o2突变引起糯玉米籽粒淀粉积累差异研究 作物学报    2024, 50 (5): 1207-1222.   DOI: 10.3724/SP.J.1006.2024.33046

图1 黄糯2/wx1wx1o2o2和糯2/wx1wx1o2o2籽粒表型
(A): 籽粒表型比较; (B): 不同年代下籽粒淀粉含量和百粒重比较。**表示在0.01概率水平差异显著。

正文中引用本图/表的段落

前期我们以优质蛋白玉米CA339为o2基因供体, 通过回交转育创制出多份糯玉米o2-NILs[16,25]。通过比较发现黄糯2/wx1wx1o2o2与糯2/wx1wx1o2o2籽粒表型显著不同, 黄糯2/wx1wx1o2o2为典型的o2突变体表型, 籽粒明显皱缩, 而糯2/wx1wx1o2o2籽粒呈饱满圆润状, 皱缩不明显, 但两者胚乳均呈粉质态(图1-A)。与各自轮回亲本相比(对照), 黄糯2/wx1wx1o2o2百粒重和淀粉含量显著降低, 糯2/wx1wx1o2o2籽粒则无差异, 明显高于黄糯2/wx1wx1o2o2, 并且该差异不受环境影响(图1-B)。进一步测定籽粒成分, 鲜食期与对照相比黄糯2/wx1wx1o2o2总淀粉含量和百粒重降低6.12%和1.11%, 可溶性糖含量不变, 赖氨酸含量增加54.28%; 而糯2/wx1wx1o2o2籽粒总淀粉含量增加6.12%, 赖氨酸增加38.10%, 百粒重和可溶性糖含量不受影响。这与我们前期发现的o2突变对多份糯玉米鲜食期品质影响较大, 黄糯2/wx1wx1o2o2和糯2/ wx1wx1o2o2为代表性差异材料的结果一致[27]。成熟期黄糯2/o2o2籽粒中可溶性糖增加12.50%、总淀粉含量降低6.24%, 百粒重降低8.80%, 赖氨酸含量增加79.17%; 但糯2/wx1wx1o2o2籽粒总淀粉含量、可溶性糖及百粒重均不受影响, 赖氨酸含量增加58.33% (表1)。糯2/wx1wx1o2o2籽粒表型与对照相似, 但粉质胚乳占比明显增加, 因此胚乳质地不同于QPM。黄糯2/wx1wx1o2o2胚乳中醇溶蛋白亚基27 kD γ-zein显著降低, 糯2/wx1wx1o2o2胚乳中27 kD γ-zein含量显著高于对照, 与CA339接近(图2)。此外, 15 kD β-zein、19 kD和22 kD α-zein含量在糯玉米o2-NILs均明显降低, 16 kD γ-zein在黄糯2/o2o2和糯2/wx1wx1o2o2变化相反。前期我们发现赵OP-6/wx1wx1o2o2、SY1-2/wx1wx1o2o2与糯2/wx1wx1o2o2相似, 27 kD γ-zein明显高于对照, 赵OP-6/wx1wx1o2o2淀粉含量增加, 籽粒较饱满、圆润, 而SY1-2/wx1wx1o2o2淀粉含量降低, 籽粒呈明显皱缩状[27], 表明27 kD γ-zein蛋白增加是糯玉米o2-NILs籽粒恢复饱满状的必要非充分条件, 淀粉含量也是影响籽粒饱满度的重要因素。

玉米o2突变后籽粒表现不同, 例如o2导入自交系B46籽粒变化显著, 而导入M14籽粒基本无变化[18]。谭华等[29]将o2导入多个普通玉米自交系后发现o2-NILs赖氨酸含量大幅提高, 容重增加, 热带和亚热带种质百粒重多数下降, 但在温带种质中增加。籽粒皱缩、胚乳粉质且不透光是o2突变体的典型表现。淀粉是籽粒主要贮藏物质, 占胚乳干重的70%, 淀粉积累不足被认为是籽粒皱缩、百粒重低的重要原因。淀粉的合成是一个复杂连续过程, 授粉后10 d籽粒中淀粉开始大量合成, 20 d左右达到最大速率[30?-32], 这一过程受蔗糖合成酶(SuSy)、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合成酶(SSs)、淀粉分支酶(SBE)和去分支酶(DBE)等关键酶调控, 编码基因表达量的改变对籽粒淀粉含量影响显著[33?-35]。本研究发现黄糯2/wx1wx1o2o2和糯2/wx1wx1o2o2籽粒皱缩程度与胚乳淀粉合成基因表达不同密切相关(图1、图4和表1)。SuSy是双向催化酶, 主要功能是分解蔗糖, 为淀粉和蛋白质合成提供底物[36]。玉米K0326Y/o2o2中sh1突变, SuSy活性降低, 淀粉合成受抑制, 籽粒皱缩[37]。黄糯2/wx1wx1o2o2中Sh1表达水平显著下降, 籽粒明显皱缩, 而糯2/wx1wx1o2o2中Sh1表达不受影响, 籽粒饱满程度与对照接近。Sus1是SuSy的另一个编码基因, 表达量变化与Sh1相似, 黄糯2/wx1wx1o2o2中下调而糯2/wx1wx1o2o2中无变化, 表明黄糯2/wx1wx1o2o2胚乳中淀粉合成底物供应可能受到抑制, 但糯2/wx1wx1o2o2中不受影响。AGPase是淀粉合成限速酶, 影响碳向淀粉途径的分配[38], 胚乳中主要编码基因是Sh2和Bt2。正常籽粒授粉后蔗糖比重逐渐降低, 淀粉比重增加, 收获时以淀粉为主, 而sh2突变导致籽粒中多聚糖链合成受抑制, 蔗糖含量增加, 淀粉积累速率受抑制, 籽粒变为皱缩状[39]。10 DAP时糯2/wx1wx1o2o2和黄糯2/wx1wx1o2o2中Sh2和Bt2显著上调, 但15 DAP时仅糯2/wx1wx1o2o2中上调表达(图3), 表明淀粉积累初期(10 DAP)糯玉米o2-NILs中AGPase表达增加, 但只有糯2/wx1wx1o2o2保持较高水平至15 DAP。SSs通过催化ADPG葡萄糖基转移到葡聚糖的非还原末端来延长支链淀粉的长度, 糯玉米由于GBSS (wx)基因突变, 直链淀粉合成受抑制, 只能合成支链淀粉; SBE将α-1,4糖苷键切开, 将截短的葡聚糖链与C6羟基链接, 形成支链淀粉的分支[40]。与对照比, 两糯玉米o2-NIL中SSI、SSIIa表达水平无差异, 推测胚乳中短葡聚糖链的合成不受影响; 糯2/wx1wx1o2o2中SSIIIa和SBEIIb 15 DAP时上调表达, 与Sh2和Bt2变化一致, 表明前期糯2/wx1wx1o2o2可能积累更多支链淀粉, 与鲜食期籽粒淀粉含量高于对照相符; 黄糯2/wx1wx1o2o2中SSIIIa和SBEIIb也上调表达, 推测胚乳中淀粉合成底物不足为主要限制因素, 因此籽粒淀粉含量低于对照。根据淀粉合成基因表达模式推测, 前期(0~15 DAP)糯2/wx1wx1o2o2籽粒淀粉合成速率较高, 20 DAP时恢复至对照水平, 但黄糯2/wx1wx1o2o2自15 DAP淀粉合成持续低于对照水平。

醇溶蛋白形成后储存于蛋白体中, 若醇溶蛋白与淀粉同步合成, 则紧密结合形成硬质胚乳占比高的硬粒玉米。糯玉米o2-NILs醇溶蛋白合成受阻, 淀粉合成基因也受影响(附表2和图3), 导致成熟籽粒中储藏物质降低, 胚乳几乎全部变为粉质状(图1)。27-kD γ-zein调控蛋白体形成数量, QPM胚乳中γ27蛋白表达量增加, 是公认的o2修饰基因, 并且o2修饰基因数量与γ27蛋白表达正相关[57-58], 糯2/wx1wx1o2o2中27 kD γ-zein表达量高于黄糯2/wx1wx1o2o2 (图2), 暗示糯2/wx1wx1o2o2中胚乳修饰基因数量多。通过定位群体Holding发掘到多个胚乳修饰基因位点, 主效基因位于7号染色体; 包括27-kD γ-zein、葡萄糖转运蛋白、焦磷酸依赖型果糖-6-磷酸1-磷酸转移酶α亚基(PFPα)、蛋白质磷酸酶2C (PP2C)等16个基因位于连锁区间内, 这些基因在QPM中多数上调表达[59-60]。Li等[61]发现热激蛋白(HSPs)、HSP伴侣蛋白(ERDJ3A)、丝氨酸/精氨酸富含蛋白质编码基因(SR45a)在QPM中也呈上调表达。本研究发现黄糯2/wx1wx1o2o2中39个o2胚乳修饰基因差异表达, 包括32个HSPs、5个PP2C、1个ERDJ3A和1个SR45a, 其中仅4个基因上调; 糯2/wx1wx1o2o2中13个o2胚乳修饰基因差异表达, 包括6个HSPs、6个PP2C和1个PFPα, 其中8个基因上调(附表4)。PFPα表达增加使PFP催化活性提高, 加速糖酵解, 改善o2突变引起的能量匮乏, 与硬质透明胚乳恢复相关[59??-62]; SR45a参与RNA剪切, 拟南芥中受胁迫时其上调表达[63], 水稻中ERDJ3A在内质网应激下被激活, 可促进未折叠蛋白在液泡和内质网之间的传递[64]。上述基因在糯玉米o2-NILs均下调表达, 是籽粒表型不同于普通糯玉米的重要原因。PP2C功能与脱落酸信号途径有关, 在优质蛋白玉米K0326Y/o2o2中上调, 可能与其他修饰基因共同起作用[57], 但在糯玉米o2-NILs变化趋势不一致。HSPs在QPM中上调, 对缓解o2突变引起未折叠单重组或蛋白质聚集引起的应激效应有重要作用[61-62], 糯2/wx1wx1o2o2中仅1个HSP下调, 而黄糯2/wx1wx1o2o2中有30个, 这可能与糯2/wx1wx1o2o2籽粒淀粉和百粒重不受影响直接相关, 需进一步研究。

本文的其它图/表

• 附表1 定量引物信息列表
  
• 表1 鲜食期和成熟期糯玉米o2-NILs籽粒成分测定结果
  
• 图2 糯玉米胚乳醇溶蛋白亚基分析
  
• 图3 糯玉米o2-NILs淀粉合成路径关键基因差异表达量分析
  *和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。DAP: 授粉后天数。
  
• 图4 糯玉米o2-NILs差异表达基因KEGG富集分析
  (A): 两糯玉米o2-NILs差异表达基因数目; (B): 黄糯2/wx1wx1o2o2差异表达基因KEGG富集分析; (C): 糯2/wx1wx1o2o2差异表达基因KEGG富集分析。
  
• 图5 授粉后20 d糯玉米o2-NILs淀粉和糖代谢路径差异基因分析
  (A): 糯玉米o2-NILs淀粉和糖代谢相关差异基因分析; (B): 糯玉米o2-NILs糖代谢差异基因分析。ns代表无显著性差异。
  
• 图6 糯玉米o2-NILs糖代谢差异基因定量分析
  *和**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。DAP: 授粉后天数。
  
• 附表2 糯玉米o2-NILs醇溶蛋白相关DEGs
  
• 附表3 糯玉米o2-NILs赖氨酸降解相关DEGs
  
• 附表4 糯玉米o2-NILs胚乳修饰相关DEGs