吳云飛,陸文藝,段玉仁,安本澤,熊 飛

(揚州大學生物科學與技術學院,江蘇揚州 225009)

小麥是世界三大糧食作物之一。小麥灌漿性狀決定粒重[1],是淀粉積累并貯存在籽粒內的生理過程[2]。淀粉約占小麥粒重的65%～75%[3-4],是一種半結晶顆粒,由兩種葡萄糖聚合物組成,因聚合方式不同被分為直鏈淀粉和支鏈淀粉[5]。直鏈淀粉分子間由α-1,4-糖苷鍵相連,支鏈淀粉由α-1,4-糖苷鍵和α-1,6-糖苷鍵(分支處)相連,其精細結構決定了淀粉的理化性質、谷物質量和工業(yè)用途的多樣性[5-6]。

小麥光合同化物以蔗糖形式從光合組織通過韌皮部運輸至籽粒,經蔗糖合成酶(sucrose synthase,SuSy)和轉化酶(invertase,INV)水解成葡萄糖、尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glu)和果糖[7];UDP-Glu一部分由海藻糖磷酸合成酶(trehalose-6-phosphate synthase,TPS)催化生成海藻糖-6-磷酸(trehalose-6-phosphate,T6P),T6P在海藻糖-6-磷酸酯酶(trehalose-6-phosphatase,TPP)的作用下連續(xù)去磷酸轉為海藻糖[8];一部分由尿苷二磷酸焦磷酸化酶催化生成葡萄糖-1-磷酸[7]。葡萄糖-1-磷酸在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase,AGPase)催化下形成腺苷二磷酸葡萄糖(ADP-Glu)和焦磷酸[9]。ADP-Glu最終在可溶性淀粉合酶(soluble starch synthase,SSS)、結合態(tài)淀粉合成酶(granule bound starch synthase,GBSS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)、淀粉脫分支酶(starch debranching enzyme,DBE)等一系列酶的作用下合成淀粉[7]。其中,直鏈淀粉的合成由GBSS介導;而支鏈淀粉的合成由SSS、SBE和DBE的聯合作用[10]。

小麥粒重是“源-流-庫”相互作用的結果[2]。不同穗位籽粒因發(fā)育及形成時間順序不同而導致其灌漿程度存在顯著差異[1,11]。前人將開花早、灌漿快、粒重高的籽粒稱為強勢籽粒,反之則為弱勢籽粒[12]。近年來的研究表明,小麥弱勢籽粒灌漿差的因素包括“源”供應限制、“流”障礙、“庫”容量、生理活性限制等[1,13]。本文在前人研究的基礎上,主要梳理和總結了小麥籽粒(庫)淀粉合成途徑中原料、淀粉合成關鍵酶及編碼基因和其他庫強度影響因素對小麥籽粒淀粉合成與積累的效應,以期為小麥強、弱勢籽粒淀粉差異積累機制研究提供參考。

1 原料供給與調控

小麥葉、莖等“源”組織通過捕獲光和固定二氧化碳形成光合同化物,并將其主要以蔗糖的形式運輸到籽粒,為灌漿過程提供原料[14-15],其供應程度決定籽粒灌漿質量和最終產量[16]。在葉肉細胞中,磷酸丙糖從葉綠體轉運到細胞質標志著葉片等“源”組織中蔗糖合成的開始[7];在細胞質中,磷酸丙糖通過果糖-1,6-二磷酸酶的作用轉化為果糖-6-磷酸(fructose-6-phosphate, F6P),F6P和UDP-Glu在蔗糖磷酸合成酶作用下合成蔗糖[7]。在葉肉細胞細胞質中合成的部分蔗糖被轉移到葉綠體中,以合成臨時淀粉;另一部分通過韌皮部裝載、運輸并卸載到籽粒[17]。在小麥中,強勢籽粒具有“主優(yōu)勢”和更強的營養(yǎng)獲取能力[18]。Jiang等[19]認為,在灌漿早期和中期,強勢籽粒中蔗糖含量較高,淀粉合成能力更強。Liu等[18]在高氮及高種植密度條件下發(fā)現,在灌漿早期和中期,穗中部弱勢籽粒積累的蔗糖較少,導致淀粉合成受到抑制,最終使粒重下降。這表明蔗糖供應量不同可能是造成小麥強、弱勢籽粒中淀粉合成和積累差異的原因之一。

盡管蔗糖等同化物的供應量會對強、弱勢籽粒的發(fā)育產生影響,但籽粒中蔗糖轉化能力更與淀粉積累量密切相關,且蔗糖轉化能力越高,籽粒淀粉積累量越高[20]。梁太波等[21]發(fā)現,灌漿前期小麥弱勢粒中具有較充足的底物,說明淀粉合成底物并非弱勢粒淀粉積累量低的主要限制因子。Luo等[1]在開花期去除小麥強勢籽粒后發(fā)現,弱勢籽粒內蔗糖含量下降,表明小麥弱勢籽粒灌漿差不是由于早期同化物供應的限制造成的,而主要與蔗糖降解能力和淀粉合成能力有關,即蔗糖轉化為淀粉的效率低是導致弱勢籽粒灌漿差的主要原因。

有研究表明,海藻糖通過調控蔗糖轉化和淀粉合成相關基因的表達,促進蔗糖轉化為淀粉[22]。T6P作為海藻糖的代謝前體[8],也是一個重要的調控因子,其信號調節(jié)存在于籽粒等庫組織中,以激活淀粉的合成和積累[4,23-24]。低濃度的T6P可作為“饑餓”信號,上調蔗糖的運輸過程[25];高濃度的T6P可作為“Feast”信號,通過激活AGPase的氧化還原狀態(tài),刺激淀粉的合成[24]。此外,高濃度蔗糖能通過T6P及其對蛋白激酶SnRK1的調控,刺激分生組織細胞生長、分裂和擴張,使籽粒具備強的蔗糖運輸能力和酶活性等,以利于后續(xù)淀粉的積累[26]。Min等[22]發(fā)現,海藻糖是弱勢籽粒發(fā)育過程中關鍵的糖信號,與水稻強弱勢籽粒開花動態(tài)特性密切相關,其中OsTPS-2和OsTPP-1時空表達的差異是導致水稻強、弱勢籽粒中海藻糖含量發(fā)生異步變化的重要原因。過量表達TaTPS和TaTPP也能促進小麥的蔗糖代謝和淀粉積累[27]。Luo等[1]研究推測,TPS和TPP差異積累能促進小麥弱勢籽粒的灌漿和淀粉積累。

2 淀粉合成關鍵酶及其編碼基因

籽粒作為灌漿過程中的碳水化合物“庫”,其活性包括參與碳水化合物代謝的關鍵酶的活性及其編碼基因的轉錄表達能力[28]。Zhang等[29]研究表明,孕穗期短期低溫脅迫會導致灌漿期籽粒中關鍵淀粉合成酶活性降低,從而降低了籽粒淀粉的積累、灌漿率及干物質的積累,最終降低了產量。在嚴重缺水條件下,弱勢籽粒由于在灌漿中期淀粉合成相關酶活性顯著下降以及灌漿后期腹部韌皮部組織的運輸能力顯著降低,粒重比強勢籽粒降低更快[30]。因此,淀粉合成關鍵酶活性及其編碼基因表達是灌漿過程中籽粒淀粉積累的生理限制,會顯著影響籽粒干物質積累。

SuSy是小麥籽粒灌漿中蔗糖代謝關鍵酶,催化蔗糖和尿苷二磷酸生成UDP-Glu和果糖, 為淀粉合成提供前體物質[31-32]。雖然INV也能催化蔗糖降解,轉化為葡萄糖和果糖[33],但小麥弱勢籽粒中SuSy活性基本與強勢粒中酸性INV的活性相當[34]。在籽粒淀粉快速積累期間,SuSy活性明顯高于INV,表明對蔗糖降解起主要作用的是SuSy[35]。亞精胺能顯著提高小麥弱勢籽粒SuSy和酸性INV活性,增加弱勢籽粒中蔗糖含量,最終促進弱勢籽粒灌漿和粒重增加[36]。此外,轉錄因子TaNAC019能與SuSy編碼基因TaSuSy1和SSS編碼基因TaSSIIa直接結合并被激活表達,調控小麥籽粒淀粉的積累[37]。這表明小麥籽粒庫活性是產量的重要限制因素[15]。

AGPase是籽粒淀粉合成的中樞調節(jié)和關鍵酶,催化葡萄糖-1-磷酸和ATP形成ADP-Glu和焦磷酸,決定淀粉合成和積累速率[9,29]。AGPase是由兩個大調節(jié)亞基(LSU/AGPL)和兩個小催化亞基(SSU/AGPS)組成的異四聚體[38]。AGPL1亞基和AGPS1亞基定位于細胞質,而AGPL2和AGPS2定位于質體[39],分別在胞質和質體中獨立產生淀粉[38]。小麥胚乳中的AGPase主要作用于胞質,其產物從細胞質運輸到質體中進行淀粉合成[25]。Jiang等[19]研究表明,在小麥灌漿過程中,強勢籽粒的AGPase平均活性比弱勢籽粒高11.9%。有學者試圖通過增加胞質AGPase活性來提高產量,但除了在某些脅迫條件下外,田間產量并沒有得到顯著提高[40]。此外,AGPase活性與小麥籽粒支鏈淀粉積累率顯著相關[19]。TaAGPL1基因編碼胞質AGPase大亞基,調控AGPase活性與淀粉積累速率形成相似的變化;過表達TaAGPL1也能顯著提高小麥籽粒中AGPase的活性,從而提高籽粒淀粉含量和積累速率[38,41]。TaAGPL2基因編碼質體AGPase大亞基,調控千粒重[42]。胞質AGPase亞基的轉錄水平比質體亞基的高10～100倍,表明小麥胚乳發(fā)育過程中將葡萄糖-1-磷酸和ATP轉化為ADP-Glu的反應主要由細胞質TaAGPL1/S1復合物控制[39]。

SSS將葡萄糖殘基從ADP-Glu轉移到淀粉引物分子上[19],并負責支鏈淀粉中α-1-4糖苷鍵的延伸[6]。小麥SSS有4種亞型為SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ、SSⅣ;其中SSⅡ有3種亞型,為SSⅡa、SSⅡb和SSⅡc;SSⅢ有2種亞型,為SSⅢa和SSⅢb;而SSⅣ只有1種亞型SSⅣb[6,39]。亞細胞定位分析顯示,SSⅠ、SSⅡa、SSⅡb、SSⅡc、SSⅢa和SSⅢb在質體中分布[39]。TaSSI一般在籽粒灌漿全期表達[28];TaSSⅡ和TaSSⅢ在籽粒灌漿早期和中期表達[28],其中,TaSSⅢa主要在籽粒中表達,而TaSSⅢb則在根、葉、芽、穗和籽粒中均有表達[43]。SSI主要負責支鏈淀粉短鏈的合成,即鏈長聚合度(degree of polymerization,DP)≤10,SSII和SSIII則主要進一步對短鏈進行延伸[44],其中SSIIa通過延長支鏈淀粉的短鏈參與中鏈的合成(DP 11-25)[45-46]。已有研究表明,TaSSIIa的缺失突變后籽粒中支鏈淀粉短鏈富集、中鏈缺失,A-型淀粉顆粒嚴重扭曲、不呈橢球形,B-型淀粉顆粒變少、不呈球形[47]。TaSSⅡa的無效突變也會致使籽粒淀粉含量減少,使粒寬減小及千粒重顯著下降[48]。SSⅢa活性的缺失會導致淀粉表型發(fā)生顯著變化,包括A-型淀粉顆粒變小及淀粉顆粒形態(tài)的改變[43]。Teng等[49]在水稻花后適度干燥土壤后發(fā)現,SSIIIa活性的顯著增加能提高弱勢籽粒中淀粉的積累。TaSSⅣ缺失突變并不改變籽粒中總淀粉含量、組成和支鏈淀粉的結構,但導致胚乳中淀粉顆粒形態(tài)高度異常,即形成復合淀粉顆粒并取代大多數A-型淀粉顆粒[50]。此外,TaSSIVb-D在小麥臨時淀粉的形成中起著重要作用,TaSSIVb-D突變會導致小麥臨時淀粉顯著減少[51]。

GBSS利用ADP-Glu延長低聚麥芽糖,在支鏈淀粉基質內產生直鏈淀粉[52]。GBSS活性與籽粒直鏈淀粉積累率顯著相關[19],與淀粉含量和千粒重呈正相關[29]。小麥GBSS有2種亞型:GBSSI和GBSSII[3]。GBSSI在籽粒灌漿全期表達[7],負責直鏈淀粉的合成[3],GBSSI基因的產物被稱為蠟質(Wx)蛋白[3]。GBSSI并不限制支鏈淀粉的合成,Wx蛋白的完全缺失通過抑制葡聚糖鏈的伸長來影響淀粉顆粒的生長,如淀粉顆粒大小的分布,并且完全蠟質淀粉中的C-型淀粉顆粒相對于非蠟質淀粉增加了37%[11]。GBSSII主要催化非貯藏組織,如葉片、莖稈葉綠體中臨時淀粉的合成[53],它在籽粒灌漿全期表達量較低[39],其活性受磷酸化所調控[54],還負責支鏈淀粉長鏈的合成[45]。

SBE裂解葡聚糖中的α-1,4鍵,通過α-1,6鍵重新連接該鏈來催化分支點的形成,從而合成支鏈淀粉[55-56]。在籽粒胚乳中,SBE的缺失會改變淀粉的形態(tài)和結構,形成異質淀粉顆粒[55],其活性與千粒重顯著相關[29]。小麥SBE有3種亞型:SBEI、SBEII和SBEⅢ;SBEII有2種亞型:SBEIIa和SBEIIb[28,35]。SBEI和SBEII底物特異性不同,即SBEII轉移短鏈,比SBEI有更高的支鏈淀粉親和力以及更高的直鏈淀粉分支率[44]。TaSBEIIa和TaSBEIIb基因在胚乳發(fā)育后期優(yōu)先表達,可能參與B-型淀粉顆粒的形成[56]。SBEIIa參與支鏈淀粉短中鏈(DP≤12)的合成并且作用于直鏈淀粉的長鏈;而SBEIIb修飾支鏈淀粉中相對較長的分支,對直鏈淀粉合成影響不顯著[57]。已有研究表明,TaSBEIIa缺失會導致中鏈(DP為9～16)顯著減少、長鏈(DP>30)顯著增加,即中鏈被異常地延伸至更長的鏈且產生了類似直鏈淀粉的線性結構[47]。同時,TaSBEIIa缺失也會導致籽粒中A-型淀粉顆粒會發(fā)生變形,幾乎無B-型淀粉顆粒的存在[47]。此外,RNA干擾TaSBEIIa和TaSBEIIb的表達能增加籽粒直鏈淀粉的含量[58]。TaSBEⅢ在小麥灌漿全期表達,這意味著TaSBEⅢ基因的功能可能不同于SBEI基因,其功能可能與小麥籽粒中A-和B-型淀粉顆粒的合成均有關[56]。此外,TaSBEⅢ-A的等位基因T與千粒重顯著相關,可能有助于籽粒產量的提高[59]。

DBE水解α-1,6糖苷鍵,主要去除定位不當的鏈,催化分支點的形成[55]。小麥DBE有ISA和PUL2種亞型,ISA有ISA1、ISA2和ISA3 3種亞型[39,52]。研究表明,抑制TaISA1的表達會導致淀粉含量顯著下降,TaPUL和TaSuSy的表達量顯著降低[7]。同時,ISA1活性降低也會導致支鏈淀粉短鏈(DP <10)和長鏈(DP >39)減少,而中長鏈(DP為10～39)增加[60]。此外,夜間高溫能會誘導TaISA3等淀粉降解酶轉錄水平的增加,從而限制小麥籽粒中淀粉的合成和積累[61]。

3 其他影響因素

籽粒作為主要的碳水化合物庫,其容量和活性強度不僅受蔗糖-淀粉代謝關鍵酶及編碼基因的調控[7],也存在其他影響因素,如激素、ATP酶、氮代謝相關轉運體和酶等[62-63]。

籽粒庫容量取決于胚乳細胞及其所含淀粉體的數量[62]。Yan等[62]研究發(fā)現,小麥強勢籽粒胚乳細胞數明顯高于弱勢籽粒,且最終粒重和淀粉積累與胚乳細胞數呈正相關。Luo等[1]認為,去除小麥強勢籽粒也會顯著促進弱勢籽粒胚乳細胞分裂及相關酶活性,從而增強其吸收從莖運輸的碳水化合物的潛力。小麥葉面施鉀能誘導籽粒中玉米素(zeatin,Z)和玉米素核苷(zeatin riboside,ZR)含量的增加,進而促進胚乳細胞分裂,增加弱勢籽粒的庫容量[64]。在260 mm降雨條件下,保護性耕作(不進行翻耕,玉米秸稈按干重7 000 kg·hm-2進行覆蓋)也能顯著增加小麥弱勢籽粒中生長素(indole-3-acetic acid,IAA)的含量,從而刺激籽粒中胚乳細胞的分裂,進而促進籽粒灌漿[65]。

籽粒庫活性主要指代謝活性[66],并且高庫活性顯著促進同化物從源到庫的運輸[64]。植物激素與谷物的庫活性顯著相關,其中多種激素參與調節(jié)谷物的庫活性[67]。Yang等[35]發(fā)現,SuSy、SSS和SBE的活性與脫落酸(abscisic acid,ABA)含量顯著正相關,AGPase活性與ABA含量相關。Lv等[64]研究表明,葉面施鉀可以增加籽粒中ABA含量和乙烯(ethylene,ETH)進化速率,促進庫活性和碳水化合物從莖向籽粒的運輸,從而提高庫容量。此外,ETH可以作為信號誘導α-淀粉酶的合成,通過抑制水稻中蔗糖向淀粉轉化的關鍵酶來降低淀粉積累和灌漿速率[10]。與細胞分裂素(cytokinin,CTK)相比,籽粒中較高的ETH進化速率抑制了SuSy和AGPase的活性和淀粉的合成,從而抑制了小麥的籽粒灌漿[68]。小麥籽粒中高Z和ZR的含量促進了籽粒中SuSy和AGPase的活性和淀粉的合成,促進了籽粒灌漿[68]。這也表明多種激素可能對蔗糖-淀粉途徑中關鍵酶活性有重要的調控作用。此外,外源施用亞精胺促進弱勢籽粒蔗糖分解相關酶活性的提高和蔗糖卸載,從而顯著提高弱勢籽粒對蔗糖的接收能力,最終促進蔗糖從莖向弱勢籽粒的運輸[36]。這表明多胺可能促進小麥籽粒中蔗糖從莖向弱勢籽粒運輸,從而增加弱勢籽粒的庫活性[36]。在嚴重缺水條件下,灌漿后期籽粒的中間細胞和韌皮部薄壁細胞質膜上ATP酶活性的降低也是導致粒重顯著降低的原因[63]。此外,氮代謝與轉運也顯著影響小麥籽粒庫活性與強度[69-71]。周 琴等[70]研究發(fā)現,小麥弱勢籽粒氨基酸含量較強勢籽粒高,但積累量較強勢籽粒低,表明弱勢籽粒轉化合成蛋白質能力差,庫強度較差。籽粒胚乳中過表達氨基酸轉運體TaAAP13可以通過增強籽粒氮的吸收能力來提高庫強度,從而顯著增加籽粒大小和重量[71]。谷氨酰胺合成酶同工酶的時空分布及其在“源-流-庫”組織中基因和蛋白亞基的表達也影響了碳/氮的轉運與合成,從而影響庫的強度[69]。這也表明,同化物的貯存能力和轉化合成能力差異確實是小麥強、弱勢籽粒發(fā)育差異的影響因素。建議進一步分析上述3種影響小麥籽粒淀粉合成因素的關系。

綜上所述,庫是影響小麥籽粒淀粉合成的主要因素,包括庫容量與庫活性。庫容量主要取決于胚乳細胞數量的多少,屬于物理限制[72];庫活性主要取決于參與光同化物利用和貯藏的多種因子和關鍵酶作用能力的高低,屬于生理限制[66]。同時,庫容量也決定了籽粒同化物積累的最大空間,為淀粉的積累奠定基礎[66];庫活性維持籽粒代謝活躍狀態(tài),調控淀粉的合成、分布與積累。二者共同調節(jié)光同化物的分配與轉化,影響最終粒重。

4 展望

小麥籽粒淀粉合成是一個復雜的生化過程,籽粒灌漿程度既制約產量,又影響品質。蔗糖-淀粉代謝途徑相關基因及酶的表達參與籽粒庫的建成和調控,探究其在小麥籽粒發(fā)育中的作用,能對破解籽粒發(fā)育差的難題提供理論基礎。因此,后期應進一步對以下幾個方面進行研究:(1)從蔗糖等關鍵可溶性糖的運輸與卸載、籽粒內淀粉合成關鍵酶基因表達以及糖信號的調控等方面系統(tǒng)闡明小麥籽粒淀粉合成的生物學過程;(2)通過外源激素單一或復合噴施,結合糖代謝關鍵酶活性的變化,探明促進小麥淀粉合成的有效調控途徑,以期對實現小麥乃至谷類作物的高產、優(yōu)質提供實踐意義。