水稻（Oryza sativa L.）是重要的栽培作物之一,为世界上超过一半的人口提供主食。稻米品质性状通常包括外观品质、蒸煮食味品质、碾磨加工品质和营养品质等。其中稻米的外观品质和食味品质是决定稻米商品价值和影响消费者选择的重要因素,也是近年来水稻品质遗传改良研究的重要性状。影响稻米外观品质的因素有很多,例如粒形、胚乳灌浆特点、淀粉组分和环境等,这些都对稻米外观表现有重要影响。本实验室前期对大量的水稻种质资源进行了稻米品质性状的筛选,鉴定出一些稻米外观为暗胚乳（稻米直链淀粉含量适度偏低）以及粉质胚乳等外观品质特异的种质资源。本研究以具有暗胚乳和粉质胚乳表型的两份材料为研究对象,一方面系统比较了特异种质稻米的品质特性,另一方面,利用图位克隆技术对相关的调控位点进行了遗传定位和基因克隆研究,鉴定了调控暗胚乳的LAC6基因,克隆了粉质胚乳调控基因FN20。同时,还构建了目标基因的近等基因系和基因编辑材料,对相关候选基因的功能进行了分析。主要的研究进展如下:1.低水分条件下籼稻暗胚乳表型的理化与结构学分析稻米直链淀粉含量的高低不仅影响稻米蒸煮食味品质,而且还是影响稻米胚乳透明度的重要因素。本研究以具有暗胚乳外观的籼稻品种28占和3个作为对照的籼稻品种为实验材料,分析了影响胚乳透明度的因素;同时,比较了品种间稻米的食味和理化品质。结果表明,籼稻品种28占的稻米除了在低水分条件下具有暗胚乳表型外,还具有相对较低的直链淀粉含量和较高的食味值。进一步的分析表明,高水分条件下实验中所用品种的籽粒均为透明表型,而且随着水分的降低,低直链淀粉品种28占的透明度逐渐下降。相关性分析表明,品种间稻米的透明度与含水量呈正相关。扫描电镜分析表明,低水分条件下不同品种间,水稻淀粉粒内部均存在空腔,其中低直链淀粉含量品种和糯稻品种的淀粉粒内部空腔面积最大。相关性分析表明,籽粒的透明度与淀粉颗粒内部空腔大小显著负相关。这些因素可能是影响品种间胚乳透明度差异的主要原因。淀粉的精细结构分析表明,28占稻米淀粉的相对结晶度在非糯性品种中最高,其支链淀粉中的长支链淀粉（DP25-34和DP42-50）和短支链淀粉（DP 16-23）含量明显不同于其它品种。这可能是其具有较好食味品质特性和相对较慢淀粉消化特点的主要原因。2.水稻暗胚乳性状调控基因LAC6遗传定位以具有暗胚乳表型的籼稻品种28占为实验材料,分别与具有透明胚乳的籼稻品种丰八占和粳稻品种日本晴杂交,并经多次回交和自交,创建了遗传作图群体和高世代回交群体。通过对F2群体各单株稻米透明度的考察,发现分离群体中,透明胚乳表型植株（与日本晴和丰八占品种的胚乳外观表型一致）与暗胚乳表型植株（与28占品种的胚乳外观表型相似）按照近似3:1的单基因遗传分离规律进行分离,这表明28占稻米的暗胚乳表型是受单个隐性基因控制的性状。利用F2和其自交F3群体,对目标性状进行了初定位,将目标基因初步定位在水稻第6号染色体RD276与LD6-284两个分子标记之间,并命名候选基因为LAC6（Low Amylose Content in Chromosome 6）。随后,以日本晴为轮回亲本,28占为供体亲本,通过杂交和多代回交的策略,构建了以粳稻品种日本晴为背景的高世代回交群体（BC6F2）。通过对该群体中1622个隐性单株进行分析,最终将目标基因精细定位到分子标记f4-17和LD6-271之间,物理位置区间大约50.97kb。该区段含有11个开放阅读框（ORFs）。生物信息学分析结果表明,该区段内不存在水稻胚乳发育和淀粉合成等相关的已知基因。这些结果表明LAC6是一个控制水稻低直链淀粉含量和透明度的新基因。以筛选获得的日本晴为背景,携带28占来源的lac6基因的近等基因系Nip（lac6）-1和Nip（lac6）-2以及对照系Nip（LAC6）-1和Nip（LAC6）-2（携带调控正常胚乳表型的基因LAC6）为材料,对稻米品质性状进行了系统的分析。结果表明,LAC6基因对稻米直链淀粉含量、胚乳透明度、淀粉粘滞性（RVA）、淀粉结晶度以及淀粉精细结构等都有着显著调控作用。利用实时定量PCR技术,分析了水稻胚乳不同发育时期淀粉合成相关基因的表达特性,结果表明,与透明胚乳近等基因系相比,暗胚乳近等基因系中淀粉合成相关基因在胚乳发育的中后期表达水平显著升高。这些基因主要包括负责直链淀粉合成的Wx和部分参与支链淀粉合成的基因。此外,OsAGPL3、OsSSIIa、OsSⅢa、OsPUL和其他淀粉合成酶的表达表现出下降的趋势,其中OsSUT和OsAGPL3在水稻籽粒灌浆早期表达水平较高,灌浆后期表达水平略有下降。因此,综合分析表明,在暗胚乳材料中,LAC6基因可能通过调控淀粉合成代谢过程中主要的淀粉合成酶类基因的表达水平来影响淀粉的精细结构,进而影响水稻胚乳的透明度。3.水稻粉质状胚乳调控基因FN20的克隆与功能分析淀粉的生物合成涉及到复杂的代谢调控网络,本研究从化学诱变剂甲基磺酸乙酯（Ethyl methyl sulfone,EMS）诱变处理的粳稻品种宁粳20诱变群体中筛选并鉴定了一份水稻胚乳发育异常的粉质突变体。与野生型相比,突变体种子中的直链淀粉含量和总淀粉含量显著降低;淀粉颗粒形成异常,稻米米粉的粘度显著降低;淀粉的精细结构显著改变。将该突变体与籼稻品种黄华占进行杂交配组合,构建了 F2代分离群体。通过对Fi植株上的种子（F2代）进行表型分析,发现正常籽粒与粉质籽粒表型的分离比例近似于3:1,是单基因分离模式。这表明粉质状胚乳是受一对隐性基因控制的性状,并将该基因命名为Floury Ninggeng20（FN20）。随后,利用F2群体结合表型与基因型的连锁分析,将目标基因初步定位到第6染色体短臂上。进一步利用1759个纯合隐性个体,将fn20精确定位在101.4kb的区间内。通过生物信息学分析,发现在该区间内有13个ORFs,包括一个编码焦磷酸:D-果糖-1,6-二磷酸转移酶（PFP）β亚基的基因OsPFPB。通过测序分析发现,fn20与野生型相比,有一个SNP的差异。说明fn20可能是OsPFPB基因的一个新型等位突变类型。基本农艺性状分析表明,fn20突变体籽粒厚度、千粒重和淀粉含量显著降低,而可溶性糖含量显著增加。此外,基因表达分析表明,fn20突变体中淀粉合成相关基因的表达水平发生了显著改变;同时糖酵解途径的相关基因表达也受到了影响。进一步利用基因编辑技术构建了 OsPFPB的突变体,结果表明β亚基对PFP功能的维持是至关重要的。此外,通过基因编辑技术获得了编码PFP酶α亚基的4个基因（OsPFPA）的突变体。表型分析发现,单个OsPFPA基因的纯合突变不会引起水稻胚乳表型的变化。这就说明了,PFP酶的α亚基可能存在功能冗余。通过杂交聚合方式创建了不同Wx等位基因下的fn20的聚合系,并分析了不同Wx背景下fn20突变对稻米品质的影响。结果表明,fn20在Wxa和wx背景下对稻米品质的影响存在显著差异。因此,这些结果表明了,FN20在淀粉颗粒形成、淀粉合成代谢调控和水稻胚乳发育中起着关键作用。综上研究,有关稻米外观品质调控基因的鉴定和克隆,进一步丰富了对水稻胚乳中淀粉合成代谢的调控网络解析。同时,本研究所鉴定的新基因和创建的遗传材料可为稻米品质的遗传改良提供有用的种质资源和技术路线。