转反义Wx基因水稻颖果中与淀粉合成和积累相关酶活性的变化

将反义Wx基因转入水稻,导致Wx蛋白不同程度减少,颖果中的直链淀粉含量不同程度下降,总淀粉含量显著降低,直链淀粉与总淀粉的比值极显著降低。在水稻颖果发育过程中,ADPG-PPase、GBSS、SSS和SBE的活性在灌浆前期迅速升高,达最大值后很快下降,在灌浆中后期下降趋缓。Wx蛋白减少后的转基因水稻颖果中的GBSS活性明显下降,下降幅度与直链淀粉含量相一致,而且活性高峰期比其亲本有所提前。转基因水稻颖果中ADPG-PPase和SSS的活性在颖果发育的前中期,SBE则在中后期高于相应的亲本。     

玉米淀粉分支酶基因SBEⅡb高效沉默表达载体的构建及转化表达

淀粉分支酶（starch branching enzyme, SBE）是淀粉合成的限速酶。为了进一步研究SBEⅡb沉默对玉米生长及直链淀粉合成的影响,克隆了玉米（Zea mays）淀粉分支酶SBEⅡb基因片段,构建了SBEⅡb的发卡结构表达载体pTFU-SBEⅡb hairpin,用农杆菌介导法将其导入玉米HiⅡ幼胚中,经除草剂筛选获得了194株转化再生植株,其中4株结实,获得转基因种子35粒。T1代植株经PCR及试纸条检测获得3株阳性材料,半定量RT-PCR结果得出SBEⅡb的表达量降低,推断出基因表达水平降低对直链淀粉的合成具有正效应。     

在转基因水稻植株中蜡质基因第1内含子对基因表达影响的分析

为阐明水稻Wx基因第1内含子在整体植株的胚乳发育阶段是否确有增强基因表达的功能,以及弄清高和中、低直链淀粉含量的水稻品种Wx基因第1内含子126个碱基之间有差异的16个碱基中哪几个碱基了该内含子的正常剪接从而降低了基因的表达水平,我们分别用高直链淀粉含量品种的Wx基因翻译起始密码子ATG上游3．1和2．1kb片段与GUS基因编码区融合构建成嵌合质粒,并在此基础上（1）去除嵌合质粒中Wx基因的第1内含子;（2）将嵌合质粒Wx基因的第1内含子中（3．1kb)与中、低直链淀粉含量的水稻品种Wx基因第1内含子有差异的6个碱基以中,低直链淀粉含量的水稻品种的碱基替换。将上述改造过的几种质粒分别转化粳稻品种中花11,测定转化植株未成熟种子胚乳中的GUS活性。结果表明第1内含子的缺失或此内含子的5′端剪接点上的碱基G以T替换均造成GUS活性的急剧下降,说明第1内含子在植株体内的确有增强基因表达的功能,而且在中、低直链淀粉含量的水稻品种中Wx基因第1内含子5′端剪接点上自然存在的G→T突变是造成这些品种中该内含子剪接不正常,从而使Wx基因表达水平和直链淀粉含量下降的主要原因。     

水稻Wx基因表达调控的研究进展

水稻Wx基因编码颗粒结合淀粉合成酶(GBSS),是控制直链淀粉合成的主效基因。文中主要从转录水平和转录后水平介绍水稻Wx基因表达调控的研究进展,同时介绍转基因、遗传背景以及环境温度对Wx基因表达的影响,并提出Wx基因表达调控研究中一些期待解决的问题。     

在转基因水稻植株中蜡质基因第1内含子对-基因表达影响的分析

为阐明水稻Wx基因第1内含子在整体植株的胚乳发育阶段是否确有增强基因表达的功能,以及弄清高和中、低直链淀粉含量的水稻品种Wx基因第1内含子1 126个碱基之间有差异的16个碱基中哪几个碱基影响了该内含子的正常剪接从而降低了基因的表达水平,我们分别用高直链淀粉含量品种的Wx基因翻译起始密码子ATG上游3.1和2.1 kb片段与GUS基因编码区融合构建成嵌合质粒,并在此基础上,(1)去除嵌合质粒中Wx基因的第1内含子;(2)将嵌合质粒Wx基因的第1内含子中(3.1 kb)与中、低直链淀粉含量的水稻品种Wx基因第1内含子有差异的6个碱基以中、低直链淀粉含量的水稻品种的碱基替换.将上述改造过的几种质粒分别转化粳稻品种中花11,测定转化植株未成熟种子胚乳中的GUS活性.结果表明第1内含子的缺失或此内含子的5′端剪接点上的碱基G以T替换均造成GUS活性的急剧下降,说明第l内含子在植株体内的确有增强基因表达的功能,而且在中、低直链淀粉含量的水稻品种中Wx基因第1内含子5′端剪接点上自然存在的G→T突变是造成这些品种中该内含子剪接不正常、从而使Wx基因表达水平和直链淀粉含量下降的主要原因.     

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...     

稻米淀粉品质性状的资源筛选和相关基因初步鉴定北大核心CSCD

淀粉是稻米品质形成的主要理化基础,也是水稻品质改良的重要育种目标。本研究旨在挖掘包含不同淀粉含量的特异种质和鉴定其相关的基因型,为完善水稻淀粉合成调控网络及水稻优质育种工作提供有用信息。以江苏南京水稻种质资源国家野外科学观测研究站收集的119份种质资源为材料,运用改进的免煮简易法测定供试材料的直链淀粉含量;以直链淀粉含量极高、低的材料,利用开发的dCAPS分子标记鉴定其Wx基因型。测定直链淀粉含量极高的15份材料的抗性淀粉含量,并选取3份高抗性淀粉材料,以日本晴为对照,进行SSⅢa与SBEⅡb两个基因的序列比对和基因型鉴定。结果表明,改进的免煮简易法准确性与现行国标法结果相当,但操作更加简便容易。供试材料的直链淀粉含量大部分处于9.0%~33.0%之间,抗性淀粉含量位于1.0%~4.5%之间。dCAPS分子标记鉴定表明高直链淀粉材料的Wx基因型一般为Wxa型。通过序列比对,发现相对于日本晴,SSⅢa基因在3个高抗性淀粉材料(立新粳、南特号、郴晚3号)有3处共同突变,其中第三外显子+2362位为错义突变;SBEⅡb在2个高抗性淀粉品种(立新粳与南特号)第四外显子+96位检测到共同的错义突变。这些错义突变可能是导致水稻抗性淀粉含量增加的原因,这为下一步精确定向编辑目标基因,创制淀粉品质性状优异新种质奠定了基础。     

蔗糖合酶基因AtSUS3干涉后对拟南芥角果发育的影响

蔗糖合酶(SuSy)是植物蔗糖代谢关键酶之一,该研究利用反向遗传学手段,采用RNAi技术抑制拟南芥中AtSUS3基因的表达,测定纯系转基因植株的抽苔率,并对酶活性、糖含量等指标以及糖代谢相关基因的表达进行了检测,探讨SuSy在植物发育中的作用。结果显示:(1)转基因拟南芥的抽苔平均早于野生型植株2～3d,且优先3～4d完成抽苔。(2)开花后生长天数对角果蔗糖和葡萄糖含量有显著影响,而对果糖含量影响不显著;开花后5d时,野生型株系的葡萄糖含量显著高于转基因株系SUS3-2,至15d时,两种转基因株系葡萄糖含量均显著低于野生型株系。(3)开花后生长天数对SuSy、SPS、INV的活性均有显著影响,随开花时间延长,野生型株系SuSy活性显著低于转基因株系,而SPS和INV则相反。(4)AtSUS3基因沉默对其他糖代谢基因有不同程度的影响,开花后5d时,转基因植株的角果中AtCesA1、AtCesA7和AtCINV1的表达量较野生型都有所增加;开花后15d时,转基因植株的角果中AtCesA1、AtCesA7的表达量较野生型高,而AtCINV、AtCwINV的表达量比野生型低。研究表明,拟南芥AtSUS3基因沉默后,在正常生长条件下未造成植株发育异常,同时还可能通过同源家族中其他SuSy的表达水平增加,促进了该酶及糖代谢相关基因整体水平的增加,有助于角果成熟。     

秸秆还田对旱作马铃薯块茎淀粉合成关键酶活性及基因表达的影响

为探讨秸秆还田下旱作马铃薯块茎形成过程中淀粉合成关键酶活性及基因表达特性,以马铃薯栽培品种"青薯9号"为材料,以露地栽培为对照,设置秸秆还田处理,研究了马铃薯块茎形成过程中淀粉合成关键酶活性、基因表达、淀粉糊化及累积指标。结果表明:秸秆还田显著提高了旱作马铃薯SSS酶活性,降低了AGPP、GBSS酶活性,而对SBE酶活性没有显著影响;显著提高了SSⅡ、SSⅢ基因表达量,降低了AGPase、GBSSⅠ、SBEⅠ、SBEⅡ基因表达量;显著增加了淀粉崩解值,减少了淀粉各阶段粘度、回生值,而对淀粉糊化温度没有显著影响;显著增加了直链淀粉含量及直/支链淀粉比,减少了总淀粉含量;GBSS酶活性与AGPase、SBEⅠ基因表达量呈显著正相关,与直链淀粉含量、直/支链淀粉比呈显著负相关;SBE酶活性与SSⅡ基因表达量、峰值粘度、低谷粘度、最终粘度、总淀粉含量呈显著正相关,与崩解值、糊化温度呈显著负相关;AGPase基因表达量与直链淀粉含量呈显著负相关;GBSSⅠ基因表达量与最终粘度、回生值呈显著正相关,与糊化温度呈显著负相关;淀粉糊化与累积无显著相关性。     

秸秆还田对旱作马铃薯块茎淀粉合成关键酶活性及基因表达的影响

为探讨秸秆还田下旱作马铃薯块茎形成过程中淀粉合成关键酶活性及基因表达特性,以马铃薯栽培品种"青薯9号"为材料,以露地栽培为对照,设置秸秆还田处理,研究了马铃薯块茎形成过程中淀粉合成关键酶活性、基因表达、淀粉糊化及累积指标。结果表明:秸秆还田显著提高了旱作马铃薯SSS酶活性,降低了AGPP、GBSS酶活性,而对SBE酶活性没有显著影响;显著提高了SSⅡ、SSⅢ基因表达量,降低了AGPase、GBSSⅠ、SBEⅠ、SBEⅡ基因表达量;显著增加了淀粉崩解值,减少了淀粉各阶段粘度、回生值,而对淀粉糊化温度没有显著影响;显著增加了直链淀粉含量及直/支链淀粉比,减少了总淀粉含量; GBSS酶活性与AGPase、SBEⅠ基因表达量呈显著正相关,与直链淀粉含量、直/支链淀粉比呈显著负相关; SBE酶活性与SSⅡ基因表达量、峰值粘度、低谷粘度、最终粘度、总淀粉含量呈显著正相关,与崩解值、糊化温度呈显著负相关; AGPase基因表达量与直链淀粉含量呈显著负相关;GBSSⅠ基因表达量与最终粘度、回生值呈显著正相关,与糊化温度呈显著负相关;淀粉糊化与累积无显著相关性。     

Effects of the activities of key enzymes involved in starch biosynthesis on the fine structure of amylopectin in developing rice (Oryza sativa L.) endosperms

The dynamic changes of the activities of enzymes involving in starch biosynthesis, including ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), soluble starch synthases (SSS), starch branching enzyme (SBE) and starch debranching enzymes (DBE) were studied, and changes of fine structure of amy- lopectin were characterized by isoamylase treatment during rice grain development, using trans anti-waxy gene rice plants. The relationships between the activities of those key enzymes were also analyzed. The amylose synthesis was significantly inhibited in transgenic Wanjing 9522, but the total starch content and final grain weight were less affected as compared with those of non-transgenic Wanjing 9522 rice cultivar. Analyses on the changes of activities of enzymes involving in starch bio- synthesis showed that different enzyme activities were expressed differently during rice endosperm development. Soluble starch synthase is relatively highly expressed in earlier stage of endosperm de- velopment, whilst maximal expression of granule-bound starch synthase (GBSS) occurred in mid-stage of endosperm development. No obvious differences in changes of the activities of AGPase and SBE between two rice cultivars investigated, except the DBEs. Distribution patterns of branches of amy- lopectin changed continually during the development of rice grains and varied between two rice culti- vars. It was suggested that amylopectin synthesis be prior to the synthesis of amylose and different enzymes have different roles in controlling syntheses of branches of amylopectin.     

Introduction of Wx transgene into rice wx mutants leads to both high- and low-amylose rice

The Waxy (Wx) gene encodes a granule-bound starch synthase (GBSS) that plays a key role in the amylose synthesis of rice and other plant species. Two functional Wx alleles of rice exist: Wx(a), which produces a large amount of amylose, and Wx(b), which produces a smaller amount of amylose because of the mutation at the 5' splice site of intron 1. Wx(b) is largely distributed in Japonica cultivars, and high amylose cultivars do not exist in Japonica cultivars. We introduced the cloned Wx(a) cDNA into null-mutant Japonica rice (wx). The amylose contents of these transgenic plants were 6-11% higher than that of the original cultivar, Labelle, which carries the Wx(a) allele, although the levels of the Wx protein in the transgenic rice were equal to those of cv. Labelle. We also observed a gene-dosage effect of the Wx(a) transgene on Wx protein expression, but a smaller dosage effect was observed in amylose production with over 40% of amylose content in transgenic rice. Moreover, one transgenic line carrying eleven copies of the transgene showed low levels of Wx expression and amylose in the endosperm. This suggested that the integration of excessive copies of the transgene might lead to gene silencing.     

作物淀粉生物合成与转基因修饰研究进展

淀粉是高等植物中碳水化合物的主要贮藏形式 ,也是粮食作物产品的最主要成分。淀粉虽然都由直链淀粉和枝链淀粉组成 ,但在不同作物中两者的比例和枝链淀粉结构的存在很大差异。现已明确 ,直链淀粉是在颗粒结合淀粉合成酶 (granule boundstarchsynthase,GBSS)催化下合成的 ,而枝链淀粉是四种酶共同作用的结果 ,它们分别是腺嘌呤 -葡萄糖焦磷酸化酶 (ADP glucosepyrophosphorylase ,AGP) ,可溶性淀粉合成酶 (solublestarchsynthase ,SSS) ,淀粉分枝酶 (starchbranchingenzyme ,SBE)和脱分枝酶 (starchdebranchingenzyme ,DBE)。一方面 ,在不同作物中 ,这些酶本身存在多种形式 ,如在玉米胚乳中 ,AGP有大亚基和小亚基之分 ,SBE又可分BE1,BEIIa ,BEIIb 3种 ,SSS也可分为SSI和SSIII(或SSIIa)两种 ,而DBE也有异淀粉酶 (isoamylase)和限制性糊精酶 (pullu lanase)两种。另一方面 ,控制特定酶的基因 ,在不同作物甚至在同一种作物的不同品种中也可能存在不同的复等位基因 ,如籼稻和粳稻的GBSS分别由蜡质基因Wxa 和Wxb 控制 ,两者编码的GBSS活性差异显著。此外 ,环境条件也可通过影响基因的转录使酶的含量或催化性能发生变化。迄今 ,国内外已获得多种马铃薯和水稻的转基因材料 ,对淀粉合成进行修饰 ,试图培育优质品     

控制水稻胚乳淀粉合成代谢若干关键酶基因对花后高温的响应表达

以稻米品质温度敏感型的早籼稻品种嘉早935为材料,利用人工气候箱控温试验和实时荧光定量PCR技术,探讨了不同灌浆温度(日均温分别为22和32 ℃)处理下胚乳淀粉分支酶(SBE)、淀粉去分支酶(DBE)和淀粉合酶(SS)的10个同工型基因(sbe1、sbe3、sbe4、pul、isa1、isa2、isa3、Wx、sss1和sss2a)的相对表达量差异及动态变化特征.结果表明: 淀粉合成相关功能基因对水稻灌浆期高温胁迫的响应表达方式存在明显差异,而且因同工型的类型而不同.在高温处理下,sbe1和sbe3的相对表达量显著下降,二者属于SBE类基因中对高温胁迫较敏感的主要同工型;DBE基因中,pul属于高表达的同工型,而且其对高温胁迫响应比isa1、isa2和isa3敏感;在Wx、sss1和sss2a中,sss2a的相对表达量显著低于sss1和Wx, 但sss2a和sss1对高温胁迫响应比Wx敏感,因此二者可能也是高温胁迫对胚乳淀粉结构进行调控的重要位点,尤其在水稻灌浆的中后期发挥重要作用.     

Activity of starch synthase and the amylose content in rice endosperm

The content of amylose in endosperm of non-waxy japonica rice (Oryza sativa cv Akitakomachi) was increased by lowering the growth temperature from 25° to 15° during the ripening period. The activities of sucrose synthase, ADPglucose pyrophosphorylase, starch branching enzyme (Q-enzyme) and soluble starch synthase in endosperm developed at 15° were lower than or similar to those at 25°, when compared on a endosperm basis at the similar ripening stage. In contrast, the activity of starch granule-bound starch synthase, which is considered to be indispensable for amylose synthesis, was higher by 3–3.5-fold in the endosperm developed at the low temperature than that at the high ambient temperature. The results suggest that the low temperature specifically accelerates the expression of the bound starch synthase gene (waxy gene) in rice endosperm, which resulted in elevated amylose biosynthesis in the endosperm when developed at lower temperatures.