王林，汪和廷，王慧，张从合

（安徽荃银高科种业股份有限公司，安徽合肥 230088）

水稻（Oryza sativa L.）是重要的粮食作物，我国大约有2/3 的人口以稻米作为主食[1-2]。随着生活水平和消费水平的不断提高，人们对稻米品质的要求也越来越高。稻米品质主要由外观品质、碾磨品质、食味品质和营养品质决定，其中食味品质为重要的评价指标之一，而淀粉的结构和含量是影响食味品质的关键[3]。稻米品质是影响水稻品种推广和商业价值的重要指标。因此，目前主要以提高产量和改善品质作为水稻育种的主要目标[4]。

稻米主要由胚和胚乳两部分组成，而胚乳中的储藏物质90%以上为淀粉。淀粉的品质与其组成、结构及其理化性质密切相关[1]，因此，将稻米淀粉的合成途径和调控基因等作为研究对象具有重要意义。长期以来，科研工作者通过对一些人工突变和自然突变材料进行研究，发现了大量调控水稻淀粉生物合成的基因。如flo1 突变会导致直链淀粉含量升高[5-6]；在flo2 突变体中，直链淀粉含量会减少，聚合度（DP）9～21 和 DP≥38 减少，DP 22～38 增加[7-8]；在flo8 突变体中，直链淀粉含量下降，DP 10～12 和DP≥17减少，DP 7～9 和 DP 14～16 增加[9]。此外，通过生物信息学分析找到一些胚乳中特异性表达的相关基因或蛋白，通过对这些基因的克隆以及功能进行分析，来了解它们在淀粉合成中的作用，从而有效地促进了水稻淀粉生物合成的发展。

1 水稻淀粉合成

淀粉根据其连接方式的不同，分为直链淀粉和支链淀粉，二者的比值决定着稻米品质。瞬时淀粉白天通过光合作用在叶片中进行合成，在夜间进行降解，为植物代谢提供能量，其形成的淀粉颗粒几乎为体积很小的支链淀粉[10]。ADP-葡萄糖焦磷酸化酶是淀粉合成中重要的一步，其包括在酶活性中心起主要作用的大亚基AGPL 及在活性中心起到催化和结合的小亚基AGPS[11]。在叶绿体中，利用卡尔文循环固定的CO2通过一系列反应形成1-磷酸葡萄糖，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶可以催化1-磷酸葡萄糖形成淀粉合成的前体物质ADPG，最终在淀粉合成酶及淀粉分支酶的作用下形成直链淀粉和支链淀粉[12]。相关研究表明，glgC-16 能够编码高活性和对异构调节不敏感的AD-Pase，将大肠杆菌的突变基因glgC-16 转入水稻中会显著增加水稻籽粒的淀粉含量和千粒重[13]。

在淀粉体中，以蔗糖作为合成淀粉的碳源，经过水解后的蔗糖以磷酸葡萄糖的形式进入淀粉体参与淀粉的合成。Hirose 等研究表明，在水稻中有21个基因参与淀粉的合成[14]。淀粉合成酶一般与总淀粉含量，直链淀粉和支链淀粉比例以及支链淀粉分支长度有关。淀粉合成酶一般为葡萄糖转移酶，包括颗粒结合淀粉合成酶（GBSS）和可溶性淀粉合成酶（SSS）[15]。GBSSI 主要与直链淀粉的合成有关，GBSSII 与支链淀粉的合成有关。淀粉分支酶（SBE）具有双重催化作用，一方面将α-1，4-糖苷键水解，另一方面催化非还原性末端连接到C-6 羟基上形成α-1，6-糖苷键分支点。淀粉去分支酶（SDBE）主要水解α-1，6-糖苷键，属于淀粉水解酶家族。SDBE 能消除支链淀粉中出现的异常支链分支，从而形成正常的分支[16]。

2 相关家族转录因子在淀粉合成中的作用

2.1 bZIP 家族转录因子

bZIP 是第一个确定参与淀粉合成的转录因子。据报道，OsbZIP58 显示直接与6个淀粉合成基因的启动子OsAGPL3、Wx、OsSSIIa、SBE1、OsBEIIb 和 ISA2 结合，并调节它们的表达，从而造成OsbZIP58 突变体中种子形态异常，在白色腹部区域淀粉积累改变，导致直链淀粉和总淀粉含量的下降[17]。此外，OsbZIP58 可以与OsLOL1 互作，通过调控赤霉素合成，进而影响种子发芽和淀粉积累[18]。OsbZIP20 可以与ACGT 元件相互作用，从而影响淀粉合成；而OsbZIP33 在淀粉合成中可以与BEI 和GBSSI 的启动子序列ACGT 结合，从而调控淀粉合成[19-20]。

2.2 AP2/ERF 家族转录因子

AP2/ERFs 在乙烯及其受体介导的信号中起着关键的调节作用，也参与淀粉代谢和积累[21]。AP2/ERF 家族包括3个独立的亚家族：ERF、AP2 和 RAV。ERF 转录因子参与调节谷物中淀粉的合成[21]。据报道，OsRSR1 为AP2/EREBP型调控因子，其突变体rsr1 会导致水稻直链淀粉含量的增加以及支链淀粉结构的改变，同时，也会增加种子的大小[22]。AP2/ERF 也可以通过激素来调节淀粉合成基因。研究表明，在过表达水稻OsETR2 中，其可以增加淀粉颗粒在节间的积累[21]。AP2 家族转录因子OsSERF1，缺失SERF1会增加RPBF 的表达，以及淀粉含量的增加，从而导致水稻籽粒重量的增加[23]。

2.3 其他转录因子

OsBP-5 属于MYC-like 家族转录因子，主要参与淀粉合成通路中GBSSI 的合成，从而影响淀粉的合成[24]。NAC家族转录因子OsNAC20 和OsNAC26 具有高度相似的氨基酸序列，单独的OsNAC20 和单独的OsNAC26 都很好地反式激活 AGPS2b、AGPL2、SSI、SBEI、Pul 和 DPE1，可以改变淀粉的积累，但是不会造成晶体结构的改变。利用CRISPR/Cas9 构建osnac20/osnac26 双突变体，结果显示osnac20/osnac26 双突变体中总淀粉含量显著下降，直链淀粉的含量显著增加[25]。

3 蛋白水平调控水稻淀粉的合成

OsESV1 蛋白C 端有富含脯氨酸的序列。为了研究OsESV1 的功能，利用CRISPR/CaS9 系统得到了2 种不同编辑方式的osesv1 突变体，对其淀粉含量进行测量，结果表明，osesv1 突变体相对于野生型总淀粉含量无明显变化，但直链淀粉含量显著升高。同时，通过利用酵母双杂交试验证明OsESV1 蛋白可以与ADP-葡萄糖焦磷酸化酶小亚基OsAGPS2a 和OsAGPS1 互作[26]。FLO6 蛋白在其N端有一个质体定位信号肽，C 端具有1个CBM48 淀粉结合结构域。研究表明FLO6 在体外和体内都可以与异淀粉酶ISA1 互作，其突变体flo6 总淀粉含量上升，直链淀粉含量显著下降，说明FLO6 通过与ISA1 互作来调控复合淀粉颗粒的形成[27]。FLO2 蛋白含在3个不同位置由氨基酸残基组成的TPR 结构域，对60Co 突变得到的9个flo2 不同位点突变的水稻籽粒进行分析，发现相对于野生型，9个突变体籽粒的总淀粉含量显著下降，直链淀粉含量和支链淀粉含量也呈显著下降趋势，表明flo2 突变改变了淀粉的组成成分[28]。FLO11 编码1个热激蛋白70 调控造粉体的发育，其突变体flo11 胚乳的中心和外围淀粉颗粒变球形，外围表现粉质[31]。FLO7 蛋白N 端含有1个质体转运肽，C 端含有1个DUF1338 结构域，与野生型相比，flo7突变体中支链淀粉的聚合度发生明显改变，且在后期胚乳中复合淀粉颗粒碎裂，无法形成紧密排列的多边形，表明FLO7 影响水稻胚乳中正常复合淀粉颗粒形态的形成[30]。FLO15 编码乙二醛酶I 蛋白OsGLY17，其突变体flo15 表现出复合淀粉颗粒发育存在缺陷，淀粉含量下降[31]。FLO16 编码1个苹果酸脱氢酶，其突变体flo16 表现出总淀粉含量及直链淀粉含量下降，同时表现出直链淀粉和支链淀粉的结构发生改变[32]。Nayeon 等利用T-DNA 插入获得了flo5 突变体，通过对其聚合度、糊化温度、结晶度以及链长的分析，阐明了FLO5 在水稻籽粒胚乳的淀粉合成过程中起着重要的作用[33]。Kang 等采用T-DNA 插入的方法获得了flo4 突变体，flo4 编码丙酮酸正磷酸二激酶，通过测量淀粉含量发现与野生型相比无明显变化，但是利用扫描电镜分析发现flo4 突变体中的胚乳是由松散的淀粉颗粒组成的[34]。

4 结论

不同家族转录因子的研究结果表明，大多数转录因子是通过与淀粉合成通路中淀粉酶的启动子结合或者通过与激素的相互作用来调控胚乳中淀粉的生物合成。而在蛋白水平上的相关基因大多是通过与淀粉合成通路中的相关酶对应的基因互作来影响胚乳中复合颗粒的形成来调控淀粉的形成。此外，部分基因是由于其特有的胚乳突变，通过改变淀粉的结构来改变造粉体的发育。同时，利用一些T-DNA 插入的方式获得一些胚乳突变体，虽然对淀粉的含量没有明显差异，但是会改变淀粉的结构。

5 问题与展望

研究水稻淀粉的合成途径可以为人们了解稻米营养物质的形成提供重要的理论依据，同时对培育高产优质的水稻新品种具有实际指导作用。目前已通过一些方式（如GWAS 分析、EMS 诱变、生物信息学分析获得同源基因）获得了大量胚乳中参与淀粉合成的转录因子或者蛋白，且部分基因已被克隆，但是仍然存在着一定的问题：①部分基因是如何参与淀粉合成的机制尚不明确，这些转录因子或者蛋白间是否存在着联系尚不清楚；②当下对淀粉的研究大多是在基因或蛋白水平上，对于激素水平上的研究较少；③有研究表明不同的插秧密度对淀粉合成途径中的相关酶活性存在一定影响[35]，但其影响机制还不清晰，尚需进一步深入研究。

伴随着分子生物学的快速发展，预测未来水稻淀粉仍需系统深入研究的方向为：①通过施加外源激素进行材料的处理来明确激素信号对淀粉形成的调控作用；②研究不同发育阶段水稻淀粉的合成与代谢；③研究不同温度、肥力水平以及插秧密度等环境因素和栽培技术对淀粉合成的影响，随着管理水平以及机械化程度的提高，此项工作可能成为今后研究的重点。