全 文 ：植物学通报Chinese Bulletin of Botany 2008, 25 (2): 129-138, w w w .chinbullbotany.com
收稿日期: 2007-02-09; 接受日期: 2007-07-12
基金项目: 国家自然科学基金(No. 30425034)
* 通讯作者。E-mail: qianqian188@hotmail.com
.综述.
转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展
赵江红 1 ,2 , 郭龙彪1 , 钱前 1*
１中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室, 杭州 310006; 2扬州大学农学院, 扬州 225006
摘要 淀粉是稻米胚乳的主要组成成分, 而淀粉含量和性质的差异又直接决定稻米的品质。早期关于稻米淀粉的研究局限
于其组成成分、品种间含量的差异以及稻米淀粉合成的经典遗传学方面。随着现代分子生物学和转基因技术的发展, 稻米品
质、淀粉的生物合成及其分子调控成为研究热点。随着淀粉合成相关基因的克隆、分子特性及其表达调控的研究取得了较大
进展, 人们也开始尝试利用现代基因工程技术, 高效地改良稻米品质, 如提高或降低淀粉含量及改变支链淀粉的结构。本文从
综述稻米淀粉的组成、结构和淀粉合成相关酶的研究进展入手, 探讨了转基因技术改良稻米品质的研究进展和发展前景。
关键词 稻米品质, 淀粉, 转基因
赵江红 , 郭龙彪 , 钱前 (2008). 转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展. 植物学通报 25, 129-138.
水稻是世界上最重要的粮食作物之一, 全世界约有
1/2的人口以其为主食。我国水稻育种长期偏重于提高
产量, 而忽视品质的改良与提高(黄发松等, 1998)。随
着社会的发展, 工、农业对稻米品质的要求越来越高,
品质育种已成为水稻育种的一个十分重要的方面。
稻米胚乳的主要成分是淀粉, 因此淀粉的含量和性
质直接影响稻米的品质。淀粉贮藏在由高度有序的葡
萄糖多聚体构成的半晶体质体淀粉体中。根据其结构
不同, 淀粉可分为直链淀粉(am y l os e )和支链淀粉
(amylopect in)。直链淀粉是以 a-1, 4糖苷键连接而成
的线性多聚糖, 而支链淀粉是由 a-1, 4糖苷键和 a-1, 6
糖苷分支键连接而成的具有分支的多聚糖, 约占淀粉组
成的 70%-80%(French, 1984)。当稻米的直链淀粉含
量高时, 煮成的米饭较硬且无光泽, 反之则柔软细腻。
稻米品质还与支链淀粉的精细结构和含量有关, 直链淀
粉含量相同时, 支链淀粉结构不同, 品质也有差异, 如缺
乏中等长度葡聚糖链分支的支链淀粉的水稻, 糊化温度
较低(Umemoto et al., 2002)。
淀粉的合成是一个复杂的生化调控过程, 需要许多
酶共同参与。这些酶主要包括 4类: ADPG焦磷酸化酶
(ADPGlc pyrophosphory lase, AGPP)、淀粉合酶
(s tarch synthase, SS)、淀粉分支酶(s tarch branch-
ing enzyme, SBE)和淀粉去分支酶(starch debranching
enzyme, DBE)。而每一种酶在不同作物中又有许多同
工型(isoform)。淀粉合酶依据它在淀粉体中存在的状
态, 可分为颗粒凝结型淀粉合酶(granule-bound starch
synthase, GBSS)和可溶性淀粉合酶(soluble s tarch
synthase, SSs)。GBSS 有 2种同工型: GBS SI和
GBSSII。GBS SI由Wx 编码, 负责直链淀粉的合成,
SSs、SB E 和 DB E 则共同决定支链淀粉的结构和特
性。目前, 绝大部分淀粉合成相关酶基因或片段已经被
克隆。而随着转基因技术的日趋成熟, 通过基因工程技
术改良稻米的淀粉品质已逐步成为新的研究热点。
1 稻米胚乳淀粉
1.1 胚乳淀粉的组成
成熟的水稻胚乳细胞中充满了淀粉粒。水稻淀粉粒平
均大小为3-8 µm, 是所有植物中最小的, 呈多边不规则
形状。胚乳细胞的中央是由 2 040个淀粉粒聚集形成的
复合颗粒, 直径约 150 pm(Hayakawa et al. , 1980)。
而淀粉粒又是许多淀粉大分子的聚合体, 这些大分子依
130 植物学通报 25(2) 2008
据结构特征可以分为 2类, 即直链淀粉和支链淀粉。水
稻淀粉组成的变化, 即这 2类淀粉所占比例的改变(一般
用直链淀粉含量表示)会显著影响淀粉的理化特性(Jane
et al., 1999)。
1.2 胚乳淀粉的结构
水稻直链淀粉是以a-1, 4糖苷键连接而成的葡萄糖聚合
体。直链淀粉包括完全没有分支和分支极少的两类线
性大分子, 直链淀粉的葡萄糖链扭曲成天然螺旋结构, 每
个螺旋包含 6个葡萄糖单位(Zobel, 1988; Morrison,
1995 )。
水稻支链淀粉是由a-1, 4糖苷键相连的葡萄糖链再
通过 a-1 , 6糖苷分支键连接而成的葡萄糖聚合体。支
链淀粉分子的平均聚合度为 5 000-15 000个葡萄糖单
位, 分子量为 107-108 Da。支链淀粉分支较多, 且类型
丰富, 根据分支类型的不同将支链淀粉分支分为 A、B
和 C链(Gallant et al., 1997)。其中, A 链只在还原末
端形成分支键, 没有分支; 相反, B链可以通过一个或多
个葡萄糖残基与其它葡萄糖链相连而形成分支, 根据其
所跨越的簇单位数目不同又可分为B1、B2、B3和 B4
链, 这些链分别跨越1至4个簇单位; C链是支链淀粉分
子中只含有 1个还原末端分子的链(图 1), 而侧链(A 链)
上的末端均属非还原性末端。在淀粉粒中, 支链淀粉支
链的非还原端与颗粒表面垂直, 呈放射状排列, 形成晶体
层和无定形层交替排列 9 n m 的周期性半晶体结构
(Calvert, 1997)。晶体层由同一分支簇内相邻的A链或
B链间形成双螺旋结构紧密排列而成; 无定形层主要包
括松散分支点。支链淀粉的A 链和 B 链都有一定的长
度范围, 不同植物有所不同。分支点也不是随机的, 而
是集中在支链淀粉无定形层和晶体层的高度分支区内。
分支簇的形成及其规则排列对A链和B链的长度有严格
要求, 支链淀粉结构的差异又造成了淀粉粒晶体结构的
差异, 因此分支簇内精细结构的变化会导致物种间、品
种间和组织间淀粉功能特性的变化, 如淀粉粒的膨胀度
和晶化程度等。
1.3 淀粉的组成和结构与稻米品质之间的关系
蒸煮及食用品质是最为复杂的稻米品质, 它是指稻米在
蒸煮和食用过程中所表现的各种理化及感官特性, 如吸
水性、溶解性、延伸性、糊化性、膨胀性以及热饭
和冷饭的柔软性、弹性、香、色、味等。稻米的
蒸煮及食用品质主要从稻米的直链淀粉含量、糊化温
度、胶稠度、米粒延伸度、香味等几个方面来综合评
定。稻米直链淀粉和支链淀粉的比例(或直链淀粉含量)
是稻米蒸煮和加工品质以及适口性的一个重要决定因
素。直链淀粉含量高, 米饭质地硬, 蓬松干燥, 无光泽;
反之则米饭软, 黏而腻, 弹性差(Juliano, 1985)。因此,
直链淀粉含量适中的品种受到普遍欢迎。除直链淀粉
外, 支链淀粉的结构(分支频率、间隔大小和链长分布
等)与特性也是米饭质地的重要决定因素(O ng and
Blanshard, 1995)。
2 淀粉合成的关键酶
淀粉在叶绿体和淀粉体内的合成过程受到一系列酶的调
控。在叶绿体中, 参与淀粉合成的碳源物质是通过卡尔
文循环固定的 CO2。而在淀粉体中, 由于其自身不能进
行光合作用固定 CO2, 所以需要依赖蔗糖作为淀粉合成
的碳源。经水解后的蔗糖以磷酸葡萄糖的形式进入淀
粉体中参与淀粉的合成(图 2)。与淀粉合成有关的关键
酶为 ADP G焦磷酸化酶、淀粉合酶、淀粉分支酶和淀
粉去分支酶。
图 1 支链淀粉的“簇状”结构模型
Figur e 1 Model struc ture of amy lopectin
131赵江红等: 转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展
2.1 ADPG焦磷酸化酶
ADP G焦磷酸化酶(ADPGl c pyrophosphory las e,
AGPP)是淀粉合成途径中涉及的第一个酶, 它由成对的
2个大小亚基构成异型四聚体。不同植物中亚基的分子
量不同, 大亚基(large subunit , LSU)分子量为 51-60
kDa, 小亚基(small subunit , SSU)分子量为 50-55
kDa。水稻AGPP由 50 kDa亚基组成。在功能上, LSU
是酶活性的调节中心, 而SSU是酶活性的催化中心, 同
时也是别构效应的关键部位, 它比LSU更保守(Johnson
et al., 2003)。要使 AGPP 具有完全的功能, 必须大小
亚基都出现, 因为缺少一种亚基的玉米、拟南芥、豌
豆和马铃薯突变体内的AGPP酶活性明显丧失, 最终导
致淀粉含量的下降。
自20世纪80年代初提出AGPP是淀粉合成的中心
酶以来, 该酶日益受到生物学家们的关注。如图 2所示,
AGPP 调控植物体内蔗糖和淀粉的合成。它催化由葡
萄糖 -1-磷酸和ATP合成腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG), 并
释放焦磷酸(PPi)。这一反应在植物淀粉合成中是主要
的调节步骤, 无论是能进行光合作用还是不能进行光合
作用的组织, 淀粉的合成都是从这一步骤开始的。因此,
AGPP被称为淀粉合成关键酶或淀粉合成限速酶(Greene
and Hannah, 1998)。由 AGPP催化生成的 ADPG作为
活化葡萄糖基供体将糖基部分加到 a-1, 4葡萄糖引物的
非还原端, 被淀粉合酶用来催化形成淀粉颗粒。
2.2 淀粉合酶
淀粉合酶(starch synthase, SS)是一个葡萄糖转移酶, 它
以寡聚糖为前体, ADP-葡萄糖为底物, 通过a-1, 4糖苷
键不断增加寡聚糖的葡萄糖单位, 最终合成以 a-1, 4糖
苷键连接的聚糖, 聚糖又将作为淀粉分支酶的底物合成
支链淀粉。依据在淀粉体中存在的状态, 淀粉合酶可分
为颗粒凝结型淀粉合酶(granule-bound s tarch synthase,
GBSS)和可溶性淀粉合酶(soluble s tarch synthase,
S S s )。
GBSSI是研究最多的一类淀粉合酶, 我们常提到的
WAXY蛋白就是禾谷类植物中的这类酶, 它主要负责植
物直链淀粉的合成。在许多植物中还发现另外一种颗
粒凝结型淀粉合酶(GBSSII), 它有游离和附着于颗粒两
种存在方式。GBSSII蛋白比WAXY蛋白分子量大, 在
70-100 kDa之间。在功能上GBSSII与支链淀粉的亲
和性更高, 参与支链淀粉的合成。
SSs主要参与支链淀粉中分支链的合成, 它有许多
同工型酶, 在支链淀粉的合成中发挥不同的作用。单一
SSs 同工酶的缺失不会终止淀粉合成, 但可改变支链淀
图 2 淀粉合成过程
Figur e 2 The process of starch biosynthes is
132 植物学通报 25(2) 2008
粉的结构和淀粉粒的形态(Padmavat hi and P ete r,
2001 )。
2.3 淀粉分支酶
淀粉分支酶(s tarch branching enzyme, SBE)具有双重
功能, 一方面它能切开以a-1, 4糖苷键连接的葡聚糖(包
括直链淀粉或支链淀粉的直链区); 另一方面它又能把切
下的短链通过 a-1 , 6 糖苷键连接于受体链上。由于能
够在葡聚糖链上引入 a-1, 6糖苷键, 因此该酶被认为影
响了植物淀粉的精细结构(Satoh et al., 2003)。淀粉
分支酶在多数植物中均含有 2个以上同工型酶, 依据这
些酶在结构、底物专一性和免疫反应等方面的不同 ,
SBE可分为 2类: 同工型 A和同工型 B。水稻的RBEIII
属于同工型A, RBEI属于同工型B。
2.4 淀粉去分支酶
人们最初认为淀粉去分支酶(s t arc h deb ranc hi ng
enzyme, DBE)在种子发芽过程中对淀粉起降解作用。
近几年, 通过对玉米和水稻等植物的sugry1(su1)突变体
和衣藻的 sta7突变体的研究, 人们意识到 DBE 也参与
了植物淀粉合成。Ball 等(1996)提出的Glucan t rim-
ming模型解释了淀粉去分支酶(DBE)在淀粉合成中的作
用。淀粉去分支酶能特异性地水解淀粉中的 a-1, 6 糖
苷键, 在氨基酸序列上与a-淀粉酶相似, 属于淀粉水解
酶家族。依据 DBE作用底物的不同, 可将 DBE 分为两
大类: 一类是极限糊精酶或称 R 酶(pu l l u l a nas e ;
limitdext rinase; R enzyme); 另一类是异淀粉酶(isoa-
mylase, ISA)。极限糊精酶以极限糊精等为底物, 而异
淀粉酶则以支链淀粉或糖原为底物, 很少作用于极限糊
精。IS A 也有多种同工酶, 如马铃薯有 3个: St i sa1、
St isa2和 St isa3。其 N端均含有叶绿体靶向转移多肽,
引导酶进入质体中, 参与淀粉合成。它们分别被 3个不
同的基因家族编码(Hussain et al. , 2003)。Kubo等
(2005)认为 isoamylase1(ISA1)直接参与植物支链淀粉
的生物合成。
目前, 与淀粉合成有关的多种酶的基因或同一酶的
不同基因片段已经被分离和克隆(表 1, 表 2)。
3 稻米淀粉品质的其它相关基因或QTL
3.1 直链淀粉含量
在稻米品质的有关指标中, 直链淀粉含量(am yl os e
content , AC)是重要指标之一。直链淀粉含量的遗
传学机制相当复杂 , 通常认为由一对主效基因和几
表 1 水稻淀粉合成相关酶及基因
Table 1 Enzymes and genes related to s tarch biosynthesis in rice
合成相关酶 FORM1 FORM2 FORM3 FORM4
ADPG焦磷酸化酶(AGPP) Shr1 Shr2
淀粉分支酶(SBE) sbe1( rbe1) BEIIb(ae) RBE3 sbe2
颗粒凝结型淀粉合酶(GBSS) GBSS(WAXY)
可溶性淀粉合酶(SSs) SSSI SSII SSIII
淀粉去分支酶(DBE) ISA(sug1)
表 2　部分已克隆的水稻淀粉合成相关酶基因
Table 2 Part of the cloned enzymes and genes related to biosynthesis of starch in rice
基因 /酶 数据库 I D
Pullulanase GB/DDBJ AB012915/AA751214
DBE(R-enzyme) DDBJ / GB D50602/H361
SBE1 DDBJ D110182
SBE DDBJ D10752
OsSS1 GB D10838
1, 4-a-glucan branching enzyme GB D16202
133赵江红等: 转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展
个微效基因控制。W x 基因是影响稻米直链淀粉含
量的主基因, 它编码直链淀粉合酶 , 目前对它的研究
最为深入。
Iwata和Omura(1971)将亚洲栽培稻(Oryza sativa)
的Wx基因定位于第 6染色体上。1990年, Wang等从
第 6 染色体的短臂克隆到了W x 基因(Wang et al . ,
1990)。水稻Wx基因由 13个外显子和 14个内含子组
成, 与玉米和大麦等单子叶植物的Wx 基因相比, 水稻
Wx基因具有较大的第 1内含子。Sano等(1986)发现
在非糯品种中可根据Wx 蛋白的特性, 将Wx基因进一
步分为Wxa和Wxb 2种等位基因。Wxa和Wxb在不同
水稻亚种中已出现明显分化, 其中籼稻(包括野生稻)以
Wxa为主, 直链淀粉含量较高; 粳稻则全为Wxb, 直链淀
粉含量较低。Wxa的表达量高于Wxb, 同时Wx基因的
表达在三倍体胚乳中存在剂量效应。
Wang等(1995)通过分析认为AC的高低与Wx基因
中第 1内含子的剪接方式高度相关。在转录过程中, 当
该内含子被完全剪切时产生高的AC; 部分被剪切时, 产
生中等 AC 的籽粒; 不被剪切时, 产生无直链淀粉的籽
粒。李欣等(1999)对粳型杂交稻的研究结果表明, 杂种
的 AC主要由三倍体胚乳的基因型决定, 并不存在细胞
质效应。
何平等(1998)在水稻第 6染色体糯性基因附近找到
了1个控制直链淀粉含量的主效基因AC26, 在第5染色
体上检测到 1个微效基因位点AC25。黄祖六等(2000a)
应用 RELP、AFLP 和 SSLP 分子标记技术检测到控制
稻米 AC的基因座位受2个主效QTL和5个微效QTL共
同控制, 2个主效QTL分别位于第3和第6染色体上, 并
初步推断这 2 个主效QTL无相互作用。
3.2 胶稠度
胶稠度(gel cons istency, GC)指米粒凝胶在平面上的流
淌程度, 与米饭的柔软性直接相关, 可分为硬( 40 mm)、
中等(41-60 mm)和软(>60 mm)3个等级。汤圣祥等
(1996)研究籼粳杂交稻米的胶稠度遗传规律时发现, 籼
稻胶稠度受一对主效基因和若干微效基因控制; 硬胶稠
度对中等胶稠度或软胶稠度、中等胶稠度对软胶稠度
为显性。杂交稻米胶稠度与双亲的中亲值不相关, 其遗
传表达主要由三倍体胚乳的基因型决定。因此, 要培
育优质杂交稻组合, 必须选择不育系和恢复系均为软
胶稠度的双亲组配。石春海和朱军(1994 )的研究表
明, 胶稠度的遗传同时受到种子直接遗传效应和母体
遗传效应的影响, 两者都为显性效应, 母体遗传效应的
作用较大。
黄祖六等(2000b)基于RFLP连锁图检测到6个与胶
稠度有关的基因位点, 其中 2个主效QTL, 分别位于第
3染色体R2170左右两侧, 其余3个QTL分别位于第1、
4和 6染色体上。何平等(1998)在第 2和 7染色体上检
测到G C22、G C27 与胶稠度有关。
3.3 糊化温度
精米淀粉粒在热水中吸水失去结晶性而不可逆转地剧烈
膨胀形成淀粉糊时的温度称为糊化温度(gelat inizat ion
temperature, GT)。GT因品种或淀粉粒大小不同而不
同, 可用快速简便的碱消法测定。糊化温度的高低直接
影响稻米的蒸煮时间, 是影响稻米食味和蒸煮品质的一
个重要指标, 其遗传机理比较复杂, 至今还不完全清楚。
目前普遍认为糊化温度是由一个主效基因和若干微效基
因共同控制(何平等, 1998; 严长杰等, 2001)。Bao等
(2003)研究表明, 位于第 6染色体短臂靠近Wx基因的
ALK基因是控制GT的主效基因。高振宇等(2003)采用
图位克隆法已成功地克隆了糊化温度主效基因 A LK。
ALK位于第6染色体上, 与Wx基因紧密连锁, 推测ALK
基因编码区内的碱基替换可能引起了支链淀粉晶体层结
构的改变, 从而导致糊化温度的变化。He等(1999)利用
对 DH群体的QTL分析, 在水稻第 6染色体短臂的Wx
基因附近定位到了一个与糊化温度相关的主效基因。
Tan等(1999)认为AC、GT和GC这3个性状由Wx
基因控制, 或由与Wx 基因紧密连锁的另一位点控制。
孙业盈等(2005)研究了Wx基因与 AC、GC和GT的遗
传关系, 认为AC与GC呈极显著负相关, AC主要由Wx
基因控制, GC由Wx基因或与其紧密连锁的基因位点控
制; GT与 AC和Wx基因型均无明显相关性, 可以推断
控制G T 的基因位点不是W x 基因位点。
134 植物学通报 25(2) 2008
4 转反义基因改良稻米淀粉品质
稻米的主要成分是胚乳淀粉, 约占精米的 75%-79%。
稻米品质的优劣在很大程度上取决于稻米中的淀粉组成,
即直链淀粉和支链淀粉的比例。因此, 稻米品质的改良
重点是稻米淀粉品质的改良。由于常规育种方法周期
长、效率低, 不能满足稻米品质改良的需要。随着对
控制稻米淀粉合成相关基因的分子生物学研究不断深入,
重要基因的克隆以及水稻遗传转化体系的高效化和规模
化, 转基因技术在稻米淀粉品质改良方面发挥着越来越
重要的作用。
4.1 反义RNA技术
反义 RNA 技术可以有效地调节基因的表达, 它是利用
(或人工合成)一段 DNA(cDNA), 再反向装上启动子和终
止子, 这样反向克隆的 DNA片段就能像正常的 DNA 一
样, 转录出反义 RNA。但这类反义RNA并不像mRNA
那样与核糖体结合, 翻译出蛋白质, 而是以 RNA分子形
式存在, 并与靶基因转录的 RNA(包括mRNA)分子通过
碱基互补形成复合体, 从而影响 RNA 的剪切、加工以
及与核糖体的结合, 阻止mRNA正常的翻译和表达, 导
致靶基因特异性抑制或产生向下调节(down-regulation)
效 果 。
4.2 反义RNA技术与转基因技术的结合
4.2.1 转反义 AGPP基因
改良稻米品质的途径主要有两个方面: 改变淀粉含量和
改变淀粉质量。因 AGPPase是淀粉合成过程中的限速
酶, 因此可以通过改变其活性来改变淀粉含量。
反义 AGPP 的异位表达或有关AGPP 编码基因突
变都可引起淀粉含量下降, 这清楚地证明了AGPP在淀
粉合成中的重要性。例如在玉米胚乳突变体 britt le-1的
种子中, ADPG的积累比正常种子高 13倍以上, AGPP
含量为正常的 2 倍, 而淀粉合酶活性与正常种子相当
(Shannon et al., 1996)。
除了分子水平上的调控外, 淀粉合成的水平还受
AGPP 异构调节的控制。我们已经知道, 体内的 3- 磷
酸甘油酸(3-PGA)为 AGPP 的激活剂, 可加快促进向淀
粉的转化; 而无机磷酸(Pi)为AGPP活性的抑制剂, 阻止
反应向淀粉合成方向进行(Preiss and Sivak, 1996)。
显而易见, AGPP异构调节对淀粉生物合成起主导控制
作用。体内 3-PG A 浓度、Pi 浓度和 3-P GA/P i 浓度
比率都可直接影响AGPP的活性, 进而影响淀粉合成的
快慢和多少。基于上述结果, 提高体内 3-PGA 浓度或
降低 Pi浓度, 都能直接活化 AGPP活性, 促进淀粉的大
量合成, 这一研究结果为淀粉合成的基因工程奠定了可
靠的技术基础。
到目前为止, 通过反义基因来调控稻米淀粉含量还
未见相关报道, 而更多的是将改造后的基因转入其它作
物(如马铃薯)中来进行研究。David等(1992)将含有块
茎特异性表达的 patat in基因启动子的表达载体导入烟
草愈伤组织中, 获得了高直链淀粉含量的转基因烟草。
Mül l e r 等(1992 )利用含有不同启动子和反向连接的
AGPP大或小亚基 cDNA的融合基因构建表达载体, 并
转化马铃薯。在 35S 启动子加上反向连接的AGPP 大
亚基 cDNA的融合基因转化植株中, 叶片的AGPP活性
仅为野生型的5%-30%, 块茎中AGPP活性更低, 仅为
野生型的 2%。分析转化植株的淀粉含量, 结果表明转
化植株块茎淀粉含量仅为野生型的 3.5%-5%。
4.2.2 转反义Wx基因
转反义Wx基因已在粳稻和籼稻中取得了成功, 并且获
得了能稳定遗传的直链淀粉含量下降的株系。这不仅
对培育优质品种有重要意义, 而且对研究Wx基因的表
达调控也很有帮助。
Shimada等(1993)用水稻Wx基因外显子 4和 9之
间的一个1.0 kb片段与35S启动子反向连接, 然后用电
激法将其导入水稻原生质体中, 得到了几个直链淀粉含
量明显减少的植株, 表明水稻蜡质基因反义片段的遗传
转化对改良稻米食味品质是有效的。Liu等(2003)将包
含 756 bp的反义Wx基因 DNA片段和GUSA编码序列
与 3.1 kb的水稻Wx基因启动子连接, 利用农杆菌介导
法导入不同的粳稻和籼稻品种中, 获得了一批独立的转
基因株系。Northern blot分析表明, 反义Wx转录本与
135赵江红等: 转基因技术改良稻米淀粉品质的研究进展
内源成熟的Wx mRNA 和未剪接的转录本都有相互作
用, 但只有与成熟mRNA的作用才会导致直链淀粉含量
降低。Terada等(2000)将 2.3 kb的反向Wx cDNA(其
中包含 450 bp的Wx基因第 1内含子片段)与玉米乙醇
脱氢酶(Adh1)启动子连接, 构建载体, 转化水稻, 获得一
批转基因植株。在其中 1 株转基因植株未成熟的胚乳
中, 发现Wx mRNA 减少的现象, 并发现这种减少只发
生在成熟的剪接转录本中, 在未剪接的转录本中没有发
现。这一结果暗示了反义Wx基因对内源Wx基因的调
控应该发生在mRNA 剪接或剪接后的过程中。他们同
时还观察到在花粉和胚乳中直链淀粉含量都有所下降,
这说明整合的反义Wx基因既影响了内源Wx基因在胚
乳中的表达又影响了在花粉中的表达。不同的研究者
以不同的反义Wx基因片段连接不同的启动子构建的载
体转化水稻, 在转反义Wx基因植株中, 都发现不同的转
基因植株间直链淀粉含量的下降程度相差很大, 有的直
链淀粉含量几乎没有变化, 而有的直链淀粉含量降到了
糯米的水平(Terada et al., 2000; 陈秀花等, 2002)。这
说明不同转基因植株中插入反义Wx基因片段对Wx基
因表达的影响程度不同。
转反义Wx基因植株中, 在直链淀粉下降的同时, 也
发现胶稠度有明显变化。陈秀花等(2002)在转反义Wx
基因植株中获得了1株直链淀粉含量由对照的25.4%下
降到7.02%的转基因植株, 与此同时胶稠度由对照的30
mm 上升到 111 mm。
4.2.3 转其它反义基因
对于其它淀粉酶的调控在马铃薯等作物中研究较多, 而
在水稻中却相对较少。
Lloyd等(1999)通过反义基因法同时抑制了马铃薯
块茎中的 2个 SS, 发现转基因块茎中总淀粉含量与直
链淀粉含量均变化不显著, 支链淀粉中短链(DP<15)与
长链(DP>80)的数目明显增加, 而中度链(DP15-80)数
目减少。
Schwall等(2000)通过反义基因法抑制了马铃薯BE
的 A与 B酶, 使植株体内 BE活性低于野生型的1%, 直
链淀粉含量高达 74%-89%, 淀粉中 Pi 的含量提高, 淀
粉的成分和结构也发生了明显改变。刘巧泉等(2003)构
建了由 sbe1启动子引导的反义 sbe-GUS融合基因, 通
过农杆菌介导法将不同的融合基因导入水稻中, 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。
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 s be1 启动子
在驱动外源基因的表达上表现出明显的组织特异性。
Fujita等(2003)首次报道了在植物中利用反义技术
调控异淀粉酶基因来改良支链淀粉的结构和淀粉的特
性。结果表明, 在水稻胚乳的支链淀粉生物合成中, 异
淀粉酶作用非常重要, 调节其活性是改变淀粉理化性质
和颗粒结构的一个行之有效的方法。
5 研究展望
稻米胚乳是三倍体性状, 存在着剂量效应, 而淀粉生物合
成的遗传机制十分复杂, 由一系列酶控制。到目前为止,
虽然已经分离并克隆了大部分的淀粉合成相关酶基因,
但是对于这些酶的种类、功能、比例和它们之间的相
互作用以及编码这些酶的基因还不完全清楚(包劲松和夏
英武, 1999), 尚无法为稻米的品质育种提供理论指导, 今
后还应进行深入研究。
转基因技术可以创造不同类型的淀粉突变体, 为稻
米淀粉生物合成途径的遗传操作打下了基础, 使定向改
良稻米淀粉品质成为可能。人们曾利用 T-DNA 和转座
子插入突变方法、化学诱变剂或辐射诱变方法、反义
RNA抑制方法等策略来产生功能缺失的突变体, 进而从
表型的变化来推测基因的功能, 这些都是研究植物功能
基因组比较直接的方法。反义 RNA 技术能够有效地调
节基因的表达, 已有报道用该技术来调节某些淀粉合成
相关基因的表达。然而在实际应用中, 反义 RNA 抑制
方法并不总是能造成相应基因的功能缺失。20世纪 90
年代中期发现并利用的 RNAi技术由于具有高度的序列
专一性和有效的干扰活力, 可以特异地使特定基因沉默,
获得功能丧失或降低的突变体, 已成为功能基因组学的
一种强有力的研究工具。RNAi 技术在植物功能基因组
136 植物学通报 25(2) 2008
中的研究主要应用于拟南芥, 有部分研究者曾尝试应用于
水稻, 且该技术有望成为调控基因表达的手段之一。
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Highlights of Recent Progress in Improving Grain Quality by
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Jianghong Zhao1, 2, Longbiao Guo1, Qian Qian1*
1State Ke y La borato ry of Rice Bi olo gy, Ch ina Nat ion al Rice Re sea rch In sti tute , Hang zho u 3 1000 6, Chi na
2Th e Agri cul tural Coll ege , Yang zho u University, Yangzhou 22 500 6, Chi na
Abs tract Starch is the major component of endosperm in milled rice. The content and features of s tarch are directly related to r ice
quality. Previous ly, research into r ice starch w as focused on its structure and content and c lass ical genetic s. With the develop-
ment of molecular biology and transgenic techniques, s tarch biosynthesis and its molecular mechanism have received much
interes t, and progress has been made on related gene cloning, the investigation of molecular characterization and expression
regulation of these genes. In this review , w e summarize the f orm and struc ture of starch, enzymes related to starch biosynthes is
and recent progress in improving rice quality by transgenic approaches . We also discuss f uture prospects of this f ield.
Ke y w ords ri ce q ual ity, starch, tran sge ne
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12 9-13 8.
(责任编辑: 白羽红)
* A uthor for correspondence. E-mail: qianqian188@hotmail.com
第八届全国植物结构与生殖生物学研讨会
由中国植物学会植物结构与生殖生物学专业委员会、湖南省吉首大学联合举办的第八届全国植物结构与生殖生物学研
讨会, 定于2008年4月11-15日在湖南省吉首大学召开。
会议主要内容
1 . 特邀国内知名植物学专家、教授对结构植物学、生殖生物学、细胞生物学、发育生物学、系统与进化植物学、
植物生理学、植物分子生物学、植物生态学、生物多样性等学科, 以及近年来国内外植物学发展动态进行专题报告;
2. 探讨我国植物科学相关领域的发展前景;
3 . 座谈植物学科研与教学中的有关问题。
联系方式
地址: 湖南省吉首市人民南路 120号吉首大学资环学院 邮编: 416000
联系人: 刘世彪 博士
电话: 0743-8564416 手机: 13707430753
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