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。

正文中引用本图/表的段落

为进一步探究o2突变导致黄糯2/wx1wx1o2o2和糯2/wx1wx1o2o2籽粒淀粉积累不同原因, 对两材料20 DAP胚乳进行转录组测序。以各自轮回亲本为对照分析黄糯2/wx1wx1o2o2和糯2/wx1wx1o2o2差异表达基因(differently expressed genes, DEGs), 黄糯2/wx1wx1o2o2中共有2466个DEGs, 其中1290个基因上调表达, 1176个基因下调表达; 糯2/wx1wx1o2o2中共有1685个DEGs, 其中1124个基因上调表达, 561个基因下调表达(图4-A)。糯2/wx1wx1o2o2中DEGs远低于黄糯2/wx1wx1o2o2, 表明o2突变对胚乳发育的影响依赖于基因型, 糯2/wx1wx1o2o2受影响程度可能低于黄糯2/wx1wx1o2o2。对DEGs进行KEGG路径富集, 黄糯2/wx1wx1o2o2 DEGs主要富集到内质网蛋白质加工、碳代谢、DNA复制、淀粉和蔗糖代谢路径(图4-B); 糯2/wx1wx1o2o2主要富集到碳代谢、淀粉和蔗糖代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、苯丙烷生物合成和糖酵解5个路径(图4-C)。

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。

本文的其它图/表

• 附表1 定量引物信息列表
  
• 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。
  
• 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