李瑞清 譚瑗瑗 閆 影 張麗霞 曹黎明 吳書俊

(1上海市農業(yè)科學院作物育種栽培研究所,上海 201403； 2 安徽農業(yè)大學農學院,安徽 合肥 230036；3 浙江大學新農村發(fā)展研究院,浙江 杭州 310058)

水稻(Oryza sativaL.)是最重要的糧食作物之一,其籽粒由胚、胚乳和種皮組成,而胚乳是籽粒發(fā)育過程中的主要貯藏器官[1]。 淀粉是主要的貯藏物質,占谷物胚乳干重的85%,是人類食物中的主要能量來源,因此,淀粉合成對稻米產量形成具有重要的作用[2]。近年來由于矮桿基因[3]和雜種優(yōu)勢[4]的廣泛利用,水稻產量得到了顯著提升。 然而,隨著人民生活水平的提高,對稻米品質的要求也越來越高,尤其是食味品質(eating and cooking qualities,ECQs),決定了其在市場中的商品經濟價值和消費者認可度,引起了消費者和研究者們的廣泛關注[5]。 稻米品質主要包括外觀特性、食味品質和微量元素含量[6-7]。 稻米品質因飲食文化的差異而表現(xiàn)出不同的偏好性[8],但除少數(shù)地區(qū)偏好微量元素和外觀外[5],大多數(shù)國家和地區(qū)更關注食味品質[8]。

淀粉不僅是植物體內碳水化合物的主要貯藏形式,而且還具有重要的生物學功能和經濟價值[9-10]。隨著優(yōu)質稻米市場需求量的逐漸增加,充分了解淀粉合成及其調控機制對于稻米品質的定向改良和標記輔助育種的開發(fā)具有重要的意義[11]。 目前,參與淀粉代謝的酶和路徑雖然均已被揭示,但關于淀粉合成的具體調控網(wǎng)絡極其復雜,限制了對淀粉的定向改良[11-13]。 本文綜述了通過調控稻米淀粉合成以改良稻米產量和通過調控直鏈和支鏈淀粉合成以改良稻米食味品質的策略,以期為稻米的分子改良和育種提供一定的理論依據(jù)和實踐指導。

1 水稻胚乳淀粉的合成途徑

水稻淀粉合成包括臨時淀粉合成和貯藏淀粉合成2 種類型。 臨時淀粉主要發(fā)生于光合器官的質體中,受晝夜周期節(jié)律的調控表現(xiàn)為節(jié)律性的循環(huán)[14-15]；相反,根、莖、種子胚乳等貯藏器官中長期儲存的淀粉合成則依賴于從胞質中輸入碳前體,即蔗糖和ATP[11,16],這一過程主要通過蔗糖轉運體實現(xiàn)[17]。

1.1 葉片中蔗糖的合成

蔗糖的合成主要是通過葉片葉綠體中的卡爾文循環(huán)和胞質中的一系列生化反應完成[15,18]。 該過程從丙糖-P 到蔗糖合成共包括7 個步驟,需要果糖-1,6-二磷酸醛縮酶(fructose-1,6-bisphosphate aldolase,F2BA)、 果 糖- 1,6 - 二 磷 酸 酶( fructose 1,6-bisphosphatase,F2BP )、 磷 酸 葡 萄 糖 異 構 酶(phosphoglucoseisomerase,PGI)、磷酸葡萄糖變位酶(phosphoglucomutase,PGM)、UDPG 焦磷酸化酶(UDPglucose pyrophosphorylase,UGP)、 磷 酸 化 合 成 酶(sucrose phosphate synthase,SPS) 和蔗糖磷酸化酶(sucrose phosphate phosphatase,SPP) 共7 種 酶 參與[19-20](圖1)。

圖1 水稻胚乳淀粉合成途徑Fig.1 Starch biosynthesis pathway in rice endosperm

1.2 葉片→胚乳細胞中蔗糖的轉運

葉片中合成的蔗糖通過共質體或質外體途徑轉運至貯藏器官中,作為淀粉體中的能量和淀粉合成的碳源,該過程因物種、器官或組織而存在差異[17,21]。 水稻中主要包括3 種方式,即細胞壁蔗糖酶將蔗糖分解為葡萄糖和果糖,然后由己糖轉運體進行胞間轉運[11]；通過質膜結合的特異性蔗糖轉運體和液泡蔗糖轉運體,將蔗糖轉入液泡進行臨時儲存[22-23]；通過內吞作用吸收蔗糖,然后轉入胚乳細胞的中央液泡中存儲[24](圖1)。

1.3 胚乳細胞中蔗糖→淀粉的轉化

轉入胚乳細胞中的蔗糖在細胞質中經過一系列生化反應轉化為G6P 后,進入淀粉體進行淀粉的合成(圖1)。 谷物胚乳發(fā)育過程中,淀粉通過淀粉合成酶的協(xié)同作用而合成和富集[25],包括ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase,AGPase),為淀粉支鏈延伸反應提供底物；UDPGase,用于UGP 的合成；淀粉合成酶(starch synthase,SS),用于α-葡聚糖鏈的延伸；顆粒結合淀粉合成酶(granule bound starch synthase,GBSS),用于直鏈淀粉的合成；分支酶(starch branching enzyme,SBE),用于支鏈淀粉中α-1,6-糖苷鍵的形成；脫分支酶(debranching enzyme,DBE),包括淀粉異構酶( isoamylase,ISA) 和支鏈淀粉酶(pullulanase,PUL),用于切除由SBE 形成的錯誤分支鏈；質體淀粉磷酸化酶( plastidial starch phosphorylase1,Pho 1),用于淀粉晶體結構的形成。

1.3.1 細胞質中蔗糖→G6P 的轉化 胚乳細胞中,轉入的蔗糖在胞質中轉化為G6P 包括3 個步驟：首先由SuSy 降解為果糖和UDPG[26]；然后UDPG 經UDPase分解為G1P 和焦磷酸(pyrophosphoric acid,PPi)；最后,G1P 由胞質葡萄糖磷酸變位酶( cytosolic phosphoglucomutse,cPGM)轉化為G6P[27]。

1.3.2 淀粉體中G6P→淀粉的轉化 胞質中生成的G6P 進入淀粉體后,在PGM、AGP、SS 等催化酶的作用下合成淀粉[28-29]。 此外,由于淀粉體不具有合成ATP的能力,因此淀粉合成所需的ATP 必須從胞質中轉入[30]。 禾谷類胚乳細胞中也會集聚胞質ADPG,在BT1 轉運蛋白的作用下進入淀粉體用于淀粉的合成[31]。 因此,目前有研究者認為,蔗糖通過胞質SuSy酶作用分解為ADPG,然后ADPG 進入淀粉體進一步合成淀粉[25,32](圖1)。

1.4 直鏈淀粉和支鏈淀粉的合成

淀粉由線性葡聚糖和分支葡聚糖組成,葡聚糖聚合進一步形成非溶性的半晶體狀淀粉顆粒,淀粉合成需要多個淀粉合成相關酶的配合,包括用于直鏈淀粉合成的GBSSI；用于支鏈淀粉合成的可溶性淀粉合成酶SSI、SSIIa 和SSIIIa、分支酶BEI 和BEIIb、不對稱酶(DPE)、質體淀粉磷酸化酶(Pho1)和淀粉異構酶(ISA)[10,14](圖1)。 Pho1 分別與DPE、BE 作用將ADPG 轉化為線性葡聚糖和分支葡聚糖,線性葡聚糖在GBSSI/Wx 作用下轉化為直鏈淀粉；而分支葡聚糖到支鏈淀粉的轉化則更為復雜[33]。 SSI、SSIIa 和SSIIIa 分別用于短鏈(6≤DP ≤12)、中間鏈(13≤DP≤24)和長鏈(DP ＞25)的合成,而BEI 和BEIIb 分別用于內、外分支的形成,ISA 用于切除非正確的分支鏈,SSIVa 則被認為位于淀粉顆粒的中央,參與淀粉結構的形成[33-34]。

2 胚乳淀粉合成途徑在育種中的應用

通過常規(guī)育種方法改良稻米品質較耗時且費力,而利用基因工程、分子標記輔助選擇等技術對目標基因進行調控,對水稻育種改良效果更佳且更方便。

2.1 調控淀粉含量改良稻米產量

2.1.1 促進蔗糖的降解 由圖2可知,通過SuSy 活性的增強,可促使蔗糖→淀粉的轉化,提高稻米的淀粉含量和產量。 研究表明,SuSy-過表達株系中,UDPG、ADPG 和淀粉含量均顯著高于野生型,表現(xiàn)為較高的AGP 活性和支鏈/直鏈淀粉比[25-32,35]。 因此,可通過在質體中表達SuSy 以產生更多ADPG 從而提高淀粉含量。 其機理可能是SuSy 與酸轉化酶(acid invertase)通過競爭底物蔗糖以調控淀粉的含量[35]；淀粉合成速率受SuSy-AGP-ADPG 轉運體與支鏈淀粉共同的影響[32]。

2.1.2 增加ATP 的供給 通過下調質體腺苷酸激酶(plastidial adenylate kinase,PAK)的表達,提高對淀粉體中ATP 的供給(圖2)。 腺苷酸激酶用于將ATP 催化為ADP 和AMP,其下調表達可以提高ADPG 和淀粉含量,這可能是由于其活性減弱而使ATP 庫增加[18]。

2.1.3 改變ADPG 的轉運 通過增強BT1 蛋白的表達,以增強對胞質ADPG 向淀粉體的轉運,從而提高胚乳中淀粉含量[20,36]。bt1 突變體生長異常且不育,這與胚乳淀粉體中ADPG 轉運活力下降和淀粉缺失有關[37],同時可能與線粒體中某些代謝有關[38]。osbt1 突變體表現(xiàn)為白心胚乳,直鏈淀粉和蛋白均下降,其中直鏈淀粉含量下降至12%,但脂質含量則上升,表明OsBT1 在淀粉合成和淀粉顆粒形成中具有重要的作用[31]。

2.1.4 增強AGP 活性 通過增強AGP 活性,以提高淀粉含量[28,39],主要包括2 種方式(圖2)。 一是在植物體內異源表達大腸桿菌glgC基因,以產生AGP 異構酶,可顯著增強種子中的AGP 活性[40]；二是通過異源表達AGP 大亞基的編碼基因Sh2r6hs或SH2[41],以及小亞基的編碼基因BT2,其在水稻中的異源表達可顯著提高AGP 活性和種子淀粉含量[42]。

圖2 利用胚乳淀粉合成途徑改良稻米產量和食味品質的育種策略Fig.2 Strategies for improvement on grain yields and ECQs by using mechanisms of rice endosperm starch biosynthesis

2.1.5 阻止淀粉的降解 胚乳細胞中,淀粉的富集同時受淀粉合成和淀粉降解的影響,因此通過抑制淀粉的降解以提高淀粉含量是可行的[11,32]。 α-淀粉酶[43-44]和淀粉磷酸化相關酶GWD 在胚乳淀粉降解中具有重要的調控作用[45]。 高溫條件下,α-淀粉酶編碼基因的下調表達會增強淀粉的含量[44]。 然而,盡管GWD的下調表達也會提高淀粉的含量,但與稻米干重、分蘗數(shù)、有效穗數(shù)等性狀的增加趨勢并不一致[45]。

2.2 調控直鏈/支鏈淀粉改良食味品質

食味品質的形成主要受自身直鏈淀粉含量(amylose content,AC)、糊化溫度( gelatinization temperature,GT)、香味物質、脂肪酸含量、膠稠度(gel consistency,GC)和蛋白質含量的影響[46-50]。 此外,直鏈淀粉/支鏈淀粉的比例以及支鏈淀粉的精細結構決定了水稻籽粒的理化性質、營養(yǎng)品質和最終產量[51]。

水稻中,顆粒結合淀粉合成酶Ⅰ(granule bound starch synthase Ⅰ,GBSSI)過表達會提高AC 和GC 含量,但對GT 含量影響較?。籗SII-3 過表達會降低AC、GC 和GT 含量；ISA和SBE3 過表達均會降低GC 和GT 含量[4,52]。 淀粉合成酶的過表達會明顯提高淀粉含量[53]。 此外,SSIIIa 和Wx 共同參與抗性淀粉的合成,SSIIIa 對抗性淀粉的調控依賴于Wx基因的高表達,而SSIIIa 突變則會降低Wx的表達進而導致抗性淀粉含量下降和直鏈淀粉-脂質復合體的減少[29]。

3 展望

水稻胚乳淀粉的合成涉及葉片中淀粉合成前體物蔗糖的合成與轉運、胚乳細胞中蔗糖到ADPG 的轉化、胚乳細胞中直鏈淀粉和直鏈淀粉的合成以及淀粉顆粒的形成等生物學進程和多個不同組織的協(xié)同配合,因此根據(jù)水稻胚乳淀粉的合成機制,利用分子生物學的技術和方法,定向改良稻米的產量和品質,將極大提高水稻育種改良的效率和精確度。

淀粉合成對稻米品質的影響是水稻基礎科學研究熱點之一[12,52-53]。 然而,淀粉合成涉及一個復雜而有序的代謝網(wǎng)絡和細胞學進程,需要多個淀粉合成酶的協(xié)同作用。 因此,通過淀粉合成的分子機制解析稻米產量和ECQs 的形成仍面臨諸多挑戰(zhàn)和問題,如水稻籽粒發(fā)育過程中,葉片中光合作用產物(如蔗糖)由韌皮部轉運到胚乳細胞的調控機制；胚乳發(fā)育過程中,如何調控由未分化的前質體到功能性淀粉體的轉化；在淀粉合成和淀粉結構形成過程中相關蛋白復合體如何實現(xiàn)有序調控碳的高效利用；環(huán)境-基因互作如何調控不同淀粉晶體結構的形成等均需要進一步更深入的研究。