淀粉含量适宜的突变体。【方法】 构建CRISPR/Cas9表达载体pGK03-Wx-gRNA (靶点1和2分别在Wx基因第1和第2外显子),利用工程菌EHA105遗传转化超级稻楚粳27,潮霉素筛选获得转化株系,对转化株系及其后代进行分子检测、测序、基因表达和遗传稳定性分析以及直链淀粉含量测定。【结果】 获得9个独立的T₀代转化株系,靶点1(L1~L5) 5个株系,突变频率100%,靶点2(L6~L9) 4个株系,突变频率75%。由T₀代突变体衍生出T₁和T₂代株系,测序发现T₀、T₁和T₂代株系出现缺失(单、双、多碱基缺失)和单碱基插入两种突变类型;T₀至T₁代部分株系(L1、L2、L3和L6)发生再编辑,T₁至T₂代遗传稳定。与野生型相比,突变株系RNA水平Wx基因表达量显著下降(P<0.01),稻米直链淀粉含量显著降低(P<0.01),从17.5%降到1.93%。【结论】 利用CRISPR/Cas9系统成功编辑水稻Wx基因,获得了稳定遗传、低直链淀粉含量的突变体,为稻米品质改良提供了材料。     

同源四倍体和二倍体水稻Wx基因与淀粉品质的遗传关系

用Wx 基因的(CT)n微卫星标记和切割的扩增产物多态性序列(cleaved amplified polymorphic sequence, CAPS)分子标记PCR Acc Ⅰ 对40份同源四倍体和14份二倍体水稻Wx基因型进行研究。利用484/485引物检测,Wx基因呈 Wx1、Wx2和Wx3 3种多态性;而用PCR Acc Ⅰ检测,Wx基因表现为G 型和T 型。同时,在测定稻米直链淀粉含量（AC）、胶稠度（GC）和糊化温度（GT）的基础上探讨它们与Wx基因的关系,结果表明AC、GC与Wx基因密切相关,GT与Wx基因相关不显著。综合分析表明,同源四倍体水稻中,92.0%的Wx1基因型材料为G 型,而Wx2基因型村料和800%的Wx3基因型材料为T 型。统计分析表明,Wx基因(CT)n微卫星标记检测与PCR Acc Ⅰ 分子标记检测的相关系数为0842,呈极显著正相关。     

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。