苦荞颗粒结合型淀粉合成酶I（GBSSI）基因遗传多样性对直链淀粉合成调控的研究

Tartary buckwheat (Fagopyrum tataricum Gaertn.) is a kind of crop particular in China. Recently, tartary buckwheat is catching increasing attention in food and nutriology fields because of its trophic function. The endosperm of tartary buckwheat is filled with starch. The starch content of tartary buckwheat is similar with that of cereal crop, e.g. wheat. Although tartary buckwheat starch is used for food, there are limited studies, and these studies focused on starch physicochemical property. This project will use genetic strategy to research tartary buckwheat granule-bound starch synthase I (named FtGBSSI), which is involved in amylose production. We will research 1) genetic polymorphism in FtGBSSI and its up-stream sequecnes; 2) the expression features of FtGBSSIs; 3) the effect of FtGBSSI genetic polymorphism on amylose biosysthesis. The principle of different amylose content in tartary buckwheat accessions will be discussed. We will design primers used in molecular-assisted-selection. This research concerning with tartary buckwheat amylose content and the related genes controlling amylose synthesis will be important to improve tartary buckwheat starch quality in breeding programs.

苦荞（Fagopyrum tataricum Gaertn.）是我国的特色作物资源，近年来，苦荞因含有丰富的营养物质而备受国内外食品行业和营养学界关注。荞麦籽粒胚乳中的淀粉含量与禾本科大宗粮食作物（如小麦）相似，以食用淀粉为主，有关荞麦淀粉的研究却非常有限，通常局限于淀粉理化性质的研究。本项目拟对苦荞中控制胚乳直链淀粉合成的关键酶GBSSI（颗粒结合型淀粉合成酶I）进行遗传学研究，重点针对：1）苦荞GBSSI基因及上游序列的遗传多样性，2）苦荞GBSSI基因的表达特性，3）基因变异对直链淀粉合成的影响，从而阐明苦荞直链淀粉含量差异形成的机理，并建立分子标记辅助选择体系，以提高育种效率。研究苦荞直链淀粉含量、相关基因对直链淀粉合成的调控，对苦荞淀粉品质进行改良具有重要的应用意义。

苦荞是双子叶蓼科植物中荞麦属内的一个重要栽培种，其胚乳中的淀粉含量丰富，是重要的小众粮食作物。颗粒结合型淀粉合成酶I（GBSSI）是控制胚乳淀粉中直链淀粉合成的关键酶。本项目对苦荞GBSSI基因（FtGBSSI）序列、FtGBSSI启动子序列及活性、FtGBSSI表达模式及规律等进行研究，以期为苦荞育种工作提供分子理论基础。. 项目对40份苦荞地方品种材料FtGBSSI基因的上游序列约3000bp进行序列分析，发现中有35份材料的序列相同，另有5份材料存在差异序列。实验根据其中一类差异序列，设计了相应的标记引物。项目对FtGBSSI基因的上游序列约2000bp序列进行启动子生物信息学分析，转录起始位点分析结果发现存在4个可能的转录起始区域，其中2个评分较高。顺势作用元件分析结果发现在-100bp~-600bp区域内出现一个明显顺势作用元件峰值。对FtGBSSI基因上游序列2000bp在拟南芥叶片原生质体中进行启动子分段活性检测，发现此段序列的启动子活性较弱，可能与FtGBSSI主要在胚乳中特异性表达有关。检测FtGBSSI基因在胚乳发育各时期的表达，发现FtGBSSI基因表达量在灌浆初期显著高于花期、灌浆中期和灌浆后期。随着胚乳生长发育，FtGBSSI基因表达量呈现双峰曲线和单峰曲线两类动态趋势。测定18个苦荞材料胚乳中总淀粉含量及直链淀粉含量，发现成熟种子直链淀粉含量与总淀粉含量的相关关系不显著，而直链淀粉含量与灌浆初期FtGBSSI基因表达量的相关系数极显著，与其它时期基因表达量的直线关系不显著。对直链淀粉含量最高和最低的样品的灌浆期材料进行转录组测序及分析，结果发现2251个差异基因，其中980个在TB17-16中上调表达，1271个在TB17-6中上调表达。对与淀粉合成密切相关的Starch and sucrose metabolism和Glycolysis途径中的差异基因进行具体分析。在Starch and sucrose metabolism途径中共筛选到35个差异基因，在Glycolysis途径中共筛选到20个差异基因。本项目对苦荞淀粉品质改良育种具有重要的应用意义。