水稻胚乳淀粉调控因子OsRESR1通过Pho1介导淀粉颗粒形成与支链淀粉合成的分子机制

本研究针对水稻胚乳淀粉颗粒形成机制不清的科学问题，通过CRISPR/Cas9基因编辑等技术，首次鉴定到质体卷曲螺旋蛋白OsRESR1。研究发现该基因缺失会导致胚乳粉质化加剧、支链淀粉含量降低，并揭示其通过与淀粉分支酶BE2a/BE2b和磷酸化酶Pho1互作，调控Pho1的葡聚糖合成活性，从而影响淀粉颗粒数量与结构。该成果为作物品质改良提供了新靶点，发表于《Plant Science》。

　　

淀粉作为水稻胚乳最主要的成分，其含量与结构直接决定稻米的产量和品质。然而，淀粉颗粒的起始形成机制一直是植物科学领域的未解之谜。尤其令人困惑的是，为何同一淀粉体中会形成多个淀粉颗粒？这些颗粒如何通过支链淀粉(amylopectin)的分支结构构建半晶体形态？虽然已知淀粉合成需要淀粉合成酶(SSs)、分支酶(BEs)和去分支酶(DBEs)等协同作用，但非酶类蛋白如卷曲螺旋蛋白的调控机制仍属空白。

中国的研究团队通过系统研究，在水稻中发现了一个命名为OsRESR1的质体卷曲螺旋蛋白。该蛋白在发育种子中特异性表达，功能缺失会导致胚乳粉质化、淀粉颗粒数量锐减。深入分析显示，OsRESR1能与淀粉分支酶BE2a、BE2b以及质体磷酸化酶Pho1直接互作，显著增强Pho1的葡聚糖合成活性。这一发现不仅揭示了淀粉颗粒数量调控的新机制，更为重要的是，首次阐明了卷曲螺旋蛋白通过"蛋白质相互作用-酶活性调控"的分子开关机制，为作物品质改良提供了理论依据。

研究采用CRISPR/Cas9基因编辑构建突变体，结合RNA干扰和过表达技术验证基因功能。通过酵母双杂交(Y2H)和免疫共沉淀(Co-IP)鉴定蛋白互作网络，采用酶活检测分析Pho1功能变化，并利用组织化学染色观察淀粉颗粒形态。样本来源于日本晴水稻栽培品种的发育期种子。

OsRESR1编码具有种子特异性表达的保守卷曲螺旋蛋白
生物信息学分析显示OsRESR1含有典型卷曲螺旋结构域。表达模式分析证实其在灌浆期种子中特异性高表达，与淀粉合成高峰期吻合。

质体卷曲螺旋蛋白OsRESR1在淀粉颗粒形成中起关键作用
野生型胚乳细胞每个淀粉体平均含7个以上淀粉颗粒，而osresr1突变体中央胚乳区小淀粉体(≤6颗粒)比例显著增加。透射电镜显示突变体周缘胚乳淀粉体颗粒数量明显减少，证实OsRESR1调控颗粒起始。

OsRESR1通过Pho1调控淀粉合成途径
互作实验发现OsRESR1与BE2a、BE2b和Pho1形成复合体。酶活检测显示突变体中Pho1合成活性降低50%，但BE同工酶活性不变。体外实验证实OsRESR1能特异性增强Pho1从G-1-P合成葡聚糖的能力。

构建载体与转基因植株
采用OsU3启动子驱动sgRNA的pCXUN-Cas9系统构建突变体，通过3×FLAG/EGFP标签融合蛋白验证亚细胞定位。

该研究首次阐明OsRESR1-Pho1-BEs复合体调控淀粉颗粒形成的工作模型：在发育胚乳中，OsRESR1通过其卷曲螺旋结构域招募Pho1和BE2a/BE2b，改变Pho1的构象使其从降解模式切换为合成模式，促进葡聚糖链延伸；同时BE2a/BE2b引入α-1,6分支点，共同决定支链淀粉的分支结构与颗粒形态。这一发现突破了"Pho1仅参与淀粉降解"的传统认知，为解释淀粉颗粒数量变异提供了新视角，对培育优质水稻品种具有重要指导价值。