责编 | 逸云
淀粉是水稻籽粒中碳水化合物主要的储存态，通常由约20％的直链淀粉和约80％的支链淀粉构成。直链淀粉的合成需要ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）和结合态淀粉合成酶(GBSS)的催化，而支链淀粉的合成则需要可溶性淀粉合成酶（SSs），淀粉分支酶（SBEs）等多种酶的共同催化【1】。研究表明，SBEs催化α(1→6)糖苷键连接α-葡聚糖，对支链淀粉的生物合成至关重要。水稻中包括OsSBEI，OsSBEIIa和OsSBEIIb三种SBE，OsSBEIIb在胚乳中特异性表达并且可以将短链转移至支链淀粉结晶【2】。此外，诱变产生的ae (amylose extender ) 突变体中OsSBEIIb的失活导致支链淀粉分支减少、直链淀粉含量增加、种子不透明且干重降低【3】。但是目前尚不清楚这种对淀粉合成的靶向修饰是否会对淀粉合成及整个植物代谢产生其他影响。
近日，西班牙University of Lleida-Agrotecnio Center的Paul Christou研究组在PNAS在线发表了一篇题为Inactivation of rice starch branching enzyme IIb triggers broad and unexpected changes in metabolism by transcriptional reprogramming的研究论文，通过CRISPR / Cas9定点突变OsSBEIIb基因揭示了其通过转录重编程对胚乳新陈代谢的影响。
该研究利用CRISPR/Cas9系统突变OsSBEIIb基因，创造了突变株系（E15），E15植株中OsSBEIIb基因存在4 bp缺失，并产生移码和过早的终止密码子，并会通过催化中心和C端结构域的丢失使OsSBEIIb完全失活。该研究表明，OsSBEIIb活性丧失会改变水稻籽粒淀粉的的含量和结构特征，其中直链淀粉和抗性淀粉含量显著提高，但总淀粉含量降低。此外，种子呈现不透明表型且淀粉粒大小、形状和分布异常。
通过对淀粉代谢酶相关基因表达的分析发现，E15株系中编码AGPase，SS和其他SBE（除OsSBEIIb以外）的基因均被显著上调，而编码GBSS，脱支酶、支链淀粉酶和淀粉磷酸化酶的基因则被下调，表明OsSBEIIb失活导致植物淀粉代谢途径的转录水平改变。从代谢水平上分析，该研究发现OsSBEIIb活性的丧失导致胚乳中蔗糖、葡萄糖和果糖含量增加，同时伴随着多种脂肪酸、氨基酸以及MEP途径的次级产物如植物甾醇的积累，表明糖含量的变化通过中心代谢的重定向影响胚乳的碳分配及代谢特征。
Metabolic pathway highlighting significant changes in the endosperm of line E15 compared to wild-type seeds
总之，该研究表明OsSBEIIb失活会导致种子表型及淀粉含量特征的改变，这种变化还会通过转录重编程引发更深远的代谢变化。该研究结果对预测谷物代谢工程引起的营养改善具有重要意义。
参考文献
【1】Z. Tian et al., Allelic diversities in rice starch biosynthesis lead to a diverse array of rice eating and cooking qualities. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 21760–21765 (2009).
【2】Y. Nakamura, Towards a better understanding of the metabolic system for amylopectin biosynthesis in plants: Rice endosperm as a model tissue. Plant Cell Physiol. 43, 718–725 (2002).
【3】 A. Nishi, Y. Nakamura, N. Tanaka, H. Satoh, Biochemical and genetic analysis of the effects of amylose-extender mutation in rice endosperm. Plant Physiol. 127, 459–472 (2001).
https://www.pnas.org/content/117/42/26503