水稻胚乳淀粉合成及其育種應(yīng)用

李瑞清 譚瑗瑗 閆 影 張麗霞 曹黎明 吳書俊

(1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物育種栽培研究所,上海 201403； 2 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,安徽 合肥 230036；3 浙江大學(xué)新農(nóng)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(zhì),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(duì)稻米產(chǎn)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(shì)[4]的廣泛利用,水稻產(chǎn)量得到了顯著提升。 然而,隨著人民生活水平的提高,對(duì)稻米品質(zhì)的要求也越來越高,尤其是食味品質(zhì)(eating and cooking qualities,ECQs),決定了其在市場(chǎng)中的商品經(jīng)濟(jì)價(jià)值和消費(fèi)者認(rèn)可度,引起了消費(fèi)者和研究者們的廣泛關(guān)注[5]。 稻米品質(zhì)主要包括外觀特性、食味品質(zhì)和微量元素含量[6-7]。 稻米品質(zhì)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(guó)家和地區(qū)更關(guān)注食味品質(zhì)[8]。

淀粉不僅是植物體內(nèi)碳水化合物的主要貯藏形式,而且還具有重要的生物學(xué)功能和經(jīng)濟(jì)價(jià)值[9-10]。隨著優(yōu)質(zhì)稻米市場(chǎng)需求量的逐漸增加,充分了解淀粉合成及其調(diào)控機(jī)制對(duì)于稻米品質(zhì)的定向改良和標(biāo)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(guān)于淀粉合成的具體調(diào)控網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜,限制了對(duì)淀粉的定向改良[11-13]。 本文綜述了通過調(diào)控稻米淀粉合成以改良稻米產(chǎn)量和通過調(diào)控直鏈和支鏈淀粉合成以改良稻米食味品質(zhì)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(shí)踐指導(dǎo)。

1 水稻胚乳淀粉的合成途徑

水稻淀粉合成包括臨時(shí)淀粉合成和貯藏淀粉合成2 種類型。 臨時(shí)淀粉主要發(fā)生于光合器官的質(zhì)體中,受晝夜周期節(jié)律的調(diào)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(zhǎng)期儲(chǔ)存的淀粉合成則依賴于從胞質(zhì)中輸入碳前體,即蔗糖和ATP[11,16],這一過程主要通過蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體實(shí)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(zhì)中的一系列生化反應(yīng)完成[15,18]。 該過程從丙糖-P 到蔗糖合成共包括7 個(gè)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(gòu) 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(xì)胞中蔗糖的轉(zhuǎn)運(yùn)

葉片中合成的蔗糖通過共質(zhì)體或質(zhì)外體途徑轉(zhuǎn)運(yùn)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(xì)胞壁蔗糖酶將蔗糖分解為葡萄糖和果糖,然后由己糖轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)行胞間轉(zhuǎn)運(yùn)[11]；通過質(zhì)膜結(jié)合的特異性蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體和液泡蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體,將蔗糖轉(zhuǎn)入液泡進(jìn)行臨時(shí)儲(chǔ)存[22-23]；通過內(nèi)吞作用吸收蔗糖,然后轉(zhuǎn)入胚乳細(xì)胞的中央液泡中存儲(chǔ)[24](圖1)。

1.3 胚乳細(xì)胞中蔗糖→淀粉的轉(zhuǎn)化

轉(zhuǎn)入胚乳細(xì)胞中的蔗糖在細(xì)胞質(zhì)中經(jīng)過一系列生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為G6P 后,進(jìn)入淀粉體進(jìn)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(yīng)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(jié)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(gòu)酶( isoamylase,ISA) 和支鏈淀粉酶(pullulanase,PUL),用于切除由SBE 形成的錯(cuò)誤分支鏈；質(zhì)體淀粉磷酸化酶( plastidial starch phosphorylase1,Pho 1),用于淀粉晶體結(jié)構(gòu)的形成。

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

1.3.2 淀粉體中G6P→淀粉的轉(zhuǎn)化 胞質(zhì)中生成的G6P 進(jìn)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(zhì)中轉(zhuǎn)入[30]。 禾谷類胚乳細(xì)胞中也會(huì)集聚胞質(zhì)ADPG,在BT1 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用下進(jìn)入淀粉體用于淀粉的合成[31]。 因此,目前有研究者認(rèn)為,蔗糖通過胞質(zhì)SuSy酶作用分解為ADPG,然后ADPG 進(jìn)入淀粉體進(jìn)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(jìn)一步形成非溶性的半晶體狀淀粉顆粒,淀粉合成需要多個(gè)淀粉合成相關(guān)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(duì)稱酶(DPE)、質(zhì)體淀粉磷酸化酶(Pho1)和淀粉異構(gòu)酶(ISA)[10,14](圖1)。 Pho1 分別與DPE、BE 作用將ADPG 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為直鏈淀粉；而分支葡聚糖到支鏈淀粉的轉(zhuǎn)化則更為復(fù)雜[33]。 SSI、SSIIa 和SSIIIa 分別用于短鏈(6≤DP ≤12)、中間鏈(13≤DP≤24)和長(zhǎng)鏈(DP ＞25)的合成,而BEI 和BEIIb 分別用于內(nèi)、外分支的形成,ISA 用于切除非正確的分支鏈,SSIVa 則被認(rèn)為位于淀粉顆粒的中央,參與淀粉結(jié)構(gòu)的形成[33-34]。

2 胚乳淀粉合成途徑在育種中的應(yīng)用

通過常規(guī)育種方法改良稻米品質(zhì)較耗時(shí)且費(fèi)力,而利用基因工程、分子標(biāo)記輔助選擇等技術(shù)對(duì)目標(biāo)基因進(jìn)行調(diào)控,對(duì)水稻育種改良效果更佳且更方便。

2.1 調(diào)控淀粉含量改良稻米產(chǎn)量

2.1.1 促進(jìn)蔗糖的降解 由圖2可知,通過SuSy 活性的增強(qiáng),可促使蔗糖→淀粉的轉(zhuǎn)化,提高稻米的淀粉含量和產(chǎn)量。 研究表明,SuSy-過表達(dá)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(zhì)體中表達(dá)SuSy 以產(chǎn)生更多ADPG 從而提高淀粉含量。 其機(jī)理可能是SuSy 與酸轉(zhuǎn)化酶(acid invertase)通過競(jìng)爭(zhēng)底物蔗糖以調(diào)控淀粉的含量[35]；淀粉合成速率受SuSy-AGP-ADPG 轉(zhuǎn)運(yùn)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(diào)質(zhì)體腺苷酸激酶(plastidial adenylate kinase,PAK)的表達(dá),提高對(duì)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(diào)表達(dá)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(kù)增加[18]。

2.1.3 改變ADPG 的轉(zhuǎn)運(yùn) 通過增強(qiáng)BT1 蛋白的表達(dá),以增強(qiáng)對(duì)胞質(zhì)ADPG 向淀粉體的轉(zhuǎn)運(yùn),從而提高胚乳中淀粉含量[20,36]。bt1 突變體生長(zhǎng)異常且不育,這與胚乳淀粉體中ADPG 轉(zhuǎn)運(yùn)活力下降和淀粉缺失有關(guān)[37],同時(shí)可能與線粒體中某些代謝有關(guān)[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(zhì)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(qiáng)AGP 活性 通過增強(qiáng)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(nèi)異源表達(dá)大腸桿菌glgC基因,以產(chǎn)生AGP 異構(gòu)酶,可顯著增強(qiáng)種子中的AGP 活性[40]；二是通過異源表達(dá)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(dá)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(chǎn)量和食味品質(zhì)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(xì)胞中,淀粉的富集同時(shí)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(guān)酶GWD 在胚乳淀粉降解中具有重要的調(diào)控作用[45]。 高溫條件下,α-淀粉酶編碼基因的下調(diào)表達(dá)會(huì)增強(qiáng)淀粉的含量[44]。 然而,盡管GWD的下調(diào)表達(dá)也會(huì)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(shì)并不一致[45]。

2.2 調(diào)控直鏈/支鏈淀粉改良食味品質(zhì)

食味品質(zhì)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(zhì)、脂肪酸含量、膠稠度(gel consistency,GC)和蛋白質(zhì)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(xì)結(jié)構(gòu)決定了水稻籽粒的理化性質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和最終產(chǎn)量[51]。

水稻中,顆粒結(jié)合淀粉合成酶Ⅰ(granule bound starch synthase Ⅰ,GBSSI)過表達(dá)會(huì)提高AC 和GC 含量,但對(duì)GT 含量影響較??；SSII-3 過表達(dá)會(huì)降低AC、GC 和GT 含量；ISA和SBE3 過表達(dá)均會(huì)降低GC 和GT 含量[4,52]。 淀粉合成酶的過表達(dá)會(huì)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(duì)抗性淀粉的調(diào)控依賴于Wx基因的高表達(dá),而SSIIIa 突變則會(huì)降低Wx的表達(dá)進(jìn)而導(dǎo)致抗性淀粉含量下降和直鏈淀粉-脂質(zhì)復(fù)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(zhuǎn)運(yùn)、胚乳細(xì)胞中蔗糖到ADPG 的轉(zhuǎn)化、胚乳細(xì)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(xué)進(jìn)程和多個(gè)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(jī)制,利用分子生物學(xué)的技術(shù)和方法,定向改良稻米的產(chǎn)量和品質(zhì),將極大提高水稻育種改良的效率和精確度。

淀粉合成對(duì)稻米品質(zhì)的影響是水稻基礎(chǔ)科學(xué)研究熱點(diǎn)之一[12,52-53]。 然而,淀粉合成涉及一個(gè)復(fù)雜而有序的代謝網(wǎng)絡(luò)和細(xì)胞學(xué)進(jìn)程,需要多個(gè)淀粉合成酶的協(xié)同作用。 因此,通過淀粉合成的分子機(jī)制解析稻米產(chǎn)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(chǎn)物(如蔗糖)由韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)到胚乳細(xì)胞的調(diào)控機(jī)制；胚乳發(fā)育過程中,如何調(diào)控由未分化的前質(zhì)體到功能性淀粉體的轉(zhuǎn)化；在淀粉合成和淀粉結(jié)構(gòu)形成過程中相關(guān)蛋白復(fù)合體如何實(shí)現(xiàn)有序調(diào)控碳的高效利用；環(huán)境-基因互作如何調(diào)控不同淀粉晶體結(jié)構(gòu)的形成等均需要進(jìn)一步更深入的研究。