[VIP专享]水稻香味的起源和进化

水稻香味的起源和进化

在水稻作物中，香味是评介其品质的一个重要参数，虽然甜菜碱醛脱氢酶基因(BADH2)的起源和进化在这个特征下还不清楚。我们假定广泛存在8个BADH2的非功能等位基因表明，这些基因具有不同的地理和遗传起源。尽管香味特征有多个起源，单一等位基因badh2.1在几乎所有香稻品种占主要地位，包括巴斯马蒂和茉莉花。单体型分析，使我们能够建立一个粳稻品种群badh2.1等位基因单一来源并使这个等位基因从粳稻品质渗入籼稻品种中。巴斯马蒂样的种类，不论其香味基因的表型，都与粳稻原始种类一样，跨越了BADH2侧翼的5.5MB区域，展示了巴斯马蒂和粳稻基因库品种之间密切的进化关系。这些结果表明了水稻品种之间香味的关系，并对认为水稻香味特点起源于籼稻的传统假说提出了挑战。

最近的研究表明，亚洲栽培稻（Oryza sativa）是几个不同的遗传组组成，在这些

遗传组中，一些等位基因对关键驯化和粮食品质性状负责。由于复杂的水稻进化史，这些基因变异的起源是怎么样通过高度不同的水稻亚种生存下来，在水稻生物进化中任然是个核心问题。

香味被认为是最重要的粮食稻米品质性状之一，因为它是决定市场价格的关键因素，同样关系到地方和国家的地位（1，2）。对水稻香味基因的遗传基础进行调查研究，发现了水稻8号染色体上的一个单一位点与水稻香味有关（3、4）。精细定位（5-7）和随后的序列分析鉴定甜菜碱醛脱氢酶基因，BADH2，与香味表型有关[命名如

下（8）]。把功能基因的突变创建隐性badh2.1等位基因描述为在第七外显子基因处

三个核苷酸多态性(SNPs)和8 - bp的缺失，导致了密码子的提前终止以及假定存在缩短的BADH2蛋白（9）。其他序列比对已被用来描述这种复杂的突变（10，11）。因此，badh2.1突变被称为功能核苷酸多态性(FNP）。最近的调查各种不同的香味种质，支持badh2.1与香味有关(10, 12, 13),一个有关香味与非香味主要基因的转变实验，已经显示消除了香味（14），确认BADH2在水稻种是主要香味遗传决定基因。

在香米品种中，100多种容易挥发的物质已经被检测到，2 -乙酰- 1 -吡咯啉（2AP）（15，16）是最主要的化合物对香米品质其主要作用。这种化合物在水稻植物除根以外的所有器官中产生，含量非常低，人们能够立即在密集种植或者碎叶组织中发现，以及在蒸煮过程或者以后或之前的谷物中发现（17）。然而2AP的化学合成途径

还没有成功，BADH2催化r--氨基丁醛的氧化(AB-ald; a 2AP的前身), 于是非功能等位基因在AB-ald和其循环物中吡咯啉积累，导致2AP的合成的增强。

中国自古已经认识到（19，20）亚洲栽培稻（O. sativa）分为两个主要品种群体，籼稻和粳稻(谈到品种组时用大写）。用15种同工酶标记能够进一步的把这两个主要群体分为遗传上的六个不同的亚群，这和公认生态型是一致的（21）.随后用SSRs

(22)

and SNPs (23)标记分辨出了和上面的群体差不多5种分界线清楚的遗传群组：即籼稻，澳大利亚稻，温带粳稻，热带粳稻和芳香稻（提到亚群时小写）（图1)。系统进化分析法和Fst 显示构成粳稻品种群的芳香稻，温带粳稻和热带粳亚群之间有密切的进化关系；然而籼稻，澳大利亚稻亚群具有不同的祖先，并作为籼稻品种组成员（22，23）。尽管它的名字怎么样，芳香亚群的表型多样，既包括香型也包括非香味型。为了避免混淆，从今以后我们将用其同工酶的名字命名芳香亚群，简称V组（24）。

水稻香料新品种已经确定至少包含三个不同的亚群，包括v组（即‘巴斯马蒂'和‘沙德里'品种），籼稻（即‘茉莉 '品种）与热带粳稻。在调查各种不同的新型香米

中，几乎都含有badh2.1等位基因，证明这个等位基因是在不同香稻中普遍遗传的（9，10，11，12）。最近，BADH2基因的第二个突变位点badh2.2，被证明与来自中国的种质资源有有限的联系。有证据表明有额外的突变可能导致2AP的合成来自一个严格的研究，包括主要来自东南亚的已经检测到几个新香料种质资源多样化小组，这已使2AP水平升高，但没有携带badh2.1等位基因（12）。考虑到单个基因主要是在负责水稻的香味，这项研究的目的主要是在基因不同的水稻亚群之间研究这个等位基因的起源和探究它的祖先。我们同样也把BADH2中主要负责独立遗传，香味基因定位的基因的额外功能突变作为研究对象。结论

badh2.1等位基因在不同的水稻种质资源中出现的概率。我们曾在280种野生稻（普通野生稻）中观察badh2.1等位基因的出现频率，发现它不在所有野生基因型中，除了一个单一位点杂合的等位基因外（表1）。这种野生插入位点显示了驯化水稻的几个特征，包括白色果皮，表明这是栽培稻香味品种和野生稻近交的结果。共收集调查了176种不同的栽培稻种类，这些栽培稻的不同亚种的身份发现是通过一套全基因组SSR和SNP分子标记确定的(22,23)。总之，badh2.1等位基因在这些种类中被检测到

17次（10％），香味基因在v组中出现的频率最大，在温带稻和澳大利亚稻中出现的频率最小（表1）。

badh2.1等位基因的起源。考虑到在籼稻还是在粳稻品种群体中检测相同badh2.1等位基因，我们的目标是检测badh2.1等位基因起源于哪个种类。为了解决这个问题，我们检测了一个包含242个水稻品种的的BADH2全基因，包含起源组和拥有BADH2基因的额外加入组（表s1）。在5kb的对齐基因系列中，我们发现106个SNP标记的系列插入缺失和SSR多态性，其中54个已经显示出频率大于5%.。这些多态性被用于构建8个基因单体型（GH），以及这些单体基因型被明确的分成两个不同的小组（图2a ，表s2）。在第一组中，粳稻品种组(Jap_GH)的所有品种都携带了野生类型的等位基因，然而绝大多数（74%）的种类在第二组中都是来自于籼稻。尽管亚种的种类不同，每一个插入系列都在Jap_GH检测到了badh2.1基因，在Jap_GH中，香味种类基因仅仅在编码badh2.1等位基因的FNP中和原始非香味基因不同（在图2a中用黄色显示的部分）。这些数据支持badh2.1等位基因在像粳稻型遗传背景的品种中有单一的起源。

形成一个这些品种基因和基因组表型系统之间明显的矛盾。如果籼稻品种能检测到具有籼稻遗传背景环绕BADH2基因一样的粳稻DNA特定区域，这种不一致就能够得到很好的理解。然后，在我们这个242个亚洲栽培稻品种的BADH2基因的跨度上游3.2MB和下游2.1MB的基因组区域扩增24个位点系列，用以扩宽我们对单基因表型的分析。在这个BADH2侧翼的5.3MB的范围内，总的有426个SNP标记的插入缺失，在一致的13KB区域内确定了SSR标记的多态性。其中271个多态性的出现率大于5%。从这些数据中，78个多态原始信息(AIPs)被找到并且用于扩增单体型（见方法和材料，表s3）。这些扩增单体型被称为单体扩增一致系列显示出六类大的单体型（图2b）。这些扩增的单体型和基因单体型是一致的，所以含有badh2.1基因插入系列都有BADH2基因周围粳稻的DNA扩增区域。在籼稻品种中有24个携带等位基因badh2.1，粳稻区域被上游650KB和下游330KB的关键重组位点被扩展，其侧翼区和籼稻的原始扩展单基因表型是一致的（图2B）。这支持了badh2.1等位基因是经过基因渗入籼稻种类的假说。

第V组种类携带badh2.1等位基因扩展单倍型和原始粳稻品种一样，含有一个扩展的单基因型，除了FNP和在14、30、69三个位点上的三个特殊多态型（图2B中绿色标注部分）。这三个FNP侧翼的多态位点以及像粳稻品种那样的区域，都被检测到

来自籼稻品种组携带有badh2.1等位基因的的所有香稻品种与Jap-GH形成集群，

在所有的籼稻插入位点携带badh2.1等位基因。来自缅甸单一野生型种类基因badh2.1在后代是1:2:1的杂合表型，并且单基因表型分析确认了携带有badh2.1等位基因的染色体同样含有上述v组的三个多态型。因此，我们能够在野生型杂合品种上追踪badh2.1等位基因的祖先和所有籼稻香味品种来自v组的原始类型。

有几个非香味粳稻品种和Ind_GH集群形成团体，这些是由籼稻非香味品种构成（图2A）。这些来自粳稻的非香味品种包含了像籼稻基因组一样包围BADH2基因的区域，并且所有显示重组都回到粳稻原始类型的侧翼区（图2B，粳稻重组）。这为一定数目的包含了BADH2基因的粳稻品种和Ind_GH形成的集群提供了很好的解释。

在badh2.1等位基因上，核酸多样性的减少和连锁不平衡的提高。为检查围绕badh2.1基因的选择证据，我们分析了这个242个品种的BADH2基因的核苷酸多样性。我们对比携带野生型基因和bdha2.1等位基因的5kb插入系列之间的BADH2基因的排列系列的核酸多样性。携带香味基因的badh2.1等位基因和非香味基因品种相比，在多样性方面平均降低了97.4%（表2）。

扩展单倍型纯合子（EHH）评估了这个可能性：两个随机选择的基因组区域的遗

传是相同的，允许功能突变导致遗传距离的增加的连锁不平衡（LD）衰变测量法（25）。在我们的种子资源组，通过比较香味基因(badh2.1)和非香味基因品种的扩展单体型，我们为BADH2基因计算了EHH。携带香味基因(badh2.1)的品种显示了大范围围绕FNP的扩展LD，然而LD围绕的野生型等位基因减少很快（图3）。当LD的程度在包含野生型或者badh2.1等位基因的各个亚种中对比时，观察到了相同的模式（图s1）。badh2.1,核酸多样性显著减少，加上围绕这个等位基因的连锁不平衡区域的扩宽，为badh2.1 FNP.的强阳性选择提供了证据。

BADH2附加突变基因。BADH2附加突变基因有可能导致2AP的合成，BADH2基因在26个香味基因品种中，这些系列没有任何先前所描述派生赋予香味等位基因（12）。先前242个品种中的26个系列比对显示8个非同义替换的多态型，其中4个移码诱导缺失多态和其中一个是SNP形成提前终止密码子，所有这些在缩短了的BADH2蛋白质中都是公认了的（图4A，表s4）。其他三个潜在功能多态性, 包括3 - bp的插入, 编码区两个不同SNPs. 虽然其中的几个多态性仅仅在一个单一插入位点发现并确认，在香味基因插入位点找到4个，这些多态性看上去有某些地理学上的联系(图4B）。迄今为止,我们还不能确定两个插入位点候选功能突变能够为2AP的水平提高做出解释。讨论

水稻香味基因的起源。从来自亚洲各地不同的水稻种质资源大范围的遗传和地理上，这项研究展现了BADH2基因多样性的深度研究。携带badh2.1等位基因的香味插入基因和非香味基因插入系列相比，显示出核酸多样性的急剧减少以及连锁不平衡的提升，这和badh2.1等位基因强阳性选择是一致的。badh2.1等位基因选择强度和这个报道水稻基因控制谷物多态性特点的报道的相似（如wx, rc, gs3）（26-28）。

单体型分析，使我们能够证明badh2.1等位基因在粳稻品种群体遗传背景产生。扩展单体型分析显示粳稻基因组区域的明确基因渗入，在所有籼稻香味基因插入系列中够包含badh2.1等位基因，包括茉莉花品种。所有香籼稻同样拥有被确定为v组亚群的badh2.1等位基因侧翼的三个多态型，表明这些重要的谷物性状等位基因起源于v组亚群（即Basmati巴斯马蒂）并被渗入籼稻品种（即Jasmine，茉莉花）。

在69位点多态性的起源以及香味插入v组都是原始的和固定的，所有热带粳稻插入位点都携带badh2.1等位基因。这些表明：（1）badh2.1等位基因可能来自v组和热带粳稻的后代，第五组的两个特定基因多态性（14和30位点，图2B）来自第五组后代的分离，并且基因组区域含有badh2.1等位基因和下游多态位点（69）可能是从

v组渗入到热带粳稻中。相同的序列延伸区域两侧BADH2基因在V组和热带粳稻插入之间阻止了断点检测重组，这将定义一个从v组到热带粳稻的渗入体系（反之亦然）。

从本研究的证据表明，亚洲栽培稻从原始祖先引种驯化后，badh2.1等位基因被选定为一个从头突变，也许粳稻亚群以后的分化会引起等位基因频繁出现在v组以及温带粳稻上难以发现的低频率。在我们收集的280不同的插入系列的来自亚洲的澳普通野生稻/澳野生稻，我们发现仅仅一个来自缅甸的单一位点在badh2.1等位基因是杂合的。这些插入位点的系列分析显示，在v组香味基因品种染色体携带badh2.1等位基因在籼稻DNA序列边缘包含3个显著多态性固定位点。然而badh2.1等位基因被确定在其他来自东南亚的水稻种质中（29-31），很可能这些有代表性的原始等位基因渗入野生品种中并且在栽培稻的附近微弱的生长。等位基因从亚洲栽培稻侵入野生品种已经多次报道和现在认为是一个普遍存在的现象（32.33）。

这项研究改进了我们对亚洲栽培稻种类之间基因组联系的理解和进一步明确亚洲栽培稻的进化历程。来自v组的巴斯马蒂品种经常被错误的认为是籼稻品种的一个成员（34-36）。然而来自籼稻和v组的品种广泛的种植在亚洲南部和中部，并有可能延长，其形态是细长谷物粒，研究人员早就注意了这两个品种之间高度的杂种不育现象（37-40）。Glaszmann通过同工酶标记显示为杂交不亲合和提出了一个假说，V组和