?子科生物報(bào)道：最近，農(nóng)學(xué)院包勁松教授團(tuán)隊(duì)在Journal of Agricultural and Food Chemistry、Carbohydrate Polymers和International Journal of Molecular Sciences等雜志發(fā)表3篇研究論文，揭示水稻淀粉分支酶IIb（BEIIb）突變體（be2b）抗性淀粉含量增加伴隨產(chǎn)量下降的分子機(jī)制、抗性淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)形成機(jī)制及抗性淀粉生物合成的分子機(jī)制。

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一。淀粉是水稻胚乳的主要組分，約占精米干重的90%，主要由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。研究表明，攝入適量高抗性淀粉的稻米可以防止餐后血糖水平的急劇上升，并對(duì)糖尿病、肥胖癥和慢性腸病等起到積極預(yù)防作用。然而，普通水稻品種的抗性淀粉含量非常低(<2%)，解析水稻高抗性淀粉形成機(jī)制對(duì)創(chuàng)制高抗性淀粉水稻品種具有重要指導(dǎo)作用。

BEIIb基因是影響抗性淀粉含量的重要基因。利用CRISPR/Cas9基因編輯獲得水稻日本晴BEIIb突變體（be2b），其抗性淀粉含量較野生型WT增加了將近10倍，直鏈淀粉含量增加了1.4倍。但是，突變體的千粒重顯著下降。多組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，be2b胚乳中AMY2A和Pho等酶上調(diào)表達(dá)誘導(dǎo)淀粉降解，同時(shí)糖酵解相關(guān)蛋白的上調(diào)刺激了碳水化合物通過(guò)3-磷酸甘油酸進(jìn)行能量物質(zhì)的重新分配。SUS、UGP2和malZ等酶上調(diào)表達(dá)導(dǎo)致蔗糖、葡萄糖和果糖的積累。PK、ALT、GLN和GOT等酶的上調(diào)表達(dá)導(dǎo)致氨基酸及三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物的積累，其中檸檬酸和異檸檬酸的含量為野生型的21.2倍，顯著降低了be2b中能量物質(zhì)的轉(zhuǎn)化效率。此外，一系列乙酰輔酶A合成相關(guān)酶的下調(diào)又進(jìn)一步降低了能量轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)藏物質(zhì)的效率。因此，這些效應(yīng)共同作用導(dǎo)致了BEIIb突變后千粒重顯著下降。

圖1. Be2b突變體高抗性淀粉含量及千粒重下降的機(jī)理

對(duì)秈稻be2b突變體灌漿期胚乳發(fā)育過(guò)程中淀粉精細(xì)結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，be2b胚乳發(fā)育各階段均比野生型（WT）具有更高的直鏈淀粉含量及更多的支鏈淀粉長(zhǎng)鏈，從而能夠形成更高的抗性淀粉含量。be2b淀粉晶體結(jié)構(gòu)由開(kāi)花后5和10天的C型轉(zhuǎn)變?yōu)榛ê?5天的B型，而WT在所有發(fā)育階段均為A型。與A型和C型淀粉相比，B型淀粉通常具有更長(zhǎng)的支鏈淀粉側(cè)鏈且分支點(diǎn)間距較大，因而具有更高的抗消化性能。但在發(fā)育進(jìn)程中， WT和be2b中直鏈淀粉含量和支鏈淀粉A鏈比例均逐漸增加，而B2、B3鏈和平均鏈長(zhǎng)均逐漸下降。

圖2.be2b胚乳發(fā)育過(guò)程中淀粉結(jié)構(gòu)的變化（左：WT；右：be2b）

在淀粉生物合成過(guò)程中，淀粉合成相關(guān)酶通過(guò)蛋白質(zhì)互作形成多酶復(fù)合體行使功能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著胚乳的發(fā)育，在開(kāi)花后10天WT胚乳中形成的復(fù)合體數(shù)量逐漸增多，開(kāi)花后10、15天復(fù)合體逐漸增大，這樣有助于淀粉的高效合成。但be2b中各個(gè)時(shí)期的蛋白復(fù)合體數(shù)量明顯小于WT，且復(fù)合體分子量也明顯變小，從而阻礙了淀粉的有效合成，形成結(jié)構(gòu)變異的淀粉，但這種淀粉的抗消化性能提高。

圖3.be2b胚乳發(fā)育過(guò)程中淀粉合成復(fù)合體的變化（上：WT；下：be2b）

該研究成果與江西師范大學(xué)、廣西農(nóng)科院等單位合作完成，并得到國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。目前，該團(tuán)隊(duì)正在采取多種技術(shù)手段尋找BEIIb的調(diào)控因子和新互作蛋白，以期培育出更高抗性淀粉的水稻品種。