水稻淀粉合成的分子生物学研究进展.docVIP

水稻淀粉合成的分子生物学研究进展 陈 娟 摘要　本文综述了水稻淀粉合成的分子生物学研究的必威体育精装版进展，主要内容是参与淀粉合成的酶鉴定及其基因表达调控，也介绍了对这些酶的遗传操作改良稻米淀粉品质等内容。 关键词　淀粉合成，分子生物学， 水稻 世界半数以上的人都以稻米为主食，稻米品质对人类健康非常重要。稻米胚乳的主要成份是淀粉，因此淀粉的含量和性质直接影响到稻米品质。研究稻米淀粉的合成及其性质对优质品种的选育有重要意义。而淀粉的合成与基因及酶的表达有重要关系。本文对参与淀粉合成的酶的鉴定及其基因表达调控作一简要介绍，也提到了对这些酶进行遗传操作，通过基因工程改良淀粉品质等研究内容。 1 参与淀粉合成的酶的鉴定及其基因表达调控 淀粉合成和积累发生在水稻种子发育的特定阶段，稻米淀粉的合成是由几个重要的酶所催化的。蔗糖是合成淀粉的主要原料，淀粉合成的3个关键酶即最后3个酶：ADPG焦磷酸化酶 (ADPG pyrophosphorylase, AGPP)，淀粉合成酶(starch synthase, SS)和淀粉分支酶(starch branching enzyme, SBE)，在调节淀粉合成和代谢中起重要作用。最近发现淀粉去分支酶 (starch debranching enzyme, DBE)在淀粉生物合成中也起到重要作用。其中每一个酶又分别有不同的同工型(isoform)，淀粉合成酶(SS)又可分为淀粉粒结合的淀粉合成酶(granule-bound starch synthase, GBSS)和可溶性淀粉合成酶(soluble starch synthase, SSS)，淀粉分支酶也至少有3种同工型，其中BEⅠ和RBE3研究得比较清楚。这些同工型在淀粉合成过程中功能不同。 ADPG焦磷酸化酶 (AGPP) AGPP催化葡萄糖-1-磷酸和ATP形成焦磷酸和ADP-葡萄糖 (ADPG)，ADPG是淀粉生物合成的最初葡萄糖基供体。在已研究过的光合作用植物和非光合作用植物组织中，AGPP催化的是淀粉合成过程中关键的调控步骤。叶片中的AGPP是一个受变构调节的酶，被3-磷酸甘油酸、二价阳离子(Mg2 +、Mn2 +)变构激活，被无机磷(Pi)抑制，而种子中的AGPP则对变构调节不敏感。 对水稻叶片中的AGPP免疫分析表明它是由2个不同的亚基(43和46kD)组成，而水稻胚乳中的AGPP只由一个亚基(50kD)组成，表明水稻叶片和胚乳中AGPP的亚基的数量和大小是不同的。用水稻AGPPcDNA作探针进行Northern杂交显示叶片AGPPｍRNA(2.1kb)比胚乳组织(1.9kb)稍大一点，水稻胚乳和叶片AGPP都是组织特异表达，基因组Southern分析表明水稻AGPP基因至少有3个拷贝，因此AGPP是由一个小的基因家族编码的，就限制性酶切片段差异而言，家族至少可分为2类(Krishnan等)。但Nakamura等从水稻发育胚乳AGPP中鉴定出6个多肽，分子量皆约为50kD, 研究还表明水稻胚乳中的AGPP是由带有相似氨基酸(AA)结构的亚基组成的四聚体，可能是一个多基因家族编码的产物，这些不同形式的AGPP在水稻胚乳淀粉积累过程中可能起到不同的作用。最近，Sardana等用5’-RACE(5’-末端快速扩增法)技术分离得到一个茎特异性的表达AGPP，它的序列与已有的序列有85%的同源性，但这个cDNA克隆比胚乳特异性的AGPPcDNA要长一点，而3’-非翻译区则完全不同。 Anderson等分离水稻胚乳特异表达的AGPP, 并对其基因结构序列进行分析表明在6kb序列中有10个外显子和9个内含子。对种子发育模式的基因表达的分析表明AGPP的mRNA转录物在开花后15天达到最高水平，与此时淀粉积累速率最高相一致，也证明正是基因表达限制了淀粉积累速率，而且AGPP是同时通过种子发育过程中转录水平调控和酶水平的变构调控淀粉合成。 由于淀粉是种子组织光合产物的主要库物质，通过调节AGPP的基因工程研究在马铃薯淀粉含量的调节上已有报道，若将AGPP基因导入水稻，在水稻种子的发育过程中表达，可使更多碳流流向淀粉合成。 1.2 淀粉粒结合的淀粉合成酶 (GBSS) 水稻胚乳直链淀粉的合成是由Wx位点控制的，该Wx位点的基因产物(Wx蛋白)是60kD左右的蛋白，紧密地结合在淀粉粒上。由于直链淀粉含量影响到稻米的品质和蒸煮特性，Wx位点的研究不仅在理解基因表达调控而且对农业应用都很重要。水稻Wx位点的基因是在1988年克隆出来的，为了研究水稻Wx位点基因调节的分子机制，Hirano等用玉米Wx+DNA克隆了一个水稻Wx+基因，并制备了水稻Wx+蛋白的抗血清(antiWxＰ血清 )，研究发现Wx+基因由许多外显子和内含子组成。推测的氨基酸序列表明W