植物调节淀粉合成的机制

生物学家利用水稻成功地阐明了植物通过光合作用调节淀粉生成量的机制。这些知识有助于提高农作物的质量和产量。

　　

这些研究成果于2021年5月14日发表在国际科学期刊《植物、细胞与环境》上。

要点

• 植物转化二氧化碳(CO₂)通过光合作用转化为有机物(如淀粉)。如果植物生长在CO浓度升高的环境中₂，它产生的淀粉量增加。

• CRCT(*1)蛋白水平在CO₂浓度升高。人们一直认为这种蛋白质能促进淀粉的合成，但它是如何做到这一点的以前并不知道。

• 研究小组发现14-3-3蛋白(*2)在crct介导的淀粉合成调控中发挥作用。

• 他们指出，CRCT在韧皮部维管束中合成后，有可能进入储存淀粉的薄壁细胞并被激活。

• 研究人员还发现，CRCT与多个淀粉合成相关基因的调控位点结合，是一种转录激活蛋白。

• 淀粉合成是植物的一个重要过程。阐明这一过程背后的调控机制将有助于提高作物产量和质量。

研究背景

大气中二氧化碳浓度的增加是全球变暖的主要原因，这是一个全球性的问题。然而，据说这可能有利于植物，因为它们通过光合作用将二氧化碳转化为淀粉。如果一种作物生长在二氧化碳浓度升高的条件下，淀粉合成会加快，从而使其生长旺盛，产量增加。CO2响应CCT蛋白(CRCT)在CO2浓度高的条件下被激活，但其功能尚不清楚。本课课组利用水稻植物对这些蛋白质进行了研究，发现CRCT是调节淀粉合成的重要蛋白质。在他们的最新发现中，该小组揭示了CRCT是如何管理这一过程的，这是直到现在才被理解的。

研究方法及成果

植物淀粉合成需要多种蛋白质，包括葡萄糖6-磷酸/磷酸转位器、adp -葡萄糖焦磷酸化酶、淀粉合酶和淀粉分支酶。研究人员推测，CRCT调节了这些淀粉合成相关蛋白对应的多个基因的表达。调节基因表达的蛋白质称为转录因子。在许多情况下，这些转录因子与另一种蛋白质形成复合物。当研究人员分析植物体内CRCT的体积时，他们发现它可以与某些类型的蛋白质形成复合物。为了进一步研究这一点，他们使用一种特异性结合CRCT的抗体进行了分析，结果显示CRCT能结合14-3-3蛋白。从另一个分析中，这一次使用绿色荧光蛋白，研究小组阐明了CRCT和14-3-3蛋白在细胞核内形成一个复合体。他们还指出，CRCT在韧皮部维管束中合成后，进入储存淀粉的薄壁细胞并被激活的可能性。此外，研究人员还发现，CRCT通过与调控多个淀粉合成相关基因表达的区域结合来促进转录。

14-3-3蛋白的表达量与淀粉含量呈负相关。然而，我们的结果显示，淀粉的含量与CRCT的表达呈正相关。因此，研究小组假设14-3-3蛋白和CRCT形成非活性复合物。

进一步发展

淀粉合成是植物不可缺少的，而CRCT调控这一过程，是提高作物质量和产量的主要目标。此外，CRCT是一个在二氧化碳浓度升高的条件下被激活的基因，这一知识将有助于未来选择适合这种环境的水稻品种。此外，在迄今所研究的所有植物中都发现了与CRCT相似的基因。该研究组目前还在研究CRCT在马铃薯(一种主要淀粉作物)中的功能。

从学术的角度来看，仍然有一些问题需要回答。从目前的研究结果来看，可以推测CRCT蛋白在细胞间移动，但其潜在机制尚不清楚。此外，目前还不清楚CRCT如何在CO2浓度和糖水平的影响下改变自身的表达水平。如果crct介导的淀粉合成调控机制能够被充分阐明，将有可能对农业作物做出更大的改进。

术语表

1. CRCT: CRCT代表CO2-Responsive CCT蛋白。它是一种在植物中发现的蛋白质，如果二氧化碳浓度高(或可能是对糖浓度增加的反应)，它的积累就会增加。它被认为能促进淀粉的合成。

2. 14-3-3蛋白质:在所有真核生物(植物、动物等)的细胞中表达的蛋白质家族。众所周知，它们在信号传递和代谢调节等方面发挥着作用。

Journal Reference:

1. Hiroshi Fukayama, Fumihiro Miyagawa, Naoki Shibatani, Aiko Koudou, Daisuke Sasayama, Tomoko Hatanaka, Tetsushi Azuma, Yasuo Yamauchi, Daisuke Matsuoka, Ryutaro Morita. CO              2              ‐responsive CCT                        protein interacts with 14‐3‐3 proteins and controls the expression of starch synthesis–related genes. Plant, Cell & Environment, 2021; DOI: 10.1111/pce.14084