Carbohydrate Polymers|四川农业大学朱军/李平课题组揭示基于水稻Waxy基因敲除的糯稻品质育种规律

淀粉占稻米干重的80%以上，主导着稻米的感官、食味和加工等品质。Waxy基因编码颗粒淀粉结合酶I（GBSSI），是控制直链淀粉生成的主效基因，同时也是水稻育种家进行水稻育种材料创制的主要考究基因之一。近年来，通过CRISPR/Cas9编辑水稻Waxy基因获得直链淀粉含量（AC）显著降低的新糯性水稻品种已经被广泛报道，但其品质可控性较差。这主要是单纯追求候选品种的产量或其他特性，而忽略其米质遗传背景所致，导致编辑所衍生的品种糊化温度和AC过高，从而严重影响糯稻的品质。深度挖掘不同Waxy等位基因敲除后野生型与突变体之间理化特性的潜在联系，探寻影响糯稻品质的主要原因，对糯稻育种材料创制和品质育种具有重要参考价值。

为此，2023年1月20日四川农业大学水稻研究所/西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室朱军/李平课题组联合成都中医药大学创新研究院青年教师付宇浩在Carbohydrate Polymers杂志（1区Top / IF10.723）在线发表了题为《Generating waxy rice starch with target type of amylopectin fine structure and gelatinization temperature by Waxy gene editing》的研究论文。该研究选择了具有水稻两种主要Waxy等位基因（Wx^a和Wx^b）的4个潜力栽培品种（产量高或米质佳），通过对其Waxy基因编辑，获得4种直链淀粉含量显著下降的糯性突变体。系统分析了不同基因背景下糯性突变体与野生型淀粉的理化特性（AC、结晶度、支链淀粉链长分布、热特性、糊化特性等），发现了糯性水稻理化特性的潜在联系，系统地总结了糯稻淀粉理化特性的生成规律及影响糯稻品质的主要原因（图1）。

图1. 图文摘要

图2. 不同Waxy等位基因糯性突变体支链淀粉链长分布差异

研究发现，具有初始AC水平高的亲本编辑成糯性突变体其AC较高，甚至未达糯稻标准¹；Wx^a突变体的AC相对Wx^b突变体较高，这可能由于其他淀粉合成基因的差异导致的。Wx^a突变体比Wx^b突变体生成更多的中长链、长链（DP12-70）及更少的短链（DP6-11）（图1 A,C），相同基因型之间链长分布差异不大（图2 B）。由于链长分布的显著差异，Wx^a突变体比Wx^b突变体有更高的糊化温度。

研究还发现，Waxy基因敲除后，3个品种的突变体支链淀粉短链（DP6-12）及中长链（DP13-24）整体较亲本显著降低（图2 D,E），但糊化温度未有显著改变。该现象的发现解决了一个长期困扰学界的问题，即糊化温度与链长分布强相关但往往不同研究得出结论不一致。先前研究普遍认为，直链淀粉、支链淀粉短链比例、中长链比例、长链比例和支链淀粉链长比（ACR，DP6-10 / DP6-24）均显著影响淀粉糊化温度。本研究的结果揭示，即使直链淀粉、支链淀粉短链及中长链比例显著下降、长链比例显著上升，糊化温度也不会显著改变，原因是由于ACR值未有较大幅度改变造成的。意味着糊化温度与直链淀粉、支链淀粉短链、中长链及长链都不相关，糊化温度只与ACR值相关。ACR同时可确定支链淀粉的精细结构类型，如高糊化温度型（ACR < 0.18，GT > 77℃）和低糊化温度型（ACR > 0.18，GT < 72℃）。Wx^a突变体支链淀粉属于高糊化温度型，Wx^b突变体属于低糊化温度型¹。

图3. 不同Waxy等位基因糯性突变体淀粉凝胶

此外，拥有最低的AC及最低的淀粉平均分子量将会拥有最软的淀粉凝胶和更好水溶性（图3），但造成该现象的原因仍有待进一步研究。

综上所述，编辑水稻Waxy基因将不会导致糊化温度及支链淀粉精细结构类型改变，ACR值是确定糊化温度的主要原因，同时为获得较好食用的糯性品种应选择初始AC和糊化温度较低的亲本。编辑一个确定的亲本的Waxy基因，育种家仍将获得一个与亲本在淀粉理化特性上相一致的糯性品种。该研究为定向选育具有特定理化特性的糯性水稻品种提供了一个新的育种思路。

四川农业大学水稻研究所朱军副教授和李平教授为论文通信作者，四川农业大学已毕业硕士付宇浩（成都中医药大学）为论文第一作者，朱中燕（成都中医药大学）为论文共同通信作者，四川农业大学已毕业博士陶阳助理研究员（成都中医药大学）为共同作者。本研究得到四川省重大科技专项（2022ZDZX0016）及成都中医药大学“杏林学者”学科人才科研提升计划基金（MPRC2022036）等项目支持。

参考文献：

Fu Y, Luo T, Hua Y, Yan X, Liu X,Liu Y, Liu Y, Zhang B, Liu R, Zhu Z and Zhu J (2022) Assessment of the Characteristics of Waxy Rice Mutants Generated by CRISPR/Cas9. Front. Plant Sci. 13:881964. doi: 10.3389/fpls.2022.881964

文章连接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.120595