稻穗籽粒灌漿過程不是同步的，一個圓錐花序中穎花開花遲早與灌漿速率和粒充實率密切相關。先開的穎花（強勢穎花）灌漿速率和粒充實率高；后開的穎花（弱勢穎花）灌漿速率低，甚至不結穎果，因此弱勢穎花低的灌漿速率嚴重影響和限制了“超級”水稻產量。水稻灌漿過程實際上是一個淀粉積累的過程，受脫落酸（ABA）和乙烯等激素的影響，然而強弱勢穎花之間灌漿差異的出現是否與淀粉和激素合成相關基因的調控有關？有待于進一步研究。

 

華南農業大學朱國輝老師利用Affymetrix水稻芯片進行強弱勢穎花之間基因的表達差異分析，發現淀粉合成、ABA和乙烯合成相關基因的檢出信號均出現了2倍以上的差異變化，再結合分子生物學和生理生化實驗系統研究了ABA和乙烯對淀粉合成基因調控的影響。該文章發表在2011年三月Journal of Experimental Botany雜志上。其中基因芯片技術服務由上海伯豪生物技術有限公司/生物芯片上海國家工程研究中心（）完成。

 

本研究中，朱國輝老師利用Affymetrix水稻基因芯片研究了強弱勢穎花開花后3天和9天基因表達譜變化。在芯片中包含的51279個水稻轉錄本中，發現差異表達的基因與糖代謝、激素合成、信號轉導、光合作用等功能相關。水稻籽粒灌漿是淀粉積累的過程，因此在籽粒灌漿中淀粉合成相關基因決定了粒重。在糖代謝中，與淀粉合成途徑相關功能酶編碼基因大部分已知。因此文章重點關注灌漿期淀粉合成基因的表達差異。對淀粉代謝相關差異表達基因進行聚類分析和半定量實驗認為：SUS基因、UGPase 基因、AGPase 基因、GBSS基因、SSS基因、SBE基因、GPT1基因、BT1-2基因在籽粒灌漿速率和淀粉積累中有重要的作用。

圖1. 水稻灌漿期淀粉代謝相關基因層次聚類分析

Fig 1. Hierarchical clustering of starch metabolism-related genes of rice during grain filling

 

ABA和乙烯在籽粒灌漿期有著重要作用。使用基因芯片高通量檢測強弱勢穎花之間基因的表達譜變化結果中也發現了ABA和乙烯合成基因發生變化。利用qRT-PCR進一步證明弱勢穎花在發育早期ABA和乙烯合成基因（NCED1、NCED5和ACO1、ACO3）表達水平高于強勢穎花，且ABA和乙烯含量與基因表達水平一致。結合外源ABA和乙烯激素處理實驗研究激素與淀粉合成之間關系發現低水平的乙烯含量對強勢穎花籽粒灌漿至關重要，而ABA影響籽粒灌漿呈劑量依賴關系。

圖 2. 水稻籽粒灌漿期強弱勢穎花ABA和乙烯合成基因表達譜變化

Fig 2. Changes in the expression profiles of ABA synthesis genes NCED1 and NCED5 and the ethylene synthesis genes ACO1 and ACO3 in superior and inferior spikelets during grain filling of rice.

 

圖 3.水稻籽粒灌漿期強弱勢穎花ABA含量和乙烯釋放率

Fig 3. Levels of ABA content and ethylene evolution rate in the superior and inferior spikelets during grain filling of rice.

 

綜上所述，該研究利用基因芯片檢測強弱勢穎花灌漿期的基因表達譜變化，發現淀粉代謝相關基因和植物激素基因等發生差異表達。結合生理生化和分子生物學實驗進一步揭示了植物激素ABA和乙烯合成基因，淀粉代謝相關基因在異步灌漿過程中的重要作用。該研究對強弱勢穎花異步灌漿機制研究和水稻分子育種具有重要意義。

 

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使用服務種類：Affymetrix Rice Genome Array