水稻（Oryza sativa L.）OsAmy3E 启动子处的 DNA 甲基化参与高温下的籽粒品质形成

为何高温下稻米籽粒会变得粉白

稻米养活了数十亿人，但不断上升的气温不仅威胁产量，也影响籽粒的外观和烹饪品质。在高温条件下，稻谷常常在中心形成苍白、不透明的“粉白”部分，降低市场价值并改变食感。本研究探讨了为何某些品种在高温下仍保持光滑、透明，并揭示了 DNA 上的一种微小化学标记如何帮助保护籽粒品质。

近看受热损伤的籽粒

在籽粒灌浆过程中，淀粉通常被紧密地排列成玻璃样结构。热胁迫会破坏这一过程。作者解释说，高温既减慢淀粉合成反应，又激活分解淀粉的酶。结果是松散排列的淀粉颗粒散射光线，使籽粒显得粉白。在日本，受欢迎的品种“日之辉（Hinohikari）”尤其敏感：在灌浆期以 30 °C 种植时，其超过四分之三的籽粒会变粉白，而在较凉的条件下则很少出现。

一种耐热品种与可疑基因

育种者已经培育出耐热品种，其中一种名为 Kumasannochikara 的品种在相同高温条件下保持较低比例的粉白籽粒。早期研究指出了一种分解淀粉的酶——α-淀粉酶，尤其是其基因 OsAmy3E，在高温下强烈表达并与籽粒粉化相关。本研究中，研究者证实在高温下日之辉比 Kumasannochikara 更强烈地激活该基因，耐热品种因而保持更好的籽粒外观。有意思的是，该基因上游的 DNA 序列（调控其何时被开启）在两种品种中是相同的，这提示负责差异的并非基因序列本身。

对热作出响应的 DNA “关闭开关”

团队将注意力集中在 DNA 甲基化上，这是一种小的化学标记，置于基因控制区时可起到关闭开关的作用。他们测量了发育中籽粒中 OsAmy3E 启动子的甲基化水平。在常温下，两品种表现出相似的甲基化水平和温和的基因活性。然而在高温下，Kumasannochikara 在该区域获得了更高的甲基化，其 OsAmy3E 活性保持相对较低。相比之下，日之辉未能添加这些甲基标记并强烈激活该基因。这一模式表明，耐热品种的额外甲基化有助于在高温期间抑制分解淀粉的酶，从而保护籽粒结构。

将耐热保护传递给下一代

为探究基于甲基化的调控能否用于育种，研究者以不同方向杂交两种品种并研究其后代。在第一代籽粒中，只有当 Kumasannochikara 作母本时，OsAmy3E 在高温下的抑制才会出现，这指向来自包围胚胎的母体组织的影响。然而在第二代植物中，科学家能够根据子叶中 OsAmy3E 启动子的甲基化状态将幼苗分为“甲基化”与“非甲基化”两组。当这些分组在后续灌浆期暴露于高温时，甲基化植株——无论亲本出自哪方——表现出较低的 OsAmy3E 活性，且产生的粉白籽粒远少于非甲基化植株。

对未来水稻育种的意义

综上，研究表明单一基因启动子上的微小甲基标记在高温胁迫下可对稻米籽粒品质产生重大影响。通过选择在 OsAmy3E 启动子处已携带高甲基化的幼苗，育种者可能能够培育出在升温的生长期仍能保持美观、透明籽粒的品系。更广泛地说，该研究凸显了表观遗传标记——叠加在 DNA 序列之上的化学修饰——作为育种用于应对更热世界的有前景的新型标记。

引用: Chen, WJ., Suriyasak, C., Nong, H.T. et al. DNA methylation at OsAmy3E promoter is involved in grain quality under heat stress in rice (Oryza sativa L.). Sci Rep 16, 11024 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40998-2

关键词: 水稻耐热性, 籽粒粉化, DNA 甲基化, 作物表观遗传学, 气候适应型农业