全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(1): 121−132 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2006CB101700)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 万建民, E-mail: wanjm@caas.net.cn
第一作者联系方式: E-mail: jintianyun12345@163.com
Received(收稿日期): 2009-06-30; Accepted(接受日期): 2009-08-29.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.00121
水稻稳定高垩白率突变体的获得与理化特性分析
金田蕴 1 李 辉 2 郭 涛 2 刘晓璐 1 苏 宁 1 吴赴清 1 万建民 1,2,*
1 中国农业科学院作物科学研究所, 北京 100081; 2 南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室 / 江苏省植物基因工程中心,
江苏南京 210095
摘 要: 稻米品质的形成是遗传因素和环境因素相互作用的结果, 而环境因素对稻米品质的影响也是通过水稻的生
理过程起作用的。本实验经过多年多点种植, 从日本晴的 T-DNA插入突变体库中筛选出 6份稳定高垩白率的突变体
材料。检测了可能影响淀粉的合成及淀粉体的精细结构, 导致稻米亚垩白的产生和品质下降的蔗糖合酶、ADP-葡萄
糖焦磷酸化酶(AGPase)、淀粉合酶、淀粉分支酶、淀粉去分支酶等酶活性的变化, 试图从籽粒灌浆过程及淀粉合成
途径中关键酶活性变化与成熟籽粒品质的相关性来解释垩白形成的机理。
关键词: 水稻; 垩白; 突变体; 淀粉合成; 稻米品质
Analysis of Physiological and Biochemical Characteristics of Six Mutants with
Stable High Percentage of Chalkiness in Rice Grains
JIN Tian-Yun1, LI Hui2, GUO Tao2, LIU Xiao-Lu1, SU Ning1, WU Fu-Qing1, and WAN Jian-Min1,2,*
1 Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 2 State Key Laboratory of Crop Genetics and
Germplasm Enhancement / Jiangsu Plant Gene Engineering Research Center, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Chalkiness is an important quality character in rice, which is affected by comprehensive effects of genetic and envi-
ronmental factors. Furthermore, the environmental factors affect the formation of chalkiness through the physiological and bio-
chemical processes. Here, we screened six mutants with stable severe chalky rice grains from the T-DNA insertion mutant pool of
cultivar Nipponbare. The changes in activities of the key enzymes associated with starch synthesis, including sucrose synthase,
adenosine diphosphoglucose pyrophosphorylase (AGPase), starch synthase, starch branching enzyme and starch debranching
enzyme in grains during the filling period, could impact the starch synthesis, the shape and fine structure of the starch granule,
thus result in the formation of chalkiness. Temperature condition during grain filling is one of the most important environmental
factors affecting the quality of rice. But high temperature stress did not take place during this experiment. To explain the mecha-
nism of the formation of chalkiness from the physiological and biochemical aspects, we analyzed the fluctuation of the key en-
zyme activities associated with starch synthesis, sucrose content, starch content, and the ratio of amylose to total starch in mature
grains. The results suggest that physiological studies of grain development are essential to reveal the formative mechanism of
chalky rice.
Keywords: Rice; Chalkiness; Mutants; Starch synthesis; Grain quality
近年来 , 人民生活水平提高 , 消费观念改变 ,
对水稻品质的消费需求越来越高, 品质改良成为目
前最重要的水稻育种目标之一。当前, 我国稻米品
质存在的主要问题是外观品质差、米饭食味品质差。
稻米垩白是稻米品质的主要限制因子之一, 使得稻
米的整精米率降低, 并且蒸煮后饭粒有裂纹或蓬松
中空而影响蒸煮食味品质。稻米垩白是指稻米胚乳
中白色不透明的部分, 是由于胚乳中淀粉体和蛋白
体充实不良, 相互间存在空气而形成的一种光学特
性。垩白米的透明部分与垩白部分硬度差异直接影
响稻米的加工品质[1-3]。
稻米垩白的形成与其他品质性状如粒长、粒宽
一样, 都是品种遗传特性、环境生态条件、栽培技
术等因素综合作用的结果, 环境条件对稻米品质也
是通过影响谷粒胚乳细胞发育及内部生理生化等过
程起作用的[4-11]。光合产物以蔗糖形式输送到籽粒,
122 作 物 学 报 第 36卷

在 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophos-
phorylase, EC 2.7.7.21)、淀粉合酶(starch synthase,
EC 2.4.1.21)和淀粉分支酶或 Q 酶(starch branching
enzyme or Q enzyme, EC 2.4.1.18)等催化下最终形成
淀粉[12-16]。在这个物质积累过程中, 任何环节出现
异常, 均可能导致垩白的产生[17-22]。稳定的高垩白
率突变体是研究水稻品质的理想材料。
本实验通过对日本晴 T-DNA 插入突变体库多
年多点的筛选, 获得 6 份稳定高垩白率的突变体材
料。已有的研究表明, 与淀粉合成相关的各个酶的
动态变化与垩白的产生有关[1-2,23-24]。据此, 对这 6
份高垩白率突变体淀粉合成相关的生理生化特性进
行研究, 有助于进一步认识垩白形成的生理学本质,
为基因的图位克隆和功能分析提供数据支持, 为水
稻垩白形成机理的研究提供理想材料。
1 材料与方法
1.1 供试材料
以日本晴为原始材料, 通过农杆菌介导的愈伤
转化构建的 T-DNA插入突变体库。
1.2 实验设计
筛选出稳定高垩白率的水稻突变体材料, 对其
不同灌浆阶段的淀粉合成相关指标进行测定, 考察
成熟籽粒的品质性状, 从生理生化角度解释其垩白
形成的内在机理。
1.3 取样
在水稻孕穗期, 进行田间调查。选取材料内遗
传背景一致、长势整齐的植株挂牌。当穗部露出外
叶鞘 3 cm时, 在此穗的剑叶上用防水笔记下抽穗日
期, 统一于 15:00开始标记。对标记后的穗子跟踪调
查, 在穗子中部颖花开放的时间进行定穗, 记为开
花 0 d, 并在开花的颖壳上用防水笔标记。自开花第
5天起, 每隔 5 d取一次样, 直到开花后 30 d。于下
午 15:00~17:00取标记穗, 迅速用液氮冷冻处理后保
存于−80℃冰箱中。每穗上只选取穗中部标记过的籽
粒用于酶活性测定, 以消除开花时间差异带来的误
差, 待取样后统一测定, 3次生物学重复。
1.4 实验方法
1.4.1 高垩白率突变体材料的筛选 日本晴是垩
白率低于 20%的水稻品种。从 T-DNA插入突变体库
中筛选出垩白率高于 80%的材料, 自 2005 年起, 每
年在北京(北方)、江苏南京(南方)两地种植, 进行垩
白率考察, 保留两地垩白率均高于 80%的材料, 收
获种子继续在两地种植, 到 2008年筛选出 6份稳定
高垩白率的突变体材料。
1.4.2 遗传背景检测 突变体源于 T-DNA 插入,
后代可能有少量分离或个别个体的 T-DNA丢失。为
了保证材料内遗传背景的一致性 , 根据插入的
T-DNA 潮霉素标签进行单株检测。潮霉素引物为
5′-AAGTTCGACAGCGTCTCCGAC-3′, 5′-TCTACA
CAGCCATCGGTCCAG-3′, 扩增片段为 900 bp。
1.4.3 灌浆趋势的测定 于酶活性测定相应的时
间, 测定籽粒鲜重和干重。测定干重时, 104℃杀青,
80℃烘干至恒重。
1.4.4 籽粒形态的考察 根据 NY/T83-1988方法
进行籽粒形态的考察, 每个材料选取饱满的籽粒 20
粒, 用电子游标卡尺测量。
1.4.5 淀粉合成关键酶活性及稻米品质相关指标的
测定 参照 Aiko Nishi 等[25]的方法测定蔗糖合
酶、可溶性淀粉合酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、淀
粉去分支酶等酶活性。
参照王宪泽的《生物化学实验技术原理和方法》[26]
测定总淀粉含量、直/支链淀粉、可溶性总糖、蔗糖、
果糖含量以及淀粉的糊化特性等。
1.4.6 淀粉粒观察 将成熟期籽粒用单面刀片从
背部横切两次以去掉两端,留截距约 2 mm厚的中部
胚乳作为观察样本。将观察样本的一个截面用胶带
纸粘贴,置于载物台上, 在 IB23 型离子溅射仪内对样
品断裂面喷金后, 用 Philips XL302ESEM 扫描电镜
观察淀粉粒形态和结构并照相。电镜的加速电压为
10 kV。
1.4.7 温度记录 记录水稻灌浆期 7~10 月份水
稻种植地区的日最高气温和日最低气温。
2 结果与分析
2.1 稳定高垩白率突变体材料的筛选
2005、2006和 2007年将日本晴 T-DNA插入突
变体库分别在北京、南京两地种植, 进行稳定高垩
白率突变体的筛选, 共得到 6份突变体, 其 3年的垩
白率考察统计数据均高于 80%, 野生型日本晴的垩
白率低于 20%, 说明突变体高垩白率具有遗传稳定
性, 是研究稻米品质的好材料。对 2008年的成熟籽
粒进行垩白率考察, 结果如图 2-H所示, 6份突变体
材料的垩白率均高于 80%, 野生型日本晴的垩白率
低于 20%, 进一步说明突变体高垩白率的产生由其
遗传因素决定。
第 1期 金田蕴等: 水稻稳定高垩白率突变体的获得与理化特性分析 123


2.2 材料内遗传背景的检测
T-DNA插入突变体经过多代种植已经稳定。在
水稻抽穗期前, 取水稻叶片提取 DNA, 进行潮霉素
标签检测。mu1、mu2、mu5、mu6 检测植株潮霉素
标签均呈阳性, 确保了实验所用 T-DNA插入突变体
材料中无多代遗传后个别植株 T-DNA丢失。在转基
因进行组织培养过程中易引起自发突变、染色体断
裂、倒位和重排, 以及甲基化等变异, mu3、mu4 潮
霉素标签检测呈阴性, 说明此两个突变体可能是由
组培愈伤诱导产生, 而非 T-DNA插入引起。
2.3 2008年水稻籽粒灌浆期的温度变化特征
除了品种自身的遗传特性外, 水稻灌浆结实期
的生态条件对稻米品质的影响显著, 其中温度是最
主要的制约因素[27-29]。在水稻开花灌溉期 35℃高温持
续 5 d以上将严重影响水稻结实率及稻米品质。当温
度低于 16℃时, 水稻将停止灌浆, 也将影响稻米品质,
但影响较小。突变体材料和野生型日本晴灌浆期均在
9 月初到 10 月初, 从图 1 可以看出, 各材料抽穗灌浆
期并未遇到高温的伤害, 9月 20日随后几天出现温度
较低的天气, 材料处于灌浆后期, 影响相对较小, 说
明突变体高垩白率的产生主要是其遗传因素决定的。


图 1 水稻灌浆期间的日最高温度和最低温度变化曲线(2008年)
Fig. 1 Fluctuation of maximum temperature and minimum
temperature during rice grain filing period in 2008

2.4 电镜观察
稻米垩白是胚乳中淀粉体和蛋白质体充实不良,
相互间存在空气而形成的一种光学特性, 按其发生
部位可将垩白分为腹白、心白、背白等类型, 是水
稻籽粒充实过程中产生的[1-2]。
由图 2-A 可以看出, 野生型日本晴淀粉颗粒呈
明显的多面体 , 棱角明显 , 清晰可见 , 且淀粉颗粒
排列紧密, 粒间缝隙极小, 籽粒呈透明状。图 2-B、
C、D、E、F、G 6个突变体淀粉颗粒棱角不分明, 近



图 2 水稻胚乳断面电镜扫描及垩白率统计
Fig. 2 Starch granules in endosperm of rice and the percentage of chalky rice
A、B、C、D、E、F、G为 Wt、mu1、mu2、mu3、mu4、mu5、mu6的糙米及其胚乳内部淀粉形态, 图 H为 2008年 Wt, mu1、mu2、
mu3、mu4、mu5和 mu6成熟籽粒垩白率的统计数据, Wt：野生型。
A, B, C, D, E, F, and G are brown rice and starch granules in endosperm of rice, and H is the percentage of chalky rice in 2008. Wt: wild type.
124 作 物 学 报 第 36卷

球形 , 粒间结合疏松 , 造成透光性不好 , 籽粒表现
为不同程度的腹白。
2.5 灌浆趋势
垩白的形成与籽粒灌浆物质(源)动态有密切关
系, 平缓线性型灌浆品种其垩白率往往较低, 而大
起大落型垩白率较高[10,30-31]。由图 3可见, 除 mu6呈
较高的灌浆式外, 其他 5个突变体与野生型无明显差
异。mu6较其他材料灌浆期缩短, 灌浆过快, 可能是
造成其垩白的原因之一。
2.6 籽粒形态考察
星川清亲 [1]描述了同化产物输入籽粒的途径 ,
即灌浆初期水溶性碳水化合物从籽粒背部笙笛状的
维管束端部流出, 横向经背部突起的珠心组织进入
胚乳, 中后期依靠胚乳细胞间的运输到达各处。米
粒越宽输导途径越大, 障碍就越大。因此, 充实不良
多发生于米的腹部而形成腹白。从表 1总体分析, 突
变体种子的粒长粒宽有不同程度的增加, 但是粒厚
只有 mu6 有所增加, 其他的突变体反而有所降低,
也就是说在粒形上, 突变体的种子不如野生型的饱
满。根据同化物流假说, 籽粒的变长变宽, 不利于优
良品质的形成, 易造成垩白。
2.7 淀粉相关性状考察
碳水化合物组分和含量影响稻米的口感, 直链
淀粉含量高的稻米米饭硬、饭粒松散、口感差; 而
含量过低米饭太软、饭粒黏结、口感也不好[32-37]。
因此, 合适的直链淀粉含量是优质稻米的重要指标
之一。
图 4-A 是籽粒的横截面图, 无垩白的野生型日
本晴与突变体表现出明显的差异, 且突变体多为腹
白。碘染后, 突变体与野生型并没有显著的差异, 说
明垩白区域同透明部分的直链淀粉含量的差异并未
达到显著改变颜色的程度(图 4-B)。淀粉的溶胀体积
反映淀粉的组分及构成, 根据数据计算突变体与野
生型之间没有显著差异, 与碘染结果一致(图 4-C)。
从表 2 可以看出突变体与野生型之间果糖、蔗
糖、可溶性总糖呈现复杂的变化, 说明与其垩白无



图 3 籽粒的灌浆趋势
Fig. 3 The grain filling fluctuation of rice
A为籽粒鲜重的变化趋势; B为籽粒干物质的积累变化趋势; DAF(d): 开花后天数。
A: the fluctuation of fresh weight; B: the fluctuation of dry weight; DAF(d): days after flowering.

表 1 粒长、粒宽、粒长/粒宽、粒长/粒厚、粒宽/粒厚以及千粒重的统计数据
Table 1 Grain length, width, thickness, length/width (L/W), length/thickness (L/T), width/thickness (W/T), and 1000-grain weight
材料
Line
粒长
Length (mm)
粒宽
Width (mm)
粒厚
Thickness (mm)
粒长/粒宽
L/W
粒长/粒厚
L/T
粒宽/粒厚
W/T
千粒重
1000-grain weight
(g)
Wt 7.48±0.18 3.24±0.07 2.23±0.06 2.30 3.35 1.45 23.57±0.87
mu1 7.69±0.23* 3.37±0.12* 2.15±0.07* 2.28 3.59 1.57 24.48±0.87
mu2 7.69±0.19* 3.34±0.10* 2.21±0.06 2.30 3.48 1.51 24.85±0.138
mu3 7.67±0.23 3.38±0.10 2.21±0.02 2.27 3.48 1.53 26.00±0.50*
mu4 7.68±0.26 3.00±0.14 2.19±0.11 2.32 3.52 1.52 24.80±0.54
mu5 7.99±0.29** 3.40±0.11** 2.22±0.07 2.35 3.60 1.54 25.26±0.44*
mu6 7.94±0.18** 3.50±0.18** 2.25±0.07 2.30 3.54 1.54 27.65±0.69**
*和**分别表示与对照的差异达 0.05显著水平和 0.01极显著水平。
* and ** denote significantly different from the control at 0.05 and 0.01 levels respectively. Wt: wide type.
第 1期 金田蕴等: 水稻稳定高垩白率突变体的获得与理化特性分析 125




图 4 淀粉理化性状
Fig. 4 Physiological and biochemical characteristics of starch
A: 日本晴野生型和突变体的胚乳截面; B: 胚乳截面碘染;
C: 水稻籽粒淀粉的溶胀体积。
A: stereo micrographs of the mature endosperm; B: stereo micrographs
of the mature endosperm dyed by iodine solution; C: gelatinization of
starch from the wild type and mutants in 4 mol L−1 urea solution.
直接相关性。直链淀粉含量差异较大, mu2、mu3、
mu4 直链淀粉含量显著升高 , 使其硬度增加 , 而
mu1、mu6直链淀粉含量显著降低, 其硬度随之降低,
直链淀粉含量的变化直接影响其米饭的食味品质。
2.8 淀粉合成关键酶活性
2.8.1 蔗糖合酶 光合产物以蔗糖的形式从“源”
向籽粒运输, 经过一系列酶促反应合成淀粉[38]。这
一过程的第一步是蔗糖降解为 UDPG 和果糖。在水
稻籽粒中催化此步反应的酶主要是蔗糖合酶 (EC
2.4.1.13, SS), 其活性高, 籽粒合成淀粉的底物就充
足, 因此其活性被认为是库强的一个重要指标[6,39]。
由图 5可见, 与Wt相比各个突变体蔗糖合酶的
活性变化存在差异。Wt的蔗糖合酶活性呈单峰曲线
变化, 在开花后 15 d左右达到峰值后逐渐下降, mu1、

表 2 日本晴野生型和突变体成熟籽粒的碳水化合物含量及相关指标
Table 2 Carbohydrate content in dry seeds of rice mutants and their wild type
材料
Line
果糖含量
Fructose content
(mg g−1)
蔗糖含量
Sucrose content
(mg g−1)
可溶性总糖含量
Total soluble sugar
content (mg g−1)
淀粉含量
Starch content
(%)
直链淀粉含量
Apparent amylose
content (%)
最大吸收峰
Maximum absorption
peak (nm)
Wt 1.25±0.16 5.50±0.68 21.80±1.76 82.3±0.67 16.50±0.37 567
mu1 1.31±0.08 6.84±0.64 22.01±1.58 81.3±0.45 15.69±0.33* 561
mu2 1.27±0.17 7.46±0.37* 22.99±1.22* 80.1±0.32** 18.16±0.48** 571
mu3 1.28±0.16 6.72±0.60 24.33±1.96 84.2±0.33** 21.66±0.57** 575
mu4 1.40±0.10 6.41±0.30 27.43±1.55* 84.0±0.05** 19.48±0.44** 575
mu5 1.39±0.10 7.26±0.86 26.99±0.89** 80.2±0.46* 16.55±0.25 569
mu6 1.25±0.09 6.93±0.52* 22.89±0.75 81.1±0.56 15.61±0.30* 557
*和**分别表示与对照的差异达 0.05和 0.01显著水平。
* and ** denote significantly different from the control at 0.05 and 0.01 levels respectively. Wt: wide type.



图 5 水稻籽粒蔗糖合酶活性的动态变化
Fig. 5 Changes of sucrose synthase activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.
126 作 物 学 报 第 36卷

mu4、mu5、mu6 的这种变化趋势与 Wt 相同, 但同
一时期, mu1的蔗糖合酶活性一直低于Wt, mu4的峰
值略推后, 也较Wt稍低, 且后期酶活性下降较为迅
速。mu5的酶活性仅在高峰期明显高于 Wt, 其他时
期则二者并无明显差异。mu6 的酶活性在高峰期显
著高于 Wt, 但在开花后 8 d前明显低于 Wt。mu2、
mu3 的酶活性在开花后 20 d 左右才达到峰值, 且
mu2 蔗糖合酶的总体活性低于 Wt, mu3 的平均活性
与 Wt 没有明显差异。mu1、mu2、mu3 垩白的产生
可能与籽粒灌浆关键期蔗糖的分解产物低, 即淀粉
合成的底物不足有关。
2.8.2 AGPase AGPase 催化 1-磷酸葡萄糖和 ATP
形成焦磷酸和淀粉合成的最初葡萄糖供体 ADP-葡
萄糖 [40], 是淀粉合成的限速酶, 但不影响淀粉的结
构[6,41-42]。
如图 6所示, Wt的 AGPase自开花后 5 d到 20 d
均保持了较高的活性, 开花 20 d 后活性迅速下降,
mu3、mu6 也有同样的变化趋势, mu2 与之类似, 只
是在开花后 15 d左右就达到峰值, 且高于 Wt。mu1
则是在开花后 10 d左右就迅速达到峰值, 然后稍有
下降, 一直保持着较高的活性。mu4、mu5的酶活性
总体上低于 Wt, 成为灌浆限速因素, 可能其垩白的
产生与此有关。
2.8.3 可溶性淀粉合酶和 SSI 可溶性淀粉合酶
(SSS)是一种葡萄糖转移酶, 以游离态存在于胚乳的
淀粉体中, 它以寡聚糖为前体, ADP-葡萄糖为底物,
通过α-1,4糖苷键不断增加寡聚糖的葡萄糖单位, 最
终形成α-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。因此, 籽粒中 SSS 活
性越强, 其利用 ADP-葡萄糖合成淀粉的能力就越
强[6,43-49]。可溶性淀粉合酶是淀粉合酶的一大类, 包
括 SSI、SSII、SSIII、SSIV/V四种同工酶。
如图 7所示, SSI在不同的突变体中表现出很大
的差别。mu1、mu2、mu3酶活性峰值出现在开花后
20 d左右, 总体上活性高于 Wt, mu4、mu5、mu6则
趋同于 Wt。如图 8所示, 与 SSI不同, mu1、mu2的
总可溶性淀粉酶活性达到峰值较 Wt推迟 10 d左右,
mu3、mu6推迟 5 d左右, mu2、mu3、mu4、mu5、
mu6 的酶活性均明显低于 Wt, 说明在 Wt 中其他同
工酶弥补了 SSI 活性的降低。突变体中总可溶性淀
粉酶活性的降低, 有可能造成淀粉粒精细结构的改
变, 从而产生垩白。
2.8.4 Q 酶 Q 酶在淀粉合成中的作用是通过形
成α-1,6糖苷键形成分支的糖链, 它是影响水稻籽粒
中淀粉组成与结构的关键酶, 但其活性并不能完全
决定直链淀粉/总淀粉的比率[6,50-54]。
从图 9 可知, 水稻灌浆后期 Q 酶活性较 SSS、
AGPase高, 说明其在籽粒灌浆后期的淀粉合成转化



图 6 水稻籽粒 AGPase酶活性的动态变化
Fig. 6 Changes of AGPase activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.
第 1期 金田蕴等: 水稻稳定高垩白率突变体的获得与理化特性分析 127




图 7 水稻籽粒 SSI活性的动态变化
Fig. 7 Changes of SSI activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.



图 8 水稻籽粒可溶性淀粉合酶活性的动态变化
Fig. 8 Changes of soluble starch synthase activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.

代谢中仍然起着重要的作用。比较突变体与野生型,
mu1 的活性总体上稍低于野生型, 且酶活性高峰有
2~3 d的推后。mu2、mu3没有明显差别, mu4在开花
后 10~20 d 内酶活性高于野生型, 可能影响到它的
淀粉结构即直链淀粉含量等。mu5 总体酶活性高于
野生型, 特别是在开花后 5~12 d, 但后期酶活性的
下降速度比 Wt快。mu6酶活性变化较为平缓。Q酶
酶活的变化与其他淀粉合成相关酶的综合作用, 造
128 作 物 学 报 第 36卷



图 9 水稻籽粒淀粉分支酶活性的动态变化
Fig. 9 Changes of Q-enzyme activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.

成了突变体与野生型直链淀粉含量的差异, 进而影
响了稻米品质。
2.8.5 淀粉去分支酶 淀粉去分支酶又称 R 酶,
根据底物划分为 Pullulanase和 Isoamylase两大类。
前者以极限糊精和普鲁蓝为底物 , 特异性去除其
α-1,6 糖苷键 , 而后者为异淀粉酶 , 以变性支链淀
粉、糖原和支链淀粉类似物为底物, 去除α-1,6糖苷
键, 但不能作用于极限糊精和普鲁蓝[6,55-58]。
如图 10所示, mu1的普鲁蓝酶活性趋势与Wt相
同, 但峰形较窄, 即变化速度较快。mu2直到开花后
20 d普鲁蓝酶活性才出现与Wt不同的趋势, 在开花
后 10 d左右达到酶活性高峰, 一直较为平稳地保持
到开花后 25 d。mu3 在开花灌浆关键期, 普鲁蓝酶
活性较低。mu4、mu5、mu6均在开花前期酶活性低
于野生型, 在 15~20 d左右超过野生型, mu4的变幅
最大。普鲁蓝酶的突变体没有表型特征[58], 因此可
能此酶在突变体与野生型中的差别, 与其垩白率并
无直接的相关性, 其酶活性的变化也可能是其他突
变一因多效的结果。
如图 11所示, 异淀粉酶在日本晴野生型中开花
后 5 d 就达到了峰值, 之后逐渐下降。与之相比,
mu1、mu2的活性开花后 5~10 d低于 Wt, 但在开花
后 15 d保持着相对较高的活性。mu3、mu4、mu5、
mu6均表现为开花 15 d后其活性高于 Wt。异淀粉酶
功能缺失型突变体, 种子皱缩, 并且在胚乳中大量
积累高分支的植物糖原而不是淀粉[58]。从籽粒的表
型特征来看, 6份突变体中没有异淀粉酶功能缺失的
突变体, 这种酶的酶活变化只是影响到了淀粉结构,
并没有达到影响籽粒粒形的显著程度。
3 讨论
稻米品质以稻米内部物质的生理生化代谢为基
础, 在遗传特性和环境因素共同作用下, 随着籽粒
灌浆进行着复杂而有序的代谢活动, 内部发生着物
质化学和物理特性的变化, 即稻米品质是众多因素
综合作用的结果[59]。
环境温度是影响水稻品质的首要生态因素, 结
实期高温往往导致稻米垩白率、垩白度升高, 糙米
率、精米率和整米率下降, 蛋白质含量增加[5]。在本
实验中, 各材料并未遇到超过 35℃的连续高温, 即
其高垩白率的产生并不是由于高温胁迫, 主要由其
遗传特性决定。材料灌浆前期处于适合水稻生长的
温度, 灌浆后期遇到低温胁迫, 对其品质的影响没
有高温胁迫大, 但是也可能造成其灌浆后期相关酶
活性的变化。
蔗糖合酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化酶、可溶性淀
粉合酶、Q 酶、淀粉分支酶等是水稻籽粒灌浆过程
中的关键酶。蔗糖合酶是库强的一个重要指标[6,39]。
第 1期 金田蕴等: 水稻稳定高垩白率突变体的获得与理化特性分析 129




图 10 水稻籽粒普鲁蓝酶活性的动态变化
Fig. 10 Changes of pullulanase activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.



图 11 水稻籽粒淀粉异分支酶活性的动态变化
Fig. 11 Changes of isoamylase activity in rice grain after flowering
DAF(d)：开花后天数。DAF(d): days after flowering.

ADP-葡萄糖焦磷酸化酶是淀粉合成的限速酶, 但不
影响淀粉的结构[6,41-42]。可溶性淀粉合酶活性越强,
其利用 ADP-葡萄糖合成淀粉的能力就越强[6,43-49]。
Fontaine 等 [60]报道, 可溶性淀粉合酶对籽粒中直链
淀粉含量和其占总淀粉的比率有一定的影响。Q酶在
淀粉合成中的作用是通过α-1,6 糖苷键形成分支的
糖链, 它是影响水稻籽粒中淀粉组成与结构的关键
酶[6,50-54]。有关实验表明, Q酶还通过产生新的非还
130 作 物 学 报 第 36卷

原末端作为α-葡聚糖的受体, 有利于ADP-葡萄糖焦
磷酸化酶和淀粉合酶的催化反应, 提高淀粉的生物
合成速度。Akiho等[61]认为, 非糯性水稻品种籽粒中
的淀粉组成与结构可能由 Q酶和淀粉去分支酶之间
的平衡关系决定。这些酶的表达模式在不同的材料
中表现出复杂的变化, 可能直接决定着胚乳的淀粉
组成与结构差异, 从而导致稻米不同的垩白率。mu1
的蔗糖合酶活性明显低于野生型, 总可溶性淀粉合
酶灌浆前期活性较低, 达到峰值的时间较晚, SSI活
性高于野生型, 其他淀粉合成相关酶的活性没有如
此明显的差异。从碳水化合物的含量来看, 其直链
淀粉含量显著低于野生型, 其可能原因是除 SSI 以
外的几种可溶性淀粉合酶同工酶的活性比较低。同
时, 蔗糖合酶的低活性也能造成其库强低, 限制下
一步代谢, 导致 mu1 的总淀粉含量有所下降, 尽管
与野生型相比并未达到显著差异的水平。mu2 的蔗
糖合酶以及总可溶性淀粉合酶和 SSI 的酶活变化趋
势与 mu1相同, 只是 mu2的总可溶性淀粉合酶的活
性一直到灌浆后期也没能达到与野生型相应的峰
值。其成熟籽粒中淀粉含量显著降低, 但直链淀粉
却呈上升趋势。在水稻中, 除可溶性淀粉合酶外还
有粒结合型淀粉合酶, 并起着重要的作用, 所以可
溶性淀粉合酶活性的降低, 并不意味着直链淀粉的
含量会降低。mu3的蔗糖合酶在前期稍低于野生型,
但灌浆后期高于野生型, SSI 变化趋势同于 mu2, 异
淀粉酶特别是在籽粒灌浆前期低于野生型, 造成其
淀粉含量及组分的变化, 可能进而影响了淀粉粒的
形成。mu4 除淀粉合酶功能的差异外, ADP-葡萄糖
焦磷酸化酶即淀粉合成的限速酶在灌浆前 20 d明显
低于野生型, 可能造成灌浆不充实, 导致垩白率升
高。mu5出现蔗糖合酶活性很高但是 ADP-葡萄糖焦
磷酸化酶活性偏低的现象, mu6 则仅仅是蔗糖合酶
活性明显高于野生型, 异淀粉酶在灌浆后期保持了
较高的活性, 这些酶活性的变化很可能是其垩白率
高的原因。水稻籽粒灌浆与产量和品质密切相关 ,
mu6 灌浆期短, 可能造成其内部物质充实不良, 是
其垩白形成的一个重要原因。但是要探究这些突变
体垩白形成的真正原因, 还需要进一步实验的验证。
6 份突变体中可溶性淀粉合酶活性均明显低于
野生型或峰值出现的时间推后, 淀粉含量以及直链
淀粉含量表现出或高或低复杂的变化, 这可能与淀
粉合成相关的另外几个重要的同工酶和粒结合型淀
粉合酶有关。植物是一个复杂的有机体, 众多酶的
作用是相互影响与协调的, 不同的酶可能对其他酶
起着不同的调控作用。为了进一步深入, 我们可以
通过图位克隆的途径, 对垩白相关的基因进行定位
和功能研究。
从已有的研究看, 对稻米品质主要集中在成熟
稻米品质表现的有关性状分析上, 对稻米品质形成
的机制及品质形成过程中生理生化特性与米质优劣
关系的研究相对较少。本实验从生理角度来了解品
质形成的内在机制, 对垩白形成机理的进一步认识
有重要意义。
4 结论
筛选出 6 份稳定高垩白率的突变体, 并对其生
理特征进行深入分析, 有助于进一步认识稻米垩白
形成本质 ,为进一步阐明水稻垩白形成机理提供理
想的研究材料, 也为下一步垩白相关基因的图位克
隆和功能分析提供数据。

致谢： 感谢中国农业科学院生物技术研究所路铁钢
研究员提供日本晴 T-DNA插入突变体库材料。
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