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为探究水稻碳水化合物积累和转化的基本机制，扬州大学研究人员开展了关于水稻 1,6 - 二磷酸果糖醛缩酶（OsFBA1）功能的研究。结果发现 OsFBA1 对水稻叶绿体发育、碳代谢至关重要，缺失会导致水稻幼苗致死。该研究为提升水稻产量提供了理论依据。
在广袤的稻田里，水稻的生长与发育关乎着全球数十亿人的温饱。作为重要的粮食作物，水稻积累和转化碳水化合物的机制却一直藏在神秘的面纱之下。以往的研究中，虽然知道光合作用能让水稻同化碳水化合物，这些碳水化合物可暂时以淀粉形式储存于叶绿体，或运输到其他组织成为蔗糖，为植物生长提供能量，但对于其中具体的调控过程却知之甚少。1,6 - 二磷酸果糖醛缩酶（Fructose-1,6-bisphosphate Aldolase，FBA）在植物糖代谢中至关重要，可在水稻中，OsFBA 的具体功能却还是个未解之谜。为了揭开这些谜团，来自扬州大学的研究人员踏上了探索之旅，他们的研究成果发表在了《Rice》杂志上。
研究人员主要运用了基因编辑（CRISPR/Cas9）、转录组分析、代谢组分析、亚细胞定位等技术。首先通过基因编辑构建了 OsFBA1 基因编辑载体，获得 osfba1 突变体；接着利用转录组分析研究基因表达变化，代谢组分析检测代谢物变化，亚细胞定位确定蛋白定位。
研究结果如下：
- 筛选和系统发育分析揭示 OsFBA1 的独特性：通过对不同氮素和 CO?浓度处理下水稻幼苗的转录组测序，发现了差异表达基因 OsFBA1。它编码的蛋白与其他植物的 FBA 蛋白有保守相似性，在进化上与单子叶植物的 FBA1 相似性高，与双子叶植物的 AtFBA1/AtFBA2 存在差异。同时，水稻中不同的 FBA 同源蛋白功能也有分化。
- OsFBA1 功能受损引发水稻幼苗黄化和致死：利用 CRISPR/Cas9 技术构建了两个独立的 osfba1 突变体。突变体在萌发时无明显异常，但到两叶期开始黄化，三叶期死亡。预测的突变体蛋白三维结构缺少糖酵解结构域，表明发生了功能缺失突变。
- osfba1 突变体叶绿体发育受阻：osfba1 突变体从第二叶出现开始逐渐黄化。检测发现其叶绿素 a、叶绿素 b 和类胡萝卜素含量显著低于野生型，叶绿体超微结构显示突变体的基粒片层稀少且无淀粉粒。同时，与叶绿体发育相关的核基因和叶绿体基因表达上调，说明 OsFBA1 在调控叶绿体发育和光合作用中起关键作用。
- OsFBA1 表达模式和亚细胞定位分析：RT-qPCR 和 GUS 染色分析表明，OsFBA1 主要在绿色组织中表达，受光诱导，在叶片和茎中表达量高，在根和幼穗中表达量低。亚细胞定位实验证实 OsFBA1 是一种双定位蛋白，同时定位于叶绿体和线粒体。
- OsFBA1 对水稻幼苗碳同化至关重要：由于叶绿体 FBA 在卡尔文循环中起关键作用，研究人员检测了 osfba1 突变体中碳同化关键基因的表达和相关酶的活性。结果发现，碳同化相关基因表达上调，但除 FBA 酶活性显著降低外，其他酶活性升高，且突变体中葡萄糖、可溶性糖和淀粉含量明显低于野生型，表明 OsFBA1 对水稻幼苗碳同化至关重要。
- 外源葡萄糖补充可部分挽救 osfba1 突变体：osfba1 突变体碳水化合物积累减少，研究人员推测补充外源葡萄糖可缓解其生长受阻。实验结果显示，在含 3% 葡萄糖的培养基中，osfba1 突变体的表型得到部分恢复，相关生理指标有所改善，叶绿体发育相关基因表达也发生变化。
- OsFBA1 缺失改变糖酵解和三羧酸循环关键代谢物水平：对野生型和 osfba1 突变体进行靶向代谢组学分析，发现 24 种与能量代谢相关的代谢物在两者间存在显著差异。在糖酵解和三羧酸循环（TCA）途径中，多种代谢物水平发生改变，表明 OsFBA1 缺失影响了碳积累能力。
- OsFBA1 敲除对光合作用和碳代谢基因表达影响深远：转录组分析发现，osfba1 突变体与野生型相比有 2609 个差异表达基因（Differentially Expressed Genes，DEGs）。GO 富集分析表明，光合作用和碳代谢相关的通路显著富集。在这些 DEGs 中，有 28 个基因与光合作用和碳代谢有关，其表达变化与 RT-qPCR 结果一致。
研究结论和讨论部分指出，OsFBA1 在水稻光合作用、碳同化和转化中起着不可或缺的作用。它是一种双定位在叶绿体和线粒体的新型 FBA 蛋白，与其他植物的 FBA 蛋白功能存在差异。敲除 OsFBA1 会导致水稻两叶期黄化、三叶期死亡，严重影响光合作用和碳代谢。此外，研究还发现 OsFBA1 可能参与 TCA 循环，但其在线粒体中的具体功能还需进一步研究。这项研究为深入理解水稻碳水化合物代谢的基本机制提供了重要线索，为提高水稻产量、保障全球粮食安全奠定了理论基础，也为后续相关研究指明了方向。
