《Food Chemistry》：Metabolomics and transcriptomics analyses reveal quality differences in forage-grain ratoon rice under varying mowing stages
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通過轉錄組和代謝組學分析發現，再生稻在乳熟期刈割（MS）較完全成熟期（FRS）顯著提高糙米率（+2.37%）、精米率（+2.40%）、頭米率（+13.19%），并降低淀粉（-8.09%）和蛋白質（-26.28%）含量，改善 cooked rice質地，機制與淀粉合成酶基因（GBSS等）表達及糖、氨基酸代謝途徑相關。
任何因·齊 | 蔡晶亮 | 納維德·馬哈茂德 | 張正 | 宋曉燕 | 趙全志 | 趙一勇
中國貴州大學農業學院高質量、高效率重點實驗室，貴陽550025
摘要
本研究利用轉錄組學和代謝組學技術探討了飼用谷物再生稻（FG-RR）品質形成的機制。結果表明，在乳熟期（MS）刈割顯著提高了糙米、精米和整粒米的比例，分別增加了2.37%、2.40%和13.19%。此外，其直鏈淀粉和蛋白質含量低于全熟期（FRS），分別減少了8.09%和26.28%。從抽穗期到全熟期，支鏈淀粉的峰值粘度（fb3（DP ≥ 37）鏈逐漸降低，而糊化溫度和fb1（DP13–24）鏈先增加后降低。在蠟熟期和全熟期，顆粒結合淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉異構酶的轉錄水平升高，導致直鏈淀粉含量增加和支鏈淀粉結構改變。糖酵解、氨基酸合成以及儲存蛋白生物合成途徑的增強也有助于蛋白質含量的提高。在乳熟期刈割更有利于提高FG-RR的烹飪品質，為培育高品質水稻奠定了基礎。
引言
高產和優異的烹飪品質是水稻育種的兩個關鍵目標（Cai等人，2025年）。再生稻（RR）是一種重要的栽培模式，可提高水稻產量（Deng等人，2021年；Yang等人，2023年）。由于其省工高效的特點，這種種植方式在中國水稻生產國得到了廣泛認可（Wang, Li, Lee, Peng, & Dou, 2021年）。RR品種主要是秈稻的雜交種，具有較短的生長期（Dong等人，2020年）。
與初始作物相比，RR的堊白率和堊白程度分別降低了36.6%和14.2%（Yuan等人，2022年）。RR增加了總淀粉和直鏈淀粉的含量，同時降低了蛋白質和支鏈淀粉的含量，從而改善了煮熟后水稻的口感（Deng等人，2021年）。然而，溫帶和亞熱帶地區的溫度和光照條件不利于RR的生長。一種新型的飼用谷物再生稻（FG-RR）模式是將初始作物作為飼料收割，讓后續作物成熟為稻谷（Yang等人，2024年）。這種獨特的方法使FG-RR成為食品和飼料產業的有前景的替代作物（Qi等人，2024年）。在不同生長階段（抽穗期、乳熟期、蠟熟期和全熟期）刈割會顯著影響FG-RR的淀粉分子結構和質地特性。在四個階段中，全熟期（FRS）刈割是傳統的RR模式。
水稻品質受遺傳因素和外部因素的影響。在稻谷發育過程中，特定基因的突變或環境變化（溫度、光照、養分、害蟲和疾病）都會對植物產生廣泛的代謝干預，從而影響其品質（Radha等人，2023年）。這些代謝干預可以通過多組學方法進行研究，以闡明生理機制（Yang等人，2022年）。Baysal等人（2020年）通過綜合代謝組學和轉錄組學分析表明，SBEII基因的突變不僅改變了關鍵淀粉生物合成途徑成分（如ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、可溶性淀粉合成酶（SS）和顆粒結合淀粉合成酶（GBSS）的表達，還誘導了糖類、脂肪酸、氨基酸和植物甾醇的顯著積累。RR較短的生長期和較低的熱光資源需求不可避免地導致了其植物生理代謝過程的變化。比較分析顯示，RR的谷粒品質優于單一或晚熟作物，這可能是由于調控赤霉素生物合成和分解途徑的基因表達模式不同（Lin等人，2023年）。同時，RR中的糖代謝成分也發生了顯著變化（Lin等人，2022年）。然而，FG-RR在灌漿過程中的生理代謝機制仍不十分清楚。
FG-RR是一種用于生產飼料和優質水稻的模式，其結果受不同刈割階段的影響。這些階段不僅影響飼料產量，還影響再生季的營養供應。我們之前的研究表明，在乳熟期（MS）刈割可以獲得更好的RR產量和優質水稻（Qi等人，2024年；Yang等人，2024年）。然而，MS階段觀察到的品質提升的潛在機制仍需進一步研究。我們假設不同刈割階段水稻外觀、加工和營養品質的差異是由于灌漿過程中淀粉和蛋白質生物合成途徑中代謝物及相關酶活性的變化所致。本研究結合了轉錄組和代謝組分析，研究了四個不同刈割階段的淀粉和蛋白質合成代謝情況，以闡明四個階段品質差異的原理。了解品質形成的機制有助于提高FG-RR的栽培水平。
材料與試劑
秈三系雜交水稻品種“桃友香占”由中國湖南金建種業有限公司提供，生長期約為125天。異淀粉酶購自Megazyme International Ltd.（愛爾蘭布雷）。本研究使用的其他試劑均為分析級。
田間試驗與采樣
田間試驗于2023年在中國貴州省興義市（25°01′N, 104°55′E，海拔1171米）進行。種子于2023年3月11日播種，4月18日移栽
FG-RR的水稻品質和營養成分
“桃友香占”在中國廣泛種植，因其具有適中的生殖期、強的再生能力和高產量。圖1顯示了不同刈割階段“桃友香占”的加工品質和營養成分。刈割階段顯著影響了FG-RR的加工和外觀品質。隨著刈割時間的延長，糙米比例從78.47%增加到80.37%，精米比例從71.92%變化結論
不同的刈割階段顯著影響了FG-RR品質特性的發展。與其他刈割階段相比，乳熟期（MS）獲得了更優的加工品質，如糙米率、精米率和整粒米率，以及最佳的直鏈淀粉和蛋白質含量。此外，MS階段的PKV、BDV和糊化溫度值也較高，SBV值最低，表明其粘性品質更好。MS階段煮熟的FG-RR口感更佳
資料代碼
原始RNA-seq數據存放在國家生物技術信息序列庫（NCBI）的BioProject中，標識號為PRJNA1225442。CRediT作者貢獻聲明
任何因·齊：撰寫——初稿、正式分析、數據管理。蔡晶亮：數據管理。納維德·馬哈茂德：撰寫——審稿與編輯。張正：正式分析。宋曉燕：撰寫——審稿與編輯、項目管理、概念構思。趙全志：項目管理、資金籌集。趙一勇：撰寫——審稿與編輯、方法學。利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的財務利益或個人關系。致謝
本研究得到了國家自然科學基金（資助編號：32472225）、國家重點研發計劃（資助編號：2024YFD2300403）、貴州省糧食和油料作物高質量、高效率及產量提升重點實驗室（Qian-Ke-He-Platform ZSYS037）和貴州省功能性農業重點實驗室（[2023]007）的支持。
