以CRISPR/CaS9突变淀粉分支酶SBE3和SSⅢ基因创制稻米高抗性淀粉新种质

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水稻是重要的粮食作物,世界有一半以上的人口以水稻为主食,稻米营养成分的组成和含量与人类健康息息相关。淀粉是水稻食用部分的主要成分,根据结构特征可以分为直链淀粉和支链淀粉,其中在小肠不易被吸收消化的部分,称为抗性淀粉。直链淀粉含量与谷粒淀粉的抗性淀粉含量相关。在熟食中,直链淀粉分子在冷却时迅速重新结合形成沉淀物或凝胶,形成抵抗消化的复合物,而支链淀粉分子的再结合速率缓慢,因此形成的复合物更容易消化。因此,高直链淀粉(AC)和高抗性淀粉(RS)的水稻品种有助于降低糖尿病患者的血糖指数。此外,糖尿病患者往往还会并发肾脏疾病,造成蛋白质的代谢障碍,降低稻米中的蛋白含量有助于缓解肾脏病人的肾脏代谢压力。因此,食用高抗性淀粉低蛋白的稻米对糖尿病人和肾脏病人的健康具有益处。近年来,我国糖尿病的发病率逐年攀升,亟待培育出高抗性淀粉低蛋白的水稻品种。已有研究表明,淀粉分支酶基因SBE3和淀粉合酶基因SSⅢ在决定淀粉的精细结构和物理性质中起主要作用,在这两个基因的化学诱变突变体或RNA干扰植株中,直链淀粉和抗性淀粉的含量高于野生型。本研究以低谷蛋白水稻为受体材料,使用CRISPR/Cas9系统分别构建SBE3和SSⅢ基因的功能缺失突变体,以期创制出高抗性淀粉低谷蛋白的水稻新品种。本研究首先利用Megazyme/K-AMY法和Megazyme/K-RSTAR法,分别对上述纯合突变株系的直链淀粉含量和抗性淀粉含量进行了测定。结果表明,选取SBE3的3个纯合突变株系的直链淀粉平均含量为16.75%,抗性淀粉平均含量为5.6%,均显著高出受体品种6.16%和5.5%;选取SSⅢ基因的3个纯合株系的直链淀粉平均含量为17.35%,显著高于受体品种,而抗性淀粉水平增幅较小。扫描电子显微镜(SEM)分析结果表明,sbe3和ssⅢ突变体的淀粉粒在排布、大小、间隔、透明度和形状也与受体品种相比有明显的差异,与直链淀粉和抗性淀粉的变化水平是一致的。外观表型分析结果显示,sbe3和ssⅢ突变体的株高、粒型等外观表型与受体品种没有明显差异。利用离子色谱方法对突变体和受体品种的可溶性糖含量进行测定,结果表明sbe3突变株系中蔗糖平均含量达到26.6 μg/mg,显著高出受体品种22.3 μg/mg;葡萄糖、海藻糖、果糖和麦芽糖的含量与野生型相比没有显著差异。ssⅢ突变株系中蔗糖平均含量为12 μg/mg,略高于受体品种,其他可溶性糖含量与受体品种没有显著差异。综上所述,通过CRISPR/Cas9系统对SBE3和SSⅢ基因进行定点突变,均可获得高直链淀粉的植株,定点突变SBE3同时可以提高抗性淀粉的含量。本研究为培育高抗性淀粉低谷蛋白背景的水稻品种提供了重要的遗传种质。
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