半糯粳稻与常规粳稻籽粒代谢物的差异及氨基酸合成_熊强强.pdf

分子植物育种，2023 年，第 21 卷，第 14 期，第 4525-4534页Molecular Plant Breeding,2023,Vol.21,No.14,4525-4534研究报告Research Report半糯粳稻与常规粳稻籽粒代谢物的差异及氨基酸合成熊强强1,2王润楠1孙长辉1张娇1汪睿智1王小鱼1张宇1朱金燕1,2*1 扬州大学农学院,江苏省作物遗传生理重点实验室,江苏省作物栽培生理重点实验室,扬州,225009;2 扬州大学,江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心,扬州,225009*通信作者,摘要为探明半糯粳稻与常规粳稻代谢组分的差异以及代谢物在氨基酸合成通路中的变化。本研究以1 个半糯粳稻品种 扬农香 28(YNX28H)和 2 个常规粳稻品种 扬大 3 号(YD3)、扬大 4 号(YD4)为试验材料，利用 LC-MS 非靶向代谢组学技术检测了 3 个水稻品种的代谢物。结果表明，YNX28H 和 YD3 比较组中鉴定了 201 种差异代谢物(120 个上调和 81 个下调)，YNX28H 和 YD4 比较组中鉴定了 246 种差异代谢物(120 个上调和 126 个下调)。半糯粳稻品种 扬农香 28 含特有代谢物 89 种。半糯粳稻与常规粳稻的差异代谢物主要涉及氨基酸代谢通路、脂类代谢通路和淀粉合成通路。YNX28H 和 YD3 比较组氨基酸合成通路中L-天冬氨酸、L-天门冬酰胺、L-谷氨酸、精氨酸、氨气代谢物显著上升。YNX28H 和 YD4 比较组氨基酸合成通路中丝氨酸、L-天冬氨酸、L-天门冬酰胺、L-谷氨酸、氨气代谢物显著上升。这些代谢物在半糯粳稻氨基酸合成与代谢过程中扮演者重要的角色。本研究为培育优质食味粳稻新品种提供理论依据。关键词半糯粳稻;常规粳稻;代谢组学;氨基酸;代谢通路Grain Metabolite Differences and Amino Acid Synthesis of Semi-glutinousJaponica Rice and Conventional Japonica RiceXiong Qiangqiang1,2Wang Runnan1Sun Changhui1Zhang Jiao1Wang Ruizhi1Wang Xiaoyu1ZhangYu1Zhu Jinyan1,2*1 Jiangsu Key Laboratory of Crop Genetics and Physiology,Jiangsu Key Laboratory of Crop Cultivation and Physiology,Agricultural College ofYangzhou University,Yangzhou,225009;2 Jiangsu Co-Innovation Center for Modern Production Technology of Grain Crops,Yangzhou University,Yangzhou,225009*Corresponding author,DOI:10.13271/j.mpb.021.004525AbstractTo explore the difference of metabolic components between semi-glutinous japonica rice and conven-tional japonica rice and the changes of metabolites in the amino acid synthesis pathway.In this study,one semi-glu-tinous japonica rice variety Yangnongxiang28(YNX28H)and two conventional japonica rice varieties Yangda3(YD3)and Yangda4(YD4)were used asexperimental materials,and LC-MS non-targeted metabonomics techniquewas used to detect metabolites of three rice varieties.The results showed that 201 differential metabolites(DMs)(120 up-regulated and 81 down-regulated)were identified in YNX28H and YD3 comparison groups,and 246 DMs(120 up-regulated and 126 down-regulated)were identified in YNX28H and YD4 comparison groups.Yangnong-xiang28,a semi-glutinous japonica rice variety,contains 89 specific metabolites.The DMs of semi-glutinous基金项目：本研究由江苏省研究生实践创新计划项目(SJCX22_1782)、镇江“金山英才”产业强市领军人才引进计划(镇人才办2021 1 号)、江苏省重点研发计划项目(BE2019342)和江苏省种业振兴“揭榜挂帅”项目(JBGS 2021 036)共同资助引用格式：Xiong Q.Q.,Wang R.N.,Sun C.H.,Zhang J.,Wang R.Z.,Wang X.Y.,Zhang Y.,and Zhu J.Y.,2023,Grain metabolitedifferences and amino acid synthesis of semi-glutinous japonica rice and conventional japonica rice,Fenzi Zhiwu Yuzhong(MolecularPlant Breeding),21(14):4525-4534.(熊强强,王润楠,孙长辉,张娇,汪睿智,王小鱼,张宇,朱金燕,2023,半糯粳稻与常规粳稻籽粒代谢物的差异及氨基酸合成,分子植物育种,21(14):4525-4534.)分子植物育种Molecular Plant Breedingjaponica rice and conventional japonica rice are mainly involved in amino acid metabolism pathway,lipid meta-bolism pathway and starch synthesis pathway.In YNX28H and YD3 comparison groups,L-aspartate,L-asparagine,L-glutamate,arginine and NH3metabolites in the amino acid synthesis pathway increased significantly.In YNX28Hand YD4 comparison groups,serine,L-aspartate,L-asparagine,L-glutamate and NH3metabolites in the amino acidsynthesis pathway increased significantly.These metabolites play an important role in the amino acid synthesis andmetabolism of semi-glutinous japonica rice.This study provides a theoretical basis for the cultivation of newvarieties of high-quality and tasty japonica rice.KeywordsSemi-glutinous japonica rice;Conventional japonica rice;Metabonomics;Amino acid;Metabolicpathway随着社会经济的发展和国际稻米市场的开放，无论是消费者还是市场都对稻米生产提出了更高的要求。半糯粳稻品种的胚乳直链淀粉含量在 8%13%之间，是介于一般黏米和糯米之间的中间类型，称半糯米(王才林等,2022)。半糯米米饭表面光泽透亮、冷饭不硬、食味品质较好，深受江苏、安徽、浙江以及上海地区人民的喜欢(王才林等,2021)。半糯米也是各部门争相抢购的优质原粮，优质的半糯稻品种培育能够在很大程度上提升农民参与种植的积极性，对于稻米产业以及稻米种子相关产业的发展也有非常重要的意义，为南方粳稻产业供给侧结构调整、提质增效做出了重要贡献(王才林,2022)。水稻作为一种模式植物，科研人员对它进行了大量的研究，包括转录组基因组以及蛋白质组各种层面(Wing et al.,2018;Xiong et al.,2019;2020;Liu etal.,2021)，作为蛋白与基因调控下游所产生的终产物，代谢物的含量和组成对水稻表型有非常重要且直接的影响。水稻(Oryza sativaL.)等主要作物的营养品质代谢数据库已经相继建成，并且系统研究了作物中各种营养成分的种类、含量差异以及代谢合成途径(Chen etal.,2016;Li et al.,2022;Zhou et al.,2022;Xiong et al.,2023)。水稻籽粒所含有的代谢物，反映的不仅仅是种子本身的整体代谢状态，代谢物内部所含的各种物质及其具体含量差异，也能反映出水稻种子的整体状态(Chenetal.,2022)。前期本课题组利用 LC-MS 非靶向代谢组学探究了氮肥和种植密度下稻米品质形成的代谢物数量、种类及丰度变化(Xiong et al.,2022a)。另外，基于代谢组学技术分析了紫糯米抗氧化特性重要的代谢产物，明确了 6 种代谢物为糯米抗氧化能力筛选的候选代谢标记物(Xiongetal.,2022b)。接着进一步分析了紫糯稻籽粒营养成分相关的代谢物(Xionget al.,2022c)，以及加工前后紫糯米代谢物的变化(Zhuetal.,2022)。可以看出，代谢组学在分析水稻籽粒代谢成分的研究上技术臻于成熟。采用液相质谱联用多元统计学的结合技术方式，能够对水稻籽粒所产生的代谢物进行有效的调查与分析，其代谢物种类及含量变化也能够更直观地反映出来(Hu et al.,2021;Ren et al.,2022)。本研究借助 LC-MS 代谢组学的优势，研究半糯粳稻与常规粳稻精米代谢成分的差异。进一步探明半糯粳稻氨基酸合成通路上的相关代谢物，并分析代谢物在代谢通路中扮演的角色，为代谢组学辅助育种提供基础资料。1结果与分析1.1多元统计分析首先，对 1 个半糯粳稻和 2 个常规粳稻代谢物数据进行了主成分分析(PCA)。在 PCA 得分图上，两个主成分 PC1、PC2 分别为 64.2%、13.7%(图 1A)。偏最小二乘判别分析(PLS-DA)结果表明，Component 1和 Component 2 可以解释 57.9%和 20.6%的变异(图 1B)。R2Y 和 Q2 分别用来评价 PLS-DA 模型的解释能力和预测能力，R2Y 和 Q2 的累计值越大，说明模型越稳定可靠。R2Y 的累计值为 0.984，Q2 的累计值为 0.902(图 1C)。在所进行的 200 多次置换检验过程中，所有检验结果随机产生的 R2 以及 Q2 值对比原始值都要小很多，并且具备较大的直线斜率。与此同时，所有 Q2 值均位于零点之下(图 1D)，也就是说 PLS-DA 模型拟合情况并未产生，可以按照 VIP值对于代谢物进行下一