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ANALYSIS OF GENE EXPRESSION OF ENZYMES INVOLVED IN STARCH SYNTHESIS AND ENZYMES ACTIVITY IN WHEAT GRAIN

小麦籽粒胚乳淀粉合成酶基因表达及酶活性分析



全 文 :核 农 学 报 2010,24(6):1117 ~ 1123
Journal of Nuclear Agricultural Sciences
文章编号:1000-8551(2010)06-1117-07
收稿日期:2010-01-25 接受日期:2010-06-29
基金项目:国家自然基金项目(30860145),兵团博士资金项目(ZD2007JC05),现代农业产业技术体系建设专项资金
作者简介:王自布(1984-),男,河南驻马店人,博士研究生,从事小麦遗传育种和品质生理研究。Tel:13677545369;E-mail:xjshz_2008@ sina. com
通讯作者:李卫华(1968-),女,新疆伊犁人,副教授,从事小麦遗传育种和品质生理研究。E-mail:lwh_agr@ shzu. edu. cn
齐军仓(1971-),男,陕西宝鸡人,博士生导师,从事麦类作物遗传育种和品质生理研究。E-mail:qjc_agr@ shzu. edu. cn
小麦籽粒胚乳淀粉合成酶基因表达及酶活性分析
王自布 李卫华 齐军仓 银永安 曹连莆 王泽民 侯睿睿 王 亮
(石河子大学农学院 /新疆兵团绿洲生态农业重点实验室,新疆 石河子 832003)
摘 要:为研究小麦籽粒淀粉合成酶基因表达与酶活性的特征,选用 4 个淀粉含量差异较大的普通六倍
体小麦新春 24、E28(高淀粉含量组)和宁春 16、安农 9912(低淀粉含量组)为试验材料,采用实时荧光定
量 RT-PCR ,对灌浆期籽粒淀粉合成酶相关基因的表达进行研究,并对其表达量与相应酶活性的相关性
做了分析。结果表明,束缚态淀粉合成酶基因(GBSS)、可溶性淀粉合成酶基因(SSS)、淀粉分支酶基因
(SBE)、淀粉去分支酶(DBE)基因均呈单峰曲线变化。利用实时荧光定量 PCR 技术检测 9 个基因在不
同淀粉含量的 4 个供试品种花后不同时期的相对表达量,结果表明,花后 6d 这些基因开始表达,在灌浆
的中期(花后 12 ~ 18d 不等)有表达的小高峰,但在不同时期,2 个高淀粉含量的品种中各种酶活性及其
酶基因的相对表达量均比 2 个低淀粉含量的品种相对较高;这些基因表达谱与酶活性相关分析显示,
除 GBSS 外其他几种淀粉合成酶基因均与相应酶活性呈显著或极显著正相关,而且 GBSS 酶活性到达峰
值时间稍迟于 DBE、SSS、SBE 等酶,说明 DBE、SSS、SBE 基因可能主要通过转录水平来控制籽粒淀粉的
合成,而 GBSS 基因可能主要通过转录后水平来控制籽粒淀粉的合成。
关键词:小麦;淀粉合成酶基因;实时荧光定量 PCR;酶基因表达
ANALYSIS OF GENE EXPRESSION OF ENZYMES INVOLVED IN
STARCH SYNTHESIS AND ENZYMES ACTIVITY IN WHEAT GRAIN
WANG Zi-bu LI Wei-hua QI Jun-cang YIN Yong-an CAO Lian-pu
WANG Ze-min HOU Rui-rui WANG Liang
(Shihezi University / The Key Oasis Eco-agriculture Laboratory of Xinjiang Productory and Construction Group,Shihezi,Xinjiang 832003)
Abstract:Four wheat(Triticum aestivum L.)cultivars including Ningchun 16 and Annong 9912 (lower starch content in
grain);E28 and Xinchun 24 (higher starch content in grain)were used to investigate the expression levels of genes
involving in starch biosynthesis by real-time PCR,the activity changes of enzymes involved in starch biosynthesis and the
relations between them during wheat grain filling. The results indicated that the activities of granule bound starch
synthase (GBSS),soluble starch synthase gene (SSS),starch branching enzyme gene (SBE),starch debranching
enzyme (DBE)demonstrated a single peak curve during grain filling. The relative expression values of the genes in nine
different grain filling stages were measured by real-time quantitative RT-PCR(qRT-PCR),the results indicated that the
genes began to express at 6d after pollination (DAP),and the activitics of starch enzymes from 4 wheat varieties during
grain filling middle stage(12-18DAP)reached their peaks and began to drop. All genes coding for enzymes involved in
starch biosynthesis had high expression level in earlier stage of endosperm development. The relative expression levels of
GBSS,SSS,SBE and DBE in high starch wheat varieties were higher than those in low starch wheat varieties.
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Correlation analysis indicated that in addition to GBSS,the relative expression levels of SBE,SSS and DBE were
significantly or highly correlated with the activities of SBE,SSS and DBE. The periods GBSS reached peak values were
later than those of others. These suggested that SBE,SSS and DBE may control starch synthesis at the transcriptional
level,and GBSS may control starch synthesis at the post transcriptional level.
Key words:wheat (Triticum aestivum L.);starch synthesis enzyme genes;real-time PCR;genes expression of starch
synthesis enzyme
小麦籽粒中淀粉的生物合成是一个复杂的过程,在
淀粉合成的不同阶段有不同的酶发挥作用[1]。一般认
为小麦籽粒中催化淀粉合成的酶主要有:颗粒结合淀粉
合成酶(granule-bound starch synthase,GBSS)、可溶性淀
粉合成酶(soluble starch synthase,SSS),淀粉分支酶
(starch branching enzyme ,SBE)和淀粉去分支酶(starch
debranching enzyme ,DBE),各关键酶都受其对应的酶
基因调控,不同时期酶基因的表达存在差异[2]。
前人已对小麦胚乳中淀粉发育相关酶基因进行了
研究。Thomas[3]认为小麦中 GBSSI 在花后 10 ~ 15 天
表达,在开花后期不明显,GBSSI 与 GBSSII 的基因功
能有 66%相似,研究表明 GBSSI 即编码 Waxy 蛋白的
基因转录水平调节决定了胚乳直链淀粉含量,GBSSII
则控制谷类作物中非贮藏淀粉的直链淀粉合成,目前
在小麦中已发现 3 种 SSS 酶。小麦中 SSSI 是由 SSS1
基因表达的,该基因位于第 7 组染色体上,在胚乳发
育的 早 期 至 中 期 表 达,且 只 存 在 于 胚 乳 内[4,5]。
SSS1mRNA 花后 6 天表达,18 天最高[6];SSSII 是由
SSS2 编码的,又称 Sgp-1 蛋白,存在于小麦胚乳、叶片
及植株开花前的小花中。SSSIII 由 SSS3 基因编码,表
达时间较早,以可溶性状态存在于胚乳中[7]。小麦中
有 2 种淀粉分支酶(SBE)SBEI 和 SBEII。这两种 SBE
酶基因在胚乳发育时期的表达不同[8],SBEI 只在胚乳
发育后期(花后 18 天)表达。小麦 SBEIIa 的 mRNA
在花后 6 天能够检测到,在 15 ~ 18 天达到最高水平,
存在于淀粉颗粒体上及基质中[5]。现已发现淀粉去
分支酶(DBE)在淀粉的合成中也有重要作用。当糖
链延伸到一定长度后,淀粉分支酶起作用,形成分支
链,淀粉去分支酶剪切各分支链到适宜长度,并作为淀
粉合成酶的底物继续进行淀粉颗粒的延伸[9]。上述
研究只是针对与淀粉合成相关的酶基因的时间表达,
缺少有关小麦品种间淀粉合成相关酶基因的表达与酶
活性之间的相关性的研究。
本文利用 SYBR Green 荧光定量 RT-PCR 法,比较
淀粉含量相差较大的 4 个普通小麦品种 9 种淀粉合成
酶基因在花后不同时期的相对表达量及其淀粉合成酶
活性在整个灌浆期间的变化特征,对高、低淀粉含量的
小麦品种籽粒灌浆过程中淀粉合成关键酶基因表达差
异进行系统研究,这将有助于更清楚地掌握小麦淀粉
合成的分子机理,更灵活地控制淀粉的代谢过程,获得
符合人类需要的优质淀粉产品。
1 材料和方法
1. 1 材料
田间试验于 2008 和 2009 年 3 月至 7 月在石河子
大学农学院试验站进行,试验地前茬为油葵,直接作为
绿肥还田。以 2 个淀粉含量较高的普通六倍体小麦新
春 24 (总 淀 粉 含 量 86. 78%)、E28 (总 淀 粉 含 量
87. 10%)和 2 个淀粉含量较低的小麦品种宁春 16(总
淀粉含量 64. 33%)、安农 9912(总淀粉含量 63. 80%)
为试验材料,人工条播,行距 30cm ,小区面积 21m2,重
复 3 次,其他田间管理按高产田栽培技术规程进行。
1. 2 方法
小麦开花期,挂牌、标记穗子中上部颖花在同一天
开花的穗子,于花后 3、6、9、12、15、18、21、24、27、30d
取样。每个小区取 10 穗,剥取籽粒,在液氮中速冻
30min 后,迅速转移到 - 70℃ 超低温冰箱中,保存备
用。
1. 2. 1 酶活性测定 粗酶液的提取参考程方民等[10]
的方法。GBSS 和 SSS 活性测定参照 Nakamura 等[11]
的方法。DBE 活性测定参照 Nakamura 等 [12]的方法。
SBE 活性测定,参照赵法茂等[13]的方法。
1. 2. 2 小麦籽粒胚乳总 RNA 的提取 参照天根
RNA 提取试剂盒(Trizol Total RNA Reagent)操作方法
提取小麦籽粒胚乳总 RNA。
1. 2. 3 小麦籽粒胚乳总 RNA 的纯度、完整性检测
运用紫外分光光度法检测 RNA 样品的纯度;以 1%的
非变性琼脂糖凝胶电泳检测 RNA 的完整性;微量基因
组 DNA 的去除,参照 TaKaRa DNaseI(RNase free)的使
用说明书。
1. 2. 4 反转录合成 cDNA 第一链 采用宝生物工程
(大连)有限公司(RaKaRa)的反转录试剂盒(RNA LA
PCRTMKit(AMV)Ver. 1. 1),按说明书进行反转录,反
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6 期 小麦籽粒胚乳淀粉合成酶基因表达及酶活性分析
转录后的 cDNA 贮存于 - 70℃冰箱备用。
1. 2. 5 荧光定量 PCR 引物设计 利用 Premier5. 0 引
物设计软件设计引物(引物序列见表 1)。所用内参基
因为 Actin,正向引物:ggaaaagtgcagagagacacg,反向引
物:tacagtgtctggatcggtggt,通过 NCBI 中 Blast 的同源比
对功能,对设计的引物特异性进行评价。引物由上海
生物工程有限公司合成。
1. 2. 6 实时荧光定量 PCR 定量 PCR 反应采用天根
(TIANGEN)试剂盒(RealMasterMix(SYBR Green)),
每个反应重复 3 次,反应体系 20μl,含 cDNA 模板
1. 6μl,2. 5 × RealMasterMix 8μl,20 × SYBR solution
1μl,Primer F 0. 4μl,Primer R 0. 4μl,ddH2O 8. 6μl。
荧光定量 PCR 仪(Smart CyclerII 型,USA)上完成测
定。扩增程序 50℃温育 2min,(94℃,1 min →退火温
度,30s)× 1;(94℃,10s →60℃,30s)x40。并按 Pfaffl
M W[14]的方法计算基因的相对表达量。
1. 3 数据分析
采用 Microsoft Excel 2003 和 SPSS16. 0 统计分析
系统对试验数据进行统计与分析,每个样品重复 3 次。
表 1 用于分析目标基因表达的引物序列
Table 1 Primer sequence for analysis the expression of target genes
目标基因
target gene
NCBI 登录号
NCBI accession
正向引物
forward primer (5′→3′)
反向引物
reverse primer (5′→3′)
扩增片段大小
amplification size (bp)
Actin DN551593 ggaaaagtgcagagagacacg tacagtgtctggatcggtggt 150
GBSSI AY050174 gacactatcgtggaaggcaag ttgaccatctcatggtacgc 152
GBSSII AF109395 cacagaatgccagaggcatag gaacagatgggaatcactcca 151
SSSI AJ292521 gcaaaaggagaggagggtaca acgtatggtctttcgtcatgc 151
SSSII AB201445 gctacaccaacttctccctg gatgatctccacgcccttct 152
SSSIII AF258608 gacatgtggttttgcttggtt agccagcgtatatcaggtgag 150
SBEI AF286317 atgtttggtggacatggaaga acgcgatagtaagccacacaa 152
SBEIIa Y11282 gggtttaggtggtgaaggcta aaatctacggcggcatttatc 151
SBEIIb AY740401 cgtatctcggaaacatgagga tccgagtctaagaccaccttg 150
DBE(Iso-1) AF438328 cgagatctatgtggccttcaa gagagcgcgatcaggtaagt 148
2 结果与分析
2. 1 总 RNA 纯度及完整性
经检测,提取的总 RNA 有明显的 18S 和 28S 两条
带,亮度比例大致为 2 ∶ 1左右,且无拖尾现象,表明所
提取的总 RNA 完整。用 DL-2000 仪器对核酸进行吸
光度检测,OD260 /OD280值在 1. 8 ~ 2. 0 之间,说明质量
较好。
2. 2 RT-PCR 结果
荧光定量的扩增曲线符合标准的“S”形荧光增长
曲线,目的基因及内参基因扩增的动力学曲线整体平
行性较好,曲线拐点清楚,基线平且无明显上扬趋势。
熔解曲线集中。目的基因与内参基因扩增产物的 Tm
值都非常均一,熔解曲线上只有 1 个明显峰,表明在
实时荧光定量 PCR 过程中,荧光强度均来于特异性的
扩增产物,各个基因及内参基因没有产生非特异性扩
增及引物二聚体。
2. 3 9 个基因在两类不同淀粉含量的小麦品种中的
表达谱
从 9 个基因在不同淀粉含量的小麦品种中的表达
谱(图 1A-图 1I)可以看出,2 个高淀粉含量的品种(新
春 24、E28)各个酶基因的表达总体上优于低淀粉含量
的品种(安农 9912、宁春 16);各个酶基因在花后 6 天
都有表达,且在灌浆中期和花后 12 ~ 18d 等有表达的
小高峰。3 种淀粉分支酶基因(SBE)SBEI、SBEIIa 和
SBEIIb(图 1A-图 1C)中,SBEI 和 SBEIIb 表达类似,花
后 6d 能够检测到,且表达量相对较高,在胚乳发育后
期(花后 15 ~ 18d)有表达小高峰。小麦 SBEIIa 的
mRNA 在花后 6d 能够检测到,在 15 ~ 18d 达到最高水
平。3 种淀粉合成酶基因 SSII 和 SSSI、SSIII(图 1D-
1F)中,SSSI mRNA 花后 6d 表达,18d 最高,SSSIII 在
胚乳发育的早期至中期表达,而 SSSII 表达时间较早,
中后期表达不占优势。小麦中颗粒束缚态淀粉合成酶
有 2 种,GBSSI 和 GBSSII(图 1G-1H),GBSSI 在花后
6d 表达,10 ~ 18d 相对表达较高,后期表达不明显。
GBSSII 与 GBSSI 表达较相似,但在整个灌浆期 GBSSII
的表达量比较低(图 1G-图 1H)。与其他几种酶相比
较,DBE 的 mRNA 早中期表达,开花后期表达量相对
比较低(图 1I)。
2. 4 籽粒胚乳淀粉合成酶活性的差异
由图 2A-图 2D 可知,2 个高淀粉含量的品种和 2
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图 1 淀粉合成酶基因转录本积累量
Fig. 1 Transcript accumulation value of starch synthesis enzyme genes
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6 期 小麦籽粒胚乳淀粉合成酶基因表达及酶活性分析
个低淀粉含量的品种的 4 种淀粉合成酶活性变化趋势
一致,大致均呈单峰曲线。花后 6 ~ 9 或 12d 酶活性上
升幅度比较缓慢,花后 12 ~ 21 或 24d 酶活性呈线性上
升趋势,之后又下降。其中 GBSS、SSS 、SBE 和 DBE
酶活性在花后 15 ~ 18d 达到最大值。由此说明 GBSS、
SSS、SBE 和 DBE 酶在籽粒灌浆过程的不同时期共同
协调淀粉的合成进程。不同品种之间 4 种淀粉合成酶
活性始终表现为高淀粉含量的品种高于低淀粉含量的
品种 。DBE、SSS、SBE 酶活性在两类品种之间的显著
差异主要体现在花后 12 ~ 18d ,GBSS 酶活性的显著
差异主要体现在花后 18 ~ 21d。说明籽粒灌浆中期
SSS、SBE 和 DBE 酶对淀粉终积量起主要作用,籽粒灌
浆中后期 GBSS 酶对淀粉终积量起主要作用。
图 2 淀粉合成酶的活性
Fig. 2 Activities of starch synthesis enzymes
2. 5 淀粉合成酶基因转录本累积量与对应酶活性的
相关性
由图 1 可知,GBSS、SSS、SBE、DBE 4 种淀粉合成
酶基因表达高峰期在花后 12 ~ 18d。对花后 15d 进行
相关分析,结果表明,SSS、SBE、DBE 基因相对表达量
与对应酶活性呈显著或极显著正相关(表 2),GBSS
基因相对表达量与 GBSS 酶活性不相关。
3 讨论
国内外许多学者对小麦、玉米、水稻籽粒以及大豆
叶片中的淀粉合成做了研究[15,16],但多是在实验室条
件下进行,以提高小麦粒重为目的。近年来国内外不
少学者从小麦淀粉含量的遗传规律、品种特性及环境
影响效应角度做了大量工作。对 GBSS 的研究多从遗
传育种角度出发,筛选或创造糯性蛋白缺失型的品
种[17,18],以获得糯小麦或低直链淀粉小麦;对另外几
种酶的研究多从粒重出发探讨产量的形成[19]。本研
究在尽量保证栽培条件一致的情况下,选取了两组淀
粉含量具有差异的 4 个小麦材料,采用实时荧光定量
PCR 法,重点研究了这些材料在籽粒发育的 9 个时期
(6、9、12、15、18、21、24、27 和 30d)9 个胚乳籽粒发育
相关的酶基因的相对表达量与淀粉合成酶的关系。由
于不同小麦品种存在籽粒发育各个时期的时间差异,
开花至籽粒成熟的过程不完全一致,因此本研究涉及
的 9 个籽粒胚乳发育时期可能并未覆盖这 9 个基因在
不同类型小麦材料中的最高 /最低表达水平;而且普通
小麦是异源六倍体,其编码 GBSS、SSS、SBE、DBE 酶的
基因通常有 3 个拷贝,本研究检测的是 3 个拷贝的总
表达量,在我们研究所用的 4 个品种中,GBSS、SSS、
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表 2 淀粉合成酶基因转录本累积量与对应酶活性间的相关系数
Table 2 Correlation coefficient between starch synthesis enzymes gene transcript accumulation and enzymes activities
基因
gene
GBSS 活性
GBSS activity
SSS 活性
SSS activity
SBE 活性
SBE activity
DBE 活性
DBE activity
SBE SBEI 0. 312 0. 141 0. 906 0. 153
SBEIIa 0. 490 0. 219 0. 874 - 0. 184
SBEIIb 0. 268 0. 097 0. 891 0. 177
SSS SSSI 0. 656 0. 866 0. 521 - 0. 175
SSSII 0. 616 0. 787 * 0. 475 0. 574
SSSIII 0. 605 0. 948 0. 748 * 0. 287
GBSS GBSSI 0. 576 0. 706 * 0. 676 * 0. 123
GBSSII 0. 415 0. 734 * 0. 789 * 0. 641
DBE DBE 0. 660 0. 114 0. 358 0. 764 *
注:* 表示显著相关(P < 0. 05),表示极显著相关(P < 0. 01).
Note:* and indicate significant correlation at the P < 0. 05 and P < 0. 01 levels,respectively.
SBE、DBE 基因在某个品种的 A 或 B 或 D 基因组是否
有不表达的信息还需进一步试验验证。但本研究发
现,在不同淀粉含量的小麦材料中,同一基因在同一
胚乳发育时期的相对表达量差异较大,说明这些基因
对于小麦籽粒淀粉的形成具有重要的作用。
3. 1 实时荧光定量 PCR
本研究选用的荧光信号物质为 SYBR Green,与双
链 DNA 结合后,其荧光大大增强,因而灵敏度很高。
由溶解曲线分析产物的均一性,有助于分析由 SYBR
Green 得到的定量结果是否可靠。由熔解曲线图可
知,每一个样品均只有单一的峰,且琼脂糖凝胶电泳结
果也证实各 PCR 反应产物均只有一条带,没有非特异
带。结果的处理引入了 2 个层次的校正(即标准曲线
的校正和内参基因的校正):首先各样品的目的基因
和内参基因按各自的标准曲线求出定量的结果,然后
各样品目的基因的定量结果用内参基因的定量结果进
行均一化处理,最后得到各样品目的基因校正后的定
量结果,这样的结果才有可比性。
3. 2 淀粉合成酶及其酶基因的表达
Vandeputte 等[20 ]认为,现已基本明确,在小麦籽
粒淀粉合成过程中,可溶性淀粉合酶(SSS)、束缚态淀
粉合酶(GBSS)、淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶
(DBE)是控制籽粒淀粉合成代谢的几个关键酶。SSS
具有多种同工型,且在不同植物中的表达部位有所不
同[21]。据报道,在豌豆胚中高表达的 SSS 主要是
SSSII,占 SSS 总活性的 60%左右[22],而在马铃薯的发
育块茎中,SSSII 活性仅占其 SSS 总酶活的 10% ~
15%,SSSIII 却占到其总酶活的 80% [23]。本文结果表
明,无论是在高淀粉含量还是低淀粉含量的品种中
SSSI 和 SSSIII 两种同工型是灌浆小麦胚乳中 SSS 的主
要表现形式,其相对表达量比较高,而 SSSII 在发育胚
乳的相对表达量均较低(图 1E)。上述结论进一步证
实了 Damager[6]的观点,SSSII 存在于小麦胚乳、叶片
及植株开花前的小花中,而 SSSIII 由 SS3 基因编码,表
达时间较早,以可溶性状态存在于胚乳中,可能与支链
淀粉的短链合成有关。淀粉含量不同的两类品种,
GBSSI 和 GBSSII 的表达存在一定的差异,但无论是在
高淀粉含量还是低淀粉含量的品种中,GBSSII 的
mRNA 表达量均较低。吴洪恺等[24]认为,GBSSI 基因
主要属转录后调控。而 Kent 等[25]认为,GBSSI 基因主
要属转录水平和转录后水平调控。本试验结果表明,
在淀粉合成酶基因表达高峰期,对应酶活性几乎呈线
性增加趋势。花后 15d ,DBE、SSS、SBE 基因 mRNA
相对表达量与对应酶活性呈显著或极显著正相关,
GBSSI 与 GBSSII 基因 mRNA 相对表达量与 GBSS 活
性不相关,且 GBSS 酶活性到达峰值时间稍迟于 DBE、
SSS、SBE 酶。说明 DBE、SSS、SBE 基因可能主要通过
转录水平来控制籽粒淀粉的合成,而 GBSS 基因可能
主要通过转录后水平来控制籽粒淀粉的合成。明确了
不同酶基因的转录调控信息,因此就可以采取不同的
策略对小麦淀粉含量进行遗传改良,比如利用 RNAi
技术,降低 GBSSI 基因表达,小麦籽粒胚乳中 GBSS 酶
活性和直链淀粉的含量就会下降。SSS 和 SBE 以及
DBE 基因主要与支链淀粉的合成有关,若这几个基因
发生突变或缺失,其对应的酶活性及支链淀粉含量就
会下降。
3. 3 高淀粉含量品种和低淀粉含量品种淀粉含量差
异的机理
高淀粉含量的品种新春 24 和 E28 的 9 个淀粉合
成酶基因相对表达量在花后 9 个时期均极显著或显著
高于低淀粉含量的品种安农 9912 和宁春 16,整个灌
浆期间,新春 24 和 E28 的 4 种淀粉合成酶活性也均高
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于安农 9912 和宁春 16,且除 GBSS 外其他几种淀粉合
成酶基因均与相应酶活性显著或极显著正相关。由此
说明,E28 和新春 24 催化合成淀粉合成的能力高于安
农 9912 和宁春 16,从而导致 E28 和新春 24 的淀粉含
量明显高于安农 9912 和宁春 16。
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(责任编辑 王媛媛)
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