禾本科作物籽粒淀粉化學組分及生物合成研究進展

銀永安，李衛(wèi)華，齊軍倉，曹連莆* ，陳 林

(1石河子大學農(nóng)學院，新疆石河子832000;2新疆天業(yè)(集團)有限公司，石河子832000)

水稻、小麥、玉米和高粱等禾本科作物籽粒的主要成分為淀粉，它不但為人類和動物提供了營養(yǎng)和能量而且也是生物鏈的主要碳源[1]。

在世界每年生產(chǎn)的禾谷類作物中，淀粉占到了100億噸，有80%左右被人們用作食物和飼料，淀粉制造業(yè)和化工僅用到淀粉總量的3%左右[2];此外，在糖果外皮、高檔面包和糕點加工業(yè)中淀粉充當了不可缺少的角色[3，4]。長期以來，禾本科作物籽粒的蛋白質和優(yōu)質氨基酸研究一直受到廣大科技工作者的青睞，淀粉對作物品質及食品加工品質的作用一直被忽略[5，6]。近年來，隨著淀粉廣泛用于食品、化工和紡織領域，其研究越來越受到人們的重視。本文通過對禾本科作物籽粒淀粉化學組分的分析以及淀粉生物合成原理的剖析，旨在為將來作物淀粉的深入研究做鋪墊。

1 淀粉的化學組分及結構

目前研究一致認為，禾本科作物淀粉基本上由α－D葡糖聚合物(直鏈淀粉和支鏈淀粉)組成，此外包括少量的脂類、蛋白質、己糖、戊聚糖、磷、硅等成分[7～9]。淀粉是一種多糖，是葡萄糖之間通過分子間縮合構成的，根據(jù)分子的鏈條形狀不同可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉約占總淀粉質量的20% ～25%，主要由α－1，4糖苷鍵連接而成(圖1 A)，基本上呈線型，分子相對質量小[10]。支鏈淀粉約占總淀粉質量的75% ～80%，由短的α－1，4糖苷鍵相連再通過α－1，6糖苷鍵連接成的高度分支的葡萄糖聚合體(圖1 B)，其分子相對質量較大[11]。

閻隆飛等和van Buynum的研究一致認為，直鏈淀粉和支鏈淀粉都能溶于水，但直鏈淀粉的水溶性要好于支鏈淀粉[11，12]。直鏈淀粉與碘結合，顯藍色反應，其最大的吸收峰在644 nm，被水解時可產(chǎn)生大量麥芽糖;而支鏈淀粉不易與碘結合，呈紅紫色，其最大的吸收峰在554～556 nm，水解產(chǎn)物為異麥芽糖等雙糖，并可進一步分解成葡萄糖[12]。

圖1 直鏈淀粉(A)和支鏈淀粉(B)結構示意圖

2 淀粉的生物合成與關鍵酶

2.1 淀粉的生物合成過程

淀粉的生物合成是在植物體內(nèi)葉綠體(Chloroplast)和淀粉體(Amyloplast)中完成的。高等植物葉片等綠色器官通過光合作用可以產(chǎn)生臨時性的游離態(tài)淀粉，被稱為“臨時淀粉”，這類淀粉理化性質變化較大，常常在夜間分解成蔗糖輸送到植物的根部、莖、葉鞘、果皮、籽粒等其它組織[13]。據(jù)潘慶民等研究報道，小麥籽粒胚乳中的淀粉是葉片和莖稈等器官制造的光合產(chǎn)物以蔗糖形式經(jīng)過莖干韌皮部長距離運輸至籽粒后，再經(jīng)一系列淀粉酶的催化作用才能轉化為淀粉[14]。

淀粉生物合成機理至今仍是一個謎。它是一個非常復雜的過程，尤其是參與淀粉合成的一些生化酶的作用機理當前還不清楚。不過，多數(shù)學者認為小麥胚乳淀粉最初的原料來自葉片及莖干中合成的臨時淀粉降解產(chǎn)生的蔗糖。

如圖2所示，葉片和莖干的蔗糖首先通過韌皮部運輸至小麥籽粒，在籽粒胚乳胞液中由蔗糖合成酶(SuSy)催化分解為果糖和UDP－葡萄糖，繼而形成6－磷酸葡萄糖(G6P)或1－磷酸葡萄糖(G1P)，G1P進入籽粒胚乳造粉體后可以在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBE)以及淀粉去分支酶(DBE)共同作用下合成直鏈淀粉和支鏈淀粉[15]。

圖2 小麥籽粒胚乳淀粉生物合成(Jenner等，1993)

2.2 參與淀粉生物合成的關鍵酶

首先，高等植物要通過葉綠體光合作用的卡爾文循環(huán)來固定CO2，先形成葡萄糖，繼而形成蔗糖。由于淀粉體自身沒固定CO2的能力，所以它依賴于葉綠體通過韌皮部轉運過來的蔗糖作為淀粉合成的碳源[16]。其次，蔗糖在SuSy參與下水解后，以G1P形式進入造粉體中參加淀粉的合成。最后，在AGPP、GBSS共同作用下形成了直鏈淀粉;而在AGPP、GBSS、SBE和DBE共同作用下形成了支鏈淀粉[17]。參與淀粉合成的每種酶都有其同工酶，但這些同工酶在合成淀粉中的功能存在差異。因此，從游離蔗糖到合成淀粉，嚴格意義來講必須有SuSy、AGPP、SS、SBE和DBE這5種酶的參與。

2.2.1 蔗糖合成酶

高等植物的SuSy存在于細胞質中，是促進禾谷類作物籽粒中淀粉合成的第一步驟。它的具體作用為分解蔗糖產(chǎn)生果糖和UDPG，UDPG接著參加淀粉的合成。一般認為SuSy主要存在于植物淀粉合成組織和細胞壁中，起到分解蔗糖的作用。目前SuSy的3種同工型已從水稻中分離出，且由3個不同基因來編碼。Wang等通過原位雜交和蛋白印跡雜交表明，在發(fā)育種子中有3個SuSy基因都表達，它們的差異就是表達時間的早晚[18]。在胚乳發(fā)育早期表達的基因為SuSy1，所以其多數(shù)分布在種皮糊粉層細胞中，SuSy2在胚乳發(fā)育中期表達，在籽粒中分布比較廣泛，SuSy3在籽粒的灌漿高峰期才表達。3種SuSy表達時間順序說明，它們具有不同的分工。SuSy1主要功能是將蔗糖轉運到籽粒胚乳細胞中，再由SuSy2和SuSy3共同來水解蔗糖產(chǎn)生果糖和UDPG，此外，SuSy2還有持家酶的作用。在小麥中，只存在SuSy1和SuSy2這兩種同工酶，2種基因在小麥胚乳中的表達都很高，且SuSy2表達時間要早于SuSy1[19]。

2.2.2 腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶

腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)存在于大多數(shù)綠色植物葉片和貯藏器官中，它能催化G1P和ATP形成ADP－G，合成直鏈和支鏈淀粉的底物就是ADP－G。AGPP在淀粉合成中扮演淀粉生物合成的調(diào)節(jié)點角色，同時它也是淀粉合成的限速酶[20]。AGPP在高等植物中是以異源四聚體的形式存在的，主要由2個大亞基和2個小亞基組成。其中，分子量在56～60 kD是大亞基，為酶活性調(diào)節(jié)中心，分子量在50～55 kD為小亞基，是酶活的催化中心[16]。Ainsworth等在小麥籽粒胚乳cDNA文庫中篩選出了編碼AGPP小亞基的基因[21]。前人研究表明，兩種不同形式的AGPP在水稻、小麥、玉米和大麥等作物胚乳中都存在，而且分別以胞質的和質體的形式存在[22]。

此外，AGPP是變構調(diào)節(jié)酶的一種，但大麥胚乳中AGPP對3－PGA和無機磷酸的變構調(diào)節(jié)不敏感是個特例[23]。然而，據(jù)Gomez和Iglesias研究報道，在小麥胚乳中的AGPP對3－PGA的激活不敏感，但受無機磷酸，ADP和1，6－二磷酸果糖3者的共同抑制[24]。Stark等研究發(fā)現(xiàn)，將AGPP基因導入馬鈴薯中可使其淀粉含量平均提高30%左右[25]。

2.2.3 淀粉合成酶

SS在高等植物中充當葡萄糖轉移酶的角色，各種SS基因都是高度保守的[26]。SS以ADP－葡萄糖為底物，以寡聚糖為前體，通過α－1，4糖苷鍵不斷增加寡聚糖的葡萄糖單位。根據(jù)它在造粉體中的狀態(tài)，SS可分為GBSS和SSS。GBSS是因為保留在淀粉粒內(nèi)部而得名，是與直鏈淀粉合成直接相關的酶[27]。SSS存在淀粉粒的表層基質，催化支鏈淀粉生物合成[26]。但是，以上劃分不是絕對的，有很多SS既有可溶部分，又有許多與淀粉粒附著[28]。

GBSS包括2種類型，分別是GBSSⅠ和GBSSⅡ。分子量為60 kD酶是GBSSⅠ，它的功能是將ADP－G的葡萄糖殘基轉移到α－1，4－葡聚糖鏈的非還原性末端。據(jù)Vrinten和 Nakamura報道，在小麥中的GBSSⅠ存在于籽粒胚乳中，主要作用為負責直鏈淀粉的合成[27]。此外，它還能為支鏈淀粉的合成提供較長的鏈，以便在SBE催化下給直鏈上面加分支。GBSSⅡ，存在于小麥莖稈和葉片等營養(yǎng)器官，主要負責臨時直鏈淀粉的合成。在小麥中，GBSSⅠ有Wx－A1，Wx－B1和 Wx－D1這3個高度同源的waxy基因已被分離，且分別被定位于7A，4A和7D染色體上[29];其中Wx－B1基因比Wx－A1和Wx－D1基因的缺失對直鏈淀粉含量減少的作用影響更顯著[30]。2001年，F(xiàn)ujita等對玉米和二倍體小麥籽粒胚乳中酶活的測定與分析，表明GBSSⅠ活性和Wx基因劑量呈正相關關系，但直鏈淀粉含量與Wx基因劑量不成正比例[31]。該結果說明除GBSSⅠ外，直鏈淀粉含量可能還受其它調(diào)控因子的作用。通過大麥Wx基因突變實驗可以合成少量的直鏈淀粉，GBSSⅠb被鑒定為第二種GBSS，與小麥GBSSⅡ的同源性有96.5%，但與大麥GBSSⅠ同源性只有65.3%的;因此，GBSSⅠ和GBSSⅡ之間相互協(xié)調(diào)共同作用來促進直鏈淀粉的生物合成[32]。

SSS是對溫度要求最苛刻的一種酶。禾谷類作物高產(chǎn)最適溫度為20～30℃，適度高溫盡管能提高光合作用的同化產(chǎn)物，但會使SSS失活，形成淀粉的催化作用嚴重受到影響，從而降低淀粉的合成[28]。SSS的最適溫度為20～25℃，當在35℃處理小麥種子30 min后，SSS活性就會降低一半，這種現(xiàn)象被稱為“Knock－down”[33]。由于過高溫度對淀粉合成有關的酶(如SuSy，AGPP，GBSS等)的活性影響不大，故SSS被稱作淀粉合成的溫度調(diào)節(jié)位點。SSS主要存在于質體的基質中，它與SBE、DBE一起合成支鏈淀粉。Commuri和Keeling的研究指出，SSⅠ整個C－末端區(qū)域對于結合淀粉是必需的;而且，SSⅠ結合的親和能力與底物鏈長呈正相關，而SSⅠ的催化能力與底物鏈長度呈負相關。在玉米SS突變體導致支鏈淀粉結構發(fā)生變化這個研究背景下，Wang等和Gao等提出了幾種SSS決定支鏈淀粉結構的模型[18，34]。根據(jù)模型解釋，最短鏈的合成由SSⅠ負責，較長的鏈由SSⅡ和SSⅢ共同負責合成。谷類作物胚乳中存在SSⅡa，而葉片和莖稈等光合組織中主要存在SSⅡb。此外，Edwards等對馬鈴薯酶研究表明，SSⅢ的反義抑制會導致支鏈淀粉鏈長分布改變，最終造成合成支鏈淀粉減少[35]。

2.2.4 淀粉分支酶

SBE是谷類作物籽粒支鏈淀粉合成的關鍵酶，又被稱作“Q”酶，它具有雙重催化功能。它既能切開α－1，4糖苷鍵，又能把切下的短鏈通過α－1，6糖苷鍵連接于較長受體直鏈上。該酶的催化反應不僅能產(chǎn)生支鏈的分支，而且其非還原端可供α－1，4 葡聚糖鏈進一步延伸以加長直鏈的長度[36，37]。WBE－ⅠAD(88 kD)、WBE－IB(87 kD)和 WBE－Ⅱ(88 kD)這3種同型體的SBE被通過免疫雜交從小麥胚乳中鑒定出;WBE－Ⅱ與玉米BEⅡ類似，而WBE－ⅠAD和WBE－ⅠB與玉米BEⅠ類似[38]。

SBE根據(jù)酶的結構、底物專一性和免疫反應等的不同，被分為同型體A和同型體B兩類[39]。較短的分支鏈主要由A型淀粉分支酶催化合成;而B型淀粉分支酶擅長轉移較長分支的鏈，所以它以直鏈淀粉為底物時活性明顯高于 A型分支酶[16，40]。Satoh等對水稻胚乳SBE研究表明，不同的SBE形式在胚乳淀粉合成中有不同的作用[41]。2000年Peng等對發(fā)育和成熟的小麥籽粒胚乳酶的研究發(fā)現(xiàn)，從胚乳A型淀粉顆粒中提取出了淀粉分支酶SBEIc有兩種變構蛋白 SGP－145kD和 SGP－140kD，而在B型淀粉粒上沒獲得這兩種產(chǎn)物。從而得出了 SGP－145kD和 SGP－140kD這兩種SBEIc變構蛋白與小麥A型淀粉粒形成有關的結論[42]。

2.2.5 淀粉去支酶

近年來研究發(fā)現(xiàn)，DBE在植物淀粉合成中也起重要作用[43]。DBE能特異性地水解淀粉中的α－1，6糖苷鍵，與α－淀粉酶的氨基酸序列具有很高同源性，所以被劃歸到淀粉水解酶家族。根據(jù)DBE催化底物的不同分為兩類:一類是異淀粉酶(Isoamylase，ISA)，另一類是普魯藍酶(Pullulanase，R)，也可稱為極限糊精酶或稱R酶;前者以支鏈淀粉或糖原為底物，去除它們的α－1，6糖苷鍵，而普魯藍酶以極限糊精為底物，特異去除它們的α－1，6糖苷鍵[16]。高等植物中ISA至少有3種同工酶，即ISA1、ISA2和ISA3，R酶沒有同工酶，在基因組中表現(xiàn)是單拷貝。James等、Ball等和Nakamura等分別對玉米、水稻Sugary－1突變體，衣藻Sta7突變體研究發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉在這些植物中合成雖減少，但積累了大量高度分支的、可溶性的支鏈淀粉，被稱作植物糖原(PG)[44～46]。

圖3 支鏈淀粉生物合成的修剪模型(Ball等，1996)

1996年，Ball等解釋DBE在高等植物淀粉合成中作用時提出了著名的“修剪模型”。如圖3所示，禾本科作物籽粒合成支鏈淀粉是通過 SSS，SBE，DBE這3種酶的連續(xù)的、循環(huán)的催化反應生成的[45]。最初，在SSS催化下在淀粉粒表面以短糖鏈為底物進行延伸，到一定長度后在SBE催化下形成分支鏈，接著DBE剪掉位置不合適的分支鏈;當分支鏈達到一定的長度，可再次作為SSS的底物進行下一輪延伸與修剪的循環(huán)。Nielsen等研究發(fā)現(xiàn)，未成熟淀粉顆粒表面有短的糖鏈存在，從而驗證了這個模型[47]。盡管Ball等提出的“修剪模型”能很好地解釋高等植物淀粉生物形成的過程，但還存在一些問題尚需研究。

3 結論

禾本科作物籽粒淀粉在組分上主要包含直鏈淀粉和支鏈淀粉，它們都是在籽粒淀粉胚乳細胞中形成的。直鏈淀粉形成是以腺苷二磷酸葡萄糖(UDPG)為底物，在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、直鏈淀粉合成酶(GBSS)和淀粉去分支酶(DBE)共同作用下合成的;而支鏈淀粉是在形成直連淀粉的基礎上，在淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶(DBE)反復作用下形成的。

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