淀粉合成基因与水稻胶稠度、...度和直链淀粉含量相关性分析_康雪蒙.pdf

淀粉合成基因与水稻胶稠度、糊化温度和直链淀粉含量相关性分析康雪蒙1，薄晋芳2，马梦影1，巩文靓2，姜恭好2，段海燕1*（1.黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080）摘要：水稻蒸煮食味品质是影响其销量的重要因素之一，胶稠度、糊化温度和直链淀粉含量是衡量水稻蒸煮食味品质的三个重要指标。对空育 131和稻花香 2号上述三个指标进行了测定，以期为提升水稻空育 131的蒸煮食味品质提供依据，同时也对 17 个与水稻淀粉合成相关的基因在两个品种间碱基序列差异进行了检测，并采用空育 131 为供体亲本、稻花香 2号为轮回亲本，利用分子标记辅助选择后的 BC1F4代为试验材料对差异基因的功能进行验证。结果表明：空育 131和稻花香 2号在胶稠度和直链淀粉含量上均具有差异；在 17个与食味品质相关的基因中只有 SBE3和 SSII-1在两个品种间存在单碱基序列差异；来自稻花香 2号的 SBE3和 SSII-1具有提升水稻胶稠度的作用，SBE3对胶稠度的提升作用较大，SSII-1对胶稠度的提升作用较小。关键词：水稻；淀粉合成基因；胶稠度；糊化温度；直链淀粉含量中图分类号：S511文献标识码：A文章编号：2096-5877（2023）01-0001-04Correlation Analysis of Starch Synthesis Genes with Rice Gel Consistency,Gelatinization Temperature,and Amylose ContentKANG Xuemeng1,BO Jinfang2,MA Mengying1,GONG Wenjing2,JIANG Gonghao2,DUAN Haiyan1*(1.College of Modern Agricultural and Ecological Environment,Heilongjiang University,Harbin 150080;2.College ofLife Sciences,Heilongjiang University,Harbin 150080,China)Abstract：Rice cooking and eating quality is one of the most important factors affecting its sales.Gel consistency,gelatinization temperature,and amylose content are three important indicators for measuring the cooking and eatingquality of rice.Three indicators of Kongyu 131 and Daohuaxiang 2 were measured in order to improve the cookingtaste of rice.At the same time,the base sequence differences of 17 genes related to rice starch synthesis between thetwo varieties were also tested.The function of the differential genes was verified by using the BC1F4generation aftermolecular marker-assisted selection as test materials.Kongyu 131 as the donor parent and Daohuaxiang 2 as the recurrent parent.The results showed that:Kongyu 131 and Daohuaxiang 2 had differences in gel consistency and amylose content.In the 17 genes related to taste quality,only SBE3 and SSII-1 were between the two varieties.Thereare single-base sequence differences.Both SBE3 and SSII-1 from Daohuaxiang 2 have the effect of improving thegel consistency of rice,but SBE3 has a greater effect on the gel consistency,and SSII-1 has a smaller effect on thegel consistency.Key words：Rice;Starch synthesis gene;Gel consistency;Gelatinization temperature;Amylose content随着经济的快速发展，人们对水稻生产的要求不再仅仅停留在产量这一层面，开始对稻米品质有着更高的要求。蒸煮食味品质作为评价稻米收稿日期：2020-02-12基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（11551356）；黑龙江大学高层次人才（创新团队）支持计划（Hdtd2010-18）作者简介：康雪蒙（1995-），女，硕士，主要从事水稻分子遗传育种研究。通讯作者：段海燕，女，博士，副教授，E-mail:品质的重要指标，是水稻研究者对水稻品种进行选育的重要目标之一。在评定稻米蒸煮食味品质时主要对蒸煮后稻米的香味、硬度、外观、甜味等感官进行综合评价，进而判定稻米的蒸煮食味品质是否属优1。但上述评判标准具有一定主观性，因此选用胶稠度（Gel Consistency,GC）、糊化温度（Gelatinization Temperature,GT）、直链淀粉含量（Amylose Content,AC）和稻米淀粉黏滞性 RVA 指标来对水稻蒸煮食味品质进行更严谨的评价2-3。康雪蒙等:淀粉合成基因与水稻胶稠度、糊化温度和直链淀粉含量相关性分析东北农业科学2023，48（1）：1-4，29Journal of Northeast Agricultural SciencesDOI:10.16423/ki.1003-8701.2023.01.0012东 北 农 业 科 学48卷研究表明，胚乳基因是决定水稻蒸煮食味品质是否属优的重要因素，这就使得淀粉的相关性质成为其评价的标准4-5。其中，直链淀粉含量与蒸煮食味品质呈显著负相关关系6-8，而直链淀粉含量受淀粉合成途径中相关酶的影响。因此，从分子生物学看，了解并利用水稻淀粉合成途径相关酶的基因可对提升水稻蒸煮食味品质作出贡献。水稻淀粉合成途径主要受以下 4 种酶多个基因一起调控：ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP glucose pyrophosphorylase，AGP）、淀粉合成酶（starchsynthase,SS）、淀粉分支酶（starch branching enzyme，SBE）和 淀 粉 去 分 支 酶（starch debranchingenzyme，DBE）9-10。研究表明，AGPlar、AGPiso、AGPsma、Wx、GBSSII、SSI、SSII-1、SSII-2、SSII-3、SSIII-1、SSIII-2、SSIV-1、SSIV-2、SBE1、SBE3、SBE4、ISA、PUL，18个淀粉合成基因调控水稻淀粉的合成11。空育 131 具有耐寒、产量稳定等特点，已成为北方水稻栽植区的重要水稻品种之一12，稻花香 2号因优良的食味品质成为五常市农业经济中的一大特色13。本试验利用上述两个品种作为亲本，选用 BC1F4代群体来对两个品种的胶稠度、糊化温度和直链淀粉含量及淀粉合成途径中相关基因进行了研究，同时对两个品种存在差异的基因的功能进行了验证，旨在找出两个品种间衡量蒸煮食味品质三个指标的差异原因，为用稻花香 2 号改良空育131稻米品质奠定分子基础。1材料与方法1.1试验材料亲本：黑龙江省主栽粳稻品种空育 131 和黑龙江省特色粳稻品种稻花香2号。BC1F4代群体：用分子标记辅助选择育种的方法以稻花香 2 号为供体亲本，空育 131 为轮回亲本，多次回交获得BC1F4代。1.2田间栽培措施试验田分别位于黑龙江省建三江农场、五常市。建三江农场位于三江平原，属寒温带湿润季风气候，年平均日照 23002600 h，平均降水量550600 mm，无霜期 110135 d。土壤肥沃，物理结构良好，有机质含量 3.2，全氮含量 0.15，全磷含量 0.15，全钾含量 2.2，土壤酸碱度接近中性。灌溉用水为井水。五常市位于黑龙江省南部，属温带大陆性季风气候，年平均日照 25002700 h，平 均 降 水 量 600625 mm，全 年 无 霜 期115139 d，昼夜温差明显，平均为 13。土壤肥沃，土壤有机质含量 10以上，黑土层厚，在其下面有透气、透水性好的沙壤土。灌溉用水为河水，水质可达国家一级饮用矿泉水标准。空育 131、稻花香 2 号和 BC1F4代群体种植方式为每株单本插植两行，每行 8株，行距 30 cm，株距 20 cm，保证合适的栽培密度。3月 20日播种，5月8日移栽，移栽后按照常规栽培管理。1.3测定方法1.3.1蒸煮食味品质的测定空育 131和稻花香 2号的直链淀粉含量、胶稠度、糊化温度（用碱消值表示）分别按农业农村部标准 NY/T 83-1988、GB/T 17891-1999、NY/T 83-1988 进行测定。具体数值由农业农村部稻米及制品质量监督检验测试中心测定。1.3.2对17个淀粉合成基因进行基因组测序试验选取了稻米淀粉合成途径中最为关键的17 个基因：Wx（GBSSI）、ALK、SSI、SSII-2、SSIII-2、SSIV-1、AGPlar、SSII-3、SSIII-1、AGPsma、SBE1、PUL、ISA、GBSSII、AGPiso、SSII-1、SBE311。从基因数据库（http:/www.gramene.org）获取这 17 个基因的核苷酸序列。根据查询所得的 DNA 序列，利用Primer 3.0 软件设计引物，经 PCR 扩增后用 1的琼脂糖凝胶电泳检测 17 个基因是否扩增成功。检测结束后将扩增产物送至上海华大基因公司进行基因组测序。测序区间为起始密码子上游 3 kb至终止密码子。1.3.3对淀粉合成基因在空育 131 和稻花香 2 号间的差异位点进行验证根据测序结果得知：空育 131和稻花香 2号具有差异的基因均表现为单碱基差异，并以基因的差异位点为基础设计了酶切扩增多态性序列（CAPS）标记。DNA 经 PCR 扩增后使用限制性内切酶进行切割，再用 6-聚丙烯酰胺凝胶电泳检测是否与测序结果一致。酶切反应体系如下：总反应体系为 10.0 L，其中包含 PCR 产物 4.0 L，限制性内切酶 1.0 L，10Buffer 1.0 L，ddH2O 4.0L。因酶类型不同，反应体系会随之发生改变，当需要加入 1.0 L 10BSA，此时 ddH2O 减少为3.0 L。1.3.4BC1F4代交换单株胶稠度的测定由测序结果得知：空育 131 和稻花香 2 号在17 个淀粉合成基因中具有差异的基因为 SBE3、SSII-1。在 BC1F2代时已经利用标记 RM13329 和RM596、RM25470 分别对 SBE3 和 SSII-1 去除了连1期康雪蒙等:淀粉合成基因与水稻胶稠度、糊化温度和直链淀粉含量相关性分析3锁累赘。根据实验室已有的 38 对 SSR 标记对 BC1F4代植株的基因型进行分析，并将与空育 131 基因型相同的记为 K 型，与稻花香 2 号基因型相同的记为 D