o2突变引起糯玉米籽粒淀粉积累差异研究
韩洁楠, 张泽, 刘晓丽, 李冉, 上官小川, 周婷芳, 潘越, 郝转芳, 翁建峰, 雍洪军, 周志强, 徐晶宇, 李新海, 李明顺
作物学报
2024, 50 ( 5):
1207-1222.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2024.33046
糯玉米是主要鲜食玉米类型, opaque2 (o2)基因导入可增加籽粒赖氨酸含量, 但同时引起籽粒皱缩、淀粉含量下降等, 限制了其育种应用。为发掘优良糯玉米受体, 以籽粒饱满圆型o2近等基因系(o2-NIL)糯2/wx1wx1o2o2和皱缩型黄糯2/wx1wx1o2o2为研究材料, 通过对鲜食期、成熟期的百粒重和籽粒成分测定, 发现淀粉和可溶性糖含量不同可能是导致2份糯玉米o2-NILs表型差异的主要原因。利用实时荧光定量PCR技术分析, 发现授粉后10~24 d两糯玉米o2-NILs中6个淀粉合成基因动态表达模式不同, 其中Sh1、Sh2、SSIIIa和SBEIIb差异较大。分析胚乳转录组数据, 发现两糯玉米o2-NILs中24个海藻糖和糖基水解酶编码基因和48个o2胚乳修饰基因变化不同, 以上结果表明淀粉合成关键基因前期表达量高, 后期与对照无差异, 且糖代谢基因表达变化有利于淀粉合成可能是糯2/wx1wx1o2o2淀粉含量和百粒重不受o2突变影响, 籽粒性状明显优于黄糯2/wx1wx1o2o2的重要原因, 同时多个胚乳修饰基因的差异表达可能与该结果直接相关。本研究结果可为o2突变体在玉米育种中的应用提供重要参考。
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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。
正文中引用本图/表的段落
授粉后20 d两糯玉米o2-NILs共筛选出34个淀粉和糖代谢相关DEGs (图5-A), 淀粉合成相关DEGs有AGPase小亚基、淀粉合成酶SSIII、葡萄糖变位酶、异淀粉酶和α淀粉酶编码基因共计7个。剩余27个DEGs为糖代谢相关基因(图5-B), 其中4个DEGs为两糯玉米o2-NILs共有基因, 分别编码丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)、海藻糖磷酸合酶(TPP)和果胶酯酶, 在两糯玉米o2-NILs中一致下调。15个DEGs仅在黄糯2/wx1wx1o2o2中差异表达, 其中12个基因下调, 3个基因上调, 包括5个海藻糖六磷酸合酶(TPS)基因、3个TPP基因、4个糖基水解酶基因、2个果糖激酶、1个果胶酯酶; 7个DEGs在糯2/wx1wx1o2o2中特异表达, 其中5个基因下调表达, 2个基因上调, 包括2个TPP编码基因和5个糖基水解酶基因。对8个DEGs进行RT-PCR验证, 发现与RNA-seq结果一致(图6)。
淀粉的合成还与糖代谢密切相关, 例如海藻糖合成、糖酵解等均可与淀粉合成底物或中间产物相互转化。海藻糖-6-磷酸酶(TPS)催化UDPG和葡萄糖-6-磷酸(G6P)合成海藻糖-6-磷酸(T6P), 进而在海藻糖-6-磷酸磷酸酶(TPP)作用下合成海藻糖。G6P和UDPG是淀粉合成和碳代谢底物, T6P为G6P和UDPG库容标志物, 在植物生长及碳利用中有重要作用[41]。豌豆缺乏T6P, 种子大小和淀粉含量受影响, 表型与孟德尔研究的皱缩豌豆种子相似[42]; 过表达大肠杆菌TPS基因可增加拟南芥叶片淀粉合成[43]; Hu等[44]发现增强TPS或降低TPP活性可增加玉米籽粒淀粉含量。T6P还与蔗糖非发酵蛋白激酶(SnRK1)互作双向调控蔗糖和淀粉合成[45]。植物TPS和TPP酶由多个基因编码[46], 20 DAP时糯2/wx1wx1o2o2中TPS基因表达不受影响, 多个TPP基因下调, 推测糯2/wx1wx1o2o2 TPS活性不受影响, 但TPP活性降低, 有利于淀粉合成; 而黄糯2/wx1wx1o2o2中多数TPS和TPP编码基因下调, 推测黄糯2/wx1wx1o2o2 TPS和TPP活性均降低, 不利于淀粉生成(图5-B)。进一步分析Zm00001d032311和Zm00001d017502动态表达模式说明海藻糖途径少数基因的变化与淀粉合成速率直接相关(图6)。果糖激酶在糖酵解途径发挥重要作用, 可与蔗糖合酶协同调控蔗糖合成与降解[47], 番茄幼果中通过调节蔗糖输入, 对淀粉积累产生影响[48-49]。本研究发现o2突变仅引起2个果糖激酶基因在黄糯2中下调表达, 是两糯玉米o2-NILs糖酵解受影响不同的表现。结构多样的糖苷水解酶在糖和糖缀合物水解与合成中扮演重要角色, 编码基因众多, 例如拟南芥有393个编码基因[50]。α-葡萄糖苷酶参与淀粉及糖原代谢, β-木糖酶与β-葡萄糖苷酶为纤维素酶, 降解纤维素生成纤维二糖和葡萄糖[51], 以上编码基因在两糯玉米o2-NILs多数下调, 说明o2突变可能抑制了胚乳的糖苷水解, 使胚乳发育和细胞壁代谢受影响。果胶是大分子多糖, 与植物生长发育、逆境应答等生物学过程密切联系[52], 番茄中催化果胶多聚体形成的半乳糖醛酸转移酶编码基因GAUT4突变, 果实果胶结构改变, 淀粉和果实含量降低[53]。果胶酯酶是三大果胶酶之一, 随机切除水溶性果胶分子的酯键, 产生游离羧基[54], 苹果果胶甲酯酶MdPME2在粉质化不同的果实中呈现表达差异[55]。o2突变导致果胶酯酶基因下调表达, 可能与糯玉米o2-NILs胚乳质地改变相关。磷酸丙酮酸双激酶(PPDK)是CO2固定关键酶, 胚乳中高表达PPDK可与淀粉合成酶稳定结合, 协同调控后期籽粒灌浆[56], 两糯玉米o2-NILs中PPDK1一致下调, 可能导致淀粉酶活性降低。
本文的其它图/表
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