可溶性淀粉合酶IVa决定糯性和非糯性水稻（Oryza sativa L.）的煮熟米粒伸长性

《Frontiers in Plant Science》：Soluble starch synthase IVa determines cooked rice elongation in waxy and non-waxy rices (Oryza sativa L.)

　　

意义：煮熟米粒伸长性（CRE）是一种吸引人的稻米品质性状，此前仅在印度和巴基斯坦的Basmati以及缅甸的Paw San Hmwe中有报道。已有若干关于控制CRE基因的报道在水稻中尚不明确。在此，研究人员设计了新实验，以揭示在糯性和非糯性水稻品种中显著影响CRE的基因。材料与方法：研究人员以高CRE糯稻NHN与低CRE、低升糖指数（LGI）的非糯稻Pink+4（#20A09）杂交，构建了105个BC₁F₂家系，用于产生两个用于QTL-seq分析的不同表型池：高CRE池和低CRE池。31份糯性、非糯性及有色稻品种（包括少数Basmati种质）作为由候选基因开发出的已鉴定单核苷酸多态性标记（SNPs）的检测群体。结果：通过ΔSNP指数定位到6个显著的QTL，分别位于第1染色体（qCRE1）、第4染色体（qCRE4）、第7染色体（qCRE7）、第10染色体（qCRE10.1、qCRE10.2）和第12染色体（qCRE12）。重要的是，qCRE1跨越29.3–30.2 Mb，显示出最强的ΔSNP指数，并具有显著的表型方差解释率（PVE），而qCRE4、qCRE7、qCRE10.1、qCRE10.2和qCRE12均不显著。具体而言，SNP-SSIVa_1_30038156（R01030038156）是一个导致第5外显子A-to-G变异的非同义突变，在糯稻中能强有力地区分低CRE与高CRE，该变异定位于qCRE1上可溶性淀粉合酶IVa（SSIVa）的第5外显子中。在该关键区域内，数据挖掘在SSIVa基因的编码区和非编码序列中鉴定出14个信息性SNP。此外，由SSIVa中7个信息性SNP推导出的4个单倍型（HAP）将水稻种质正确分为超长CRE（HAP1）、高CRE（HAP2）和低CRE（HAP3和HAP4）类群。所有超长CRE水稻品种，包括11个Basmati和Paw San Hmwe，均归入HAP1；高CRE水稻品种，包括NHN和6个水稻品种，归入HAP2；13个低CRE水稻品种归入HAP3或HAP4。结论：该发现首次表明SSIVa对糯性和非糯性水稻品种的CRE具有遗传影响。相应的单倍型DNA标记将有助于水稻育种家通过标记辅助选择改良具有优良煮熟米粒伸长性的优质水稻品种。

煮熟米粒伸长性（CRE）是高档稻米的重要品质性状，主要见于印度和巴基斯坦的Basmati以及缅甸的Paw San Hmwe。此前已定位到多个与淀粉生物合成基因（如颗粒结合型淀粉合酶I（GBSSI）、可溶性淀粉合酶IIa（SSIIa）、淀粉分支酶IIb（SBEIIb）、粒型基因3（GS3））相关的CRE数量性状位点（QTL），但可溶性淀粉合酶IVa（SSIVa）从未被报道为CRE的主要候选基因，CRE的遗传机制仍不清楚。为揭示影响糯性和非糯稻CRE的基因，研究人员以高CRE糯稻NHN和低CRE非糯稻Pink+4（#20A09）为亲本构建回交群体，开展QTL-seq分析、候选基因SNP挖掘与单倍型分析，结果发表于《Frontiers in Plant Science》。

关键方法包括：（1）样本来源：31份水稻品种由泰国农业大学水稻科学中心提供；（2）群体构建：NHN × Pink+4（#20A09）回交获得105个BC₁F₂家系，选取17个高CRE和15个低CRE极端家系构建DNA池；（3）全基因组重测序：对亲本及高、低CRE池进行Illumina HiSeq-2500测序，采用QTL-seq流程计算ΔSNP指数，以2 Mb滑动窗口定位候选区段；（4）KASP标记开发与单标记回归分析；（5）单倍型分析：基于SSIVa的7个信息性SNP对31份糯性、非糯性和有色稻品种分型。

3.1 杂交不育性：NHN与Pink+4（#20A09）杂交部分不育，242个BC₁F₂中仅105个（43.38%）可育；105个家系的CRE呈近正态分布，范围1.22–1.76，且垩白粒与透明粒符合3:1分离比例。

3.2 物理性状鉴定：NHN未煮粒长8.44 mm，煮后14.47 mm，CRE为1.72；Pink+4（#20A09）未煮粒长7.42 mm，煮后10.14 mm，CRE为1.37。对照Basmati和PTT1的CRE分别为1.85和1.42。

3.3 全基因组测序与QTL-seq分析：亲本和两个极端池共产生约2.99亿条原始读段，比对到Nipponbare参考基因组；以NHN为参考序列鉴定出1,234,622个变异，经深度过滤后获得18,774个高置信SNP/插入缺失标记（InDel）用于SNP指数计算。

3.4 米饭伸长性的候选区段：ΔSNP指数共定位到6个QTL，分别位于第1、4、7、10（两个）和12号染色体；仅qCRE1（29.3–30.2 Mb）显著，解释约15%–29%的表型变异，其余QTL未达显著水平。

3.5 影响CRE的信息性SNP鉴定：在qCRE1区间内，标记R0130038156（S156）位于SSIVa第5外显子，为G→A非同义突变（缬氨酸→丙氨酸），PVE约30%；共鉴定出7个信息性SNP，其中5个位于第4外显子，第5和第11外显子各1个；其中5个为非同义突变，2个为同义突变。

3.6 与CRE相关的信息性单倍型：7个SSIVa SNP形成4个单倍型：HAP1对应超长CRE（1.81–2.16，含Basmati和Paw San Hmwe）；HAP2对应高CRE（1.70–1.86，含NHN、3个糯稻及4个Basmati）；HAP3/HAP4对应低CRE（1.30–1.55）。

讨论部分指出，SSIVa是首次被鉴定为CRE的重要候选基因。以往研究未发现SSIVa，可能与研究材料的遗传背景和表型特性（多为高直链淀粉和/或高糊化温度类型）有关。SSIVa参与淀粉粒起始和颗粒形态建成，其等位变异影响淀粉理化特性。在Basmati × PTT1群体的QTL-seq中，qCRE1区域也曾出现较弱信号，提示该区段可能在不同遗传背景下对煮熟米粒伸长有贡献。研究人员还讨论了SSIVa可能通过影响细胞伸长、淀粉粒结构和淀粉