高新科技引領(lǐng)淀粉行業(yè)發(fā)展步伐

李偉娟

像眾多留學生一樣，姚新靈也有一顆熾熱的愛國心，2000年，歷經(jīng)三年的留學生涯后他毅然回國，并在寧夏大學從事教學和科研工作。因為曾師從馬鈴薯基因組測序發(fā)起人著名科學家Richard Visser教授，受其啟發(fā)，他的研究興趣主要有“淀粉生物合成基因表達調(diào)控及代謝生物學”和“茄科植物發(fā)育分子機制及轉(zhuǎn)錄組學及發(fā)育生物學”等方面。尤其是在高粘度和高產(chǎn)量淀粉的品系研究方面頗具成就。

回國后的十幾年時間，姚新靈圍繞自己的研究領(lǐng)域，先后主持完成國家科技計劃資助課題6項，地方資助課題5項，參加國家科技計劃3項，申請國家發(fā)明專利4項，獲得高淀粉及高粘度馬鈴薯轉(zhuǎn)化子9個，累計培養(yǎng)畢業(yè)研究生15名，發(fā)表論文40余篇。建立了空間、時間和基因型三維水平識別細胞分化及發(fā)育特異表達基因的轉(zhuǎn)錄子消減雜交（TSH）方法。期間，他還承擔了生物化學及分子生物學專業(yè)碩士研究生《植物分子生理學》、《植物基因工程》及《分子遺傳學》、生物技術(shù)專業(yè)本科生《分子生物學》、《分子遺傳學》課程的講授。

淀粉，為人類的發(fā)展做出了重要貢獻

姚新靈教授介紹說，淀粉是植物利用光能聚合二氧化碳和水形成的大分子物質(zhì)，作為最為重要的天然物質(zhì)之一供養(yǎng)了人類的文明進化；淀粉存在于自然界的歷史同于植物存在地球的時間，盡管經(jīng)過漫長的改良，我們今天每年可收獲更多的淀粉，但對淀粉品質(zhì)有限的了解，極大地限制了這一天然大分子的應(yīng)用范圍。

淀粉品質(zhì)決定了其用途和應(yīng)用范圍，葡萄糖分子間以alfa（1-4）糖苷鍵連接形成直鏈淀粉，直鏈淀粉中多處存在以alfa（1-6）糖苷鍵連接的葡萄糖鏈分支形成的分子，稱作支鏈淀粉；直鏈和支鏈分子在淀粉中所占比重、淀粉粒大小等等均是淀粉品質(zhì)的決定因素。

經(jīng)過多年的研究，姚新靈教授總結(jié)了目前改變淀粉品質(zhì)的途徑：alfa（1-4）糖苷鍵連接的直鏈葡聚糖是alfa（1-6）糖苷鍵（分支鏈）合成的前提，ADP-葡萄糖供應(yīng)波動的緩沖，相對增加了ADP-葡萄糖的供應(yīng)，有望增加直鏈葡聚糖中alfa（1-6）糖苷鍵的形成，從而提高支鏈淀粉合成，改變最終淀粉的品質(zhì)。

植物體內(nèi)腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）是由兩個大亞基和兩個小亞基組成的異源四聚體酶，代謝合成淀粉生物合成所需的底物ADP-葡萄糖。光照周期調(diào)控AGPase翻譯后氧化還原修飾，決定著淀粉的生物合成效率。夜間兩小亞基以二硫鍵共價連接，AGPase呈失活的氧化態(tài)，白天依賴NADP-硫氧還蛋白還原酶（NTRC）解離共價連接，AGPase寡聚體呈激活的還原態(tài)。

在和可溶性淀粉合成酶和去分支酶的共同作用下，淀粉粒結(jié)合淀粉合成酶（GBSSI）和淀粉分支酶（BE）分別以ADP-葡萄糖為底物催化糖苷鍵的形成，其中前者催化alfa（1-4）糖苷鍵合成，實現(xiàn)直鏈淀粉合成，后者催化alfa（1-6）糖苷鍵合成，實現(xiàn)支鏈合成。

工業(yè)淀粉需求巨大，但是很難規(guī)模發(fā)展

姚教授說，工業(yè)淀粉主要來源玉米、馬鈴薯和木薯等作物，但是受耕地面積和作為飼料巨大需求的限制，以玉米為原料加工淀粉的產(chǎn)業(yè)正在逐漸淡出淀粉市場，在我國情況尤其如此。同時，組成淀粉的葡萄糖間糖苷鍵連接決定著淀粉品質(zhì)，傳統(tǒng)植物育種技術(shù)無法實現(xiàn)分子間連接方式的改變；基因工程技術(shù)則是以對分子進行定向改良見長。因此為了充分發(fā)揮淀粉作為光能聚合載體的潛力，自基因工程技術(shù)誕生以來，對淀粉分子改良的腳步就未停止過。

在國際市場對淀粉巨大需求的驅(qū)動下，高出粉率、高粘度淀粉更是炙手可熱。過去十多年，國際化工巨頭、如荷蘭Avbe和德國BASF及Unika旗下等巨頭紛紛投資于淀粉品質(zhì)改良的育種研究，取得了許多育種成果。德國Basf公司已獲批相關(guān)基因?qū)＠?.5萬個。

早在1992年，Basf公司通過基因工程途徑，將直鏈淀粉合成酶編碼基因GBSSI關(guān)閉，獲得了轉(zhuǎn)化株系A(chǔ)mflora（EH92-527-1），田間試驗表型測定結(jié)果表明，其塊莖淀粉中支鏈淀粉含量在90%以上；這是淀粉在紡織和造紙等應(yīng)用領(lǐng)域運用近百年來，首次對其改良的突破。

據(jù)稱由Amflora加工的高粘度淀粉，在紡織和造紙等應(yīng)用領(lǐng)域只需傳統(tǒng)淀粉用量的五分之一，即可達到同樣的使用效果；歐盟民眾多年來一直抵制在西歐種植轉(zhuǎn)基因作物，但鑒于Amflora淀粉性能的巨大誘惑，2010年歐盟批準BASF在歐洲種植Amflora，據(jù)預測Amflora 淀粉可年創(chuàng)3000萬歐元產(chǎn)值。

我國適宜木薯種植的土地有限，產(chǎn)能受到影響，而適宜馬鈴薯種植的長江以北及西部和東部省區(qū)廣大區(qū)域具有淀粉生產(chǎn)的巨大潛力，但是用于工業(yè)淀粉加工的馬鈴薯仍占少數(shù)。2010年，我國馬鈴薯種植面積達到7808萬畝，居于世界第一，用于淀粉加工的馬鈴薯只占總產(chǎn)的5%，且淀粉大多僅局限于食品添加劑的狹窄用途，遠落后于發(fā)達國家20%加工的水平，更無高端淀粉生產(chǎn)，從而制約了高級紙張、高端紡織品、高端化工產(chǎn)品的生產(chǎn)，這些產(chǎn)品長期依賴進口。

包括內(nèi)蒙在內(nèi)的西北馬鈴薯產(chǎn)區(qū)占我國馬鈴薯種植面積的三分之二，從生產(chǎn)到加工的完整馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈是相關(guān)省區(qū)的農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)之一；近年，國際巨頭技術(shù)進步對產(chǎn)區(qū)的可持續(xù)發(fā)展帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，龍頭企業(yè)的加工效益急劇下降，問題的核心是馬鈴薯產(chǎn)量低、加工品質(zhì)不高。國內(nèi)的淀粉技術(shù)改良迫在眉睫，只有創(chuàng)新科技，才能真正助力國家經(jīng)濟的發(fā)展。

科技創(chuàng)新，引領(lǐng)經(jīng)濟發(fā)展

姚新靈教授帶領(lǐng)課題組，緊緊圍繞阻礙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心的問題，在過去的15年間，開展了通過分子生物學及基因工程途徑調(diào)控淀粉生物合成的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，期間先后6次得到國家相關(guān)科技計劃的支持，其中淀粉品質(zhì)改良研究取得了預期的結(jié)果，先后獲得了高粘度和天然交聯(lián)淀粉品系，品系淀粉具體技術(shù)參數(shù)如下。

高粘度淀粉性能指標：該項目高粘度淀粉的粘度比國內(nèi)產(chǎn)同類淀粉高出30%以上，與德國Basf尚未上市的Amflora淀粉水平持平。

天然交聯(lián)淀粉性能指標：直鏈淀粉含量（≤11）顯著低于非交聯(lián)對照，粘度高于或等同于化學交聯(lián)淀粉，動態(tài)熱穩(wěn)定性抗剪切性高于化學交聯(lián)淀粉；目前國際范圍尚未檢出內(nèi)源（天然）交聯(lián)淀粉及相關(guān)產(chǎn)品。

姚教授還將項目技術(shù)及產(chǎn)品特點做了以下介紹：

1、重組基因組成及結(jié)構(gòu)的唯一性

檢索Pubmed、Genbank和各類專利數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)，到目前為止有2個重組基因用于馬鈴薯淀粉品質(zhì)改良，一個是Monsanto公司用Patatin啟動子驅(qū)動的glgC16的重組基因，另一個是Basf公司用于Patatin啟動子驅(qū)動反義GBSSI的重組基因。本項目完成了4個重組基因構(gòu)建，其中，重組基因組成中的glgC由本項目獨立完成分離，序列比對發(fā)現(xiàn)，其編碼的氨基酸序列中有3個特異突變尚未見報道。

2、多個基因操作進行淀粉品質(zhì)改良

Avebe和Monsanto公司分別以GBSSI和glgC16單個基因為目的基因，經(jīng)過基因工程途徑獲得了高產(chǎn)和低直鏈淀粉品系，因其報道極為有限，兩者所產(chǎn)淀粉的性能指標尚不了解，但可以肯定的是單個基因操作所能達到的淀粉品質(zhì)改良效果有限。

本項目首次采用多個基因，包括glgC、AGPase小亞基編碼基因和GBSSI 3個基因的操作，達到了提高淀粉含量、改變其組成和結(jié)構(gòu)增強粘度的育種目的；國內(nèi)已用的馬鈴薯品種主要是通過傳統(tǒng)育種方法的，且對淀粉品質(zhì)改良的育種尚未見報道。

3、首創(chuàng)內(nèi)源交聯(lián)淀粉

傳統(tǒng)上，交聯(lián)淀粉只能通過化學變性方法獲得，本項目通過基因工程方法獲得了含有天然內(nèi)源交聯(lián)淀粉的品系，在不改變產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)條件的前提下，依此品系為原料品種，可生產(chǎn)獲得最終產(chǎn)品——內(nèi)源交聯(lián)淀粉，內(nèi)源交聯(lián)淀粉屬于技術(shù)國際領(lǐng)先的全新產(chǎn)品。

4、國內(nèi)首創(chuàng)高粘度淀粉

本項目獲得的高粘度淀粉的品系，在不改變產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)條件的前提下，依此品系為原料可生產(chǎn)獲得最終產(chǎn)品---高粘度淀粉，屬于國內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先的全新產(chǎn)品。

姚新靈教授研究的課題具有極大的經(jīng)濟價值和社會價值，如今取得了斐然的成績，姚教授并未停下科研的腳步，他將繼續(xù)帶領(lǐng)科研小組為祖國的經(jīng)濟發(fā)展提供強大的科技支撐，為實現(xiàn)祖國的強國夢而奉獻自己的力量。endprint