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中国农科院作科所刁现民团队从头创制首个香米谷子种质

花匠小妙招
2024-12-26 06:50

香味是谷物重要的食味品质之一，影响着农产品的消费和价值。香米因具有独特的“爆米花香”味道，在国内外市场上受到广大消费者的青睐，其中印度和巴基斯坦的巴斯马蒂（Basmati）香稻和泰国的茉莉花香稻最为著名，创造相对于普通大米更高的经济价值。研究发现，香米独特的“爆米花”味道是2-乙酰基-1-吡咯啉(2-AP) 产生的，人们对该物质敏感度很高，在含量极低的情况下就可以感受到香味存在。大量研究表明，这种香味在不同作物中均受甜菜碱脱氢酶-BADH2基因调控。BADH2活性丧失导致植物体内γ-Aminobutyraldehyde (GABald) 大量积累，经非酶促反应形成2-AP，从而产生“爆米花”香味。

谷子（Setaria italica）属于禾本科黍亚科狗尾草属，是原产于中国北方的古老作物，在旱作农业中占有举足轻重的地位。2023年8月，中国农业科学院作物科学研究所刁现民研究组在Journal of Integrative Plant Biology上发表了题为 “De novo creation of popcorn-like fragrant foxtail millet” 的研究论文。该研究从头创制了首个香米谷子种质。

该研究利用全球1200份代表性谷子及其野生近缘种种质分析，通过对BADH2基因变异以及香味表型鉴定，均未能鉴定到自然存在的香谷子种质资源。鉴于此，研究团队为了创制具有爆米花香味的小米，首先鉴定了谷子中BADH基因家族，发现谷子和水稻一样存在BADH1和BADH2两个同源基因，之后利用CRISPR/Cas9技术编辑了谷子SiBADH2基因。在筛选得到的缺失153bp的纯合突变体中BADH2蛋白第20aa-70aa的缺失，导致三级结构上表现为缺失一个α螺旋和两个β折叠。相比于野生型，sibadh2编辑突变体的籽粒和叶片均散发出独特的香味，通过GC-MS检测突变体籽粒和叶中2-AP的含量显著增加，分别达到0.05 mg/kg和0.38 mg/kg，同时其他农艺性状未发生显著变化，为谷子品质育种提供了全新的种质。

图香型谷子创制的策略

刁现民研究员课题组近年来在谷子基因资源、基因功能和育种研究方面取得一系列进展，如构建了首个谷子高质量图基因组，鉴定出多个谷子驯化、育种改良位点和基因 (He et al., 2023)；挖掘了谷子产量重要基因SGD1, 揭示了其调控禾本科作物籽粒大小的分子机制 (Tang et al., 2023)；先后揭示了DPY1基因在谷子株型和干旱胁迫的精细调控中的分子机制 (Zhao et al., 2020; Zhao et al., 2023)；鉴定了谷子短日照光周期属性的决定因子SiPHYC (Wang et al., 2022)；利用SiPKS2基因开发了谷子智能全不育系统 (Zhang et al., 2023)等；同时培育成中谷2、中谷19等多个谷子主推品种。相关研究对谷子种质资源、功能基因组和育种工作具有重要促进作用。

博士研究生张艳艳为本论文第一作者，刁现民研究员为通讯作者。作科所的贺强研究员和吴传银研究员也参与了该项研究工作。本研究得到国家自然科学基金(32241042, U21A20216, 31771807)、国家重点研发计划(2021YFF1000103)、国家现代农业产业技术体系(CARS06-13.5-A04)和中国农业科学院农业科技创新计划的资助。

参考文献:

1. He, Q., Tang, S., Zhi, H., Chen, J., Zhang, J., Liang, H., Alam, O., Li, H., Zhang, H., Xing, L., Li, X., Zhang, W., Wang, H., Shi, J., Du, H., Wu, H., Wang, L., Yang, P., Xing, L., Yan, H., Song, Z., Liu, J., Wang, H., Tian, X., Qiao, Z., Feng, G., Guo, R., Zhu, W., Ren, Y., Hao, H., Li, M., Zhang, A., Guo, E., Yan, F., Li, Q., Liu, Y., Tian, B., Zhao, X., Jia, R., Feng, B., Zhang, J., Wei, J., Lai, J., Jia, G., Purugganan, M., and Diao, X. (2023). A graph-based genome and pan-genome variation of the model plant Setaria. Nature genetics 55: 1232-1242.

2. Tang, S., Zhao, Z., Liu, X., Sui, Y., Zhang, D., Zhi, H., Gao, Y., Zhang, H., Zhang, L., Wang, Y., Zhao, M., Li, D., Wang, K., He, Q., Zhang, R., Zhang, W., Jia, G., Tang, W., Ye, X., Wu, C., and Diao, X. (2023). An E2-E3 pair contributes to seed size control in grain crops. Nat Commun 14: 3091.

3. Wang, H., Jia, G., Zhang, N., Zhi, H., Xing, L., Zhang, H., Sui, Y., Tang, S., Li, M., Zhang, H., Feng, B., Wu, C., and Diao, X. (2022). Domestication-associated PHYTOCHROME C is a flowering time repressor and a key factor determining Setaria as a short-day plant. The New phytologist 236: 1809-1823.

4. Zhang, W., Qi, X., Zhi, H., Ren, Y., Zhang, L., Gao, Y., Sui, Y., Zhang, H., Tang, S., Jia, G., Xie, C., Wu, C., and Diao, X. (2023). A straight-forward seed production technology system for foxtail millet (Setaria italica). J Integr Plant Biol.

5. Zhao, M., Tang, S., Zhang, H., He, M., Liu, J., Zhi, H., Sui, Y., Liu, X., Jia, G., Zhao, Z., Yan, J., Zhang, B., Zhou, Y., Chu, J., Wang, X., Zhao, B., Tang, W., Li, J., Wu, C., Liu, X., and Diao, X. (2020). DROOPY LEAF1 controls leaf architecture by orchestrating early brassinosteroid signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 117: 21766-21774.

6. Zhao, M., Zhang, Q., Liu, H., Tang, S., Shang, C., Zhang, W., Sui, Y., Zhang, Y., Zheng, C., Zhang, H., Liu, C., Chu, J., Jia, G., Wang, H., Liu, X., An, D., Zhu, F., Zhi, H., Wu, C., and Diao, X. (2023). The osmotic stress-activated receptor-like kinase DPY1 mediates SnRK2 kinase activation and drought tolerance in Setaria. Plant Cell.

论文链接：

https://doi.org/10.1111/jipb.13556