粳稻腹白和心白形成与调控机制的比较研究

摘要

垩白是稻米胚乳中白色不透明部分，是最重要的外观品质指标之一。垩白的存在直接影响稻米的市场价格，对碾米品质和蒸煮品质也具有重要影响。近年来，新育成品种垩白达标率有所提高，但在江苏等南方粳稻主产区仍然普遍存在主栽品种垩白米率较高、垩白度较大等问题。因而，开展粳稻垩白研究，揭示垩白的形成与调控机制，不仅能为应用遗传或农艺等手段降低粳米垩白提供理论依据，对于推进我国南方稻区“籼改粳”进程也具有重要的理论和实际应用价值。
　　腹白和心白是我国最常见的两种垩白类型。但已有研究多笼统地以“垩白”为研究对象，较少区分腹白和心白等不同类型垩白，特别在腹白和心白这两种主要类型垩白形成机制的比较研究上尤为薄弱，这在很大程度上制约了垩白性状改良工作的进展。本研究以武育粳3号及其高腹白和高心白突变体为材料，比较研究了腹白米和心白米在形态结构、理化组成、颖果发育过程中的蛋白质表达以及氮素响应等方面的差异，以期为深入研究垩白形成与调控机制以及稻米品质调优栽培技术研究提供参考。主要研究结果如下:
　　(1)腹白和心白部位胚乳细胞在形状、淀粉粒粒径分布、复合淀粉粒结构以及蛋白体数量等方面差异显著。腹白部位的胚乳细胞呈方形，细胞内复合淀粉粒呈较大的椭圆体，在其周围分布着许多蛋白体。心白部位的胚乳细胞呈狭长形，细胞内淀粉粒大小分布不均匀，小粒径的淀粉粒比较多，蛋白体几乎不可见。腹白部位的复合淀粉粒在外界机械压力下不易破碎，而心白部位的复合淀粉粒较易破碎为单粒淀粉，且腹白和心白部位复合淀粉粒破碎后的单粒淀粉形态存在明显差异。腹白部位复合淀粉粒粒径较大，由较多单粒淀粉组成，因而破碎后的单粒淀粉粒呈规则的多角形;而心白部位复合淀粉粒粒径较小，这些淀粉粒由少数的几个单粒淀粉组成，破碎后的单粒淀粉粒呈不规则形，棱角较少。以上结果表明，与淀粉相比，蛋白质在稻米垩白形成中也具有同等重要的作用，未来研究应该重视解析蛋白质、氮代谢与垩白形成之间的关系。
　　(2)垩白米（心白和腹白）在生化组成上与透明米差异显著。其淀粉、蛋白质、大多数氨基酸以及矿质元素Mn、K和Mg含量均低于透明米。但心白和腹白之间存在一定差别。其中，腹白米直链淀粉含量显著高于透明米，而心白米直链淀粉含量与透明米无明显差异。在矿质元素上，腹白米Zn含量显著低于透明米，而心白米Zn含量与透明米无差异。在氨基酸组成上，心白米苯丙氨酸、天冬氨酸、苏氨酸等磷酸烯醇式丙酮酸和草酰乙酸族氨基酸的含量显著低于透明米，而腹白米与透明米无差异。本研究表明了垩白研究中区别腹白和心白的必要性。同时，需要基于碳氮代谢之间的互作关系，更加关注蛋白质及积累过程在垩白形成中的作用。
　　(3)腹白和心白均涉及碳、氮等主要代谢和调节过程，但在相关酶表达时间上差异显著。腹白的形成与籽粒糖酵解和TCA循环速率降低，淀粉合成减弱，蛋白质合成、折叠、转运及降解代谢水平降低，胚乳细胞生长发育受抑制，ROS动态平衡受扰乱以及肌醇代谢受阻等相关。心白的形成与籽粒糖酵解和TCA循环速率降低，电子传递受阻，氨基酸合成和蛋白质合成、折叠及降解受抑制，淀粉合成增强，ROS动态平衡遭破坏，细胞壁组分合成减弱，以及山梨醇代谢增强等相关。另一方面，本研究揭示了腹白和心白在碳、氮等主要代谢和调节过程以及相关酶表达时间上存在显著差异。腹白的形成与籽粒发育前期（4-8 DAF）的代谢异常有关，而心白的形成与籽粒发育中期(12-16 DAF)的代谢异常有关。
　　(4)腹白和心白对氮素的响应不同。增施氮肥显著增加了腹白米和心白米的比例，且腹白较心白更易受氮肥水平影响。增施氮肥对腹白突变体籽粒总淀粉、直链淀粉和支链淀粉含量无显著影响，但显著增加了心白突变体籽粒淀粉组分的含量。氮肥后移显著增加了腹白突变体籽粒蛋白质及其组分中球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白含量，但降低了籽粒总淀粉和支链淀粉含量;心白突变体籽粒蛋白质及其组分中球蛋白和谷蛋白含量显著增加，总淀粉含量降低，而支链淀粉含量无明显变化。氮肥后移增加了腹白和心白突变体籽粒中大多数氨基酸含量，尤其是谷氨酸含量，但心白突变体籽粒中组氨酸和精氨酸含量有所降低。因而，腹白和心白在氮素响应上的差异可能与淀粉和蛋白质这两大储藏物质的积累有关，启示出生产中针对不同垩白类型水稻品种采用不同调优栽培措施的必要性。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1 稻米垩白概述

1．1 垩白的分类及评价标准

1．2 垩白对稻米品质的影响

1．3 垩白形成的遗传基础

1．4 环境条件及栽培措施对垩白发生的影响

2 垩白形成的生理机制

2．1 胚乳发育与垩白形成

2．2 胚乳养分运输与垩白形成

2．3 源库关系与垩白形成

2．4 籽粒灌浆特性与垩白形成

3 垩白形成的物质代谢基础

3．1 淀粉的生物合成

3．2 蛋白质的生物合成

3．3 垩白形成相关的酶

4 本研究目的与意义和研究内容

4．1 研究目的与意义

4．2 研究的主要内容

参考文献

第二章 腹白米和心白米形态解剖学特征的研究

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 测定指标与方法

2 结果与分析

2．1 腹白和心白部位的典型结构

2．2 腹白和心白部位破碎淀粉粒的典型特征

3 讨论

3．1 蛋白体在垩白形成中的作用

3．2 垩白米的化学组分

3．3 基于碳、氮代谢解析垩白形成

4 结论

参考文献

第三章 腹白米和心白米的理化特性分析

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 测定方法

1．3 数据分析

2 结果分析

2．1 腹白米和心白米的形态特征

2．2 腹白米和心白米的主要生化组分

2．3 腹白米和心白米的矿质元素含量

2．4 腹白米和心白米的氨基酸含量

3 讨论

3．1 蛋白质在垩白形成中的作用

3．2 矿质养分与垩白形成的关系

3．3 基于碳、氮代谢互作解析腹白和心白形成

3．4 腹白和心白的比较

4 结论

参考文献

第四章 腹白和心白形成生理机制的蛋白质组学比较研究

1 材料与方法

1．1 试验材料

1．2 材料种植

1．3 取样方法

1．4 测定指标与方法

1．5 灌浆期气象数据

2 结果与分析

2．1 颖果的生长分析

2．2 腹白米和心白米灌浆过程中蛋白质图谱构建与比较分析

2．3 差异蛋白的鉴定与功能分类

2．4 腹白米在不同灌浆时期差异蛋白的表达及参与的生理代谢途径

2．5 心白米在不同灌浆时段差异蛋白的表达及参与的生理代谢途径

2．6 腹白米和心白米在不同灌浆时段共有和特有的差异蛋白

3 讨论

3．1 腹白形成的可能机制

3．2 心白形成的可能机制

3．3 腹白和心白在形成机制上的差异

4 结论

参考文献

第五章 氮肥对粳稻腹白和心白的调控效应

1 材料与方法

1．1 试验设计

1．2 测定指标与方法

1．3 数据分析

2 结果与分析

2．1 不同氮肥处理下叶色变化

2．2 氮肥对水稻产量及构成因素的影响

2．3 氮肥对腹白和心白发生率的影响

2．4 氮肥对籽粒碾磨品质的影响

2．5 氮肥对籽粒生化组分的影响

2．6 氮肥对籽粒中氨基酸含量的影响

3 讨论

3．1 氮肥对腹白型和心白型品种品质的影响

3．2 氮素影响腹白和心白形成的生化基础

4 结论

参考文献

第六章 全文讨论与结论

1 讨论

1．1 籽粒碳、氮代谢及其互作与垩白形成

1．2 区分研究腹白和心白的必要性

1．3 特异种质材料创新在垩白研究中的重要性

2 主要结论

3 本文创新点

4 展望

参考文献

博士期间发表论文

致谢

附表