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  • 農學院包勁松教授團隊在水稻高抗性淀粉形成機制研究取得新進展

    【字體: 時間:2022年09月20日 來源:浙江大學農業生物技術學院

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      最近,農學院包勁松教授團隊在 Journal of Agricultural and Food Chemistry 、 Carbohydrate Polymers 和 International Journal of Molecular Sciences 等雜志發表 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量下降的分子機制、抗性淀粉精細結構形成機制及抗性淀粉生物合成的分子機制

      

    最近,農學院包勁松教授團隊在Journal of Agricultural and Food Chemistry、Carbohydrate PolymersInternational Journal of Molecular Sciences等雜志發表3篇研究論文,揭示水稻淀粉分支酶IIbBEIIb)突變體(be2b)抗性淀粉含量增加伴隨產量下降的分子機制、抗性淀粉精細結構形成機制及抗性淀粉生物合成的分子機制。

    水稻是我國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,并對糖尿病、肥胖癥和慢性腸病等起到積極預防作用。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制對創制高抗性淀粉水稻品種具有重要指導作用。

    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。多組學分析發現,be2b胚乳中AMY2APho等酶上調表達誘導淀粉降解,同時糖酵解相關蛋白的上調刺激了碳水化合物通過3-磷酸甘油酸進行能量物質的重新分配。SUS、UGP2malZ等酶上調表達導致蔗糖、葡萄糖和果糖的積累。PK、ALT、GLNGOT等酶的上調表達導致氨基酸及三羧酸循環中間產物的積累,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中能量物質的轉化效率。此外,一系列乙酰輔酶A合成相關酶的下調又進一步降低了能量轉化為儲藏物質的效率。因此,這些效應共同作用導致了BEIIb突變后千粒重顯著下降。

    1. Be2b突變體高抗性淀粉含量及千粒重下降的機理

     

    對秈稻be2b突變體灌漿期胚乳發育過程中淀粉精細結構研究發現,be2b胚乳發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鏈,從而能夠形成更高的抗性淀粉含量。be2b淀粉晶體結構由開花后510天的C型轉變為花后15天的B型,而WT在所有發育階段均為A型。與A型和C型淀粉相比,B型淀粉通常具有更長的支鏈淀粉側鏈且分支點間距較大,因而具有更高的抗消化性能。但在發育進程中, WTbe2b中直鏈淀粉含量和支鏈淀粉A鏈比例均逐漸增加,而B2、B3鏈和平均鏈長均逐漸下降。




    2.be2b胚乳發育過程中淀粉結構的變化(左:WT;右:be2b

     

    在淀粉生物合成過程中,淀粉合成相關酶通過蛋白質互作形成多酶復合體行使功能。進一步研究發現,隨著胚乳的發育,在開花后10WT胚乳中形成的復合體數量逐漸增多,開花后10、15天復合體逐漸增大,這樣有助于淀粉的高效合成。但be2b中各個時期的蛋白復合體數量明顯小于WT,且復合體分子量也明顯變小,從而阻礙了淀粉的有效合成,形成結構變異的淀粉,但這種淀粉的抗消化性能提高。




    3.be2b胚乳發育過程中淀粉合成復合體的變化(上:WT;下:be2b

     

    該研究成果與江西師范大學、廣西農科院等單位合作完成,并得到國家自然科學基金、浙江省自然科學基金等項目的資助。目前,該團隊正在采取多種技術手段尋找BEIIb的調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。

     

     

    論文鏈接:

    1. Chen Y, Luo L, Xu FF, Xu X, Bao JS (2022) Carbohydrate repartioning in rice starch branching enzyme IIb mutant stimulates higher resistant starch content and lower seed weight revealed by multi-omics analysis. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 70(31): 9802–9816. https://doi.org/10.1021/acs.jafc.2c03737

    2. Ying Y, Zhang Z, Tappiban P, Xu FF, Deng GF, Dai GX, Bao JS (2022) Starch fine structure and functional properties during seed development in BEIIb active and deficient rice. Carbohydrate Polymers, 29, 119640. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119640

    3. Ying Y, Xu FF, Zhang Z, Tappiban P, Bao JS. (2022) Dynamic change in starch biosynthetic enzymes complexes during grain-filling stages in BEIIb active and deficient rice. International Journal of Molecular Sciences, 23,10714. https://doi.org/10.3390/ijms231810714

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