近日，南京农业大学农学院万建民院士团队克隆了调控水稻淀粉合成的新基因FLO19，并对其影响水稻造粉体发育的分子机制及其潜在应用价值进行了深入研究。该成果为水稻产量和品质的分子改良提供了基因储备和材料基础。相关研究成果在线发表在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。
水稻种子在成熟过程中积累大量的淀粉（占稻米总重量的70%以上）。稻米中淀粉的合成直接决定稻米的产量，同时稻米中直链淀粉含量、支链淀粉的结构（链长分布等）对稻米的品质有着决定性影响。淀粉合成是一个复杂的酶促反应过程，需要一系列淀粉合成酶参与，科学家已经克隆了绝大部分直接参与淀粉合成的关键酶，但有关淀粉合成调控的分子机制远未阐明。造粉体是水稻种子中淀粉合成和贮存的主要场所，维持其结构的完整性对于淀粉合成和种子发育极为重要。因此，在细胞和分子层面阐释造粉体发育机制，明确造粉体发育关键节点基因，对保障国家粮食安全，提升人民生活水平具有重要意义。该团队筛选获得了一个水稻粉质胚乳突变体floury endosperm 19 (flo19)，该突变体存在明显的造粉体发育缺陷，表现为复合型淀粉颗粒减少，单粒型淀粉颗粒增多，且排列疏松。以上缺陷导致flo19突变体成熟种子中淀粉含量和千粒重显著降低。FLO19编码一个丙酮酸脱氢酶复合体E1-α亚基，参与造粉体发育所需的半乳糖脂的生物合成。该基因突变导致丙酮酸脱氢酶复合体酶活显著下降，同时伴随总半乳糖脂的含量明显降低，最终导致造粉体发育异常、淀粉合成受阻，严重影响水稻产量和品质。
图1 FLO19过表达家系表型观察与农艺性状统计
图2 FLO19与籽粒长度的关联分析
进一步研究发现，过表达FLO19基因可以显著增加水稻种子粒长和粒宽，单株产量增加16%，且对其他性状无明显负面影响（图1）。基于水稻3k数据库的关联分析和单倍型分析发现，FLO19启动子区域含有一个4 bp片段的插入，该单倍型pFLO19L具有更高的转录活性，并与籽粒大小呈显著正相关。有趣的是，大部分籼稻品种携带pFLO19L单倍型，而粳稻品种中约11.3%是pFLO19S单倍型，尤其在温带粳稻中频率更高，显示pFLO19S单倍型的地理分布主要在亚洲的温带地区，呈现一定的地理分布趋势（图2）。以上研究为稻米淀粉合成调控分子机制解析提供了新思路，同时展现了FLO19基因在水稻产量提升和品质改良中的潜在应用价值。南京农业大学农学院博士生雷洁和滕烜博士为论文的共同第一作者，万建民院士和王益华教授为本文的共同通讯作者，中国农科院作物科学研究所郑晓明研究员和任玉龙研究员也参与了此项研究。本研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省杰出青年基金、江苏省农业科技自主创新资金等项目的资助。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13727
