水稻是全球最主要的粮食作物之一,随着生活水平的不断提高,人们对稻米的品质更为关注。赖氨酸是人体第一限制性必需氨基酸,但稻米中赖氨酸尤为缺乏,导致稻米的营养利用受到显著影响。因此,增加稻米中赖氨酸含量、提高稻米营养品质是目前水稻优质育种中一个亟需解决的问题。本课题组在前期研究中筛选到两个水稻内源且编码产物富含赖氨酸(大于10 mol%)的类组蛋白编码基因RLRH1与RLRH2,并将其在优质品种武香粳9号中过量表达[1]。通过初步分析不同构建转基因水稻总赖氨酸含量的变化,结果显示pGt1:RHRL1和pGt1:mRLRH2转基因稻米中赖氨酸含量增幅最大。在此基础上,本研究进一步筛选这两种构建的纯合转基因系,并开展目标基因表达和总赖氨酸含量分析,并各选择3个代表性转基因纯系,开展系统的水稻农艺性状、稻米品质和萌发特性等分析,并利用RNA-seq在转录组层面分析过表达RLRH1与RLRH2影响水稻农艺性状和稻米品质的可能分子路径,最终为高赖氨酸稻米的培育及评估提供重要工作基础。主要研究结果小结如下:1、成功筛选获得pGt1:RHRL1和pGt1:mRLRH2转基因水稻的多个纯合系,并明确其目标基因表达和赖氨酸含量均获得显著提高。2、在农艺性状方面,RLRH1与RLRH2两种转基因株系的剑叶均变短变宽,籽粒细长,千粒重下降,且垩白现象严重;此外,RLRH2转基因株系因其倒一、倒二节间显著缩短导致植株也稍有变矮。3、在稻米品质方面,这两种转基因株系在稻米总赖氨酸含量极显著增加的同时,稻米总淀粉含量极显著降低,可溶性糖与蔗糖含量增加。此外,胚乳直链淀粉含量(AC)、胶稠度(GC)较野生型WT显著降低,糊化温度稍有提高,淀粉粘滞性也有一定改良,整体食味值提高明显,且消化速率也快于野生型对照。进一步淀粉精细结构分析表明,两种转基因材料相较于WT在聚合度DP 20-30区间内的链长分布有所增加,而DP 30-50 区间内链长分布则有所减少。4、转录组分析结果表明转基因发育种子中差异表达基因涉及细胞发育与组成、生物调节、代谢物调控、酶活调控等多个方面,说明过表达RLRH1与RLRH2除了提高稻米赖氨酸含量之外,还对其他生物学过程造成一定影响,这与RLRH1与RLRH2作为组蛋白类似物可能广泛参与基因表达调控的功能一致。利用qRT-PCR验证了部分关键基因的RNA-seq结果,挑选了 2个代表性基因(Os03g0377600和Os10g0550100),创建其基因敲除突变体材料并筛选其纯合系,结果发现突变体呈现与RLRH转基因材料较为一致的田间表现和品质变化,表明这两个基因至少部分介导了RLRH1与RLRH2对水稻植株生长和种子胚乳发育等方面的调控。5、高赖氨酸水稻的田间穗发芽现象轻于野生型对照,穗发芽率与穗发芽速率均降低,种子萌发分析结果与穗发芽结果基本一致。进一步分析发现转基因籽粒中ABA合成基因表达增加、ABA降解基因表达减少,从而促进ABA在籽粒中的积累增加,推测可能是导致其穗发芽率显著降低的一个主要原因。