水稻谷蛋白突变体的研究现状与展望_郑天清
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除了诱变材料之外 , 在天然材料中同样发现了 不少 57H 突变体 。Satoh H 等[ 16] 从来自俄罗斯 、中
国北部和朝鲜的 1 400 个材料中发现了 19 个 57H 天然突变株系 , 经 SDS-PAGE 电泳显示 , 其 57ku 条 带量增加而成熟亚基量减少 。本研究室从来自中国 云南 、贵州等 16 个地区的 160 余份资源中筛选得到 57H 突变体材料 W379 。与其它 57H 突变不同的是 其 13 ku 醇溶蛋白的量明显上升 , 可以作为谷蛋白 和醇溶蛋白加工过程分子机理研究的新材料 , 并有 望进一步应用于功能性水稻育种 。 1 .3 高谷蛋白突变体
(1 S tate K ey L aboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement , Jiangsu Plant Gene Engineering Center , N anjing Agricultural University , Nanjing 210095 ;2 Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 100081)
关键词 :水稻(Ory za sativa L .);谷蛋白突变体 ;功能性水稻育种 ;分子机理研究
Status and Perspect ives on the Researches of Rice Glutelin Mutants
ZHENG T ian-qing1 , SHEN Wen-biao1 , ZHU Su-song1 , ZHA I Hu-qu2 , WA N Jian-min1
摘要 :水稻(Oryz a sativa L .)是基因组研究的模式植物 。 随着培育功能性专用品种日渐成为水 稻育种的重 要 目标 , 作为研究真核生物基因表达调控理想材料 的谷蛋白突变体也为功能性专用水稻品种 的选育提 供了优良的 遗 传资源 。 利用低谷蛋白突变体可以培育肾脏病和糖尿 病患者 专用的低 谷蛋白 水稻品 种 。 笔者在 概述水 稻谷蛋 白 突变体的主要类型及其突变的遗传规律的基础上 , 结合其它作物中的成功范例着重介绍了 低谷蛋白 突变体的研 究 现状 , 探讨了后基因组学时代适用于功能性育种 的水稻谷蛋白突变体的相关研究方向 。
4396516 ;E-mail :w anjm @njau .edu .cn
35 4 中 国 农 业 科 学 36 卷
谷蛋白的前体多肽 和成熟酸碱亚 基在 SDS PAGE 电泳图谱上的 57 、37 ～ 39 和 22 ～ 23 ku 处分 别形成 1 、4 和 3 个条带 ;利用 2D-电泳可进一步分 解为 11 、8 ～ 9 和 10 ～ 12 个 斑点[ 4, 5] 。 根据 SDSPAGE 电泳图谱的差异 , 可以将目前已报道的谷蛋 白突 变体 大致 分为 低谷 蛋白 、57 ku 前 体量 升 高 (57H)类以及高谷蛋白等几种突变类型 。 1 .1 低谷蛋白突变体
1 水稻谷蛋白突变体的几种类型
收稿日期 :2002-10-25 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(30170570)、江苏省自然科学基金资助项目(Q 200036)和农业部 948 资助项目(201002A) 作者简介 :郑天清(1976-), 男 , 福 建 福州 人 , 博 士研 究生 , 研 究方 向为 水稻 分子 生物 学 。 万 建 民为 通 讯作 者 , Tel :025-4396516 ;Fax :025-
searches
大多数谷类作物种子的贮藏蛋白以醇溶性蛋白 为主 , 且只存在于一种蛋白体(protein body , 以下简 称 PB)中 , 但水稻胚乳贮藏蛋白分别贮存在相互独 立的 PB Ⅰ 和 PB Ⅱ中 , 并以 PB Ⅱ中溶于稀酸稀碱的 谷蛋白(glutelins)为主[ 1] 。 水稻谷蛋白基因是真核 生物基因表达调控的模式系统 , 其突变体为研究谷 蛋白聚积过程的基因表达调控提供了理想的材料 。 另一方面 , 由于谷蛋白是仅次于淀粉的水稻胚乳组 分并易为人体所吸收 , 它已经成为水稻遗传改良的 重要对象之一 , 各种谷蛋白突变体为满足不同人群 需要的功能性水稻育种提供了优良的种质资源 。 例
如 , 肾脏病患者和部分糖尿病患者肾机能不全 , 存在 蛋白质代谢障碍 , 不能食用普通大米 , 一般均食用代 制品 。 以低谷蛋白突变体为材料可以培育肾脏病和 糖尿病患者专用的低谷蛋白水稻品种 , 如低谷蛋白 品种 LG C-1(low g lutelin content-1)[ 2] 。 另一方面 , 高谷蛋白突变体稻米中的可吸收蛋白含量增加 , 提 高了稻米的营养品质[ 3] 。 笔者系统分 析了适用于 功能性水稻育种的谷蛋白突变体的研究现状 , 并对 其分子机理及育种利用研究作展望 。
突变型 M u tant type
品系 N ame of li ne
பைடு நூலகம்
低谷蛋白/ 高醇溶蛋白 Low glut elin/ high prolamine T y pe-1 T y pe-2
T y pe-3
a-1 , 2 , 3 less
L GC-1
88KG 30-756 M 539 88KG 30-913 88KG 30-958 88KG 30-993 87K E0 .1-397 87KG 20-130 89WPKG 30-16 90WPK E0 .1-561 a-1 , 2 , 3 less
a-1 H
EM 278
表型 P heno ty pe a-1D , b-2 L ;13 H a-1D a-2 D
a-3 D
a-1D , a-2D , a-3D ; 26H , 16H , 13H a-1 H , a-2 L
中国农业科学 2003 , 36(4):353-359 Scientia Ag ricultura Sinica
水稻谷蛋白突变体的研究现状与展望
郑天清1 , 沈文飚1 , 朱速松1 , 翟虎渠2 , 万建民1
(1 南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室 , 江苏省植物基因工程研究中心 , 南京 210095 ;2 中国农业科学院 , 北京 100081)
富半胱氨酸醇溶蛋白可能与这些谷蛋白前体多肽形 成了交联体[ 15] 。上述这些 57H 突变体的成熟谷蛋 白酸碱亚基变化趋势大都一致, 而筛选得到的 T CM1170 , 其 a-1 和 a-3 条带的量有所 增加(a-l/ a3H)而 a-2 条带的量却急剧减少(a-2L)[ 9] , 曲乐庆后 来的鉴定结果认为存在 b-2L/ a-2L[ 11] 。
content cultivars were discussed in t his paper w ith perspectives o n t he trends of the gluteli n mutant researches in the era of post-genomics .
Key words:Rice (Oryza sat iva L .);Glutelin m utant ;Functio nal rice breeding ;Molecular mechanism re-
水稻成熟谷蛋白的酸性亚基和碱性亚基是 57 ku 前体多肽裂解的产物 。Kum amaru T 等从 MN U 诱导的突变株系材料[ 8] 中 , 筛选到了 6 个 57H 突变 体[ 12] 。其中 CM 1787 还伴有成熟酸碱亚基和醇溶 蛋白减少的性状 , 而 EM 61 和 EM305 的成熟谷蛋白 则没有显著变化 , 这 3 个 57H 突变体分别受互不等 位 的 单 基 因 位 点 esp2 、 Glup-l 和 glup-2 的 控 制[ 13 , 14] 。 利用 电子 显 微镜 结 合免 疫 化学 分 析对 esp2 突变体的进一步鉴定发现 , esp2 突变体的 PB Ⅱ 正常 , 但缺少 PB Ⅰ , 代之以来源于内质网的一些小 蛋白体 , 其中含有 57 ku 谷蛋白前体和醇溶蛋白的 多肽 ;而且只有先去除 esp2 突变体种子中的富半胱 氨酸醇溶蛋白以后才能分离出这些前体多肽 , 说明
Iida 等[ 2] 通过化学诱变结合全蛋白 SDS-PA G E 电泳筛选 , 获得了低谷蛋白-高醇溶蛋白的突变体材 料 NM 67 。 它 与原始亲 本日本 优(Nihonmasari)回 交 , 获得改良农艺性状的 LGC 系列 , 其中第 1 个株 系称为 LGC-1(图 1)[ 4] 。它的总蛋白含量与原始亲 本的接近 , 但谷蛋白含量明显降低 , 同时 , 13 ku 醇 溶蛋白含量明显上升 , 球蛋白的含 量也略有升高 。 SDS-PAGE 分析发现其 4 个酸性亚基条带中最大的 一个带缺失 , 3 个碱性亚基条带中最小的一个带其 量减少 , 但没有出现降解形成的 新条带 。 在 2D-电 泳相对应的酸性斑点中 , 最大的 1a 缺失而最小的 4a 减少[ 6, 7] 。
K umamaru T 等[ 12] 得到 的 2 个醇 溶蛋白突变 体 CM 1834(10/ 16-H)和 CM21(13b-L), 其谷蛋白含 量显著高于原始亲本 Kinmaze , 可作为营养价值较 高的高谷蛋白遗传资源加以利用[ 3] 。
2 谷蛋白突变的分子机理研究
从分子水平阐明其突变的机理 , 将有助于谷蛋 白突变体更好地应用于功能性育种 。目前 , 对于谷
图 1 LGC-1 突变体的获得 F ig .1 The obtainment of mutant LGC-1
通过类似的方法 , Iida S 等 还得到了另外 9 个 谷蛋白亚基缺失的突变株系(表 1)[ 5] 。除了干种子 以外 , 受精卵也是诱变的优良材料[ 8, 9] , Satoh H[ 9] 、 曲乐庆[ 10 , 11] 等通过 M N U (N-甲基硝基脲)诱变 , 也 获得了 a-1 、a-2 亚基减少的低谷蛋白突变体(表 1)。 1 .2 57H 突变体
4 期 郑天清等 :水稻谷蛋白突变体的研究现状与展望
3 55
蛋白突变的分子机理研究主要 集中在低谷蛋 白和 57H 突变这两个方面 , 有关高谷蛋白突变研究未见
报道 。
表 1 目前已报道的低 谷蛋白突变体1)(截止 2002 年 10 月) T able 1 The low g lutelin mutants reported (U p to Oct .2002)
Abst ract :Rice (Oryza sat iva L .)is a model plant for genomic researches .As t he raising of f unctional rice breedi ng fo r special usage , glutelin mut ants play more and more impo rtant role in the functional breeding as w ell as in t he researches on eukaryo tic gene expression regulation .T he rice cultivar special for t he patient s suf fering from kidney disease and diabete could be developed f rom the rice glutelin mutants .Current researches on characterization , mut ation mechanism and breeding usage of various rice glutelin mutant s, especially the low glutelin
国北部和朝鲜的 1 400 个材料中发现了 19 个 57H 天然突变株系 , 经 SDS-PAGE 电泳显示 , 其 57ku 条 带量增加而成熟亚基量减少 。本研究室从来自中国 云南 、贵州等 16 个地区的 160 余份资源中筛选得到 57H 突变体材料 W379 。与其它 57H 突变不同的是 其 13 ku 醇溶蛋白的量明显上升 , 可以作为谷蛋白 和醇溶蛋白加工过程分子机理研究的新材料 , 并有 望进一步应用于功能性水稻育种 。 1 .3 高谷蛋白突变体
(1 S tate K ey L aboratory of Crop Genetics and Germplasm Enhancement , Jiangsu Plant Gene Engineering Center , N anjing Agricultural University , Nanjing 210095 ;2 Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 100081)
关键词 :水稻(Ory za sativa L .);谷蛋白突变体 ;功能性水稻育种 ;分子机理研究
Status and Perspect ives on the Researches of Rice Glutelin Mutants
ZHENG T ian-qing1 , SHEN Wen-biao1 , ZHU Su-song1 , ZHA I Hu-qu2 , WA N Jian-min1
摘要 :水稻(Oryz a sativa L .)是基因组研究的模式植物 。 随着培育功能性专用品种日渐成为水 稻育种的重 要 目标 , 作为研究真核生物基因表达调控理想材料 的谷蛋白突变体也为功能性专用水稻品种 的选育提 供了优良的 遗 传资源 。 利用低谷蛋白突变体可以培育肾脏病和糖尿 病患者 专用的低 谷蛋白 水稻品 种 。 笔者在 概述水 稻谷蛋 白 突变体的主要类型及其突变的遗传规律的基础上 , 结合其它作物中的成功范例着重介绍了 低谷蛋白 突变体的研 究 现状 , 探讨了后基因组学时代适用于功能性育种 的水稻谷蛋白突变体的相关研究方向 。
4396516 ;E-mail :w anjm @njau .edu .cn
35 4 中 国 农 业 科 学 36 卷
谷蛋白的前体多肽 和成熟酸碱亚 基在 SDS PAGE 电泳图谱上的 57 、37 ～ 39 和 22 ～ 23 ku 处分 别形成 1 、4 和 3 个条带 ;利用 2D-电泳可进一步分 解为 11 、8 ～ 9 和 10 ～ 12 个 斑点[ 4, 5] 。 根据 SDSPAGE 电泳图谱的差异 , 可以将目前已报道的谷蛋 白突 变体 大致 分为 低谷 蛋白 、57 ku 前 体量 升 高 (57H)类以及高谷蛋白等几种突变类型 。 1 .1 低谷蛋白突变体
1 水稻谷蛋白突变体的几种类型
收稿日期 :2002-10-25 基金项目 :国家自然科学基金资助项目(30170570)、江苏省自然科学基金资助项目(Q 200036)和农业部 948 资助项目(201002A) 作者简介 :郑天清(1976-), 男 , 福 建 福州 人 , 博 士研 究生 , 研 究方 向为 水稻 分子 生物 学 。 万 建 民为 通 讯作 者 , Tel :025-4396516 ;Fax :025-
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大多数谷类作物种子的贮藏蛋白以醇溶性蛋白 为主 , 且只存在于一种蛋白体(protein body , 以下简 称 PB)中 , 但水稻胚乳贮藏蛋白分别贮存在相互独 立的 PB Ⅰ 和 PB Ⅱ中 , 并以 PB Ⅱ中溶于稀酸稀碱的 谷蛋白(glutelins)为主[ 1] 。 水稻谷蛋白基因是真核 生物基因表达调控的模式系统 , 其突变体为研究谷 蛋白聚积过程的基因表达调控提供了理想的材料 。 另一方面 , 由于谷蛋白是仅次于淀粉的水稻胚乳组 分并易为人体所吸收 , 它已经成为水稻遗传改良的 重要对象之一 , 各种谷蛋白突变体为满足不同人群 需要的功能性水稻育种提供了优良的种质资源 。 例
如 , 肾脏病患者和部分糖尿病患者肾机能不全 , 存在 蛋白质代谢障碍 , 不能食用普通大米 , 一般均食用代 制品 。 以低谷蛋白突变体为材料可以培育肾脏病和 糖尿病患者专用的低谷蛋白水稻品种 , 如低谷蛋白 品种 LG C-1(low g lutelin content-1)[ 2] 。 另一方面 , 高谷蛋白突变体稻米中的可吸收蛋白含量增加 , 提 高了稻米的营养品质[ 3] 。 笔者系统分 析了适用于 功能性水稻育种的谷蛋白突变体的研究现状 , 并对 其分子机理及育种利用研究作展望 。
突变型 M u tant type
品系 N ame of li ne
பைடு நூலகம்
低谷蛋白/ 高醇溶蛋白 Low glut elin/ high prolamine T y pe-1 T y pe-2
T y pe-3
a-1 , 2 , 3 less
L GC-1
88KG 30-756 M 539 88KG 30-913 88KG 30-958 88KG 30-993 87K E0 .1-397 87KG 20-130 89WPKG 30-16 90WPK E0 .1-561 a-1 , 2 , 3 less
a-1 H
EM 278
表型 P heno ty pe a-1D , b-2 L ;13 H a-1D a-2 D
a-3 D
a-1D , a-2D , a-3D ; 26H , 16H , 13H a-1 H , a-2 L
中国农业科学 2003 , 36(4):353-359 Scientia Ag ricultura Sinica
水稻谷蛋白突变体的研究现状与展望
郑天清1 , 沈文飚1 , 朱速松1 , 翟虎渠2 , 万建民1
(1 南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室 , 江苏省植物基因工程研究中心 , 南京 210095 ;2 中国农业科学院 , 北京 100081)
富半胱氨酸醇溶蛋白可能与这些谷蛋白前体多肽形 成了交联体[ 15] 。上述这些 57H 突变体的成熟谷蛋 白酸碱亚基变化趋势大都一致, 而筛选得到的 T CM1170 , 其 a-1 和 a-3 条带的量有所 增加(a-l/ a3H)而 a-2 条带的量却急剧减少(a-2L)[ 9] , 曲乐庆后 来的鉴定结果认为存在 b-2L/ a-2L[ 11] 。
content cultivars were discussed in t his paper w ith perspectives o n t he trends of the gluteli n mutant researches in the era of post-genomics .
Key words:Rice (Oryza sat iva L .);Glutelin m utant ;Functio nal rice breeding ;Molecular mechanism re-
水稻成熟谷蛋白的酸性亚基和碱性亚基是 57 ku 前体多肽裂解的产物 。Kum amaru T 等从 MN U 诱导的突变株系材料[ 8] 中 , 筛选到了 6 个 57H 突变 体[ 12] 。其中 CM 1787 还伴有成熟酸碱亚基和醇溶 蛋白减少的性状 , 而 EM 61 和 EM305 的成熟谷蛋白 则没有显著变化 , 这 3 个 57H 突变体分别受互不等 位 的 单 基 因 位 点 esp2 、 Glup-l 和 glup-2 的 控 制[ 13 , 14] 。 利用 电子 显 微镜 结 合免 疫 化学 分 析对 esp2 突变体的进一步鉴定发现 , esp2 突变体的 PB Ⅱ 正常 , 但缺少 PB Ⅰ , 代之以来源于内质网的一些小 蛋白体 , 其中含有 57 ku 谷蛋白前体和醇溶蛋白的 多肽 ;而且只有先去除 esp2 突变体种子中的富半胱 氨酸醇溶蛋白以后才能分离出这些前体多肽 , 说明
Iida 等[ 2] 通过化学诱变结合全蛋白 SDS-PA G E 电泳筛选 , 获得了低谷蛋白-高醇溶蛋白的突变体材 料 NM 67 。 它 与原始亲 本日本 优(Nihonmasari)回 交 , 获得改良农艺性状的 LGC 系列 , 其中第 1 个株 系称为 LGC-1(图 1)[ 4] 。它的总蛋白含量与原始亲 本的接近 , 但谷蛋白含量明显降低 , 同时 , 13 ku 醇 溶蛋白含量明显上升 , 球蛋白的含 量也略有升高 。 SDS-PAGE 分析发现其 4 个酸性亚基条带中最大的 一个带缺失 , 3 个碱性亚基条带中最小的一个带其 量减少 , 但没有出现降解形成的 新条带 。 在 2D-电 泳相对应的酸性斑点中 , 最大的 1a 缺失而最小的 4a 减少[ 6, 7] 。
K umamaru T 等[ 12] 得到 的 2 个醇 溶蛋白突变 体 CM 1834(10/ 16-H)和 CM21(13b-L), 其谷蛋白含 量显著高于原始亲本 Kinmaze , 可作为营养价值较 高的高谷蛋白遗传资源加以利用[ 3] 。
2 谷蛋白突变的分子机理研究
从分子水平阐明其突变的机理 , 将有助于谷蛋 白突变体更好地应用于功能性育种 。目前 , 对于谷
图 1 LGC-1 突变体的获得 F ig .1 The obtainment of mutant LGC-1
通过类似的方法 , Iida S 等 还得到了另外 9 个 谷蛋白亚基缺失的突变株系(表 1)[ 5] 。除了干种子 以外 , 受精卵也是诱变的优良材料[ 8, 9] , Satoh H[ 9] 、 曲乐庆[ 10 , 11] 等通过 M N U (N-甲基硝基脲)诱变 , 也 获得了 a-1 、a-2 亚基减少的低谷蛋白突变体(表 1)。 1 .2 57H 突变体
4 期 郑天清等 :水稻谷蛋白突变体的研究现状与展望
3 55
蛋白突变的分子机理研究主要 集中在低谷蛋 白和 57H 突变这两个方面 , 有关高谷蛋白突变研究未见
报道 。
表 1 目前已报道的低 谷蛋白突变体1)(截止 2002 年 10 月) T able 1 The low g lutelin mutants reported (U p to Oct .2002)
Abst ract :Rice (Oryza sat iva L .)is a model plant for genomic researches .As t he raising of f unctional rice breedi ng fo r special usage , glutelin mut ants play more and more impo rtant role in the functional breeding as w ell as in t he researches on eukaryo tic gene expression regulation .T he rice cultivar special for t he patient s suf fering from kidney disease and diabete could be developed f rom the rice glutelin mutants .Current researches on characterization , mut ation mechanism and breeding usage of various rice glutelin mutant s, especially the low glutelin