农学院包劲松教授团队在水稻高抗性淀粉形成机制研究取得新进展

　　

最近，农学院包劲松教授团队在Journal of Agricultural and Food Chemistry、Carbohydrate Polymers和International Journal of Molecular Sciences等杂志发表3篇研究论文，揭示水稻淀粉分支酶IIb（BEIIb）突变体（be2b）抗性淀粉含量增加伴随产量下降的分子机制、抗性淀粉精细结构形成机制及抗性淀粉生物合成的分子机制。

水稻是我国最重要的粮食作物之一。淀粉是水稻胚乳的主要组分，约占精米干重的90%，主要由直链淀粉和支链淀粉组成。研究表明，摄入适量高抗性淀粉的稻米可以防止餐后血糖水平的急剧上升，并对糖尿病、肥胖症和慢性肠病等起到积极预防作用。然而，普通水稻品种的抗性淀粉含量非常低(<2%)，解析水稻高抗性淀粉形成机制对创制高抗性淀粉水稻品种具有重要指导作用。

BEIIb基因是影响抗性淀粉含量的重要基因。利用CRISPR/Cas9基因编辑获得水稻日本晴BEIIb突变体（be2b），其抗性淀粉含量较野生型WT增加了将近10倍，直链淀粉含量增加了1.4倍。但是，突变体的千粒重显著下降。多组学分析发现，be2b胚乳中AMY2A和Pho等酶上调表达诱导淀粉降解，同时糖酵解相关蛋白的上调刺激了碳水化合物通过3-磷酸甘油酸进行能量物质的重新分配。SUS、UGP2和malZ等酶上调表达导致蔗糖、葡萄糖和果糖的积累。PK、ALT、GLN和GOT等酶的上调表达导致氨基酸及三羧酸循环中间产物的积累，其中柠檬酸和异柠檬酸的含量为野生型的21.2倍，显著降低了be2b中能量物质的转化效率。此外，一系列乙酰辅酶A合成相关酶的下调又进一步降低了能量转化为储藏物质的效率。因此，这些效应共同作用导致了BEIIb突变后千粒重显著下降。

图1. Be2b突变体高抗性淀粉含量及千粒重下降的机理

 

对籼稻be2b突变体灌浆期胚乳发育过程中淀粉精细结构研究发现，be2b胚乳发育各阶段均比野生型（WT）具有更高的直链淀粉含量及更多的支链淀粉长链，从而能够形成更高的抗性淀粉含量。be2b淀粉晶体结构由开花后5和10天的C型转变为花后15天的B型，而WT在所有发育阶段均为A型。与A型和C型淀粉相比，B型淀粉通常具有更长的支链淀粉侧链且分支点间距较大，因而具有更高的抗消化性能。但在发育进程中， WT和be2b中直链淀粉含量和支链淀粉A链比例均逐渐增加，而B2、B3链和平均链长均逐渐下降。

图2.be2b胚乳发育过程中淀粉结构的变化（左：WT；右：be2b）

 

在淀粉生物合成过程中，淀粉合成相关酶通过蛋白质互作形成多酶复合体行使功能。进一步研究发现，随着胚乳的发育，在开花后10天WT胚乳中形成的复合体数量逐渐增多，开花后10、15天复合体逐渐增大，这样有助于淀粉的高效合成。但be2b中各个时期的蛋白复合体数量明显小于WT，且复合体分子量也明显变小，从而阻碍了淀粉的有效合成，形成结构变异的淀粉，但这种淀粉的抗消化性能提高。

图3.be2b胚乳发育过程中淀粉合成复合体的变化（上：WT；下：be2b）

 

该研究成果与江西师范大学、广西农科院等单位合作完成，并得到国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助。目前，该团队正在采取多种技术手段寻找BEIIb的调控因子和新互作蛋白，以期培育出更高抗性淀粉的水稻品种。

 

 

论文链接：

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