水稻穗内蛋白质积累的位置差异：解开品质调控的关键密码

《BMC Plant Biology》：Positional variations of rice protein compositions accumulation within a panicle during the grain filling

为探究水稻穗内蛋白质积累的空间变化，研究人员以扬稻 6 号为材料，发现穗位显著影响蛋白含量与组成，对提升水稻品质意义重大。

　　# 水稻穗内蛋白质积累位置差异研究：开启品质提升新征程
在全球粮食体系中，水稻（Oryza sativa L.）是当之无愧的主角，养活了数十亿人口，尤其是在亚洲，超过 90% 的水稻在这里生产和消费。随着生活水平的提高，人们对高品质水稻的需求与日俱增，提升水稻的品质成为农业科研的关键目标。然而，水稻的产量和品质受多种因素影响，其中灌浆过程与水稻穗上籽粒的位置紧密相关。水稻穗结构复杂，众多小穗在位置和开花时间上存在差异，这导致不同位置的籽粒在发育速度和重量上有所不同，进而影响水稻穗的整体品质。

就水稻籽粒的成分而言，蛋白质是胚乳中仅次于淀粉的第二大重要成分，占精米重量的 7 - 10%。蛋白质含量和组成对水稻的蒸煮和食用品质影响显著，过高的籽粒蛋白质含量（GPC）会使米饭变硬，降低食用品质。尽管蛋白质在水稻品质中的重要性不言而喻，但以往对其在水稻籽粒中的研究存在诸多不足，尤其是关于穗内籽粒位置对蛋白质含量影响的研究相对匮乏。此前虽有研究表明水稻穗下部的 GPC 普遍较高，且不同蛋白质组分存在差异，但对其内在机制的了解还十分有限。为了深入探究这些问题，安徽省农业科学院水稻研究所的研究人员开展了一项具有重要意义的研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们在安徽省农业科学院的试验农场种植水稻品种扬稻 6 号，精心管理作物生长的各个环节，包括播种、移栽、施肥和灌溉等。在水稻生长过程中，研究人员对约 500 个生长相似的稻穗进行标记，按照特定时间间隔采集样本，并将每个稻穗分为顶部、中部和底部三个部分。其次，研究人员运用多种实验技术来测定各项指标，如通过特定的提取方法和试剂测定籽粒中白蛋白、球蛋白、醇溶蛋白和谷蛋白等蛋白质组分的浓度；利用 Richards’方程对籽粒蛋白质积累动态进行模拟分析；采用酶提取和分析技术测定参与氮同化和蛋白质合成的酶（如谷氨酰胺合成酶（GS）、谷氨酸合酶（GOGAT）、谷丙转氨酶（GPT）和谷草转氨酶（GOT））的活性；通过 qRT-PCR 分析相关基因（OsGS1_{; 2}、OsGS1_{; 3}、OsNADH - GOGAT 和 OsFd - GOGAT）的表达水平。

研究结果

1. 籽粒蛋白质和蛋白质组分的位置差异：研究发现，水稻穗不同位置的籽粒在重量（GW）和蛋白质含量上存在显著差异。底部初级枝梗上的籽粒（Y3）的 GW 显著大于中部（Y2）和顶部（Y1）的籽粒。在蛋白质含量方面，Y3 的 GPC 明显高于 Y1 和 Y2，而 Y1 和 Y2 之间差异不显著。在蛋白质组分中，谷蛋白水平差异最为显著，Y3 的谷蛋白含量显著高于 Y1 和 Y2。白蛋白和球蛋白含量在不同位置籽粒间无显著差异，Y3 的醇溶蛋白水平显著高于 Y1，与 Y2 相当。
2. 水稻籽粒蛋白质的积累过程：在灌浆过程中，不同蛋白质组分的积累模式各异。白蛋白和球蛋白呈现出不规则的变化趋势，先增加后减少，在 25 和 35 DAF（开花后天数）显著下降，30 DAF 时有所反弹。醇溶蛋白稳步积累，在 35 DAF 达到峰值。谷蛋白的积累变化最为突出，在 14 DAF 达到最大值后下降，35 DAF 又有所上升。不同位置籽粒的蛋白质积累存在显著差异，Y3 的谷蛋白含量在整个灌浆期除 17 DAF 外，均高于 Y1 和 Y2。总蛋白质积累受谷蛋白积累的显著影响，Y2 的总蛋白质含量在灌浆后期保持稳定，而蛋白质浓度呈现出 Y3>Y2>Y1 的趋势。
3. 籽粒储存蛋白积累的动态模拟：通过对蛋白质积累动态的模拟发现，不同位置籽粒的蛋白质积累进程存在显著差异。平均积累速率（V_a）在三个位置间差异较小，而最大积累速率（V_m）呈现 Y3>Y1>Y2 的趋势，Y3 的 V_m比 Y1 和 Y2 分别高出 7.8% 和 27.4%。Y3 达到最大积累速率的时间（t_max）比 Y1 晚 2.0 d，比 Y2 早 2.2 d，其活跃积累期（T）比 Y1 延长 1.9 d，比 Y2 缩短 3.4 d。
4. 籽粒氮代谢相关酶的活性：在灌浆过程中，GS、GOGAT、GPT 和 GOT 等酶在籽粒蛋白质积累中发挥着重要作用。这些酶的活性在灌浆前期不同程度下降，之后随着灌浆进程持续上升，在 17 DAF 或 20 DAF 达到高峰。Y3 中这些酶的活性在 8 - 17 DAF 急剧上升，且 GS、GOGAT 和 GPT 的活性显著高于 Y1 和 Y2。20 DAF 后，Y3 中 GS、GOGAT 和 GOT 的活性迅速下降，低于 Y1 和 Y2。
5. qRT-PCR 分析：对参与氮代谢的基因进行 qRT-PCR 分析发现，不同基因在不同位置籽粒中的表达水平存在差异。OsGS1_{; 2}的表达水平在 11 DAF 前呈现 Y1>Y2>Y3 的趋势，之后急剧下降，17 DAF 时 Y1 和 Y2 相等且显著低于 Y3。OsGS1_{; 3}在 14 DAF 前急剧上升，同样呈现 Y1>Y2>Y3 的趋势，17 DAF 时 Y1 和 Y2 显著下降且相等，Y3 略有下降但仍高于其他两者。OsNADH - GOGAT 和 OsFd - GOGAT 在 17 DAF 时表达显著增加，表达水平为 Y1>Y2>Y3。
6. 酶活性与蛋白质积累的相关性：相关性分析表明，在灌浆期不同时间点，酶活性与蛋白质含量和组成存在不同的相关性。8 DAF 时，GS 和 GOGAT 的活性与白蛋白和球蛋白显著正相关，GOGAT 和 GOT 与醇溶蛋白负相关。11 DAF 时，GS、GOGAT 和 GPT 的活性与谷蛋白和总蛋白质显著正相关。20 DAF 时，GS、GOGAT 和 GOT 与谷蛋白和总蛋白质显著负相关，而 GPT 与谷蛋白和总蛋白质显著正相关。

研究结论与讨论

该研究明确了水稻穗内不同位置籽粒蛋白质积累和组成存在显著差异。谷蛋白在这种差异中起到关键作用，其含量在底部籽粒中较高，对总蛋白质含量的差异贡献较大。籽粒在底部穗位的蛋白质积累速率更快，达到最大积累速率的时间和活跃积累期与顶部和中部籽粒不同。这些差异与氮同化过程中相关酶的活性以及基因表达密切相关，在 11 DAF 和 20 DAF 时，谷蛋白含量与酶活性呈现显著的正相关或负相关关系。

这项研究成果意义重大，它为理解水稻品质的形成机制提供了新的视角，有助于科研人员通过优化种植策略和遗传改良等手段，减少穗内籽粒蛋白质含量和组成的差异，从而提升水稻的整体品质，满足消费者对高品质水稻的需求。同时，研究中发现的酶活性与蛋白质积累的关系，为进一步探索水稻蛋白质合成调控机制提供了重要线索，有望为未来的水稻育种工作提供理论支持和技术指导。