全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (11): 1053~1063 1053
收稿 2011-07-22　　修定 2011-09-13
资助 国家基金委面上项目(31071377)和农业部转基因专项
(2011ZX08009-003)。
* 通讯作者(E-mail: xlcai@sibs.ac.cn; Tel: 021-54924078)。
胚乳中淀粉的合成
刘德瑞1,2, 蔡秀玲1,*
1中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所植物分子遗传国家重点实验室, 上海200032; 2中国科学院研究生院,
北京100039
摘要: 禾本科植物胚乳内所含有的淀粉根据其结构、组成可以分为两类: 直链淀粉(由α-1,4糖苷键连接的多聚D-葡萄糖)和
支链淀粉(在以α-1, 4糖苷键连接的主链上通过形成α-1, 6糖苷键引入支链的多聚D-葡萄糖)。前者是以一种线性无序状态
存在, 而支链淀粉则是构成淀粉半晶体结构的主要成分。其中, 除了负责合成作为糖基直接供体的ADP-Glc的酶AGPase
外, 直链淀粉中链的延伸反应由GBSSI完成, 而支链淀粉的合成则相对复杂, 需要SS、SBE、DBE、SP等一些酶的协同调
控来共同完成。本文综述了胚乳中淀粉合成过程中所涉及的一些关键酶的研究进展, 并对此研究领域进行了展望。
关键词: 直链淀粉; 支链淀粉; 胚乳; 酶蛋白复合体
Starch Synthesis in Endosperm
LIU De-Rui1, 2, CAI Xiu-Ling1,*
1National Key Laboratory of Plant Molecular Genetics, Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, Chinese Academy of
Sciences, Shanghai 200032, China; 2Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China
Abstract: Starch is made up of amylose (linear α-1,4 polyglucans) and amylopectin (polyglucans linked to-
gether mainly by α-1,4 linkages but with 5%-6% of (α-1,6) bonds at the branch points). Amylose exists as a
linear and random form but amylopectin is the main component of starch semi-crystal structure. Except for AG-
Pase which charges for the synthesis of ADP-Glc (the glucose direct donor), the synthesis of amylose is under
GBSSI’s control. But for amylopectin synthesis, more enzymes are involved in, such as SS, SBE, DBE, SP etc.
In this paper, we reviewed the research development on enzymes involved in starch synthesis pathway, and
what’s more, we give our view on the research prospect in this field.
Key words: amylose; amylopectin; endosperm; enzyme complex
淀粉作为禾本科植物胚乳中的主要营养物质,
占到了总质量的80%~90%。淀粉的基本组成单元
是D-葡萄糖, 根据D-葡萄糖之间形成不同的糖苷
键的连接(α-1,4或α-1,6糖苷键)而将其细分为直链
淀粉和支链淀粉。支链淀粉中α-1,6糖苷键占糖苷
键总量的2%~4%。
淀粉是粮食作物中营养物质的最重要来源, 其
品质性状的研究尤为人们关注。经过多年的努力,
研究者已经克隆得到了一些与淀粉食味品质相关
的基因(Mikami等2008; Gao等2003; Umemoto等
2002; Wang等1990), 这些研究进展对粮食作物的品
质改良奠定了非常重要的理论基础。下面根据图1
所示的淀粉合成途径分别陈述淀粉合成的底物、
直链淀粉和支链淀粉的合成过程及其关键酶。
1 淀粉合成底物ADP-Glc的合成
ADP-Glc是合成淀粉的底物。由AGPase把来
自光合作用的1-磷酸-葡萄糖(G-1-P)和ATP转变成
ADP-Glc和ADP, 因此, AGPase被认为是合成淀粉
的限速酶。
AGPase是一个四亚基复合体(两个大亚基
AGP-L, 调节亚基; 两个小亚基, 催化亚基)。AGPase
的两个小亚基的形成是由于可变剪接产生的不同
转录本造成的(Thorbjørnsen和Olsen 1996)。它的大
小亚基的表达时间有先后, 小亚基先于大亚基。
AGPase同时存在胞质型和淀粉体型, 其中只
有淀粉体内的AGPase行使着合成淀粉合成的前体
ADP-Glc的功能。
植物中有很多基因负责AGPase大小亚基的合
成, 而且在同一植物的不同组织中AGPase的亚基
组成有可能都是不同的(Nakamura和Kawaguchi
植物生理学报1054
1992; Villand等1992)。在马铃薯中发现提高蔗糖
或葡萄糖的浓度会促进AGPase特定大亚基编码基
因的表达(Duwenig等1997)。玉米中的AGPase的
小亚基编码基因的表达也表现为不同的组织特异
性(Giroux和Hannah 1994; Prioul等1994)。
AGPase受变构调控。PGA促进其活性, 无机
磷酸盐抑制其活性。AGPase的氧还调控涉及蔗糖
和葡萄糖(Tiessen等2003)。
有研究者认为, AGPase的不同亚基所组成的
不同复合体由于对变构调控的不同敏感程度刚好
可以满足不同组织或器官对淀粉代谢的不同要
求。例如在氧化环境中, AGPase的两个小亚基的
Cys12之间会形成的二硫键, 从而使其变为非活性
状态, 同时, ADP-Glc和DTT可以将氧化状态的AG-
Pase恢复活性(Fu等1998)。
2 直链淀粉合成
直链淀粉合成的延伸反应主要由GBSS (gran-
ule-bound starch synthase)催化, 水稻中有两个同功酶
GBSSI和GBSSII, 其中GBSSI在灌浆的中晚期表达而
GBSSII在灌浆的早期表达(Hirose和Terao 2004)。
水稻蜡质基因(Waxy)编码的GBSSI (granule-
bound starch synthase 1, EC2.4.1.21)主要负责水稻
种子胚乳中直链淀粉的延伸反应(Nelson和Rines
1962; De Fekete等1960)。实验证明, GBSSI酶活水
平的降低或丧失, 除了会使直链淀粉含量降低外,
还会使支链淀粉中的超长链支链淀粉(ELC)含量
明显降低(Maddelein等1994; Delrue等1992), 因此
该酶还参与长链支链淀粉(ELC)的延伸反应。水
稻蜡质基因的表达量、GBSSI酶活性的高低与稻
米中直链淀粉(AC)的含量呈显著正相关(Mikami
等2008; Wang等1995)。研究表明, 水稻蜡质基因
的表达在以下三个层面受到调控。
2.1 基因水平(转录水平)
在已知所有的植物中, GBSSI大多是单拷贝
的, 只有在蔷薇科中是双拷贝的(Mason-Gamer等
1998)。所以基因水平上对GBSSI的影响主要是影
响其转录水平。像Wx的等位基因中Wxb相比Wxa在
第一内含子的5剪切供体位点产生了G到T的突变,
造成RNA的剪切效率变低(Cai等1998; Hirano等
1998; Isshiki等1998), 成熟转录本和GBSSI蛋白相
对表达量降低, 同时也造成表观直链淀粉含量的
降低(Takeda等1987; Sano 1984)。此突变同样造成
对温度的敏感性不同(Larkin和Park 1999)。
在其他物种如马铃薯(Solanum tuberosum L.)
的不同品种中, 根据它们的Wx基因ATG上游0.5 kb
处是否存在140 bp的缺失, 它们中编码的GBSSI的
酶活有不同(van de Wal等2001)。大麦中的wx突变
体(AC含量低)品种的Wx基因序列较之野生型的有
两点区别: (1) 5区413 bp的缺失(其中包含TATA
box和转录起始位点); (2)第一外显子上15 bp的插
入。对Wx转录水平的检测结果显示, 在AC低的大
麦Wx突变体中Wx的转录水平基本不变或只有稍
许降低。推测这些突变体中应该是利用了一个新
的Wx的转录起始位点以及新的启动子(Patron等
2002)。小麦Wx基因上游的-1.9 kb区段内还存在
有增强子, 直接影响Wx的转录(Kluth等2002)。
2.2 蛋白水平
禾本科植物的GBSSI与细菌的糖原合成酶相
比, 尽管在一级序列差异很大, 但反映到高级结构
图1 禾谷类胚乳的淀粉合成途径
(据Jeon等2010, Tian等2009修改)
Fig.1 Starch synthesis pathway in cereal endosperm
G-1-P: 1-磷酸葡萄糖; AGPla、AGPiso、AGPsma: 腺苷二磷
酸葡萄糖合酶; ADP-Glc: 腺苷二磷酸葡萄糖; Wx、GBSSII: 颗粒
结合型淀粉合成酶1和2; SS: 淀粉合成酶; SBE: 淀粉分支酶; ISA、
PUL: 淀粉去分支酶。
刘德瑞等: 胚乳中淀粉的合成 1055
上却是极为相似的。说明这一类同源蛋白在功能
上的保守性(Mason-Gamer等1998)。目前已经有不
少文献中对一些wx突变体进行分析并发现了很多
氨基酸座位对于其功能行使是必需的。比如Larkin
和Park (2003)与Chen等(2008)认为224位的Tyr对于
GBSSI的功能行使是必需的, 进而, Hanashiro等
(2008)的研究发现224位的Tyr主要影响GBSSI合成
ELC的作用; 158位的Arg (Satoh等2002)突变后会造
成AC含量的降低, 而166位的Asp突变后, 蛋白表达
不影响, 但GBSSI蛋白与淀粉颗粒的结合能力下降,
从而导致AC降低。
在玉米、小麦和大麦的胚乳中检测到25~60
kDa区段的不同大小的GBSSI断裂蛋白。其中
Boren等(2004)发现, 这些小分子量的GBSSI断裂蛋
白的产生是在GBSSI蛋白的N-或C-产生断裂造成
的。同时, 这些小分子多肽的产生是可重复的。由于
GBSSI的这种片段化现象在10DAF时就出现了, 所
以预测GBSSI断裂蛋白的出现很有可能会影响到
淀粉的代谢过程, 对淀粉合成和沉积起调控作用。
2.3 其他因素(包括温度等环境因素)和一些其他蛋
白对其功能的影响
温度会影响Wx的pre-mRNA的编辑效率。Wx
的剪接效率和GBSSI活性在低温下都高于高温下
(Hirano和Sano 1998; Umemoto等1995)。Du1编码
的SSIII也会影响Wxb的剪接效率(Gao等1998)。
GBSSI相对SS而言, 对ADP-Glc的亲和能力更
低, 因此其更适宜在高浓度ADP-Glc下催化直链淀
粉的合成, 所以AATP (ATP/ADP转运蛋白)能影响
直链淀粉与支链淀粉的比例(Geigenberger等2001)。
MOS (麦芽寡糖)可以促进GBSSI合成直链淀
粉。GBSSI可以在MOS上起始α-1,4糖苷键的产生,
延伸链长(Denyer等1996)。在甜马铃薯[Ipomoea
batatas (L.) Lam.]的叶片中检测到GBSSI的表达除
了受蔗糖浓度的调控外, 还受光周期的调控(Wang
等2001; Merida等1999)。
3 支链淀粉合成
根据Nakamura在2002年提出的模型, 支链淀
粉合成的基本过程包括: (1) α-1,6糖苷键的形成以
及其后以α-1,4糖苷键连接进行的链的延伸分别由
分支酶(starch branching enzyme, SBE)和淀粉合成
酶(starch synthase, SS)催化; (2)去分支酶(debranch-
ing enzyme, DBE) (包括异淀粉酶isoamylase和支链
淀粉酶pullulanase)的作用是将tandem-cluster结构
中的非正确分支去掉。其中SBEI负责在无定型片
层区形成分支, 而后SSIII对形成的支链进行延伸
反应, 形成新的串丛的基干。SBEIIb负责在晶状
片层区形成分支, 而后SSI进行延伸反应, 完成新的
串丛的形成。SBE和DBE的活性平衡对支链淀粉
的合成非常重要。
以下将根据参与支链淀粉合成过程的先后顺
序对各种酶进行讲述。
3.1 SS (淀粉合成酶)
植物中至少有4种SS: I、II、III和IV, 4种酶所
负责合成的葡聚糖的链长不同。在不同植物和不
同组织间, 4种酶的相对活性有很大差别。
SSI主要负责最短的DP6~7到DP8~12的糖链
延伸(Commuri和Keeling 2001)。Commuri等最先
对玉米中的SSI进行了分析, 揭示SSI负责支链淀粉
中的A链和B1链的合成。同时推测, 当SSI合成的
支链到一定长度后, 会被其他SS所替代去继续链
的延伸或被SBE替代引入分支, 这也提供了一个解
释支链淀粉合成机制的模式。另外在ae (SBEIIb
突变体)中SS1的活性较之野生型低很多 , 提示
SBEIIb 与SS1二者功能上的联系(Nishi等2001)。
SSII负责从DP6~10到DP12~25的支链淀粉中
链的延伸(Zhang等2004)。在大多数粳稻品种中
SSIIa功能的丧失, 造成短链长葡聚糖(DP≤10)的
增多, 以及中等链长葡聚糖(12≤DP≤24)的减少
(Umemoto等2002)。ssIIa突变体中GBSSI结合淀粉
颗粒的能力降低。推测SSIIa可能直接与其他淀粉
合成相关的酶结合, 影响他们与淀粉颗粒的结合;
或者是SSIIa突变后影响了淀粉颗粒的结构, 从而
影响一些酶与它的结合能力(Morell等2003)。
SSIII相比SSII更偏向于合成支链淀粉中长的
B1链和B2链。减少SSIII的表达量, 会引起支链淀
粉总体链长变短以及淀粉合成减少。Valdez等
(2008)对SSIII的蛋白结构进行解析, 发现其N端的
SBD (starch binding domain)不止起到了淀粉结合
的作用, 同时对SSIII的催化能力有一定的调控作
用。玉米的du1突变体(ssIII突变体)只有在糯性背
景下表型才会比较明显, 说明SSIII和GBSSI功能上
的相关性, 在此突变体背景下SSII和SBEIIa的活性
植物生理学报1056
也会受影响(Gao等1998)。
禾本科作物中SSIV对于糖链延伸作用的研究
还很少。水稻中SSIV-1基因主要在胚乳中表达而
SSIV-2基因主要在叶片中表达, 提示前者在胚乳中
贮藏淀粉合成中行使功能, 而后者是在瞬时淀粉
(transient starch)的合成中发挥作用(Dian等2005)。
目前只有在拟南芥中得到了ssIV突变体, 表现为叶
绿体中的淀粉颗粒数目变少, 相应的淀粉颗粒的
尺寸变大, 同时叶片中的淀粉合成和降解速率变
慢, 但是对淀粉颗粒的组成成分以及淀粉的链长
分布影响极小。由此推测, SSIV选择性地参与淀
粉颗粒的最初形成过程, 并对形成淀粉颗粒核心
起至关重要的作用(Roldán 2007) 。
体外实验中, 利用麦芽三糖作为原初体, SSIV
会表现出很强的淀粉合成酶的活性(Szydlowski等
2009)。对禾本科作物中的ssIV突变体的鉴定和分
析将对真正了解SSIV对胚乳中淀粉合成的作用起
到极大的作用。
3.2 SBE (淀粉分支酶)
SBE的作用是催化切开α-1,4糖苷键, 将释放
的葡聚糖的还原端转移到C6位置上, 形成α-1,6糖
苷键, 从而引入支链。有两种分支酶SBEI和SBEII,
单子叶植物中SBEII又被分为SBEIIa和SBEIIb, 其
中SBEIIb特异性地在胚乳中表达, 而SBEIIa在各个
组织中都有表达(Rahman等2001)。sbeIIa的突变
体表现为胚乳中的淀粉分支情况基本不变, 而叶
片中DP≤10的链明显减少, 可见BEIIa对叶片中的
淀粉分支起着特定的作用(Nakamura和Yamanouchi
1992)。
从蛋白结构对功能的影响上看, SBE的N-和
C-区域对底物的选择、催化能力以及引入支链的
链长都起着重要作用。SBEIIb的N端延伸是其结
构的一个影响因素, 促进其与淀粉颗粒或其他酶
的结合(Kuriki等1997)。对于引入支链的倾向性上,
SBEI倾向于在支链淀粉中引入长链分支(DP>16),
同时B1和B2-B3链的形成也需要SBEI活性; 而SBEII
偏向于引入短支链(DP>11~12) (Guan等1997)。
ae (即sbeIIb突变)表现为DP≤13的链的减少,
其中DP8~12之间的链的减少最为剧烈, 同时SBEI
和SBEIIa不能补偿SBEIIb对于A链和B1链的形成
所起到的作用。推测SBEIIb可能会与SBEIIa和
SBEI竞争淀粉颗粒和(或)特定蛋白的结合位点, 在
ae突变体中, SBEIIa和SBEI与内部淀粉结合蛋白
复合体的结合能力就会变强(Nishi等2001)。另外
ae突变体表现为直链淀粉含量的增加以及支链淀
粉中链长的增长。ae wx突变体中支链淀粉的链长
增长, 造成淀粉颗粒以及淀粉的整体晶体结构的
变化(颗粒变小, 同时表面的棱角变的不明显), 从
而使其对体内和体外的降解反应有一定的抑制作
用(Kubo等2010)。
无机磷可以促进SBEI的酶活水平。体外去磷
后 , SBEIIa和SBEIIb的活性会降低(Morel l等
1997)。可以预见SBE的酶活性的正常行使涉及磷
酸化的调控(Tetlow等2004b)。
3.3 DBE (去分支酶)
DBE负责水解α-1,6糖苷键(Tetlow等2004b)。
DBE参与到支链淀粉合成的葡聚糖清理模型中,
即清理在不正确位置的分支。禾本科植物中普遍
存在两种DBE: isoamylase (ISA)和pullulanase。过
去一直以为, DBE只在淀粉水解过程中起作用, 但
是随着对一些突变体中淀粉结构的分析发现, 两
种DBE均参与到支链淀粉的合成过程中(Nakamu-
ra等1996; James等1995)。因为二者作用底物的相
似性, 所以pullulanase功能上与isoamylase部分重
叠, 但pullulanase对淀粉合成起的作用要弱于iso-
amylase。pullulanase的活性水平并不能完全恢复
isa1突变体(sug1)的表型(Fujita等2009)。
在水稻胚乳中, ISA一般会以ISA1五聚体或
ISA1五聚与ISA2形成的六聚体形式存在。异源六
聚体对底物有更强的亲和力且更耐高温, 提示淀
粉合成过程中六聚体更重要(Utsumi和Nakamura
2006)。
shrunken2的突变体背景下, 提高可溶性糖的
浓度会抑制pullulanase的水平, 显示蔗糖是pullula-
nase的负调控因子(Wu等2002)。大麦和玉米的胚
乳中, 检测到pullulanase存在氧还调控酶活(Schin-
dler等2001)。
3.4 Pho (starch phosphorylase, 淀粉磷酸化酶)
植物中有两种淀粉磷酸化酶: Pho1和Pho2
(Jeon等2010)。催化的反应是将G-1-P的葡糖基转
移到α-1,4糖苷键连接的葡聚糖的非还原端, 此反
应是可逆的, 要视底物的浓度而定(Mu等2001)。
刘德瑞等: 胚乳中淀粉的合成 1057
Pho1和Pho2分别定位于淀粉体和胞质(Hwang
等2010)。Pho1相对特异在胚乳表达, Pho2相对特
异在叶片表达(Ohdan等2005)。
Pho1在水稻种子发育过程中对于淀粉合成反
应的起始起着关键的作用(Jeon等2010)。由于
MOS可以调节直链淀粉的合成, 所以推测Pho1通
过调控MOS, 调节淀粉合成, 同时在清理不正确分
支中起着与DBE相似或补充作用。对线性和分支
状的α-葡聚糖(13≤DP≤45)而言, Pho1都表现为在
合成方向(链延伸方向)上更强的催化活性。当支
链淀粉作为淀粉起始合成的底物时, Pho1的活性
会被其反应产物Pi强烈抑制; 而当α-葡聚糖的短链
作为底物时, 抑制程度要弱很多。高Pi/G-1-P会促
进Pho1对短MOSs的延伸反应, 产物刚好作为淀粉
合成酶的反应原初底物(Mu等2001; Yu等2001; Du-
wenig等1997)。因为ADP-Glc会强烈地抑制Pho1
的活性, 所以推测Pho1可能只在淀粉合成的起始
阶段起作用而非后期的成熟阶段。Satoh等(2008)
预测了Pho1在淀粉合成途径的位置(图2)。
在绿藻中突变Pho之后会引起淀粉含量的降
低以及支链淀粉结构的变化, 同时直链淀粉的相
对含量提高(Dauvillee等2006; Ohdan等2005)。
水稻的pho1突变体中, DP≤11的短链比例升
高, 而13≤DP≤21的中等链比例降低。其突变体
的表型是温度依赖的。在低温(20℃)下种子会出
现皱缩以及淀粉积累减少的表型, 而在高温下, 其
他的一些因子可以互补其突变体中丧失的Pho1的
功能(Satoh等2008)。
3.5 歧化酶
Colleoni等根据歧化酶突变之后的表型归纳
出其3个功能: 从寡糖中释放葡萄糖、寡糖到多聚
糖的葡糖转移、多聚糖分子外围链之间的葡糖转
移。并由此推测歧化酶直接参与到支链淀粉高分
子结构的建成中(Colleoni等1999)。
支链淀粉合成过程中DBEs的作用是将支链
淀粉的非正确分支上的短链的麦芽糖寡聚糖水解
下来, 而后在歧化酶的作用下会转变为长链葡聚
糖, 而产生的长链葡聚糖刚好可以作为SP (starch
polymerase)的底物(Takaha等1998), 反应后释放产
生G-1-P, 而G-1-P在AGPase的作用下产生淀粉合
成的直接供体ADP-Glc。同时, 歧化酶和SP之间也
存在相互影响。歧化酶存在的情况下, SP的磷酸
化反应会增强。高浓度的ADP-Glc会抑制Pho1的
磷酸化酶的水平(Morell等1997)。
4 其他酶类影响淀粉合成
水稻flo-2突变体相对野生型引起淀粉分支酶
SBE1在DAF10的未成熟种子中的表达下调。同时
SBE3和GBSSI表达也下调, 但在叶片中的表达没
有变化。由此可见Flo-2基因可能对淀粉合成相关
酶基因有一种共调控, 而且这种调控只存在于未
成熟种子中(Kawasaki等1996)。
AGPPase催化ADP-Glc降解为1-磷酸-葡萄糖
和AMP, 从而起到了调节ADP-Glc浓度的作用。同
样地, ATP的浓度和AGPase也会影响ADP-Glc的浓
度, 从而最终影响淀粉的合成(Rodriguez-Lopez等
2000)。
5 酶之间的相关性
淀粉合成途径中单个酶的突变通常会影响整
条代谢途径中的其他很多酶的活性, 这预示着淀
粉合成中的很多酶在功能上的相关性。而至于这
图2 Pho1参与淀粉合成引物的形成(据Satoh等2008修改)
Fig.2 Pho1 plays role in the formation of
starch synthesis primer
ADP-Glc: 腺苷二磷酸葡萄糖; Pho: 淀粉磷酸化酶; G-1-P: 1-
磷酸-葡萄糖; SS: 淀粉合成酶; SBE: 淀粉分支酶; DBE: 淀粉去分
支酶; GBSS: 颗粒结合型淀粉合成酶
植物生理学报1058
种相关性是怎样一种机制, 前期的工作更多地只
是关注某些酶突变后会对其他一些酶的活性造成
怎样一些影响。比如, 在sbeIIb突变体中能同时检
测到SSI活性的极大丧失(Nishi等2001)和SBEI的功
能丧失以及异淀粉酶活性的变化 (Co l leon i等
2003)。体外结果也显示, SBE1的功能行使离不开
SBEIIa或SBEIIb (Seo等2002)。在玉米中, 不论是
pul突变体还是isa突变体中都检测到SBEIIa的活性
丧失, 但同时SBEIIa蛋白表达不变(Dinges等2003;
James等2003)。基于此, 有研究者认为, 淀粉合成
途径中的SS、SBE、DBE酶活性的协同调控, 很有
可能是以形成复合体的形式来完成(Ball和Morell
2003)。而这其中, 磷酸化对于复合体的形成是必
需的。去磷酸化后, SBEI、SBEIIb和SP在体外不
能再形成复合体(Tetlow等2004a) (图3)。
玉米的ae突变体(SBEIIb)中复合体的组成与
野生型不一样。野生型中复合体的组成为: SSI、
SSIIa、SBEIIb, 而在ae突变体中为: SSI、SSIIa、
SBEI、SBEIIa和SP。也就是说, 在ae突变体中,
SBEI、SBEIIa和SP在一起补偿了SBEIIb的作用
(Liu等2009) (图4)。
Hennen-Bierwagen等发现, 在野生型玉米中,
SSIIa、SBEIIa和SBEIIb会形成300 kDa的复合
体; SSIIa、SSIII、SBEIIa和SBEIIb会形成670 kDa
的复合体。670 kDa复合体的形成是一个磷酸化
依赖的过程。除了与淀粉合成直接相关的酶外,
670 kDa复合体中还包含两个丙酮酸磷酸双激酶
的异构酶、ADP-葡萄糖焦磷酸化的大小两个亚
基以及蔗糖合成酶的异构酶SUS-SH1。这表明,
在灌浆过程中禾本科作物体内存在对碳代谢各
途径的一种协同调控, 包括碳水化合物代谢和蛋
白质以及脂肪代谢途径(Hennen-Bierwagen等2009,
2008) (图5)。
综上所述, 我们认为淀粉合成途径中的酶可
能存在如图6所示的关联。
6 结语
淀粉是农作物提供给人类食物的主要组成部
分, 其品质与人们的生活休戚相关, 所以研究淀粉
图3 磷酸化影响支链淀粉合成中SBEI、SBEIIb和SP酶复
合体的形成(据Tetlow等2004a修改)
Fig.3 The multi-subunit complex formation of SBEI, SBEIIb
and SP in amylopectin synthesis pathway is affected by the
phosphorylation modification
SBE: 淀粉分支酶; SP: 淀粉聚合酶; ATP: 腺苷三磷酸。
图4 在ae中, SBEI、SBEIIa和SP可以补偿SBEIIb在蛋白复合体中的结构缺失(据Liu等2009修改)
Fig.4 In ae mutant, SBEI, SBEIIa, SP can work together to compensate the function of SBEIIb in the complex formation
SS: 淀粉合成酶; SBE: 淀粉分支酶; SP: 淀粉聚合酶; ATP: 腺苷三磷酸。
刘德瑞等: 胚乳中淀粉的合成 1059
图5 支链淀粉酶复合体能与蛋白质和脂肪代谢中的某些酶形成更大复合体(据Hennen-Bierwagen等2009修改)
Fig.5 Protein complex can be formed between amylopectin-synthesis enzyme complex and
enzymes function in protein and fat metabolism
cytosolic AGPase: 胞质型腺苷二磷酸葡萄糖合酶; plastid AGPase: 质体型腺苷二磷酸葡萄糖合酶; SS: 淀粉合成酶; SBE: 淀粉分支酶;
PPDK: 丙酮酸磷酸双激酶; ADP-Glc: 腺苷二磷酸葡萄糖; ATP: 腺苷三磷酸; AMP: 腺苷一磷酸; PPi: 焦磷酸; G-1-P: 1-磷酸-葡萄糖; 3-PGA:
3-磷脂酰辅酶A; PEP: 磷酸烯醇式丙酮酸; acetyl-CoA: 乙酰辅酶A。
图6 淀粉合成途径相关酶关联图
Fig.6 Correlation diagram for starch synthesis enzymes
G-1-P: 1-磷酸-葡萄糖; ADP-Glc: 腺苷二磷酸葡萄糖; AMP: 腺苷一磷酸; AGPase: 腺苷二磷酸葡萄糖合酶; AGPPase: 腺苷二磷酸焦磷
酸化酶; Pho: 淀粉磷酸化酶; GBSSI: 颗粒结合型淀粉合成酶; SS: 淀粉合成酶; SBE: 淀粉分支酶; DBE: 淀粉去分支酶。红色部分为在图1
基础上添加的内容。
植物生理学报1060
合成途径对农作物的品质改良有极其重要的理论
指导意义。基于目前对淀粉合成途径中关键酶的
研究成果, 有研究者运用转基因和分子标记技术
进行稻米品质的改良, 已经取得很大的进展。但
是随着人们生活水平的提高, 对粮食作物的品质
需要有更高的要求。为了适应不同的需求和对品
质的精确调控, 还需要进一步探索淀粉合成途径
的分子机制。
譬如对于GBSSI的研究, 很多保守氨基酸在
GBSSI功能行使方面的作用还是未知的。很有必
要建立一套体系确定这些氨基酸对GBSSI功能的
贡献率, 这样做在生产上的意义是很大的。有助
于对其酶活作适当程度的调节, 以满足不同人群
对稻米口感的要求。
另外, 现有的研究结果认为, Pho1利用其糖链
延伸的功能, 以渗入淀粉体内的MOS为底物, 形成
淀粉合成原初体。但我们认为过程可能远非这么
简单, 一定会涉及其他的蛋白, 而且可能Pho1本身
也会与下游的一些蛋白以形成复合体来行使功
能。由于淀粉合成原初体的形成是后续链的延伸
和形成支链的基础, 所以其研究意义重大。
淀粉合成过程中的很多蛋白对于外界环境如
温度、蔗糖或麦芽糖的浓度的感应有不同, 同样
可以作为一个着手的插入点, 研究其机理, 有目的
地突变, 改良酶活水平。
淀粉合成过程中蛋白质复合体作为“碳水化合
物伴侣”根据质体和环境的不同, 其组成成分会有
变化。淀粉合成相关酶在从可溶状态转变为淀粉
颗粒关联状态过程中, 它们的酶动力性质会发生变
化。而且因为这些酶不止影响淀粉合成的量, 还会
影响淀粉颗粒的结构, 所以它们伴随淀粉颗粒的变
化对淀粉代谢的影响会有一种动态的变化。
目前已检测到的多聚体都是仅含有支链淀粉
合成相关的酶, 而没有提到GBSSI。但是Patron等
(2002)提到, 直链和支链淀粉的合成场所可能并不
是严格区分的。Jane等(1992)也提到, 在交联剂的
作用下, 直链和支链淀粉间会发生交联。提示直
链和支链淀粉的合成上可能并不是完全分开的。
所以, 有可能GBSSI会在某些条件下与支链淀粉合
成的一些酶形成复合体。同时, 既然直链淀粉和
支链淀粉的合成场所可能不是完全隔离的, 这也
就提示直链/支链的比例以及各自总量的调节可能
并不只是很简单的此消彼长的情况, 应该会存在
一套精细的调节机制, 因此需要研究者更深入的
研究。
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