谷物糊粉层发育的调控机制及其育种应用.pdf

中国水稻科学(Chin J Rice Sci),2023,37(5):459469 http:/ 459 DOI:10.16819/j.1001-7216.2023.230105 谷物糊粉层发育的调控机制及其育种应用 王腾蛟 陈忱*(扬州大学 江苏省作物基因组学和分子育种重点实验室/植物功能基因组学教育部重点实验室,扬州 225009;*通信联系人,email:)Mechanisms Behind Aleurone Development in Cereals and Its Application in Breeding WANG Tengjiao,CHEN Chen*(Jiangsu Key Laboratory of Crop Genomics and Molecular Breeding/Key Laboratory of Plant Functional Genomics of the Ministry of Education,Yangzhou University,Yangzhou 225009,China;*Corresponding author,email:)Abstract:The outmost layer of endosperm cells differentiates into alleurone cells during seed development,which distinguish themselves from the inner endosperm cells morphologically and physiologically.For example,the aleurone layer is rich in proteins,lipids,vitamins,dietary fibers and mineral elements.The aleurone cells secrete amylase and protease for hydrolyzing reserves accumulated in the endosperm.Several key genes involved in the regulation of aleurone cell differentiation and development have been identified with the mutants showing aleurone defects,deepening our understanding of the aleurone cell fate determination.It has been proposed that increasing the number of aleurone layers may help improve nutritional quality of cereals.In this review,taking rice as an example,we summarized the differentiation and development regulations of aleurone in cereals.We also discussed the potentials,issues and possible solutions for breeding high-nutrition cereals by improving the aleurone-related traits.Key words:aleurone layer;aleurone cell;cell differentiation;genetic regulation;nutrition improvement 摘 要：植物最外层胚乳细胞在种子发育过程中分化为糊粉层细胞，其在形态和生理功能上均显著区别于内胚乳细胞。与淀粉胚乳不同，糊粉层富含蛋白质、脂类、维生素、膳食纤维、矿质元素和抗氧化物等多种营养物质。同时，在种子萌发过程中，糊粉层细胞能够分泌淀粉酶和蛋白酶分解种子内积累的储藏物质，为种子萌发提供能量。目前利用突变体材料，克隆了一些控制糊粉层细胞分化的关键基因，相关研究极大深化了我们对糊粉层细胞命运决定的认识。同时，由于糊粉层富含各种营养物质，增加糊粉层细胞层数可以作为改良谷物营养品质的一个重要手段。本文主要以水稻及其他谷类作物为例，系统介绍了糊粉层细胞分化和发育的过程，并对其遗传调控机制进行总结梳理，同时对利用糊粉层相关性状进行稻米品质改良可能存在的问题及其对策进行了探讨。关键词：糊粉层；糊粉层细胞；分化；遗传调控；营养品质改良 糊粉层是位于种皮组织内侧、中央胚乳外侧，由一层或数层糊粉层细胞构成的特殊结构，在储藏物质积累和种子萌发过程中发挥着重要生理生化功能1。糊粉层细胞由胚乳细胞分化而来，其在细胞结构和功能上均与内胚乳细胞存在显著差异2。水稻等单子叶植物的胚乳和糊粉层细胞通常均保留在成熟种子中；拟南芥等双子叶植物在胚胎发育过程中胚乳细胞通常被逐渐消耗，但糊粉层细胞并不降解3。由此可见，无论对单子叶还是双子叶植物而言，糊粉层均是成熟种子的重要组成。糊粉层相关突变体通常会伴随其他种子发育缺陷4-8，表明糊粉层对种子发育及种子活力具有重要影响。在植物科学发展的历程中，一些重要生物学现象及其作用机制是通过对糊粉层的研究发现的9。例如，一些玉米品种可以在糊粉层细胞中积累花青素，麦克林托克（Barbara McClintock）通过对这一现象的深入分析，开创性地提出了转座子的概念，并对转座机制进行了深入研究10，于 1983 年获得诺贝尔生理学和医学奖。另外，一些重要的表观遗传学概念，如副突变（paramutation）、基因印记收稿日期：2023-01-10；修改稿收到日期：2023-04-07。基金项目：国家自然科学基金资助项目(32170344)；江苏省杰出青年基金资助项目(BK20180047)；江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目(NY-142)。460 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第 37 卷第 5 期(2023 年 9 月)（imprinting）等，也是在对玉米糊粉层相关性状遗传机制的研究过程中提出的11,12。糊粉层还是研究植物响应赤霉素（gibberellin，GA）信号的优异材料，利用糊粉层进行的一系列生理生化研究极大深化了我们对 GA 信号传递作用机制的认识13。对糊粉层相关性状的研究具有非常重要的应用价值。在种子萌发过程中，糊粉层细胞分泌不同水解酶以降解种子中积累的储藏物质，从而为胚胎萌发提供养分14-15。这一生理活动是啤酒酿造过程中麦芽糖化的基础，糊粉层更厚的大麦品种具有更高的 淀粉酶活性16，对其作用机制的研究可以直接转化为工业应用。同时，由于糊粉层细胞富含蛋白质、脂类、维生素、矿质元素和膳食纤维等多种营养物质17-18，增加谷物糊粉层厚度可以改良种子的营养品质；而降低糊粉层厚度则可以提高谷物出精率。有研究表明糊粉层还能对水稻蒸煮食味品质产生一定影响19。鉴于此，本文以水稻为例，同时兼顾其他物种（如玉米和拟南芥等）中所取得的最新研究成果，从不同层面系统梳理和介绍糊粉层细胞分化与发育的遗传调控机制及其育种利用，以期为相关研究提供参考。1 糊粉层细胞分化与糊粉层的形成 胚乳是高等植物双受精产物之一，原初胚乳细胞在精细胞和中央细胞融合后几个小时内即开始分裂。对于绝大多数被子植物，胚乳细胞早期只进行细胞核分裂，而不涉及细胞分裂与细胞壁形成，所以早期胚乳细胞实质上是一个含有多个游离细胞核的多核体细胞（coencyte），又称为合胞体（syncytium）20。对于水稻，合胞体大约在受精后3 d 开始细胞化（cellularization），每个游离核形成一个独立的胚乳细胞1,21。由合胞体向细胞化过渡是胚乳发育过程中一个标志性事件，对种子发育及种子大小具有重要影响22。水稻胚乳细胞化在受精后 5 d 左右完成，通过连续的平周与垂周分裂，胚乳细胞快速填满整个胚囊腔。大约从受精后 56 d开始，最外层胚乳细胞在形态上与内部胚乳细胞发生分化：细胞质变浓，富含小液泡，且细胞质中出现染色性不同的颗粒21,23。随着内胚乳细胞开始迅速积累淀粉等储藏物质（故又称为淀粉胚乳细胞），最外层胚乳细胞在形态上愈发区别于内胚乳细胞。这种在形态和结构上明显不同于淀粉胚乳的外层胚乳细胞即为糊粉层细胞。不同植物糊粉层细胞的层数存在差别，研究发现禾谷类植物（如玉米和小麦）通常只有 1 层糊粉层细胞，但少数物种具有多层细胞组成的糊粉层结构2。例如大麦糊粉层通常由 3 层细胞组成3；水稻在种子背侧（近大微管束侧）有 35 层糊粉层细胞，腹侧有 12 层，两侧通常只有 1 层糊粉层细胞21。通过对不同水稻种质资源的分析，粳稻糊粉层细胞的层数多于籼稻，糊粉层厚度相应增加24-26。类似自然变异在大麦和玉米中也有报道，但尚缺乏系统研究16,27。通常认为淀粉胚乳是胚乳细胞的原始状态，糊粉层细胞在发育过程中由最外侧胚乳细胞分化产生28。这两种不同类型胚乳细胞中积累的储藏物质存在很大差异，糊粉层细胞富含糊粉粒（储藏蛋白质）和圆球体（储藏脂肪），因而蛋白质和脂肪含量显著高于淀粉胚乳；同时糊粉层细胞壁较淀粉胚乳细胞厚，其纤维素（包括膳食纤维）含量更高。此外，糊粉层细胞具有更为丰富的维生素、抗氧化物（如叶酸、多酚化合物及花青素等）和矿质营养元素（如钙、锌、铁等）18,23。值得注意的是，糊粉层除了富含各种营养物质，也有较高含量的植酸（六磷酸肌醇，一种抗营养素），可以螯合钙、铁等矿物质元素，使得这些营养难以被肠道吸收29。目前已经通过资源筛选、分子标记辅助选择以及生物工程等手段，培育出低植酸作物新种质/新品种30。淀粉作为内胚乳细胞主要储藏物质，在成熟糊粉层细胞内几乎没有积累。与内胚乳不同，在种子成熟过程中糊粉层细胞并不发生程序化死亡或降解，因而糊粉层是成熟种子中唯一具有活性的胚乳组织，在种子休眠和萌发过程中发挥重要生理功能31。借助转座子介导的玉米染色体断裂遗传系统，发现对于由同一个糊粉层细胞经有丝分裂形成且遗传组成完全一致的多细胞模块，只有最外层细胞具有糊粉层细胞属性，而内侧细胞则分化成淀粉胚乳细胞，暗示糊粉层细胞的命运是由其所处的位置决定的32。更直接的证据来自对玉米胚乳细胞的体外培养试验，研究表明糊粉层细胞的分化完全取决于细胞所在位置，只有最外层细胞具有分化为糊粉层细胞的能力；而对于已经发生分化的糊粉层细胞和淀粉胚乳细胞，其命运也是可以相互转化的33。遗传证据也支持糊粉层细胞命运决定的“位置假说”。拟南芥衰老诱导型启动子驱动异戊烯基转移酶（细胞分裂素合成的限速酶）编码基因 IPT 在玉米中表达，能够导致两粒种子发生部分融合，在两个种子高度融合处的细胞多表现出淀粉胚乳细胞属性34。对于“位置信号”(positional cues，即能够使胚乳细胞感知自身所处位置的物质或分子)是什么，目前仍王腾蛟等：谷物糊粉层发育的调控机制及其育种应用 461 无定论。早期推测位置信号可能源于母体组织35，但现有研究结果并不支持这一假说，因为体外培养的去除了母体组织的胚乳细胞仍能分化出糊粉层细胞和淀粉胚乳细胞33，目前更倾向于认为位置信号源自内胚乳组织。国内有学者提出糊粉层的分化是由细胞内积累的矿质和脂质等“灌浆废物”诱导产生的36，即母体组织（如水稻背部维管束）转运而来的灌浆物质经过胚乳表层细胞后进入内胚乳，由于矿质元素、脂类等不参与内胚乳储藏物质积累，因而被滞留在外层胚乳细胞，诱导糊粉层细胞分化。本质上该假说认为母体组织决定糊粉层细胞命运，目前尚缺少直接证据支持。2 糊粉层细胞的生理功能 糊粉层作为最外层胚乳组织，其功能主要包括储藏、保护和水解等三方面9。如上文所述，糊粉层积累的脂肪和蛋白质远高于内胚乳组织21。研究发现，拟南芥糊粉层在种子萌发过程中可以向幼苗提供糖分和脂肪，如果这一过程存在缺陷，会导致种子活力下降、幼苗生长迟缓，表明糊粉层细胞积累的储藏物质对维持种子活性具有重要作用37-39。内胚乳组织富含碳水化合物，易受病原菌侵染，而糊粉层覆盖在内胚乳细胞外侧，能够通过激活防卫反应，起到保护内胚乳的作用9。例如，相比淀粉胚乳细胞，Xa13、OsPR2 和 JIOsPR10 等抗病相关防卫基因在水稻糊粉层细胞中特异高表达40。决定玉米糊粉层细胞分化的重要调控因子 NKD 可激活糊粉层中防卫反应相关基因的表达41。然而，关于糊粉层在植物种子抵御病原菌入侵方面的研究亟待深入，目前鲜见相关研究报道。对拟南芥的研究表明，糊粉层在调控种子休眠过程中发挥重要作用。当同时去除拟南芥种子的种皮和糊粉层，种子休眠性显著降低，而只去除种皮并不能破坏种子休眠，表明糊粉层是决定种子休眠的重要因素42。对糊粉层调控种子休眠的机制研究表明，基因组印记在这一过程中可能发挥重要影响。基因组印记是一种表观遗传现象，由于亲本间的表观修饰差异（如 DNA 甲基化、组蛋白甲基化修饰等），导致父母本等位基因只有一个处于激活状态，另一个被关闭43-44。拟南芥休眠种子中一些休眠相关基因只表达母本等位基因，而在种子休眠破除过程由于染色质的修饰发生改变，导致父本等位基因激活，促进种子萌发45-48。糊粉层在种子萌发过程中的生理功能研究得最为透彻。GA 能够诱导糊粉层细胞中-淀粉酶和蛋白酶表达，这些水解酶分泌到内胚乳细胞降解淀粉和蛋白质等储藏物质，为种子萌发提供营养15。研究显示水稻种子萌发过程中 GA 可能来源于胚胎，因为在胚乳中检测不到 GA 合成关键酶基因（如GA20ox1s 和 GA3ox1s 等）的表达，但这些基因在胚胎盾片表皮细胞中高表达49。与 GA 可以诱导水解酶类的分泌相反，脱落酸 ABA 能够抑制糊粉层里相关酶的表达，从而抑制种子萌发13。近期研究发现，油菜素内酯 BR 也能诱导糊粉层细胞淀粉酶表达，但是 BR 通过不同于 GA 的独立通路调控下游-淀粉酶基因的表达，促进水稻种子萌发50。3 糊粉层细胞分化和发育的分子调控机制 目前已经从水稻、玉米和大麦等作物中分离了一系列糊粉层缺陷突变体，相关基因的克隆极大深化了我们对糊粉层细胞分化和发育调控机制的认识51-52（图 1）。研究发现糊粉层细胞的分化调控机制在植物中可能是保守的，其中 CR4(CRINKLY4)和 DEK1(DEFECTIVE KERNEL1)是调控糊粉层细胞分化的正调控因子4,32,35。玉米 CR4 作为第一个被克隆的糊粉层细胞命运决定基因，编码一个类受体激酶4。cr4 突变体籽粒部分区域不能合成花青素，表现出“花粒”表型，进一步研究发现缺少花青素积累的区域糊粉层细胞被淀粉胚乳细胞所取代4。玉米 DEK1 编码一个具有半胱氨酸蛋白酶结构域的跨膜蛋白，其突变体表型与 cr4 类似32,35。考虑到 CR4和 DEK1 都编码膜蛋白，推测 CR4 与 DEK1 可以接受位置信号并促进糊粉层细胞分化2。水稻 CR4 和DEK1 同源基因突变后出现类似的糊粉层分化缺陷53-54。此外，cr4 和 dek1 突变体表现出类似的叶片表皮细胞分化障碍，暗示两者可能对其他组织表层细胞的分化也有影响4,5。大麦 DEFECTIVE SEED5(DES5)突变后糊粉层数减少，并伴随 HvCR4 和HvDEK1 表达下调，暗示 DES5 可能通过影响位置信号感知基因的表达参与糊粉层细胞分化调控52。由于 DES5 目前尚未被克隆，其具体作用机制仍有待深入研究。最近研究发现玉米籽粒皱缩突变体sh4(shrunken4)最外层胚乳细胞能够在成熟种子中积累淀粉，表现出内胚乳细胞的部分特征，暗示其糊 粉 层 细 胞 分 化 出 现 异 常55。SH4编 码YSL(YELLOW STRIPE-LIKE)家族金属转运蛋白ZmYSL2，在 zmysl2 突变体籽粒中 Fe、Zn 等金属462 元素含量显存在争论57“灌浆废物”除了上一些遗传材如玉米 sal1的糊粉层细选蛋白，在体通过囊泡运平衡59。TH个决定糊粉和 thk1 双突增加表型，表编码 CCR-N化和信号传的 转 录 因NKD2 可以VIVIPAROU箭头表示正调控别表示从水稻和Arrows indicatestudies;Dash linred and blue,res图 1 糊粉层Fig.1.Schem 显著降低6,56。7，ZmYSL2”假说的一个上述糊粉层细材料糊粉层厚1(supernumer细胞可以多达体内与 DEK1运输维持DEKHK1(THICK A粉层数的负调突变后出现与表明 THK1 作NOT 骨架蛋传递61。含有子 NKD1(N以形成异源二US1 等下游胚控，“T”表示负调和玉米中克隆的糊e positive regulanes indicate the pspectively.The p层细胞分化和发matic illustratio 。尽管对该蛋影响糊粉层分间接证据。胞分化障碍突度与细胞层数rary aleuron达 7 层58。SA1 和 CR4 共定K1和CR4在细ALEURONE控因子，遗传与 thk1 单突变作用于 DEK白，参与调控有 INDETERMNAKED EN二聚体，调控胚乳发育重要调控，实线表示已糊粉层发育调控ations;“T”bars ipossible regulatioossible regulators发育的分子调控on of the molec 蛋白转运底物分化可看作支突变体外，还数显著增加，e layer1)突变AL1 编码液泡定位，推测 SA细胞膜上的稳E1)是玉米中另传分析显示 d变类似的糊粉1 下游60。TH控细胞分裂、MINATE 结构NDOSPERM1控 OPAQUE2要基因的表达已有充分证据支持控因子；橙色表示indicate negativeons that require fus uncloned or wit控模式图 cular regulation 物还支持 还有，例变体泡分AL1稳态另一dek1粉层HK1、分构域1)和2 和达，抑制糊DO制 Z变体BO别是同时SEE层数化6OsS存在和ROsD调控筛选功克持该调控作用，示未克隆或作用机e regulations;Sourther study.Theth unknown mechns of aleurone 中国水稻科学糊粉层数增加OF 家族转录因ZmDOF3 表达体类似的糊粉水稻 DOFOX BINDING是利用RNA干时敲降（knoED BASIC-ZI数，而单独抑64。值得注意SAL1 等糊粉在RPBF识别RISBZ1的双敲DEK1和OsS控基因64。近选到 23 个潜克隆了 TA1(T虚线表示该调控机制未知的糊粉olid lines indicatealeurone regulathanism are indica differentiation学(Chin J Rice Sc加 41,62。NK因子 ZmDOF达可以观察到粉层细胞层数转录因子 RPG FACTOR)也干扰技术（RNock-down）RIPPER1)的表抑制 RISBZ1意的是，在水粉层细胞分化别元件，同时这敲降材料中显SAL1可能是R近来，我国学潜在的糊粉层THICKALEU控路径尚不明确或层发育调控因子e the regulationstors identified froated in orange.n and developmci)第 37 卷第 5KD1 和 NKDF3 的直接调到与玉米 nkd数增加表型63PBF(RICE P也能抑制糊粉RNA interferenRPBF 和 RI表达能够极显并不影响糊水稻 OsCR4、化关键基因的这些基因的表显著降低，暗RPBF和RIS学者通过化学层增厚水稻突URONE1)和 T或缺少实验证据子。s are well suppoom rice and maizement.期(2023 年 9 月)D2 的表达受调控，因而抑d1;nkd2 双突3。PROLAMIN-粉层分化，特nce,RNAi）ISBZ1(RICE显著增加糊粉糊粉层细胞分OsDEK1 和的启动子区均表达在RPBF暗示OsCR4、SBZ1的下游学诱变，成功突变体，并成TA2 等基因，。红色和蓝色分rted by differente are indicated in)受抑突-特E 粉分和均F游功成 分tn王腾蛟等：谷物糊粉层发育的调控机制及其育种应用 463 极大拓展了我们对水稻糊粉层细胞分化的理解7-8。TA1 编码定位于线粒体的单链 DNA 结合蛋白OsmtSSB1，可以与线粒体 DNA 重组酶 RECA3 以及 DNA 解旋酶 TWINKLE 相互作用，维持线粒体的正常功能；RECA3 和 TWINKLE 突变后，也出现与 ta1 类似的糊粉层数增加表型7。另一个水稻线 粒 体 蛋 白OsGCD1(GAMETE CELLS DEFECTIVE1)码基因突变可以导致糊粉层分化延缓，且成熟种子中背、腹侧糊粉层细胞层数差异消失65。这些发现表明维持正常的线粒体功能对于糊粉层分化发育具有重要作用。ta2 是水稻 DNA 去甲基化酶 OsROS1a 的一个弱突变，能以母性遗传的方式影响糊粉层分化8，表明表观遗传调控在糊粉层细胞命运决定过程中也发挥重要影响。ta2 胚乳DNA 甲基化水平增高，从而导致 RPBF 和 RISBZ1等糊粉层发育相关基因的表达降低8。此外，一些储藏物质合成相关基因和粒型基因发生突变（如蛋白质二硫键异构酶基因 PDIL1-1、脂转运蛋白编码基因 OsLTPL36 和水稻粒型基因 GRAIN WIDTH2）也能导致水稻背侧糊粉层变厚66-68，但是这些基因调控糊粉层分化和发育的机制目前仍不明了。糊粉层细胞大小相近、形状类似，整齐有序地紧密排列在内胚乳组织外侧，但一些基因突变后，糊粉层细胞分裂和扩展出现异常。例如玉米 dil1(disorgal1)和dil2突变体糊粉层细胞排列松散无序，细胞形状也表现较大变化，类似表型在大麦 elo2(elongation2)突变体中也可以观察到69,70，暗示这些基因不参与糊粉层细胞的命运决定，但可影响细胞分裂。此外，玉米 glo1-1(globby1-1)突变体中出现糊粉层细胞排列异常甚至异位表达的现象，小部分内胚乳细胞表现出糊粉层细胞特征71。玉米 xcl1(extra cell layers1)突变体糊粉层细胞由垂周分裂变为平周分裂，产生两层糊粉层细胞72。野生型的糊粉层细胞进行平周分裂，但是内层细胞会维持淀粉胚乳细胞属性，因而推测 XCL1 可能同时影响糊粉层 细 胞 的 分 化 与 分 裂。又 如 玉 米VP8(VIVIPAROUS8)突变后，糊粉层细胞在垂周方向上显著变长，但平周方向并无改变，表明 VP8 特异抑制糊粉层细胞垂周扩展73。这些基因目前尚未被克隆，对糊粉层细胞分裂调控的机制研究亟待深入。4 糊粉层细胞分化和发育的激素调控 植物激素在胚乳发育中发挥重要生理功能1，例如生长素在水稻和拟南芥胚乳细胞化过程中具有决定性作用，浓度过高可以抑制细胞化发生，浓度低则可导致细胞化提前；同时，生长素和脱落酸还是内胚乳细胞储藏物质积累和灌浆的重要信号分子74-77。然而关于糊粉层细胞分化与发育的激素调控，目前了解较少。生长素极性运输抑制剂 NPA处理玉米种子能够导致生长素转运蛋白 ZmPIN1 在外周胚乳细胞异常积累、生长素浓度升高，同时出现糊粉层数增加的表型，由此推测生长素可以促进糊粉层细胞分化78。此外，一些生长素合成和信号相关基因（如水稻 OsYUC12 和 OsIAA29）特异地在糊粉层表达79；对玉米 nkd1 nkd2 突变体的转录组分析表明，61 个在糊粉层高表达的生长素响应因子在突变体中表达上调，同时 nkd1 nkd2 糊粉层中积累更高浓度生长素，由此推测 NKD 可能负调控糊粉层中的生长素信号80。值得注意的是，生长素缺陷突变体是否存在糊粉层分化缺陷目前尚无明确报道。利用拟南芥衰老诱导启动子驱动细胞分裂素（CK）合成基因 IPT 在玉米中表达，发现转基因籽粒糊粉层的分化被抑制，暗示 CK 可能作为糊粉层细胞分化的抑制信号发挥作用34，但内源 CK 信号是否参与糊粉层细胞分化仍有待深入研究。作为ABA 下游信号分子，VP1(VIVIPAROUS1)主要在水稻和玉米籽粒糊粉层高表达81-83；玉米 vp8 籽粒中ABA 积累减少，并伴随糊粉层细胞形态异常，暗示脱落酸可能影响糊粉层细胞发育73。同时，在种子成熟过程中，ABA 可促进胚胎发育晚期丰富蛋白（late embryogenesis abundant proteins,LEA）的积累，增强细胞对脱水环境的耐受性，维持糊粉层细胞的活力84。在种子萌发过程中，GA 能够诱导糊粉层细胞分泌蛋白酶和淀粉酶降解内胚乳组织，为胚胎萌发提供营养物质和能量13。在这一过程中糊粉粒发生液泡化，释放糊粉层中的储藏物质，同时糊粉层细胞发生程序化死亡（PCD,programed cell death）42,85。水 稻OsVPE3(VACUOLAR PROCESSING ENZYMES3)参与介导了 GA 诱导水稻糊粉层细胞 PCD 的发生过程86。5 增加糊粉层厚度在谷物营养品质改良中的应用 人类摄入的 70%75%碳水化合物、6%15%的蛋白质由谷物提供，水稻、玉米和小麦等谷类作物464 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第 37 卷第 5 期(2023 年 9 月)作为主粮，为人类提供了 50%的能量17。近期一项调查结果显示，波兰家庭每天摄入的 20%30%蛋白质、维生素 B1、磷和锌；10%20%多聚不饱和脂肪酸、钠、钾、钙、核黄素、烟酸、维生素 B6及其他微量矿质元素来源于谷物87。上述这些营养成分在糊粉层均有较高积累。此外，与淀粉胚乳相比，糊粉层还含有较高水平的抗氧化物和膳食纤维18。由于糊粉层、种胚和种皮在谷物加工过程中作为麸皮被去除，导致营养物质的极大流失。水稻麸皮中粗蛋白、总脂肪、矿质元素和膳食纤维的含量分别是精米的 2 倍、50 倍、20100 倍和 20 倍88。近年来随着人们对健康生活的追求，全谷物（即未去麸皮的粗粮）越来越受消费者重视。近期发布的中国居民膳食指南（2022）推荐我国居民每日摄入全谷物和杂豆 50150 g。研究表明保证粗粮摄入能量够有效降低心脑血管疾病、肥胖症、二型糖尿病以及某些肿瘤的发生风险17,89。糊粉层是麸皮的主要组成。据估算，水稻糊粉层占麸皮总量的 25%左右，小麦甚至高达 50%89-90。由于糊粉层具有极高营养价值，通过增加糊粉层细胞层数可以作为改良谷物营养品质的一个重要策略17,89。例如，某些玉米特异种质具有 34 层糊粉层细胞，与普通玉米相比这些种质籽粒中蛋白质含量显著增加27。我国学者通过回交选育结合分子标记辅助选择的方法，成功将 ta1 基因导入色稻品种紫香糯 13067。改良品种的糙米中，蛋白质、总脂肪、矿质元素、维生素、膳食纤维和抗氧化物含量均显著提升，同时株高、穗长、千粒重和单株产量等重要农艺性状也有显著改善7，表明通过增加糊粉层厚度，可以有效提升谷物的营养品质。6 利用糊粉层性状改良谷物营养品质潜在问题及对策 虽然已有通过增加糊粉层细胞层数改良谷物营养品质的成功案例，但该策略仍存在诸多问题亟待解决，其中最为突出的问题在于目前具有应用潜力的基因资源仍十分有限。虽然已经克隆了多个影响糊粉层分化和发育的关键基因，但是这些基因突变后通常产生一系列不利性状，包括（但不限于）植株矮小、发育异常、粉质胚乳、籽粒变小和种子败育等4,7,8,32,35,5355,58,60,64。同时，糊粉层增厚虽然可以提高营养品质，但蛋白质含量提高显著降低稻米的食味品质91。如何协调营养品质与外观、食味和加工品质以及与产量之间的矛盾，是亟待深入研究和解决的问题。从自然品种和群体中分离控制糊粉层相关性状的调控基因，将是解决这一矛盾的重要手段。对种质资源的筛选发现，水稻、玉米和大麦等谷物中均存在糊粉层性状的广泛变异25,27,92，通过连锁分析和全基因组关联分析等方法分离决定糊粉层数和厚度的数量性状座位（QTL）和基因，将为谷物营养品质改良提供重要基因资源。但是目前相关工作还鲜有报道26,93,94，其中最大的制约因素在于性状的考查较为困难。一方面，糊粉层数、厚度等性状即使在纯系品种内也存在较大变异，同时还易受环境的影响24,25,95-97；另一方面，虽然可以通过制作切片、扫描电镜等方法对糊粉层相关性状进行较为准确的观察和测定，但这些方法费时费力，不适合大规模筛选和分析98。目前，通过半粒种子法，已建立了一些徒手切片结合染色技术的方法，用于快速观察糊粉层相关性状8,98，但是其通量和准确性仍有待提升。未来可能的解决方案在于结合基于无损检测方法的开发（如近红外成像和 CT 扫描成像技术等），并利用机器学习和人工智能等高通量图像识别方法，提高糊粉层相关性状表型分析的效率和准确性。7 总结和展望 目前，对糊粉层细胞分化和发育的研究已经取得较大进展，克隆了多个参与糊粉层细胞命运决定的关键调控基因（图 1）。但是，影响糊粉层细胞分化和发育的机制十分复杂，这些基因间的调控途径和作用网络仍有待进一步阐明。一些关键科学问题，如诱导糊粉层细胞分化的位置信号是什么目前还不清楚，该问题可以看作是相关研究领域的“圣杯”。又如，无论是水稻还是玉米籽粒中，一些关键基因突变，对种子不同部位糊粉层的影响是不同的。稻米腹部糊粉层数远少于背部，RPBF 基因突变后主要影响背部糊粉发育，与此类似，玉米 CR4突变对近胚面糊粉层细胞分化的影响远小于远胚面4,64，这种影响是如何产生的目前仍缺少认识。另外一个值得思考的问题是，目前已克隆的糊粉层分化发育关键基因都不在糊粉层特异表达，而一些糊粉层细胞特异表达基因突变后并无明显糊粉层王腾蛟等：谷物糊粉层发育的调控机制及其育种应用 465 发育缺陷。此外，糊粉层细胞命运决定基因通常也参与其他组织表皮细胞的分化调控4,5,52,54,60,72，糊粉层细胞本质上是否也是一种表皮细胞？决定糊粉层细胞命运的位置信号是否也能诱导其他组织表皮细胞分化？此外，关于糊粉层细胞分化过程中，究竟哪些激素发挥决定性作用，目前虽有一些线索，但缺乏直接的遗传证据。为解答上述问题，有必要进一步系统地筛选糊粉层发育缺陷突变体。水稻作为一个优异的模式作物，通过开发高通量筛选方法获得更多遗传材料，将为我们深刻理解植物糊粉层发育和分化的调控机制奠定基础。另一方面，利用自然变异材料定位和克隆糊粉层相关性状调控基因和 QTL，将为谷物营养品质改良提供更为有效的基因资源。参考文献：1 张娟,牛百晓,鄂志国,陈忱.水稻胚乳发育遗传调控的研究进展J.中国水稻科学,2021,35(4):326-341.Zhang J,Niu B,E Z,Chen C.Towards understanding the genetic regulations of endosperm development in riceJ.Chinese Journal of Rice Science,2021,35(4):326-341.(in Chinese with English abstract)2 Becraft P W,Yi G.Regulation of aleurone development in cereal grainsJ.Journal of Experimental Botany,2011,62(5):1669-1675.3 Olsen O A.Nuclear endosperm development in cereals and Arabidopsis thalianaJ.The Plant Cell,2004,16(Suppl):S214-S227.4 Becraft P W,Stinard P S,McCarty D R.CRINKLY4:A TNFR-like receptor kinase involved in maize epidermal differentiationJ.Science,1996,273(5280):1406-1409.5 Becraft P W,Li K,Dey N,Asuncion-Crabb Y.The maize dek1 gene functions in embryonic pattern formation and cell fate specificationJ.Development(Cambridge,England),2002,129(22):5217-5225.6 He Y,Yang Q,Yang J,Wang Y-F,Sun X,Wang S,Qi W,Ma Z,Song R.shrunken4 is a mutant allele of ZmYSL2 that affects aleurone development and starch synthesis in maizeJ.Genetics,2021,218(2):iyab070.7 Li D Q,Wu X B,Wang H F,Feng X,Yan S J,Wu S Y,Liu J X,Yao X F,Bai A N,Zhao H,Song X F,Guo L,Zhang S Y,Liu C M.Defective mitochondrial function by mutation in THICK ALEURONE 1 encoding a mitochondrion-targeted single-stranded DNA-binding protein leads to increased aleurone cell layers and improved nutrition in riceJ.Molecular Plant,2021,14(8):1343-1361.8 Liu J,Wu X,Yao X,Yu R,Larkin P J,Liu C M.Mutations in the DNA demethylase OsROS1 result in a thickened aleurone and improved nutritional value in rice grainsJ.Proceedings 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