水稻中低植酸种质的描述和研究（栽培稻）外文翻译资料

 2023-01-06 11:01

水稻中低植酸种质的描述和研究（栽培稻）

Qing-Long Liu · Xiu-Hong Xu · Xue-Liang Ren · Hao-Wei Fu · Dian-Xing Wu · Qing-Yao Shu

收到：2006年7月14日/接受：2006年11月24日/在线发布：2007年1月12日

摘要：在谷类和豆类中，植酸（PA，肌醇1,2,3,4,5,6-己糖磷酸），或其盐形式，植酸盐，通常作为主要的抗营养成分。 近年来培育低植酸（lpa）作物已被视为一种增加作物营养质量的潜在方法。在本研究中，通过理化诱变，把籼稻和粳亚种发展为八种独立的低植酸水稻突变系。其中五种为非致死性突变，另外三种为致死性同型合子。在野外条件下，通过种子的萌芽和生长，这几种致死性突变不会长出纯合子低植酸植物，但是通过对成熟胚进行组织培养，可以对其中两种致死性突变进行挽救。非致死性低植酸突变的植酸含量低，是其对应母体植酸含量的34%到64%，其中四种的总磷含量水平没有改变。所有的低植酸突变都是在单隐性基因模型中继承的基因，至少四有种低植酸突变被视为互为非等位基因，另外两种有待考证。根据基因图谱，一种突变是在2号染色体的微卫星位点RM3542和RM482之间，与之前低植酸1-1位点区域相同；另一种低植酸突变很有可能碰巧是LOC_Os03g52760，一种肌醇激酶（EC 2.7.1.64）基因的同系物。本研究大幅扩展了水稻中会影响低植酸生物合成的基因位点的数目，使水稻在该领域的研究中成为了一个卓越的模型系统。

关键词：栽培稻；低植酸（lpa）；突变；基因图谱；肌醇激酶

引言

植酸（PA），以肌醇1,2,3,4,5,6-己糖磷酸著称，是一个无处不在的成分，通常以矿物阳离子的混合盐（植酸盐或植酸钙镁）的形式存在，其中植物种子中包含锌离子和铁离子（Raboy 1997年； Lott等人2000年）。人们仍然对植物种子中植酸储量的作用不甚明了——仅是把它当作磷（P）和矿物存储化合物或磷中生态平衡重要的代谢物（Raboy 1997年； Lott等人2000年）。但是对单胃动物来说，植酸和其盐形式，单胃动物是很难消化的；但是，众所周知，它在粮食食品/饲料中的丰富含量会带来营养和环境问题（Raboy 2001年）。在发展中国家，以高植酸粮食为基础的膳食恐怕会加剧铁和锌的营养失调，但是在发达国家，牲畜喂养主要以粮食为主，由于排泄出的植酸盐被冲入到了地表水中，因而也就造成了环境中的磷污染（Lott等人2000年）。正是因为存在着这些担忧，所以才有了发展低植酸（lpa）作物的强大动力，低植酸作物中的植酸-磷含量明显少于高植酸作物。

几种低植酸突变系是通过理化诱变和一些作物的遗传转换产生的，这些作物包括玉米（Raboy等人 2000年； Pilu等人2003年；Shi等人2003年，2005年）、大麦（Larson等人；Ramussen和Hatzak 1998年）、小麦（Guttieri 等人2004年）、大豆（Wilcox等人2000年）和水稻（等人2000年）。遗传分析表明，低植酸外型源于单基因位点，并且把三种lpa突变命名为lpa1、lpa2和lpa3，已经被认定而且位于玉米（Raboy等人 2000年；Pilu等人2003； Shi等人2003年、2005年）、大麦（Larson等人1998年）和大豆（Walker等人2006年）的不同染色体的不同基因位点上。人类饮食研究表明，与野生型对应物相比，在低植酸玉米型膳食中，增加了几种重要的矿物质的吸收（Mendoza等人1998年、2001年；Adams等人2001年）。同样地，根据用低植酸玉米或大麦喂养的几种动物的所做的喂养研究（Spencer等人2000a, b； Veum等人2001年； Yan等人2000, 2003年； Li等人 2000年；Douglas等人2000年； Loza等人2002年），废物中的磷含量减少了10%到85%，磷的生物利用度增加了2-5倍。

在世界范围内，米饭是将近20亿人的主食，一半以上的亚洲人都以米饭为主食，其中矿物微量营养素的营养不良屡见不鲜。因此，低植酸稻米已成为该领域一种减轻矿物微量营养素营养不良的潜在方法。此外，由于米粒的副产品，也就是外壳和糠，其中包含的果皮、种皮、胚芽和糊粉细胞在水稻种植区是动物饲料的重要成分。低植酸稻米也会为畜牧生产和环境保护带来益处。到目前为止，只有一种低植酸突变系，就是从Kaybonnet基因突变而来的KBNT lpa1-1，已经分离出来而且具有了水稻的特征 （Larson等人2000年；Rutger等人2004年），其中的低植酸突变映射在2L染色体的47-kb区域，尽管致命基因有待确定（Andaya和Tai 2005年）。同其它大多数低植酸突变（Rasmussen和Hatzack 1998年；Raboy等人2000年；Oltmans等人2005年）一样，与其它标准水稻品种相比（Rutger等人），KBNT lpa1-1的产量要低10%，所以就产量而言，KBNT lpa1-1不能作为有竞争性的低植酸品种。通过对更多的突变进行分离，然后把不同的基因突变（双突变体）进行优良结合。例如，至少有一个低植酸突变（lpa 1-1）能证明其不会造成大麦减产（Bregitzer和 Raboy 2006年），以及两种突变肌醇磷酸激酶的基因结合会生成不含植酸盐的种子，但是拟南芥没有减产（Stevenson- Paulik等人2005年）。在本研究中，几种基因突变型低植酸水稻是通过化学和物理诱变产生的，从遗传角度和化学角度来说，其中一些具有不同的特征，旨在为生产低植酸种类和促进水稻中植酸综合体的研究发展新的遗传资源。

结果

突变体分离

诱变处理（表1）完成后，我们分离了几种（六种中的五个）正确繁殖的低植酸突变系。这些突变与其野外母体相比，它们在比色测定上存在着本质上的区别。不同的染色体，其染色全部为蓝色，其母体是无色的，而且它们的颜色强度也不同，也就表明了它们的磷含量不同（图1）。表1中所有的突变系都源自不同母体种类的不同M2植物个体，尽管由于M2种子的大丰收不能排除突变体源自同一M1植物的可能。

由于其M2:3种子在Os-lpa-XS110-1、 Os-lpa-Z9B-1和Os-lpa-MH86-1~1/~4中具有HIP种类的特征，所以在M2产生时，就把纯合子低植酸植物分离出来了。但是其它突变系，如Os-lpa-XS110-2 和Os-lpa-MH86-1~5/~7被视为下一代M3（表1）。此外，通过自花授粉，一些突变系没有显现出纯合子，如Os-lpa-XQZ-3、Oslpa-XS110-3和Os-lpa-R6547-3。Os-lpa-XQZ-3突变系在其M10世代中，仍不具备低植酸的特征。因此这些体系中的突变可能会引起致死性的纯合子（表1）。

图2 低植酸突变系Os-lpa-XS110-3的籽苗和其野生型母体 Xiushui 110的成熟胚在常规MS培养基中培养25天的籽苗

在这些致死系中，通过对胚乳看上去具有HIP表型的晶胚进行组织培养，挽救了一些植物。甚至在体外培养的过程中，突变系的性能明显低于其母体，其发芽率低、易受到污染物的影响、与其植酸含量正常的姊妹种子（图2）相比，生长慢。大部分挽救过来的突变体籽苗在野外无法存活，然而直至成熟，野生型的长势都很好。最后，对于Os-lpa-XQZ-3、Os-lpa-XS110-3和Os-lpa-R6547-3，我们分别得到了两个、十个和三个植物。出乎意料地是，和理论预期不同，并不是所有的被救植物都会长出HIP种子。两种被救植物Os-lpa-XQZ-3中的一个只长出了野生型种子，另一个既长出了HIP种子，也长出了野生型种子。在这十种被救植物Os-lpa-XS110-3中，只有三个植物长出了具备HIP特征的种子，六个植物长出了具备HIP和野生型的种子，其中HIP种子占据了大多数；其余的只长出了野生型的种子。至于三种被救植物Os-lpa-R6547-3，它们长出了HIP种子。

磷酸基团和植酸——磷水平的变化

所有的低植酸突变系至少是在三个地点/作物生长季生长的，根据比色测定，种子的磷酸水平始终都明显高于其对应的野生母体的磷酸水平（图1，数据没有给出）。定量分析表明，同其对应的野外母体相比，低植酸突变的总磷含量发生了变化，但是变化不大，变化在Z9B和其突变体之间（表2），低植酸突变中磷酸和总磷含量的比值从最低的15.5% （Os-lpa-Z9B-1）增加到46.8% （Os-lpa-XS110-1），但是野生型（Z9B）的最大值是10.1% （表2）。但是Os-lpa-XQZ-1 （2004年海南长出的种子）、Os-lpa-XS110-1、Os-lpa-XS110-2、Os-lpa- MH86-1和Os-lpa-Z9B-1中的植酸-磷含量大幅降低，分别降低了38.9%、63.6%、33.8%、44.0% 和44.5%（表2）。通过检测在不同地点生长的Os-lpa-XQZ-1种子中的各种磷含量，观察环境影响，但是低植酸突变造成的影响超过了影响环境的因素，也就是磷酸和低植酸-磷水平造成的影响（表2）。

表2 低植酸突变体和其母体的稻米籽粒中形式多样的磷浓度

N/T未检测，N/A不适用

a HN #1和#2分别代表海南陵水在2003年4月和2005年生长的种子。JD和DX分别代表2003年9月在浙江建德和嘉兴生长的种子，HZ代表2004年9月在浙江杭州生长的种子

b突变数值中带有**和*的表示的是同一地点生长的种子，当其母体的磷水平为P = 0.01或0.05时，和母体的差异显著；对数值XS110和它的两个突变体进行多重比较，标记A、B、C表示当Ple;0.05时差异显著。

低植酸突变是隐性的

根据比色测定，突变体和多种野生型杂交的所有F1种子表现出正常磷酸水平，暗示了低植酸突变的隐性性质（图中没有显示）。根据比色测定，野外母体和F1种子在磷酸水平上没有显著差异，表明了低植酸的野生型等位基因是完全隐性的。

低植酸突变是单基因位点突变

对突变后生世代中的低植酸和野生型植物进行分离，结果表明，截至目前为止，所有研究过的突变都是以单隐性基因的模式遗传的（表3），例外情况是，据观测，少量HIP F2植物和预期一样，是单基因模式，可能是因为与正常种子相比，纯合子低植酸种子在植物生根时生长缓慢造成的 （表3）。

表3 多种分离群体中水稻种子/低植酸植物（LPA）和野生型植物（WT）的分离

根据统计，在x2 试验中，当水平为0.05时，带有*的数值具有显著差异

a 插入的字母“s”表示研究的物质可能是五个非致死突变的杂合子亲族，也可能是三个致死系的分离种群；早些世代的单一植物的种子用于植物分析，也就是F2植物源于单一F1个体，M3植物源自于单一杂合植物M2。

b 种子分析中理论分离比为1:3，致死系为x2c 0.05,1=3.84的植物分析比为1:2；致死系为x2c 0.05,2=5.99的植物分析比为1:2:1。

低植酸突变的等位性

第一次分析低植酸突变的等位性是通过使用F1种子进行功能互补完成的；结果总结见表4。野生型F1种子的磷酸水平表明突变是对另一个的补充，所以低植酸突变为非等位基因。相比之下，杂交种子突变的磷酸水平表明，两种突变发生在同一基因位点，所以是等位基因。由于Os-lpa-XQZ-3和Os-lpa-XS110-3的纯合子不适用于等位性测试，选择、标记分离系中的几个植物，并使之与其它低植酸体系中的植物进行杂交；用于杂交的基因型是由其自花授粉种子的磷酸测试决定的。与野生型植物进行杂交的F1种子不能再做进一步的分析。只有与杂合或纯合子（胚胎挽救中） 在突变基因位杂交的种子才能用于低植酸等位测试。如果两个突变为等位基因，那么一半F1种子应显现出突变型，但是如果它们是非等位基因，那么所有的种子就都是野生型。

根据以上推测，所有七个突变系（Os-lpa-MH86-1~1/~7）中源自MH86的低植酸突变互为等位基因（数据没有显示），在随后同其它基因的等位测试中，这七个突变被视为单一纯合子低植酸系。KBNT lpa1-1系（Rutger等人2004）的磷酸含量好像与Os-lpa-XQZ-1相同（图1）。这两种低植酸系中的F1种子的磷酸水平与KBNT <e

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