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维生素E和维生素C均是植物体内重要的抗氧化剂,对植物生长发育具有重要的调控作用。维生素E是脂溶性的抗氧化剂,分为生育酚和三烯生育酚两大类,生育酚存在于各种植物中,三烯生育酚主要存在在单叶子植物的种子中。维生素C又名抗坏血酸(L-ascorbic acid, AsA),是水溶性的抗氧化剂,主要存在于大多数植物的绿色组织中。人类无法自身合成维生素E和维生素C,缺乏这两种维生素会出现一些疾病,所以必须定期从日常饮食,特别是直接或间接从植物中获取。水稻是世界上重要的粮食作物之一,通过基因工程技术提高水稻中维生素E和维生素C的含量,改良水稻营养品质和抗性是分子育种新的方向之一。本研究围绕提高水稻中维生素E和维生素C含量和活性这一目标,主要开展了以下4个方面的研究：(1)了解维生素E及组分在不同水稻品种籽粒间的变异与分布,为今后水稻维生素E营养品质改良提供有益的表型数据；(2)过量表达维生素E合成途径中关键基因,以期提高水稻中总维生素E的含量或活性；(3)分析水稻中维生素C合成与代谢相关基因的表达,为了解维生素C代谢进而遗传改良提供一定的依据；(4)对维生素C合成及代谢途径中的相关基因分别进行过量表达,以期能提高水稻中维生素C的含量。取得如下主要结果：1、水稻籽粒维生素E及组分在品种间的变异与分布。利用反相高效液相色谱法测定了18份籼稻和16份粳稻品种糙米中维生素E各异构体的含量。结果表明,种子中各异构体的含量在籼稻与粳稻间存在显著差异,粳稻种子中的生育酚和总维生素E含量一般要高于籼稻；籼稻种子中三烯生育酚与生育酚的比值(1.61)极显著高于粳稻(0.95),籼稻中以γ-三烯生育酚为主,而粳稻中主要含α-生育酚。水稻种子中同种类型异构体(即α-型间或γ-型间)含量间具有显著正相关,但γ-型与α-型异构体间呈显著负相关。这些数据为进一步研究水稻种子中维生素E的代谢调控和营养品质改良提供了有益的表型数据。2、在转基因水稻中过量表达维生素E合成关键基因的研究。采用农杆菌介导的转基因技术,以优质粳稻品种武育粳3号为受体,过量表达维生素E合成途径中的三个关键酶基因,即尿黑酸香叶基香叶基转移酶(homogentisate geranylgeranyl transferase, HGGT)、尿黑酸植基转移酶(Homogentisate phytyltransferase, HPT)、γ-生育酚甲基转移酶(γ-tocopherol methyltransferase, γ-TMT),获得了大量转基因水稻植株。分子检测证明外源基因已整合进转基因水稻中,并正常表达。HPLC测定结果显示,在HGGT转基因株系的糠层和胚乳中,总三烯生育酚的含量分别是亲本对照的1.52和1.67倍,且主要表现为γ-三烯生育酚的增加,而生育酚的合成未受影响；在HPT转基因株系中,糠层和胚乳中总生育酚的含量分别是亲本对照的1.44和2.13倍,主要表现为α-生育酚含量的增加。同时发现部分转基因植株中总三烯生育酚的含量也有轻微提高；在γ-TMT转基因株系中,γ-构型大幅度转化为α-构型,从而同时提高了α-生育酚和α-三烯生育酚的比例。如在糠层和胚乳中,α-生育酚占总生育酚的比重分别提高到95%和98%,α-三烯生育酚占总三烯生育酚的比重分别提高到86%和89%。3、水稻维生素C合成相关基因的表达分析。根据拟南芥中参与维生素C合成和代谢关键酶的氨基酸序列,经在公共数据库中搜索比对获得了水稻中参与维生素C合成相关基因的信息。在此基础上,利用实时定量PCR技术对这些基因在水稻不同组织器官以及发育种子中的表达进行分析。结果表明：水稻维生素C合成相关基因在叶中的表达量最高。其次是叶鞘和籽粒,茎和根中的表达量最低,而幼嫩叶片中的表达水平一般高于成熟叶片。4、在转基因水稻中过量表达维生素C代谢相关基因的研究。在水稻中分别过量表达编码AsA生物合成途径中的鸟苷二磷酸-D-甘露糖焦磷酸化酶(GDP-D-mannose pyrophosphorylase,GMP)-鸟苷二磷酸-D-甘露糖-3,5-表异构酶(GDP-D-mannose-3,5-epimerase, GME)、鸟苷二磷酸-L-半乳糖磷酸化酶(GDP-L-galactose phosphorylase, GGP)、L-半乳糖-1-P-磷酸酯酶(L-galactose1-pphosphatase, GPP)、L-半乳糖脱氢酶(L-galactose dehydrogenase,GDH)和代谢途径中的脱氢抗坏血酸还原酶(dehydroascorbic acid, DHAR)基因,获得了大量的转基因水稻植株。分子检测证明外源基因已整合进转基因水稻中,并正常表达。用HPLC法对转基因水稻叶片中AsA含量的测定结果显示,分别过表达这些基因后均可不同程度地提高水稻叶片中AsA的含量。GMP是AsA进入L-半乳糖途径的第一个关键酶,研究结果发现过表达GMP基因比其他各基因对AsA含量的提高更为显著,其次是GGP基因。在转GMP基因株系中,AsA含量最高的系是对照的2.52倍；在转GME基因株系中AsA含量最高是对照的1.69倍；在GGP的转基因株系中AsA含量最高是对照的1.83倍；在转GPP基因株系中AsA含量最高是对照的1.41倍；在转GDH基因株系中AsA含量最高是对照的1.8倍；在转OsDHAR基因株系中AsA含量最高为是对照的1.7倍。相关结果为进一步了解维生素C代谢相关基因在水稻生长发育中的作用及其遗传改良提供了一定的基础。