水稻可溶性淀粉合成酶基因SSSII-2选择性剪切及其作用机制研究

Starch is the major component of rice endosperm. The composition and structure of starch is the most important factor that determines the rice quality. Soluble starch synthases (SSSs) are key enzymes that regulate the biosynthesis of starch. There are at least eight SSS isozymes in rice. However, the function and molecular mechanism of SSSII-2, one of the SSS isoenzymes, are still unclear. Our previous study indicated that SSSII-2 has three kinds of transcripts and suppressing the expression of SSSII-2 could remarkably improve the rice eating and appearance quality, but without any notable effect on rice yield and other agronomic traits. Thus, SSSII-2 gene is valuable in rice breeding. Based on these results, we will further study the three transcripts of SSSII-2, including its expression pattern, biological functions and molecular regulation mechanisms , by generating transcript-specific transgenic rice and using the existing valuable rice resouces in our lab. In addition, we will determine which SSSII-2 transcript plays pivotal roles in regulating rice quality and further clarify its molecular mechanisms. Finally, we believe that the results obtained from this project will be helpful in both uncovering the molecular mechanisms of each transcript of SSSII-2 and elucidating the effect of alternative splicing in regulating starch biosynthesis. Moreover, our study will be beneficial to rice breeding by providing valuable gene to improve rice quality.

淀粉是水稻胚乳的最主要成分，其组成与结构是决定稻米品质的最重要因素。可溶性淀粉合成酶（SSS）是催化淀粉合成的一类关键酶，水稻中至少有8种同工型，但同工型SSSII-2的功能及分子作用机制缺乏研究。我们前期研究发现SSSII-2存在3种不同转录本，而抑制SSSII-2的表达可显著改良稻米食味和外观品质，且对产量和其他农艺性状没有影响，有很好的育种应用价值。本研究拟在此基础上通过创建SSSII-2各转录本的特异性遗传分析材料，并结合实验室已有的淀粉品质改良相关种质资源，系统研究SSSII-2不同转录本的表达特性、生物学功能及分子调控机制，并进一步明确在稻米品质形成中发挥关键作用的转录本及其作用机理。本项目的开展对于揭示SSSII-2各转录本的分子作用机制，阐明选择性剪切在淀粉合成调控网络中的作用，及利用SSSII-2改良稻米品质将具有重要意义。

水稻是我国重要的粮食作物之一，高产与优质一直是水稻品种改良的最主要目标。已知胚乳是水稻种子的最重要组成部分，而淀粉占胚乳干重的90%以上。因此，胚乳淀粉的组成与结构是决定稻米品质优劣的最重要因素。本课题主要围绕一个控制淀粉合成的关键酶SSSII-2及其不同转录本开展系统的基因表达、遗传材料创建、稻米理化特性和淀粉精细结构等分析，明确SSSII-2在淀粉合成及稻米品质改良中的作用。首先，深入研究了干扰SSSII-2各转录本表达对稻米蒸煮食味及外观品质的影响，结果表明抑制SSSII-2表达可显著降低稻米直链淀粉含量至软米水平，食味值明显提高；尤为重要的是，虽然直链淀粉含量与软米相近，但在安全含水量下SSSII-2 RNAi稻米的外观品质显著优于软米，具有良好的透明度。其次，利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创建了针对3种SSSII-2转录本不同组合的基因突变材料，共包含4个不同靶位点，稻米品质分析结果显示SSSII-2的两个长转录本在稻米直链淀粉合成及支链淀粉结构形成中发挥重要作用，具有类似SSSII-2 RNAi稻米的优良理化特性。最后，将SSSII-2 RNAi结构通过杂交导入日本晴背景不同Wx等位基因的近等基因系中，研究SSSII-2与调控稻米食味品质的关键基因Wx之间的遗传互作，结果表明SSSII-2对直链淀粉和支链淀粉的合成调控不受Wx等位基因类型的影响，在Wxa和Wxb等位基因背景下均可显著降低稻米的直链淀粉含量，显著提升稻米的食味品质。因此，本研究结果揭示SSSII-2基因具有良好的育种应用潜力，可用于培育食味优、外观好的新型软米品种。. 本项目相关的研究结果发表SCI论文4篇；申请国家发明专利3项，其中获得授权1项；培养博硕士研究生4名，其中1名硕士已毕业；项目主持人入选江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师（2019）、江苏省六大人才高峰（2019）等人才培养计划。