高温影响稻米直链淀粉含量重要QTL位点的遗传分析和精细定位

High temperature during filling stage can harm the rice grain quality, and the amylose content (AC) of some varieties has been proven decreased significantly. In this study, we have performed a genome-wide survey on a set of chromosome segment substitution lines (CSSLs) which carried chromosomal segments from the heat resistant indica 9311 in the heat-sensitive japonica Nipponbare background. Four QTLs, qHAC4, qHAC8a, qHAC8b and qHAC10, which can reduce the deleterious effects of AC at high temperature, have been identified. The CSSLs carrying the qHAC8a, qHAC8b and/or qHAC4 from 9311 could increase the GBSSI pre-mRNA splicing efficiency and the GBSSI enzyme activity at high temperature. Thus, increasing pre-mRNA processing efficiency of GBSSI gene could be an important regulation mechanism for maintaining the stable amylose content in rice seeds at high temperature. In this project, we are planning to fine map and characterize some of these loci or genes by using the secondary F2 population generated from the backcross between related CSSL and Nipponbare. These results will shed light on the molecular mechanisms of rice endosperm starch synthesis at high temperature and will provide therotical basis to breed high quality rice variety.

灌浆结实期的高温胁迫会严重影响多数优质粳稻品种的稻米直链淀粉含量。本项目前期通过对一套水稻染色体片段替换系的高温处理和遗传分析发现9311基因组中存在4个主效位点qHAC4、qHAC8a、qHAC8b 和 qHAC10，它们的导入可以显著减少高温对日本晴稻米直链淀粉含量下降的影响。同时通过对替换系胚乳组织的基因表达分析发现qHAC8a和qHAC8b/qHAC4高温条件下可以提高直链淀粉合成酶基因GBSSI的剪切效率，从而表明GBSSI基因的表达变化可能是导致高温下日本晴直链淀粉含量发生变化的主要原因。本研究后续计划利用相关替换系与受体亲本日本晴回交和自交构建次级F2分离群体，对qHAC8a和qHAC8b/ qHAC4等重要QTL位点进行进一步的遗传分析和精细定位，为下一步目标基因的克隆和内在分子机制的揭示提供必要的研究基础，并为人们选育可适应高温环境的优质水稻品种提供重要的基因资源。

高温环境下直链淀粉含量剧烈下降是导致稻米品质变劣的重要原因之一，而人们对其中的分子机制仍知之甚少。本研究一方面利用染色体片段替换系为研究材料对高温影响稻米直链淀粉含量的主效位点qHAC8a进行遗传分析和精细定位。结果表明籼稻9311来源的qHAC8a导入粳稻日本晴后，稻米直链淀粉含量对高温的耐受性明显提高。利用大分离群体和高密度分子标记，我们构建了覆盖qHAC8a位点更短小更精细的染色体单片段替换系。通过对单片段替换系群体的高温处理和品质分析，qHAC8a被进一步定位于8号染色体上一个～103kb的染色体片段上。同时，另一方面通过RNA-seq分析及反向遗传学研究鉴定到1个高温下能稳定稻米直链淀粉含量的转录因子基因OsMADS7。表达分析结果表明OsMADS7在水稻胚乳中中度表达，且其表达量明显受高温诱导。通过对OsMADS7转基因植株的高温处理和品质分析发现干扰植株高温下稻米直链淀粉含量下降幅度明显小于野生型对照，由此表明下调OsMADS7在水稻中的表达可以提高直链淀粉含量对高温的耐受性。另外，基因表达分析结果表明高温环境下含有qHAC8a的替换系和OsMADS7转基因干扰植株胚乳中直链淀粉合成基因GBSSI的成熟mRNA丰度均明显高于亲本对照，由此表明提高GBSSI的剪切效率可能是高温下水稻稳定直链淀粉含量重要途径之一，而qHAC8a和OsMADS7等是其中的重要作用因子。综上，本研究不仅为主效位点qHAC8a的进一步定位和分离提供坚实的研究基础，而且为揭示高温影响稻米直链淀粉含量可能的作用途径提供重要候选基因OsMADS7，同时该研究结果也为提高高温下稻米的食味品质提供重要理论依据。