水稻淀粉胚乳程序性细胞死亡中的去核化

对水稻品种中籼8836淀粉胚乳细胞的去核化发育阶段的细胞超微结构变化和同期籽粒灌浆速率及相关酶活性的动态进行了观察和分析。开花受精后约在第3天胚乳完成细胞化,花后第5天少数淀粉胚乳细胞启动去核发育过程。核消亡是淀粉胚乳细胞程序性细胞死亡(PCD)的第一步。同一籽粒淀粉胚乳细胞的去核进程是不同步的。花后第13天所有淀粉胚乳细胞都已完成去核过程。在去核过程中,胚乳核的形态变化特征既有动植物PCD的共性又有其特殊性。伴随核降解过程,一部分线粒体解体,表明去核化与线粒体解体有一定联系。在去核化发育阶段,与PCD有关的酶类,如超氧化物歧化酶(SOD)过氧化氢酶(CAT)活性非常高;与淀粉合成有关的酶类,如ADPG焦磷酸化酶、可溶性淀粉合成酶(SSS酶)、淀粉分支酶(或Q酶)也表现出很高的活性。去核化发育阶段籽粒灌浆速率最高,籽粒增重亦最快。淀粉胚乳细胞去核之后,细胞并未立即死亡,这些无核的细胞仍维持正常有序的代谢活动,继续进行淀粉和贮藏蛋白的合成与积累,但上述酶类的活性明显降低,灌浆速率也明显趋缓。淀粉胚乳细胞最终被贮藏物质充满时成为死细胞,完成其程序性死亡过程。Evan’s blue染色鉴定表明淀粉胚乳细胞死亡不同步,细胞死亡在淀粉胚乳组织中是随机发生的。     

水稻胚乳中淀粉合成相关酶活性的变化对支链淀粉精细结构的影响

分析了水稻（Oryza sativa L．）籽粒发育过程淀粉生物合成途径中的关键酶——ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、可溶性淀粉合酶、淀粉分支酶以及淀粉脱支酶活性变化,同时研究了淀粉结构形成动态．与野生型晚粳9522相比,转基因晚粳9522中直链淀粉的合成被显著抑制,而总淀粉含量和籽粒终重量没有改变．淀粉生物合成途径中关键酶活性表达时间不一致,存在明显的时段特征,这与淀粉积累动态密切相关．可溶性淀粉合酶活性表达最早,其在灌浆前期驱动淀粉合成起始;而淀粉粒结合态淀粉合酶在胚乳发育的中期活性最大．两水稻实验材料间,除淀粉脱支酶活性变化有所不同外,ADP-葡萄糖焦磷酸化酶和淀粉分支酶活性的变化没有明显差异．并且,支链淀粉的分支模式在水稻籽粒发育过程中变化较大,且与品种有关．以上结果揭示,支链淀粉的合成要先于直链淀粉,并且在控制支链淀粉各分支的形成过程中有不同的酶在起特异的作用．     

水稻淀粉分支酶基因5′上游区缺失对基因表达的影响

为研究水稻淀粉分支酶基因 (sbe1) 5′上游调控区中存在的顺式作用元件 ,我们将水稻sbe1基因翻译起始点 (ATG) 5′上游区 1.2kb(- 10 96～ 74bp)片段经过不同限制性内切酶消化及外切核酸酶ExoIII部分消化 ,得到 4个 5′端缺失的片段。将这些缺失片段分别与 gus基因编码区连接 ,构建成融合质粒 ,经土壤农杆菌 (Agrobacterium)介导引入水稻 ,定量测定转基因水稻植株未成熟种子中的 gus酶活力。结果表明 ,- 5 16～ 6 4bp的sbe1启动子片段可以驱动gus基因的高表达 ,其它 3个启动子片段 (- 10 96～ 74bp ,- 2 95～ 74bp ,- 146～ 6 4bp)驱动 gus基因表达的能力较低。推测在sbe1基因 5′上游区 - 5 16～ - 2 95bp片段中可能存在能使 gus基因高表达的增强元件     

水稻籽粒淀粉分支酶活性的遗传分析

用由247个株系组成的珍汕97B/密阳46重组自交系群体及其含207个分子标记的连锁图谱,在2002年和2003年分别测定亲本和重组自交系群体开花后10 d和20 d籽粒的淀粉分支酶的活性,检测到3个控制开花后10 d Q酶活性的主效应QTL(qnantitative trait loci),联合贡献率为10%,其中qQ10-6与环境发生显著的互作;分别检测到5对和2对染色体区间对开花后10 d、20 d Q酶活性的影响具有加性×加性上位性作用,其中开花后10 d的3对染色体区间具有显著的上位性×环境互作效应.由此可见,水稻籽粒Q酶活性相关基因的表达,受到环境因子的极大影响.     

植物支链淀粉合成的关键酶—淀粉分支酶

支链淀粉是植物淀粉的主要成分,而淀粉分酶支酶是其合成的关键酶。开展对该酶的深入研究不论是在基因理论研究领域还是在实现应用方面都具重要意义。     

淀粉分支酶和去分支酶编码基因的功能

淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶(DBE)是直接参与淀粉生物合成的5类酶中的2类分支点形成支链淀粉,后者水解葡萄糖苷链中α(1-6)糖苷键.文章概述了已克隆的编码SBE和DBE同种型编码基因及其在体内外的表达特征,并提出DBE多聚体酶的结构和功能将成为淀粉粒起始形成研究中的起点,SBEⅠ和SBEⅡ表达调控是支链淀粉分子改良的途径的看法.     

胚乳中淀粉的合成

禾本科植物胚乳内所含有的淀粉根据其结构、组成可以分为两类：直链淀粉（由α-1,4糖苷键连接的多聚D-葡萄糖）和支链淀粉（在以α-1,4糖苷键连接的主链上通过形成α-1,6糖苷键引入支链的多聚D-葡萄糖）。前者是以一种线性无序状态存在,而支链淀粉则是构成淀粉半晶体结构的主要成分。其中,除了负责合成作为糖基直接供体的ADP—Glc的酶AGPase外,直链淀粉中链的延伸反应由GBSSI完成,而支链淀粉的合成则相对复杂,需要SS、SBE、DBE、SP等一些酶的协同调控来共同完成。本文综述了胚乳中淀粉合成过程中所涉及的一些关键酶的研究进展,并对此研究领域进行了展望。     

植物支链淀粉合成的关键酶——淀粉分支酶

支链淀粉是植物淀粉的主要成分,而淀粉分支酶是其合成的关键酶。淀粉分支酶可分为两同形体家族,本文从酶学特性、染色体定位、基因及基因表达方面阐明了它们之间的联系和区别,并证实不同同形体在植物支链淀粉合成和结构决定上所起作用不同。开展对该酶的深入研究不论是在基础理论研究领域还是在现实应用方面都具重要意义。     

应用CRISPR/Cas9技术创制低直链淀粉含量水稻种质

Wx基因直接控制水稻胚乳直链淀粉的合成,进而影响胶稠度等多个品质指标,是控制稻米食味的主效基因。适当降低稻米的直链淀粉含量可改善稻米品质。吉丰B是籼型优质杂交稻保持系,直链淀粉含量偏高,影响组配后代的食味品质。本研究以吉丰B为试验材料,对Wx基因编码区上游序列进行编辑,以期获得Wx基因表达下调,直链淀粉含量降低的水稻种质。以农杆菌为介导进行转基因,获得9个转基因株系,从后代中筛到2个大片段缺失的变异株系L8和L9。它们的Wx基因表达大幅下调,直链淀粉含量极显著降低,胶稠度和食味品质也有所改善。L8和L9糙米外观有很大差异,L8与糯米相近,L9与粘米类似。综上所述,本研究利用CRISPR/Cas9技术编辑Wx基因编码区上游序列,获得两份低直链淀粉含量水稻种质,该结果为稻米品质改良研究提供了参考。     

水稻胚乳发育中淀粉体和蛋白体ATPase活性的动态变化

利用ATPase定位技术,对水稻品种(Oryza sativa L.cv．Minghui 63)胚乳细胞发育中后期淀粉体和蛋白体的ATPase活性进行了超微细胞化学定位。结果表明,在淀粉体内外膜上、淀粉粒间的通道上和淀粉体四周的无定形物上呈现显著的ATPase活性。蛋白体Ⅰ和蛋白体Ⅱ的膜上和四周的囊泡、小泡上均出现ATPase活性产物。另外,胚乳细胞的胞壁和质膜,糊粉层和亚糊粉层细胞的胞壁、质膜、细胞核和胞间连丝上也有定位的ATPase活性产物分布。根据ATPase活性产物分布特点,推测淀粉体内的网状通道是便于养分进入淀粉体内部的转运通道。淀粉体膜和蛋白体膜上的ATPase主要是为养分进入内部提供跨膜动力。     

The Action of Rice Branching Enzyme I (BEI) on Starches

The rice branching enzyme I (BEI) overproduced in Escherichia coli cells was investigated with respect to action on starches. BEI treatment decreased the turbidity of starch suspensions with distinct pasting behaviors from a native starch. This result suggests the great potential of BEI as a molecular tool for the production of a novel glucan polymer.     

Biochemical and Crystallographic Characterization of the Starch Branching Enzyme I (BEI) from Oryza sativa L

Starch branching enzyme (SBE) catalyzes the cleavage of α-1.4-linkages and the subsequent transfer of α-1.4 glucan to form an α-1.6 branch point in amylopectin. We overproduced rice branching enzyme I (BEI) in Escherichia coli cells, and the resulting enzyme (rBEI) was characterized with respect to biochemical and crystallographic properties. Specific activities were calculated to be 20.8 units/mg and 2.5 units/mg respectively when amylose and amylopectin were used as substrates. Site-directed mutations of Tyr235, Asp270, His275, Arg342, Asp344, Glu399, and His467 conserved in the α-amylase family enzymes drastically reduced catalytic activity of rBEI. This result suggests that the structures of BEI and the other α-amylase family enzymes are similar and that they share common catalytic mechanisms. Crystals of rBEI were grown under appropriate conditions and the crystals diffracted to a resolution of 3.0 Å on a synchrotron X-ray source.     

水稻sbe1启动子驱动的反义sbe-GUS融合基因在转基因水稻中的表达

为研究水稻基因启动子对外源基因在转基因水稻中表达的影响,构建了由sbe1启动子引导的反义sbe-GUS融合基因。经农杆菌介导,将不同的融合基因导入水稻中,定量测定转基因水稻植株不同组织中的GUS酶活力。结果表明,sbe1启动子可驱动反义sbe-GUS融合基因在转基因水稻植株的胚乳中高效表达,而在颖壳、胚和茎叶等组织中的表达活性较弱。证实sbe1启动子在驱动外源基因的表达上表现有明显的组织特异性。     

水稻中一个新的MYC基因的克隆及其分析

在水稻基因组序列中发现类似MYC序列的同源序列,并设计引物成功克隆了一个水稻OsMYC基因(GenBank登录号：AY398581),并对其进行了分子结构分析。OsMYC基因具有典型的DNA结合结构域：碱性区域／螺旋-环-螺旋(bHLH)基序,与其他MYC类似基因的蛋白序列比对结果表明,OsMYC基因与AtMYC2、MYC7E和PG1等氨基酸序列一致性分别是78%、48％、46％,而在bHLH区的一致性分别为95％、84％、77％,N端保守区的一致性分别为81％、54％、52％;位于bHLH区域内的核定位信号区则完全一致;系统进化树分析结果表明,该基因与AtMYC2、MYC7E和PG1等位于同一亚类。此外,该基因主要在营养器官中表达,茎秆中表达最强,根和叶片中较弱,并且能被外源ABA或Fe^3 所诱导,这与AtMYC2、MYC7E基因的表达模式基本相同。该基因是水稻MYC转录因子家族的一个新成员。     

水稻长日照开花因子Lfm1的图位克隆

开花期是水稻最重要的农艺性状之一,水稻的花期决定着水稻的地区适应性和最终产量。人工选择使水稻从短日照向长日照、低纬度向高纬度扩张,因此水稻已逐渐进化出适应长日照条件下的开花调控机制。目前,虽然鉴定了一些影响水稻长日照的开花基因如SDG724、RFT1、EHD4、DTH2,但是挖掘水稻长日照开花基因还十分有限。本研究通过筛选水稻突变体库,获得一批在长日照下花期有显著差异的突变体材料,其中一份突变体lfm1(late-flowering mutant1),在长日照条件下开花延迟,在短日照条件下开花时间正常。通过图位克隆,将Lfm1基因初定位至第8染色体端粒附近。进一步的精细定位将Lfm1基因定位于分子标记8-0.269和与8-0.283之间,范围为12 kb,该区域包括3个候选基因。经测序分析发现,在突变体lfm1中,LOC_Os08g01420基因的第六外显子2800处缺失9个碱基,突变体lfm1等位于已报道的突变体ehd3。在适度(中日照条件下,~12 h/12 h)的光照条件下,突变体lfm1表现为穗粒数增多,生育期略延长,具有应用于生产的潜力。Lfm1基因的克隆为培育适应不同生态区域的水稻材料提供了重要的基因资源。     

利用Ac/Ds转座子系统在水稻中获得无选择标记转基因植株的方法

获得无选择标记转基因植株是进行重复转基因及消除转基因植株中标记基因潜在危害性的关键。实验采用了Ac／Ds转座子系统在水稻(Oryza sativa,L．)中进行无hpt选择标记的转基因。将含有目的基因bar的Ds元件和hpt标记基因置于同一个T-DNA中,通过农杆菌(Agrobacterium tumefaciens)EHAl05介导将Ac-T-DNA及Ds-T-DNA分别转入到不同的水稻植株,再将单拷贝的Ac-T-DNA植株与单拷贝的Ds-T-DNA植株杂交得到同时含有Ac和Ds元件的F1植株,Fl自交产生F2后代,F2植株中转座后的Ds元件与T-DNA独立分离,在总共100株F2水稻植株中筛选得到2株只含有Ds元件插入而无hpt标记基因的转基因水稻植株。结果表明,利用Ac／Ds转座子系统在水稻中获得无选择标记的转基因植株是可行的。     

水稻原生质体细胞核及原生质体融合体的简易染色观察法

筛选出一种荧光染料罗丹明B(Rhodamine B),利用该荧光染料染色,原生质体细胞核在普通光学显微镜或荧光显微镜下呈红色或发出强烈的桔红色荧光,能清晰地进行分辨。利用罗丹明B或者使用荧光染料FDA,对两种不同来源的原生质体进行染色,在荧光显微镜下,两种不同来源的原生质体分别发出桔红色或绿色荧光,因此可以用于原生质体融合中不同的融合体类型的观察和分析。