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通过转录组和代谢组学分析发现，再生稻在乳熟期刈割（MS）较完全成熟期（FRS）显著提高糙米率（+2.37%）、精米率（+2.40%）、头米率（+13.19%），并降低淀粉（-8.09%）和蛋白质（-26.28%）含量，改善 cooked rice质地，机制与淀粉合成酶基因（GBSS等）表达及糖、氨基酸代谢途径相关。
任何因·齐 | 蔡晶亮 | 纳维德·马哈茂德 | 张正 | 宋晓燕 | 赵全志 | 赵一勇
中国贵州大学农业学院高质量、高效率重点实验室，贵阳550025
摘要
本研究利用转录组学和代谢组学技术探讨了饲用谷物再生稻（FG-RR）品质形成的机制。结果表明，在乳熟期（MS）刈割显著提高了糙米、精米和整粒米的比例，分别增加了2.37%、2.40%和13.19%。此外，其直链淀粉和蛋白质含量低于全熟期（FRS），分别减少了8.09%和26.28%。从抽穗期到全熟期，支链淀粉的峰值粘度（fb3（DP ≥ 37）链逐渐降低，而糊化温度和fb1（DP13–24）链先增加后降低。在蜡熟期和全熟期，颗粒结合淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉异构酶的转录水平升高，导致直链淀粉含量增加和支链淀粉结构改变。糖酵解、氨基酸合成以及储存蛋白生物合成途径的增强也有助于蛋白质含量的提高。在乳熟期刈割更有利于提高FG-RR的烹饪品质，为培育高品质水稻奠定了基础。
引言
高产和优异的烹饪品质是水稻育种的两个关键目标（Cai等人，2025年）。再生稻（RR）是一种重要的栽培模式，可提高水稻产量（Deng等人，2021年；Yang等人，2023年）。由于其省工高效的特点，这种种植方式在中国水稻生产国得到了广泛认可（Wang, Li, Lee, Peng, & Dou, 2021年）。RR品种主要是籼稻的杂交种，具有较短的生长期（Dong等人，2020年）。
与初始作物相比，RR的垩白率和垩白程度分别降低了36.6%和14.2%（Yuan等人，2022年）。RR增加了总淀粉和直链淀粉的含量，同时降低了蛋白质和支链淀粉的含量，从而改善了煮熟后水稻的口感（Deng等人，2021年）。然而，温带和亚热带地区的温度和光照条件不利于RR的生长。一种新型的饲用谷物再生稻（FG-RR）模式是将初始作物作为饲料收割，让后续作物成熟为稻谷（Yang等人，2024年）。这种独特的方法使FG-RR成为食品和饲料产业的有前景的替代作物（Qi等人，2024年）。在不同生长阶段（抽穗期、乳熟期、蜡熟期和全熟期）刈割会显著影响FG-RR的淀粉分子结构和质地特性。在四个阶段中，全熟期（FRS）刈割是传统的RR模式。
水稻品质受遗传因素和外部因素的影响。在稻谷发育过程中，特定基因的突变或环境变化（温度、光照、养分、害虫和疾病）都会对植物产生广泛的代谢干预，从而影响其品质（Radha等人，2023年）。这些代谢干预可以通过多组学方法进行研究，以阐明生理机制（Yang等人，2022年）。Baysal等人（2020年）通过综合代谢组学和转录组学分析表明，SBEII基因的突变不仅改变了关键淀粉生物合成途径成分（如ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、可溶性淀粉合成酶（SS）和颗粒结合淀粉合成酶（GBSS）的表达，还诱导了糖类、脂肪酸、氨基酸和植物甾醇的显著积累。RR较短的生长期和较低的热光资源需求不可避免地导致了其植物生理代谢过程的变化。比较分析显示，RR的谷粒品质优于单一或晚熟作物，这可能是由于调控赤霉素生物合成和分解途径的基因表达模式不同（Lin等人，2023年）。同时，RR中的糖代谢成分也发生了显著变化（Lin等人，2022年）。然而，FG-RR在灌浆过程中的生理代谢机制仍不十分清楚。
FG-RR是一种用于生产饲料和优质水稻的模式，其结果受不同刈割阶段的影响。这些阶段不仅影响饲料产量，还影响再生季的营养供应。我们之前的研究表明，在乳熟期（MS）刈割可以获得更好的RR产量和优质水稻（Qi等人，2024年；Yang等人，2024年）。然而，MS阶段观察到的品质提升的潜在机制仍需进一步研究。我们假设不同刈割阶段水稻外观、加工和营养品质的差异是由于灌浆过程中淀粉和蛋白质生物合成途径中代谢物及相关酶活性的变化所致。本研究结合了转录组和代谢组分析，研究了四个不同刈割阶段的淀粉和蛋白质合成代谢情况，以阐明四个阶段品质差异的原理。了解品质形成的机制有助于提高FG-RR的栽培水平。
材料与试剂
籼三系杂交水稻品种“桃友香占”由中国湖南金建种业有限公司提供，生长期约为125天。异淀粉酶购自Megazyme International Ltd.（爱尔兰布雷）。本研究使用的其他试剂均为分析级。
田间试验与采样
田间试验于2023年在中国贵州省兴义市（25°01′N, 104°55′E，海拔1171米）进行。种子于2023年3月11日播种，4月18日移栽
FG-RR的水稻品质和营养成分
“桃友香占”在中国广泛种植，因其具有适中的生殖期、强的再生能力和高产量。图1显示了不同刈割阶段“桃友香占”的加工品质和营养成分。刈割阶段显著影响了FG-RR的加工和外观品质。随着刈割时间的延长，糙米比例从78.47%增加到80.37%，精米比例从71.92%变化结论
不同的刈割阶段显著影响了FG-RR品质特性的发展。与其他刈割阶段相比，乳熟期（MS）获得了更优的加工品质，如糙米率、精米率和整粒米率，以及最佳的直链淀粉和蛋白质含量。此外，MS阶段的PKV、BDV和糊化温度值也较高，SBV值最低，表明其粘性品质更好。MS阶段煮熟的FG-RR口感更佳
资料代码
原始RNA-seq数据存放在国家生物技术信息序列库（NCBI）的BioProject中，标识号为PRJNA1225442。CRediT作者贡献声明
任何因·齐：撰写——初稿、正式分析、数据管理。蔡晶亮：数据管理。纳维德·马哈茂德：撰写——审稿与编辑。张正：正式分析。宋晓燕：撰写——审稿与编辑、项目管理、概念构思。赵全志：项目管理、资金筹集。赵一勇：撰写——审稿与编辑、方法学。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。致谢
本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：32472225）、国家重点研发计划（资助编号：2024YFD2300403）、贵州省粮食和油料作物高质量、高效率及产量提升重点实验室（Qian-Ke-He-Platform ZSYS037）和贵州省功能性农业重点实验室（[2023]007）的支持。
