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生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2014年第11期
尽管合成途径中的代谢物通过异构和氧化还原
等途径调控淀粉积累，但就从碳固定到淀粉积累过
程中对淀粉生物合成调控的理解则十分有限［1］。转
录组表达谱分析表明，营养缺乏条件下，淀粉生物
合成相关基因上调表达，而淀粉消耗及光合作用途
径基因则下调表达［2］。
营养胁迫使植物更倾向于光合产物用于淀粉积
累，在联系光合产物与淀粉积累间的代谢途径中，
昼夜周期通过 Rubisco 介导的 CO2 的固定调控光合
收稿日期 ： 2014-04-09
基金项目 ：国家自然科学基金项目（30660079），2012 年宁夏科技支撑计划
作者简介 ：白桦，女，副教授，研究方向 ：植物生理学 ；E-mail ：1486814368@qq.com
通讯作者 ：姚新灵，博士，教授，研究方向 ：植物分子生物学 ；E-mail ：chinanoahl@163.com
马铃薯 AGPase 活力反馈调控光合速率定量分析
白桦1  崔雪琼2  白少星3  姚新灵3
（1. 宁夏农业学校，银川 750021 ；2. 郑州第二人民医院，郑州 450063 ；3. 宁夏大学生命科学学院，银川 750021）
摘 要 ： 为了揭示 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）改变对叶片光合作用的反馈调控，以改变 AGPase 活力的马铃薯转化
株系为材料，测定了其 AGPase 活力（AA）、块茎淀粉积累量（SC）、叶片光合速率（PR）、叶绿素（CC）和蔗糖含量（SUC）等 ；
测定结果分析显示，各株系的 AGPase 活力（AA）、块茎淀粉积累量（SC）和叶片光合速率（PR）间存在显著差异，且均显著高
于对照 ；株系间 AGPase 活力、块茎淀粉含量和叶片光合速率呈显著正相关性 ；每单位 AGPase 活力上升可贡献贮藏器官淀粉积累
增加 2.5%，且是影响叶片光合速率的重要因素；结果表明，AGPase 不仅是下游淀粉积累的限速酶，而且可向上游反馈调控光合速率。
关键词 ： 淀粉含量 光合速率 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶 相关性
Quantitative Analysis on Feedback of AGPase to Photosynetic Rate in
Potato
Bai Hua1 Cui Xueqiong2 Bai Shaoxing3 Yao Xinling3
（1. Ningxia Agriculture School，Yinchuan 750021 ；2. Zhengzhou 2nd Renmin Hospital，Zhengzhou 450063 ；3. Life Science School，
Ningxia University，Yinchuan 750021）
Abstract: To reveal feedback regulation of ADP-pyrophosphrolase（AGPase）to photosynthesis, AGPase activities（AA）, starch
contents（SC）in tuber, photosynthetic rates（PR）, chlorophyll contents（CC）and sucrose contents（SUC）in leafs were assayed with
potato transgenic lines showing difference on ADP-pyrophosphrolase activities. The data analysis showed that AA, SC and PR in transgenic lines
were significantly higher than control line. Significantly differences were found between AA, SC and PR among the lines. Correlation analysis
showed that there were positive correlations between AA, SC and PR. Per unit rising of AGPase activities can contributed 2.5% increase of
starch contents in sink tissue. AGPase was a factor playing a role in regulation of photosynthetic rates. The result indicated that AGPase not only
regulates starch accomulation on the downstream, also feedback to modulate photosynthetic rate.
Key words: Starch contents Photosynthetic rate ADP-pyrophosphrolase Correlation
作用，还调控着叶片转运淀粉的降解速度，确保夜
间生长对碳的需求［3］。在途径下游，腺苷二磷酸葡
萄糖焦化酶（AGPase）也受到昼夜周期调控［4］。
AGPase 以磷酸葡萄糖为底物，代谢合成腺苷二
磷酸葡萄糖（ADP-葡萄糖），后者是淀粉生物合成
的底物 ；在细菌和植物中 AGPase 分别是糖原和淀粉
生物合成的限速酶，植物 AGPase 是由大亚基和小亚
基组成的异源四聚体 ；叶片中 AGPase 不同 isoform
受到长短日照的光周期调控，呈现分化表达［5］。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第11期126
大肠杆菌不同菌株中 glgC 的突变，可显著改变
其编码 AGPase 的活力，表达 glgC 的马铃薯，其块
茎淀粉含量提高 30% 以上［6］；植物中过量表达具有
催化代谢功能的 AGPase 小亚基编码基因，可显著
提高 AGPase 活力，增加贮藏器官及其它组织的淀
粉积累［7-9］。
在光合与淀粉积累间的代谢途径中，AGPase
通过其活力改变，调控其下游淀粉的积累 ；AGPase
催化的底物磷酸葡萄糖来自光合作用，尽管已明确
AGPase 小亚基 cysteine 81 是介导昼夜周期调控、形
成二聚体所必需的［10］，但 AGPase 对途径上游、尤
其是如何影响光合作用尚属未知。
本研究以 AGPase 活力存在差异的马铃薯株系
为材料，测定并分析 AGPase 对下游淀粉积累和上
游光合作用的影响，旨在为揭示 ADP- 葡萄糖焦磷
酸化酶（AGPase）改变对叶片光合作用的反馈调控
机制提供参考。
1 材料与方法
1.1 材料
前期研究完成了由大肠杆菌 glgC、马铃薯淀粉
粒结合淀粉合成酶基因和 AGPase 小亚基基因组成
的重组基因构建及转化，获得表达了不同目的基因
的 8 个株系，2 株 SG 株系（株系 SG1、SG2）表达
了单拷贝大肠杆菌 glgC（ 编 码 AGPase），2 株 AG
株系（株系 AG1、AG2）表达单拷贝 glgC 和马铃薯
AGPase 小亚基基因（SS）反义 cDNA，4 株 GG（株
系 GG1-4）表达单拷贝 glgC 和马铃薯淀粉粒结合淀
粉合成酶基因（GBSSI）反义 cDNA 株系 ；本研究以
此 8 个株系和其宿主紫花白对照为材料进行其后的
测定及分析。
实验室条件下繁殖各株系试管苗，待试管苗生
长至 8 cm，移栽于盛有品氏托普基质的营养钵内，
每 2 d 浇水 1 次，在温度 25℃，光照强度 12 kLx、
15 h 光照下培养到 15 d 后，移至同样光照强度 8 h
光照下培养诱导结薯，诱导培养 15 d 后，随即分别
在各株系个体上、中、下 3 个部分采集生长良好、
大小一致的叶片 1 g，用于叶绿素含量、蔗糖含量和
ADP-葡萄糖焦磷酸化酶活力测定，样品随采随用。
第 30 天收获块茎，风干 3 d 后储藏于 4℃用于块茎
淀粉含量测定。
1.2 方法
光照诱导培养 15 d 后，采用英国产 CIRAS- Ⅰ
型便携式光合测量仪测定净光合速率（以下简称光
合速率），测定操作步骤按照说明书进行 ；上午 10
时，在每个个体上、中、下 3 个部位，选择大小相似、
充分伸展的 8 个叶片，取均值为单次测定结果，间
隔 1 d 测定第 2 次，同前测定计算的数据为第 2 次
重复，测定共重复 3 次。
按 照 Wickliff 等［11］ 的 方 法 进 行 叶 绿 素 含 量
（w/w，%），蔗糖含量（w/w，‰）用蔗糖含量测定
试 剂 盒（Glucose and Sucrose Assay Kit、ab65334，
ab-cam，USA）进行。采用淀粉测定试剂盒（EnzyCh-
romTM Starch Assay Kit BioAssay Systems，USA）完成
块茎淀粉含量测定。块茎 ADP-葡萄糖焦磷酸化酶活
力测定按照姚新灵等［12］的方法进行。
为了便于直观比较分析，SG、AG 和 GG 株系 3
个群体各个体叶绿素含量、光合速率和蔗糖含量除
以群体中的最大均值后，以得到的商为统计变量进
行统计分析 ；群体各个体块茎淀粉含量减去对照株
系块茎淀粉含量所得所得差作为块茎淀粉含量统计
变量进行统计分析。
2 结果
2.1 AGPase活力、块茎淀粉含量和光合速率差异
显著
8 个转化株系 AGPase 活力、块茎淀粉含量、叶
片叶绿素、叶片蔗糖含量和叶片光合速率测定结果分
析显示，8 个株系块茎淀粉含量、AGPase 活力、叶
片光合速率间及块茎淀粉含量间存在显著差异（P <
0.05）， 且 极 显 著 高 于 对 照 株 系（P<0.01）（ 图 1-
图 3）；叶片叶绿素和蔗糖含量在各株系间存在不显
著差异（P <0.05）（图 4）。
2.2 AGPase活力、块茎淀粉含量和光合速率的相
关性
2.2.1 AGPase 活力与块茎淀粉含量呈正相关性 转
化株系块茎 AGPase 活力间、块茎淀粉含量间及叶
片光合速率间差异显著，且显著高于对照。为了明
确三者联系，相关分析显示，尽管 AGPase 活力与
叶片光合速率无显著相关性，但光合速率与块茎淀
2014年第11期 127白桦等：马铃薯 AGPase 活力反馈调控光合速率定量分析
粉含量间相关系数为 0.651，呈显著 Pearson 相关性
（P <0.05）。
转化株系间块茎淀粉含量和 AGPase 活力相关分
析显示，两指标相关系数为 0.875，呈显著 Pearson
相关性（P<0.01）；块茎淀粉含量和 AGPase 活力回
归模型方差分析显示，回归模型显著（P<0.01），回
归系数为 2.47 ；t 检验显示其统计显著（P<0.01），
常数为 5.45 ；所以块茎淀粉含量（SC）和 AGPase
活力（AA）一元线性方程为：SC = 2.47AA + 5.45（图
5）。
0
5
10
15
20
25
GG1 GG2 GG3 GG4 SG1 SG2 AG1 AG2 ሩ➗䖜ॆ৺ሩ➗Ṛ㌫⏰㊹ਜ਼䟿%
图 1 株系块茎淀粉含量比较
0 2 4 6 8
GG1
GG3
SG1
AG1
ሩ➗䖜ॆṚ㌫৺ሩ➗
10
AGPase ⍫࣋μmol/min·mL
图 2 株系 AGPase 活力比较
0
1
2
3
4
5
6
7
8 䖜ॆ৺ሩ➗Ṛ㌫ݹਸ䙏⦷μmol/mg·s ሩ➗AG2AG1SG2SG1GG4GG3GG2GG1
图 3 株系叶片光合速率比较
0
0.1
0.2
0.3
GG1 GG2 GG3 GG4 SG1 SG2 AG1 AG2 ሩ➗Ṛ㌫৺ሩ➗ਦ㔯㍐৺㭇㌆ਜ਼䟿w/w 㭇㌆ਜ਼䟿ਦ㔯㍐ਜ਼䟿
图 4 株系叶绿素及叶片蔗糖含量比较
SC = 2.47AA + 5.45
12
14
16
18
20
22
24
26
3 4 5 6 7 8
AGPase⍫࣋μmol/min·mL⏰㊹ਜ਼䟿%
图 5 块茎淀粉含量（SC）和 AGPase 活力（AA）线性方程
2.2.2 块茎淀粉含量与光合速率呈正相关性 光合
速率与块茎淀粉含量回归模型方差分析显示，回归
模型显著（P<0.05），回归系数为 0.22 ；t 检验显示
其统计显著（P<0.05），常数为 0.55 ；所以光合速
率（PR）与块茎淀粉含量（SC）一元线性方程为 ：
PR=0.22 SC+0.55（图 6）。
2.2.3 AGPase 活力与与光合速率呈正相关性 AG-
Pase 活力与光合速率回归模型方差分析显示，回归
模型显著（P<0.05），回归系数为 0.42 ；t 检验显示
其统计显著（P<0.05），常数为 2.382 ；所以，光合
速率（PR）与块茎淀粉含量（SC）一元线性方程为：
PR = 0.42AA + 2.38（图 7）。
2.3 AGPase活力、块茎淀粉含量和光合速率相关
性比较
以各回归显著的 3 个指标 AGPase 活力、光合
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2014年第11期128
速率、块茎淀粉含量的回归系数的倒数表示其各自
的相关程度的直观结果如图 8 所示，其中数字越小
表示两者越接近，相关程度越高 ；AGPase 与光合作
用的相关程度远不及其与淀粉积累，但光合作用与
AGPase 的相关程度远高于光合作用与淀粉积累的相
关程度。
高水平淀粉合成底物—ADP 葡萄糖增强了淀粉积累。
块茎淀粉含量（SC）和 AGPase 活力（AA）一
元 线 性 方 程（SC = 2.47AA + 5.45） 的 结 果 表 明，
AGPase 活力每增加 1 单位，可使块茎淀粉含量提高
2.5% ；尽管以往就植物淀粉积累依赖于 AGPase 活
力的定性报道诸多［7］，但尚未见块茎淀粉含量在多
大程度上依赖于 AGPase 活力的定量报道，本研究
所得出比率属首次提出。
光合速率受到内外多种因素影响，本研究光合
速率与块茎淀粉含量显著正相关的结果表明，贮藏
器官淀粉积累的增加可反馈调控光合速率提高，在
本试验条件下，回归系数为 0.22 的结果意味着影响
光合速率提高的 2% 来自贮藏器官淀粉积累的增加。
AGPase 与光合作用的相关程度远不及其与淀粉
积累，而光合作用与 AGPase 的相关程度远高于光合
作用与淀粉积累的相关程度，这一结果表明 AGPase
活力的改变不仅直接调控其下游淀粉的积累，而
且向上游通过反馈调控光合作用间接调控淀粉积
累，近年研究证据也支撑了 AGPase 反馈调控光合
作用。
光合电子传递链产生的氧化还原信号，参与卡
尔文循环、ATP 合成及 NADPH 从叶绿体输出［13］，
抑制电子传递链中硫氧还蛋白（Trx f1）表达，导致
光激活的还原态 AGPase 活力衰减，淀粉合成随之
下降［14］，AGPase 与磷酸丙糖相关功能缺失的双突
变体（adg1-1/tpt-2），在高光强下碳水化合物合成减
少［15］；因此，AGPase 通过光合电子传递反向影响
光合作用。
叶绿素含量和蔗糖含量并未随贮藏器官淀粉积
累的增加而改变，同时也未受光合速率的影响，这
一结果表明，光合速率提高并未改变叶片叶绿素含
量和蔗糖含量相关的代谢平衡。结果同时也表明，
AGPase 活力改变并未通过叶绿素含量和蔗糖含量反
馈调控光合作用，而是通过其它目前尚不明确的途
径调控光合作用，这有待进一步研究。
4 结论
（1）AGPase 不仅是下游淀粉积累的限速酶，而
且可向上游反馈调控光合速率。（2）AGPase 对光合
作用的反馈调控关键节点有待进一步研究。
PR = 0.22 SC + 0.55
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
10 15 20 25⏰㊹ਜ਼䟿%ݹਸ䙏⦷μmol/mg·s
图 6 光合速率（PR）与块茎淀粉含量（SC）线性方程
PR = 0.42AA+ 2.38
2
3
4
5
6
7
3 4 5 6 7 8
AGPase⍫࣋μmol/min·mLݹਸ䙏⦷μmol/mg·s
图 7 AGPase 活力（AA）与光合速率（PR）线性方程ݹਸ֌⭘ AGPase2.38
4.54
0.40 ඇ㤾⏰㊹〟㍟
图 8 回归系数倒数表示的相关程度结果的直观示意图
3 讨论
各株系 AGPase 活力、块茎淀粉含量、叶片光
合速率间及块茎淀粉含量间存在显著差异，且极显
著高于对照株系，这一结果表明，大肠杆菌 glgC 重
组基因体内表达，提高了 AGPase 活力，增加了转
化株系块茎淀粉积累，这与以往研究报道的结果一
致［7］，AGPase 活力提高增加了 ADP 葡萄糖的合成，
2014年第11期 129白桦等：马铃薯 AGPase 活力反馈调控光合速率定量分析
参 考 文 献
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（责任编辑 李楠）