Nature子刊 | 扬州大学严长杰/杨泽峰团队揭示水稻的遗传差异的分子基础

来源：iNature

水稻（Oryza sativa L.）是世界上最重要的人类粮食作物，为世界人口提供超过21％的热量需求，并为东南亚人提供高达76％的热量摄入量。稻米品质由谷物外观，碾磨品质，营养品质，烹饪和食用品质四个方面组成。其中，营养品质以及烹饪和食用品质是消费者广泛关注的两个最重要的指标。胚乳中的三个主要成分，即淀粉（70-80％），蛋白质（7-10％）和脂质（~1％），主要决定营养质量和烹饪和食用品质。因此，揭示淀粉，蛋白质和脂质合成的遗传基础是提高稻米品质的先决条件。近几十年来，淀粉合成途径的解剖和控制淀粉变异的遗传网络取得了很大成就。然而，谷物蛋白质含量（GPC）的遗传基础是影响水稻营养质量以及食物和烹饪质量的另一个重要因素，目前尚不清楚。

2019年4月26日，扬州大学严长杰、杨泽峰团队在Nature Communications上发表题为“Natural variation of OsGluA2 is involved in grain protein content regulation in rice”的文章，研究结果表明OsGluA2显著促成了籼稻和粳亚种之间的遗传差异。

为了说明OsGluA2如何调节GPC，使用qRT-PCR研究NILs（NIL-qGPC-10H和NIL-qGPC-10S）之间OsGluA2的表达模式。 OsGluA2转录本在开花后15-25天（DAF）的胚乳中含量丰富，与之前的结果相似。 此外，在15 DAF时观察到表达水平的显著差异，在胚乳发育期间NIL-qGPC-10H中的表达水平高于NIL-qGPC-10S。 NIL中OsGluA2的不同表达水平意味着启动子区域的序列变异可能影响OsGluA2的表达水平，从而导致GPC。

为了探索OsGluA2对水稻籽粒品质的遗传效应，研究了NILs和转基因植物的GPC，SSP级分，以及淀粉含量和理化性质。 NIL-qGPC-10H中的GPC以及谷蛋白，白蛋白和谷醇溶蛋白含量显著高于NIL-qGPC-10S，但球蛋白含量除外。在互补（HpHc）和敲除（KO-OsGluA2）转基因后代中也观察到类似的结果。这些结果清楚地表明OsGluA2对GPC和大多数SSP组分具有显著影响，对谷蛋白变异具有最大影响。因此，认为谷蛋白量的变化是NIL和转基因植物中总GPC变异的主要贡献者。另外，淀粉含量和直链淀粉含量（AC）在遗传背景下略有变化。然而，凝胶稠度（GCs）显著改变。当GPC增加时，GC在NIL中显著降低。类似地，当KO（+）植物中的GPC降低时，GC增加。 GPC与GC呈负相关的事实意味着GPC可能也会影响米饭的食用和烹饪质量。

OsGluA2的地理分布，系统发育关系和遗传差异

   谷物蛋白质含量（GPC）影响水稻营养品质。该研究确定两个稳定的数量性状基因座（QTLs），qGPC-1和qGPC-10，控制来自籼稻和粳稻品种杂交的作图群体中的GPC。基于图谱的克隆显示，编码谷蛋白A2型前体的OsGluA2是qGPC-10的候选基因。它作为GPC的正调节剂起作用，对稻米品质具有多效性。位于OsGluA2启动子区域的一个SNP与其转录物表达水平和GPC多样性相关。该核苷酸的多态性可以将所有单倍型分为低（OsGluA2LET）和高（OsGluA2HET）表达类型。种群遗传和进化分析表明，主要存在于粳稻种质中的OsGluA2LET来自野生稻。然而，OsGluA2HET是籼稻的主要类型，是通过OsGluA2LET的突变获得的。研究结果阐明了对籼粳亚种间GPC自然变异的理解。