水稻是世界上最重要的粮食作物之一,其为全世界多数人口,特别是发展中国家的人口提供了稳定的粮食保障。近些年来,随着经济的增长和人们生活水平的提高,稻米的品质越来越受到消费者和育种家们的重点关注。在众多稻米品质性状中,食味品质与消化特性因其跟消费者口感和健康紧密关联,从而受到更多关注。人们希望寻找兼具优良食味与健康消化特性的水稻品种。因此,深入了解稻米的消化特性有助于帮助育种家们培育出不仅包含传统的稻米优秀品质而且具有健康的消化特性、综合性状优良的品种。稻米中淀粉含量占到了总干重的～90%,因此淀粉组成与结构对包括食味品质和消化特性等在内的稻米品质起到决定性作用。稻米淀粉品质主要受遗传控制,其中淀粉合成相关酶类的表达与活性对淀粉的组成及结构具有关键作用,最终对稻米品质产生重要影响。另一方面,水稻是一种古老的多型性作物,人类栽培水稻已有近一万年历史,不同地域、不同生态环境,甚至在不同季节下经过长期的演变和分化,形成的品种类型极为复杂,它们在品质性状上所表现出的变异也极为复杂。为此,为了更深入了解栽培稻中稻米消化特性的变异及其控制机制,本文在详细综述了水稻淀粉合成、结构及其与稻米消化特性关系的基础上,以具有广泛变异的水稻自然品种群体为材料,对稻米消化特性与稻米理化品质和淀粉结构等的关系、及其遗传调控等各个阶段进行了探索分析,重点围绕以下四个方面开展:(1)分析稻米消化特性和淀粉精细结构与常规理化品质之间的关系,了解淀粉精细结构如何影响稻米的消化特性与理化品质;(2)淀粉合成的关键酶类如何协同作用影响淀粉的生物合成及其结构;(3)有哪些基因可能影响稻米的消化特性,它们对稻米消化特性具有怎样的影响效应;(4)水稻蜡质基因(Waxy,Wx)基因作为直链淀粉合成的关键基因,其对稻米食味品质和消化特性同时具有重要影响,那么Wx基因的进化和起源是怎样,众多的Wx等位基因是如何对稻米消化特性和精细结构产生影响的。取得的主要研究结果如下。1.稻米蒸煮食味品质和消化特性与淀粉精细结构的相关性分析。我们利用来自全球不同地区的562份水稻材料,详细分析了稻米蒸煮食味品质及其米饭的消化特性,包括表观直链淀粉含量(AAC)、淀粉粘滞性谱(RVA谱)、总蛋白质含量、以及冷却米饭体外模拟消化过程中的各个特征参数。同时,从562份材料中选取了 87份生长环境和背景都不同的材料,运用体积排阻色谱法(FACE)对稻米直链淀粉和支链淀粉的精细结构进行了测定,并用数学模型进行拟合分析得到代表各个指定淀粉链长区域含量的特征参数h和β值。在此基础上,使用淀粉精细结构特征参数h和β值与稻米消化特性和蒸煮食味品质各特征参数之间进行关联分析。结果显示,稻米消化特性跟表观直链淀粉含量和RVA谱三者彼此之间具有显著相关性且均与淀粉精细结构显著相关。而稻米总蛋白含量除与AAC呈现一定的负相关外,与RVA和消化特性之间则均无显著相关性。慢速消化稻米通常伴随着低食味的属性,即消化特性的健康指标与常规稻米优良食味指标之间存在着显著的负相关。所以,我们认为调整蛋白质含量是提高食味属性而不影响消化特性的可行路径。进一步分析显示,支链淀粉上中等链长(DP～28～58)含量以及短直链淀粉(DP～500～1000)含量对整个消化过程均产生显著影响;提高支链淀粉短支链(DP～6～24)及直链淀粉(DP～100～500)的含量却可以仅降低消化过程第一阶段的速率常数,而不对淀粉粘滞性谱产生影响。因此,为了最大程度上协调相互矛盾的食味与消化特性,可以适当调整支链淀粉中的短支链及直链淀粉的含量。这样可以最大程度上保护淀粉粘滞性谱所体现的优良食味不被降低,同时又可以适当降低消化速率常数,从而满足稻米优良食味与健康消化的双重需求。这些结果为了解淀消化特性与粉精细结构及其他稻米品质的关系提供了重要依据,也有助于育种家通过调整淀粉精细结构来改善稻米的综合品质。2.水稻胚乳直链淀粉和支链淀粉生物合成的酶学基础分析。本研究探索了水稻胚乳中淀粉由多种淀粉生物合成酶参与,包括可溶性淀粉合成酶(Soluble starchsynthase,SSS)、淀粉分支酶(Starchbranching enzyme,SBE)以及颗粒结合淀粉合成酶(Granule-bound starchsynthase,GBSS)等。这三大酶类分别作用于淀粉合成的不同阶段,如淀粉合成酶涉及短链或者支链淀粉的生物合成,淀粉分支酶只要涉及短链淀粉的分支转运以及剪切较长的淀粉链等,颗粒淀粉结合酶则涉及到直链淀粉的生物合成。然而,它们是否完全独立运作,或者如果它们是共同运作,那么他们之间的合作关系是怎样的,并没有明确的研究报告。为此,我们首先使用体积排阻色谱法获得了 95份不同生长环境和背景水稻品种的直链淀粉和支链淀粉的链长分布数据,然后将所获得的数据经过一个酶学数学模型进行拟合。所使用的数学模型是基于直链淀粉和支链淀粉合成中所涉及到的上述三大酶类建立起来的。根据拟合分析,我们推测水稻胚乳中淀粉合成过程是受到三大关建酶类组合(酶组)的影响的,且不同酶组内含有不同的酶类从而负责不同链长区域的淀粉合成。其中支链淀粉的合成主要可分为三个部分(即短、中、长链的合成),并且其含量主要受到SSS与SBE两类酶活性比例的影响,SSS的活性越高,则相应区域内的支链淀粉含量越高;而直链淀粉的合成主要可分为两个部分(短、长链的合成),并且其含量主要受到GBSS与SBE两大酶类活性比例影响,GBSS的活性越高,则相应区域内的直链淀粉含量越高。同时,我们发现支链淀粉的长链含量与直链淀粉的短链含量具有显著的正相关性,这表明GBSS、SBE以及SSS能够协同作用合成直链淀粉和支链淀粉。此外,分析结果还显示合成直链淀粉的GBSS与合成支链淀粉的SSS的酶活性具有极显著的相关性,并且GBSS活性与支链淀粉长链的含量具有极显著相关性。因此,我们认为SBE参与剪切了长直链淀粉,而GBSS则可能参与了支链淀粉长链的合成。这些分析结果提供了新的关于各个酶单体共同合作控制淀粉合成原理的见解,对于淀粉品质的遗传改良具有积极的参考价值。3.稻米消化和淀粉精细结构相关特征参数的全基因组关联分析。为了更深入的了解稻米消化特性遗传控制基础,我们利用全基因组关联分析了一些影响稻米消化特性的基因,并且对其中的重要基因进行了遗传验证分析。为此,我们对562份具有完整基因组信息的水稻样品进行了消化特性分析,从中选取了 87具有不同生长环境于背景的样品进行了淀粉精细结构分析。稻米的消化属于酶促反应动力学中的一级反应,消化速率在整个消化过程中会不断地改变,并具有明显的两阶段性。因此,为了准确量化稻米的消化特性,我们使用了可以反应消化速率变化的消化速率常数k1和k2用于分析。另外,我们同时使用拟合模型得到的可以反应指定链长分布区域淀粉的合成能力及合成含量的β和h值来作为衡量淀粉链长分布的衡量指标。在确定了消化特性与淀粉精细结构的衡量参数之后,结合所用自然水稻种质的全基因组序列信息进行了全基因组关联分析以及基于全基因组关联分析的候选基因关联分析。共获得两个重要的与消化特性相关的候选基因以及超过100个与细胞各个反应通路相关的微效候选基因。其中,Wx基因是影响稻米消化特性的主效基因(具体分析见第4点),RSS1则是影响稻米消化特性的微效基因。进一步分析显示,RSS1基因等位变异对稻米消化特性产生了影响,同时也影响了支链淀粉短链与中链(DP～6～60)含量以及长直链淀粉(DP～500～1000)的含量。相比较于野生型,RSS1过表达转基因水稻的稻米消化第一阶段后期k1值以及第二阶段前期的消化速率k2值都显著降低;过表达系稻米中支链淀粉短链(DP～6～12)以及长链直链淀粉(DP～500～1000)的含量有所提高,但中等支链淀粉(DP～13～60)的含量降低。据此进一步说明,稻米的消化特性与长直链淀粉的含量具有显著的负相关性。此外,我们推测存在于细胞各反应通路中的多个微效基因可能共同作用来影响稻米淀粉合成,从而影响消化过程的特定阶段。这些结果深入理解消化特性的遗传控制通路提供了重要的参考信息,同时也有助于将来通过分子技术改善稻米的消化特性。4.Wx等位基因的进化及其对稻米消化特性的影响。在水稻种子中,Wx主要控制直链淀粉的生物合成,其对稻米的蒸煮食味品质以及消化特性都起到了决定性作用。在此之前,多个Wx等位基因对于直链淀粉含量以及食味品质的影响已经被阐明;而我们实验室又克隆了一个新等位基因Wxlv。然而,关于这些Wx等位变异对稻米消化特的影响,以及这些复等位基因的人工选择、进化以及它们的分布等信息至今仍然不是很明确。因此,我们首先利用967份具有Wxy基因组序列信息的自然水稻种质(包括400份栽培稻与568份普通野生稻),通过群体遗传学等手段分析了不同Wx等位基因之间的进化关系与分布信息。结果显示,我们实验室新近克隆的Wxlv是Wx的祖先基因。Wxlv直接起源于野生稻,在水稻的人工选择的驯化过程中扮演了重要的角色,而另外存在于栽培稻中的Wxb、Wxa和Wxin等等位基因则是因为Wxlv在改变了不同的功能碱基对后形成的。在此基础上,我们又利用上述已测定的562份栽培稻种质的消化特性与基因组信息、以及87份种质淀粉精细结构信息,对不同Wx等位基因对消化特性以及淀粉精细结构的影响进行了深入的分析。结果证实,Wx作为主效基因,主要影响了稻米消化特性以及长直链淀粉的含量(DP～500～1000),同时发现消化特性与长直链淀粉含量之间存在着显著的负相关性;来源于Wxlv的不同等位基因则导致了稻米的消化特性和淀粉链长分布的改变,Wx等位变异能够直接影响稻米的消化特性、并可控制特定的淀粉链长分布。而其他,我们发现这表明通过现有已知的Wx等位基因,或者人工创造新的等位变异,均可以极显著地改变稻米的消化特性。另外,根据长直链淀粉的含量可显著影响稻米消化特性这一结果,我们可以根据不同需求来选择性地改变淀粉的链长分布从而达到不同程度地改变稻米消化特性的效果。本研究为不同Wx等位基因的进化关系以及其对稻米消化特性的影响提供了有力的证据,同时也为通过对Wx基因的遗传调控改良稻米食味品质以及消化特性提供了重要的理论和技术参考。总之,通过对栽培稻自然种质的分析,我们发现稻米淀粉生物合成、淀粉精细结构、稻米蒸煮食味品质以及稻米消化特性之间都具有显著的内在联系。同时所有这些因素都受到了众多基因的控制影响。本研究共发现了两个对稻米消化特性与淀粉精细结构又显著影响的基因,其中Wx为主效基因而RSS1为微效基因;此外,存在于细胞各反应通路多个微效基因可以共同作用来影响淀粉结构进而影响稻米消化过程的特定阶段。本研究相关结果为深入了解稻米淀粉结构及消化特性的遗传调控提供了多方面的信息和参考,同时有利于育种家们将来通过分子设计培育更健康和优质的水稻品种。