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膳食纤维对稻米品质和消化特性的影响及高膳食纤维突变体的基因定位

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摘要

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第一章 文献综述

1.1 膳食纤维与品质

1.1.1 膳食纤维的功能及营养现状

1.1.2 膳食纤维的食物分布和水稻膳食纤维组成

1.1.3 膳食纤维的测定

1.1.4 非淀粉多糖对淀粉类食品加工、食味品质的影响

1.1.5 非淀粉多糖对淀粉消化特性的影响

1.2 淀粉结构特征及其消化特性

1.2.1 淀粉结构的组成

1.2.2 抗性淀粉

1.2.3 淀粉组成和结构对消化特性的影响

1.2.4 淀粉的生物合成及其关键酶与消化特性

1.3 本文研究目的及主要内容

第二章 内源淀粉酶对淀粉的消化

2.1 材料和方法

2.1.1 实验材料

2.1.2 发芽样品准备

2.1.3 种子活力和总淀粉酶活力测定

2.1.4 总淀粉、直链淀粉、支链淀粉和自由糖测定

2.1.5 热力学特性检测

2.1.6 扫描电镜观察

2.1.7 水稻种子组织切片观察

2.1.8 晶体X衍射分析

2.1.9 数据分析

2.2 实验结果

2.2.1 发芽率、活力和总淀粉酶活力

2.2.2 总淀粉、直链淀粉、抗性淀粉和自由糖含量

2.2.3 淀粉形态结构

2.2.4 X-衍射图形分析

2.2.5 淀粉的热力学特性

2.3 讨论

2.3.1抗 性淀粉、淀粉酶活力和种子活力

2.3.2 抗性淀粉和淀粉的降解

2.3.3 淀粉结构特征

2.3.4 抗性淀粉和淀粉的热力学特性

2.4 结论

第三章 高膳食纤维水稻突变体的鉴定及其消化特性的研究

3.1 材料与方法

3.1.1 实验材料

3.1.2 膳食纤维和抗性淀粉测定

3.1.3 12/KI-Calcofluor染色和显微观察

3.1.4 扫描电镜观察

3.1.5 总淀粉与细胞壁含量测定

3.1.6 果胶测定

3.1.7 半纤维素和纤维素测定

3.1.8 米粉离体动态消化

3.1.9 数据分析

3.2 实验结果

3.2.1 NSP与淀粉离体消化

3.2.2 消化米粒的形态学观察

3.2.3 碳水化合物分析

3.2.4 高膳食纤维水稻株系的简易筛选

3.3 讨论

3.3.1 NSP与淀粉离体消化

3.3.2 消化残余物分析

3.3.3 残余物表型与高膳食纤维株系筛选

3.4 结论

第四章 胚乳非淀粉多糖对稻米蒸煮品质和消化特性的影响

4.1 材料和方法

4.1.1 实验材料

4.1.2 酶解样品制备

4.1.3表 观直链淀粉(AAC)、总淀粉(TS)和总膳食纤维(TDF)测定

4.1.4 膨胀力(SP)测定

4.1.5 胶稠度(GC)测定

4.1.6 热胶粘度特性(RVA)

4.1.7 冷凝胶质地分析

4.1.8 米粉热力学特征分析

4.1.9 快消化淀粉(RDS)、慢消化淀粉(SDS)和抗性淀粉(RS)的测定

4.1.10 数据分析

4.2 实验结果

4.2.1 总淀粉(TS)、表观直链淀粉(AAC)和总膳食纤维(TDF)的测定分析

4.2.2 热力学特性分析

4.2.3 热胶粘度特性和胶稠度

4.2.4 膨胀力(sP)分析

4.2.5 凝胶质地特性

4.2.6 淀粉的消化特性

4.3 讨论

4.3.1 酶处理对样品淀粉及膳食纤维的影响

4.3.2 NSP与淀粉糊化和凝胶粘度

4.3.3 NSP与凝胶质地

4.3.4 NSP影响淀粉消化特性

4.4 结论

第五章 高膳食纤维突变性状cw的遗传分析与基因定位

5.1 材料和方法

5.1.1 实验材料

5.1.2 F2群体膳食纤维表型鉴定

5.1.3水稻基因组DNA的提取、PCR扩增及突变基因定位

5.1.4 分子标记的开发

5.1.5 抗性淀粉测定

5.1.6 淀粉酶活力测定

5.1.7 数据分析

5.2 结果分析

5.2.1 突变性状的遗传分析

5.2.2 膳食纤维合成相关主效基因的定位

5.2.3 膳食纤维性状候选基因相关性分析

5.2.4 AGPase、SSS、BE和DBE的酶活力

5.3 讨论

5.3.1 高膳食纤维突变体cw的遗传

5.3.2 淀粉合成相关酶与膳食纤维

5.4 结论

参考文献

附表

个人简历

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摘要

膳食纤维是不能被小肠消化吸收,在大肠内部分或全部发酵的可食性植物组分或类似的碳水化合物,包括高分子量膳食纤维、低分子量膳食纤维、多糖类似物和抗性淀粉。膳食纤维是平衡膳食的重要内容,摄入不足会增加诸多慢性疾病的发生风险。谷物胚乳细胞壁是膳食纤维的主要来源,而胚乳细胞壁的非淀粉多糖(Non-starch polysaccharide,NSP)是谷类食物中膳食纤维的主要组成成分。此外,抗性淀粉也是谷物膳食纤维的重要组分,具有膳食纤维的生理功效,能够有效控制餐后血糖水平,预防和控制肥胖、Ⅱ型糖尿病和心血管疾病等代谢综合症。
  作为世界上一半以上人口的主粮,稻米是高血糖指数食品。因此,有利于人体健康的功能型水稻品种改良是今后研究的新方向。本论文研究了NSP对稻米食味品质和淀粉消化特性的影响;通过精米离体消化后残渣进行形态学观察,运用碳水化合物分析测定的方法鉴定获得了一个新型高膳食纤维突变体,并对其遗传特性进行了分析。论文的主要研究结果陈述如下:
  1.支链淀粉参与抗性淀粉的形成,可能与胚乳细胞壁互作进而影响淀粉的消化。高抗性淀粉水稻突变系RS4(RS,ca.10%)与野生型R7954一样具有正常的种子活力,抗性淀粉可以被自身淀粉酶水解,不影响种子发芽。内源淀粉酶对R7954的直链淀粉和支链淀粉同步水解,而在RS4中则优先利用支链淀粉。种子萌发10d后,RS4种子内仍残留部分淀粉,其X衍射图谱仅16.90°和21.62°出现衍射峰。残留淀粉中支链淀粉和抗性淀粉比例都很高,并且与胚乳细胞壁紧密贴合,可能作为抗消化因子影响淀粉消化。
  2.稻米非淀粉多糖影响稻米的品质和消化特性,且该影响具有NSP类型和水稻品种依赖性。胚乳细胞壁水解或部分水解后,米粉糊化温度(GT)、胶稠度(GS)和膨胀力(SP)升高;热胶粘度(HPV)、消减值(SB)、冷凝胶硬度(HD)和咀嚼度(CH)下降;快消化淀粉含量(RDS)减少,慢消化淀粉(SDS)含量增加,去除或部分去除NSP可改善稻米的蒸煮食味品质。此外,不同的NSP组分对于稻米蒸煮品质和消化特性的影响也不同。本研究中,NSP的存在与否对籼型糯稻的淀粉消化特性影响最大,对籼稻R7954的品质特性影响较大,而对两个粳稻的品质特征和消化特性的影响相对较小。
  3.基于高膳食纤维突变体cw理化特性,建立了高通量筛选高膳食纤维水稻的方法。对高膳食纤维突变体cw和野生型R7954、粳稻Nipponbare的精米进行离体消化后,cw的各NSP组分均和RS含量也显著高于野生型,淀粉离体消化速率显著低于R7954和Nipponbare。且突变体cw离体消化后保持完整米粒形态,碘染后呈现蓝紫色,而对照R7954和Nipponbare的消化残余物米粒形态消失呈棉絮状。基于该形态特征建立的高通量筛选高膳食纤维水稻的方法可以很好地区分水稻群体中的高与低膳食纤维株系。
  4.籽粒膳食纤维性状在籼粳稻背景下受一对隐性和一对显性核基因控制,在籼籼背景下受一对隐性核基因控制。隐性突变基因cw(t)被精细定位于第8染色体标记RM22540和cw11之间,其物理距离为175kb。基于F4群体的候选基因关联分析结果表明,cw来源的GBSSI、AGPS2、SSⅢa及其对应的遗传位点与高TDF型正相关。灌浆过程中淀粉酶活力与抗性淀粉含量分析表明,灌浆初期(花后5d),SSS的酶活力与RS的合成积累正相关;开花5d之后,AGPase和SBE的淀粉酶活力与RS的合成与积累负相关,DBE的酶活力与RS的合成积累正相关。

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