玉米淀粉调控的研究进展

为了明确淀粉合成途径中的关键酶的功能和调控机制,本文综述了玉米淀粉的结构、淀粉合成途径以及调控淀粉合成转录因子（DOF、NAC、MYB、bZIP、MADS-BOX和AP2/EREB等家族）的表达和功能机制。研究表明大部分转录因子能在玉米胚乳中表达,少数也能在叶片中表达;这些转录因子可以通过与淀粉合成酶编码基因和关键调控基因的启动子结合从而影响其表达来调控淀粉的合成。此外,蔗糖/ABA、蔗糖/IAA也可以和转录因子协同调控淀粉的合成。本文能够加深对玉米淀粉合成调控的理解,也为玉米品质改良提供重要的理论依据。     

冠菌素对玉米籽粒灌浆特性与淀粉合成的调控效应

玉米产量与籽粒灌浆特性紧密相关,调控籽粒灌浆特性是实现玉米高产的重要途径之一。本研究采用不同浓度冠菌素对灌浆期玉米(吐丝后10 d)进行叶面喷施处理,研究冠菌素(coronatine, COR)对玉米籽粒灌浆特性、淀粉含量和淀粉合成关键酶活性及其基因表达的调控效应。2年田间试验研究结果表明, COR对玉米果穗性状、产量、籽粒灌浆和淀粉合成的调控具有明显的浓度效应,适宜浓度COR (1.0 mg L~(–1))处理显著降低玉米果穗秃尖长度,增加穗粒数和千粒重,提高籽粒灌浆速率,延长灌浆持续期,提高产量。此外,适宜浓度COR处理显著提高玉米籽粒灌浆过程中淀粉合成相关酶AGPase、SSS、GBSS和SBE的活性,上调淀粉合成关键酶基因ZmSH1、ZmSH2、ZmWX1和ZmAE1的表达量,促进籽粒支链淀粉、直链淀粉和总淀粉的积累,提高了籽粒淀粉含量。研究结果明确了COR对玉米籽粒形态建成与物质积累的调控效应,为玉米增产增效栽培提供了新的技术手段。     

玉米淀粉分支酶基因反义表达载体的构建和功能分析

淀粉是玉米籽粒的主要成分。根据分子结构将淀粉分为直链淀粉和支链淀粉,其合成过程受到一系列酶的调控。淀粉分支酶是淀粉生物合成过程中的一个关键酶,它催化葡萄糖以α-(1,6)键连接,形成分支结构^[1,2]。目前,对淀粉分支酶及其基因已从分子水平和生物化学方面进行了一些研究,淀粉分支酶基因的生理功能基本清楚^[3~5]。由于反义RNA（antiscnse RNA, as RNA)技术提供了直接有效地人为控制基因表达的方法,现已成为基因工程研究中的一项重要技术^[6]。本项研究利用基因工程技术,克隆玉米淀汾分支酶基因,构建反义表达载体。通过花粉管通道法将其导入玉米自交系,旨在抑制淀粉分支酶基因的表达,提高直链淀粉的含量。     

玉米淀粉分支酶SBEⅠ基因RNAi干扰载体的构建

淀粉分支酶(SBE)催化葡萄糖以α-(1,6)糖苷键连接,形成分支结构。SBE有3种同工酶形式：SBEⅠ、SBEⅡa和SBEⅡb,目前的研究主要集中在SBEⅡb上,而对于SBEⅠ在淀粉合成的作用报道极少。为了明确SBEⅠ在玉米淀粉合成中的作用,扩增了玉米SBEⅠ基因的337 bp片段,以pMD19-T为中间载体,pCambia3301为目标载体,构建玉米SBEⅠ基因的RNAi载体,命名为pC3301-SBEⅠ。通过限制性内切酶酶切鉴定,表明pC3301-SBEⅠ载体构建正确,可用于农杆菌介导的玉米自交系转化工作。     

水稻淀粉合成相关基因对稻米品质效应的研究

颗粒淀粉合成酶(GBSS)、淀粉分支酶1(SBE1)和淀粉分支酶3(SBE3)是淀粉合成过程中的3个关键酶,这3个酶主要由耽、Sbel、She3 3个基因控制.设计这3个基因位点的分子标记检测了183个水稻品种的基因型,分析了3个基因对稻米理化品质和RVA谱特征的效应.结果表明:3个分子标记均能很好的区分3个位点上等位基因的籼梗来源,根据3个位点的基因型可将183个品种分为8种类型;单个基因遗传效应分析表明,不同基因型品种间淀粉的理化特性(AC、GC、RVA)存在显著或极显著差异,3个基因的联合效应在不同基因型组合间也存在显著的差异.Wx基因对大多数品质性状效应显著,Sbe3效应次之,Sbel效应较小;Sbel和Sbe3基因在不同的Wx等位基因背景下,对稻米的品质的理化特征的效应不同.3基因间存在互作效应,Wx与Sbe3的互作效应较大.     

BEIIb基因对稻米直链淀粉及其合成途径中相关基因的影响

BEIIb基因是水稻淀粉合成的一个分支酶基因,在IR36的ae突变体中,BEIIb的缺失导致了直链淀粉的大幅度提高,同时影响了淀粉合成途径一些基因的表达。为深入探索不同直链淀粉含量品种的理化性质以及决定高直链淀粉含量的遗传因子。本研究选用了IR36及其突变体以及4份不同直链淀粉含量的水稻品种进行淀粉含量、理化性质以及淀粉合成途径相关的遗传因子的表达分析。研究发现直链淀粉含量IR36的ae突变体(30.05%)是野生型IR36(21.07%)的1.4倍,且明显高于其它品种,最低的是糯稻品种‘朝紫’(3.52%);IR36ae突变体与野生型的糊化温度也存在显著差异,且综合其他几个品种的结果发现,稻米的糊化温度与直链淀粉含量呈负相关;IR36ae突变体的胶稠度比野生型的硬,且直链淀粉含量越高的品种胶稠度越硬;IR36ae突变体的淀粉颗粒比野生型要稍大一点,且直链淀粉含量较高的品种淀粉颗粒较大;定量PCR结果表明ae突变体中BEIIb的缺失导致了Wx基因的上调,以及SSI和BEI、BEIIa的下调。且淀粉合成关键酶基因中的Wx基因(GBSSⅠ)在不同品种以及不同发育时期表达量均为最高,支链淀粉合成相关基因在低直链淀粉品种中的表达明显高于在高直链淀粉品种中的表达。BEIIb的缺失引起直链淀粉的明显提高,糊化温度的降低,淀粉颗粒的增大,以及一些淀粉合成相关基因的改变。     

水稻籽粒淀粉结构及其生物合成与米质关系研究进展

淀粉是水稻籽粒的主要成分,也是人们食物的主要能量来源。许多研究者开始关注淀粉的生物合成途径,以期通过控制这一途径,来改善植物淀粉合成的数量和质量。然而,这一目标实现需要广泛了解淀粉的生物合成以及淀粉的理化性质与淀粉颗粒结构之间的关系。对于淀粉颗粒的结构、组成及支链淀粉的链长分布,前人已做较深入的研究,并且对淀粉合成过程中的关键酶与米质主要指标的关系也进行了剖析。此文就淀粉合成和淀粉颗粒结构与稻米品质的关系展开综述,为水稻栽培和稻米品质改良提供理论依据。     

水稻淀粉合成关键酶的研究进展

淀粉是稻米的主要成份,其组成和性质决定着稻米品质。在水稻淀粉合成过程中,淀粉合成关键酶发挥了重要的作用。综述了ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、淀粉合成酶（SS）、淀粉分支酶（SBE）及淀粉脱支酶（DBE）的功能及调控机理,并对目前研究存在的问题进行了探讨。     

禾谷类作物胚乳淀粉合成及Waxy基因研究进展

总结和归纳了禾谷类作物淀粉结构、类型,胚乳淀粉生物合成途径、关键酶的功能和代谢调控,并对胚乳糯性和淀粉合成的联系进行了阐述。简要概述了不同作物（小麦、大麦、水稻、高粱、玉米、粟、薏苡等）Waxy基因结构、突变形式和糯性形成机制,并对Waxy的在农业生产和育种等方面应用前景进行了展望。     

六个不同产量玉米品种籽粒淀粉积累及相关酶活性的比较

以6个玉米品种为试材,比较研究了不同产量品种的籽粒淀粉积累和淀粉合成相关酶活性的差异。结果表明,蔗糖合酶(SS)、UDPG焦磷酸化酶(UGPase)和淀粉分支酶(SBE)是玉米淀粉合成的关键酶,较高的SS、UGPase和SBE活性利于淀粉的积累和粒重的提高。低产品种直链淀粉积累的时间(30 d)短于中产(40 d)和高产品种(50 d以上);低产品种支链淀粉的积累在籽粒充实前期(授粉后20 d)慢于中产和高产品种,但后期差异变小;低产品种籽粒SS活性在授粉后10~30 d高于中产和高产品种,但在授粉30 d后迅速下降且降幅大于高产品种;低产品种UGPase活性峰值出现在授粉后20 d,中产和高产品种则出现在授粉后40 d,且低产品种的UGPase活性在籽粒充实后期明显低于中产和高产品种;低产品种的SBE活性在籽粒充实后期(授粉后30~50 d)明显低于中产和高产品种,而中产品种又低于高产品种,低产、中产和高产品种的SBE活性降幅分别为72.44%、44.54%和30.21%。高产和中产品种籽粒可溶性淀粉合酶(SSS)活性呈“N”形曲线变化,并于授粉后30 d出现第一个峰值,而低产品种为单峰曲线;低产品种籽粒ADPG焦磷酸化酶(ADPGPPase)活性高于中产和高产品种;在籽粒充实全期,3个产量品种淀粉脱分支酶(DBE)活性均迅速下降,不同产量品种类型间差异不显著。     

小麦籽粒淀粉分支酶同工酶基因型与酶活性关系研究

测定了71个小麦品种的籽粒淀粉分支酶活性,并采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳（Native-PAGE）,鉴定了分支酶同工酶的基因型,以明确小麦籽粒淀粉分支酶（SBE）各同工型等位基因的分布特点和基因型组成,阐明分支酶活性与分支酶同工酶基因型的相关性。结果表明,分支酶有SBEⅠ和SBEⅡ两个基因位点,SBEⅡ位点未显现多态性,SBEⅠ位点存在多样性。在SBEⅠ位点鉴定出A、B、D_ⅰ和D_ⅱ共4个等位基因位点,各等位基因位点出现频率分别为9.9%、76.1%、95.8%和57.8%;共检测到9种基因型,其中基因型D_ⅰD_ⅱB、D_ⅰB和D_ⅰD_ⅱ有较高的分布频率,分别为45.1%、28.2%和8.5%。从单一位点分析,分支酶活性与SBEⅠ位点有显著的相关性,与SBEⅡ位点相关性不显著。由此可见,小麦籽粒胚乳淀粉分支酶同工酶不同基因位点和基因型对酶活性具有不同的遗传效应。     

结实期水分亏缺对反义Wx基因转化系水稻籽粒淀粉合成关键酶活性及淀粉累积的影响

以反义Wx基因转化系水稻及其受体亲本武运粳7号(9522)为材料,研究了结实期水层灌溉和水分亏缺条件下籽粒淀粉合成关键酶活性、淀粉及直支链淀粉含量的变化。结果表明,以水层灌溉为对照,结实初期(花后5~10 d)的水分亏缺利于籽粒中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGPase)和颗粒淀粉合成酶(GBSS)活性的提高,但随着水分亏缺时间的延长,到灌浆后期两种酶活性降低的速度要快于对照。水分亏缺显著降低了可溶性淀粉合成酶(SSS)的峰值。Q酶活性于水分胁迫下显著受到抑制,花后20 d到成熟期酶活性降低的幅度较大。而两类去分支酶(异淀粉酶和普鲁兰酶)于水分亏缺下活性显著升高,在灌浆后期花后25~30 d普鲁兰酶仍保持着较高的活性。与水层灌溉相比,水分亏缺下籽粒中总淀粉的积累和支链淀粉含量明显降低。GBSS最大活性与直链淀粉含量关系最为密切,呈极显著正相关（r=0.981**）,SSS、Q酶和DBE最大酶活性分别与淀粉和支链淀粉含量不显著相关性。由此推测土壤水分对支链淀粉合成和积累的影响并不是由某一种酶调节的,而是由SSS、Q酶和DBE以及其他一些酶共同催化完成的。     

三个不同品质类型冬小麦品种籽粒淀粉积累动态及其有关酶的活性变化

在池栽条件下，研究了3个不同品质类型冬小麦品种藁麦8901（强筋）、豫麦49（中筋）和洛麦1号（弱筋）籽粒灌浆过程中淀粉及其组分积累动态和与之有关的酶活性变化。结果表明，3个品种籽粒灌浆过程中支链淀粉的合成均与直链淀粉的合成同时进行，灌浆中后期支链淀粉的合成比直链淀粉的合成快。豫麦49籽粒中直链、支链和总淀粉积累速率均高于其它两品种。3个品种籽粒中腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPP）、尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPP）、可溶性淀粉合成酶（SSS）、淀粉粒结合的淀粉合成酶（GBSS）、淀粉分支酶（SBE）活性变化均呈单峰曲线。豫麦49在灌浆期上述各酶活性变化的峰值均高于其他两品种，且大部分酶类在灌浆中后期仍维持较高活性。可见，与藁麦8901和洛麦1号相比，豫麦49具有较强的淀粉合成能力。     

小麦籽粒淀粉分支酶同工酶结构组成及时空表达

本研究的目的是阐明小麦支链淀粉合成的酶学机制。以8个小麦品种的籽粒为材料, 采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳(Native-PAGE)和SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)鉴定SBE同工酶类型、时空表达谱及亚基组成, 分析SBE同工酶空间分布特点和器官表达特异性。共检测到4种SBE同工酶, 其中B和SBEIIa分布在胚乳和叶片中, 而A和D_i专一定位于胚乳中。在小麦籽粒灌浆过程中, D_i和SBEIIa首先表达, 而后是B, A最后表达;至灌浆末期, B和SBEIIa停止表达。SBE同工酶都是单亚基酶, 均由一条86~92 kD的多肽链组成。SBE同工酶的空间分布具有器官特异性, 并在籽粒发育进程中顺序表达。D_i、B和SBEIIa是占主导地位的SBE同工酶, 可能是决定SBE总酶活性的主效应酶, 在籽粒和叶片支链淀粉合成中起关键作用。     

小麦胚乳14-3-3蛋白的表达及其淀粉体淀粉合成酶的互作

从小麦胚乳中克隆了14-3-3基因,并将其分别插入pET29c和pET41c质粒,用热激法转化大肠杆菌BL21-CodonPlus (DE3)-RP,得到高效表达的蛋白,但融合蛋白主要以包涵体的形式存在。可溶性的融合蛋白可直接通过S-蛋白琼脂糖树脂纯化。包涵体经8 mol L^-1尿素溶解变性,稀释复性后,结合到S-蛋白琼脂糖树脂上,也得到纯化的融合蛋白。复性后的融合蛋白对蔗糖合成酶活性表现抑制作用,说明包涵体14-3-3融合蛋白恢复活性。将结合14-3-3融合蛋白的S-蛋白琼脂糖树脂作为诱饵与小麦胚乳淀粉体提取液进行亲和杂交,与14-3-3蛋白特异互作的淀粉合成酶结合到S-蛋白琼脂糖树脂上,Western 检测结果表明, 淀粉体淀粉合酶I(SSI)、淀粉合酶II(SSII)、淀粉分支酶IIa(SBEIIa)、淀粉分支酶IIb(SBEIIb)和ADP焦磷酸化酶大亚基(SH2)与14-3-3蛋白存在互作,而淀粉分支酶I(SBEI)、淀粉磷酸化酶(SP)、D-酶(DE)和ADP焦磷酸化酶小亚基(BT2)不能与14-3-3蛋白结合,说明小麦胚乳14-3-3蛋白对淀粉体淀粉合成具有一定的调控作用。     

小麦腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶同工酶基因型与酶活性及淀粉含量的关系

采用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳鉴定了我国60个代表性小麦品种的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGP)同工酶基因型, 并测定了AGP活性及总淀粉含量, 以明确小麦籽粒AGP同工酶基因型组成及其与AGP活性和淀粉含量的关系。结果表明, AGP有AGPa、AGPb、AGPc和AGPd 4个等位基因位点, 其出现频率分别为96.7%、80.0%、86.7%和16.7%; 共检测到5种基因型, 其中基因型AGPabc出现频率最高, 为46.7%。不同基因型的品种间AGP活性和总淀粉含量差异显著(P<0.05)。其中具有基因型AGPabcd的品种酶活性及总淀粉含量最高, 表明小麦籽粒中不同AGP同工酶基因型对酶活性及淀粉含量有不同遗传效应。     

QTL for rice grain quality based on a DH population derived from parents with similar apparent amylose content

A doubled haploid (DH)population consisting of 135 lines, derived from an indica (IR64) and a japonica (Azucena) rice with a similar apparent amylose content (AAC), was used to investigate the genetic factors affecting cooking and eating quality of rice. AAC,gelatinization temperature (GT), gel consistency (GC) and six starch pasting viscosity parameters were measured for quantitative trait loci (QTL) analysis using 193 molecular markers mapped on the DH population. A total of 17 QTLs were detected for the 9 traits, with at least one QTL and as many as 3 QTLs for each individual trait. No QTL for the measured parameters was found at the wx locus,possibly because of the similar AAC between the parents. Several QTLs with important effects on the variations in the measured parameters were detected in the present study which have not been found in earlier reports based on populations derived from parents with different AAC and wxgene alleles. Two interesting loci could be deduced from the present study according to the marker order compared with other genetic linkage maps. A QTL flanked by Amy2A and RG433 on the end of the long arm of chromosome 6, identified for GT, set back and consistency viscosity, might cover the gene encoding starch branching enzyme I. Similarly, a QTL flanked by RG139 and RZ58on chromosome 2, detected for hot paste viscosity and breakdown viscosity, might cover the gene encoding starch branching enzyme III. Generally, traits significantly correlated with each other shared identical QTL, but it was not true in some cases. The fine molecular mechanisms underlying these traits await further elucidation for the improvement of eating and cooking quality of rice. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Genetic variations of isozymes in cultivated sesame (Sesamum indicum L.)

Patterns of variation for seven enzyme systems were studied in 68 accessions of cultivated sesame (Sesamum indicum L.), 12 from Japan, 15 from Korea and 41 from Thailand. Only one enzyme system, isocitrate dehydrogenase (IDH), of these exhibited variation. The IDH isozymes were shown to be controlled by a single locus (Idh) with two alleles. The two alleles were widely distributed in the accessions from the three countries. As few gene markers which have simple genetic control are available in sesame, these IDH isozymes could contribute to a range of studies in the breeding and genetics of sesame. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

植物体内的淀粉磷酸化

淀粉是植物主要储存碳水化合物的形式,是食品及工业应用中最重要的植物原材料之一。植物淀粉中的高度磷酸化作用,使磷酸酯淀粉含量增加,从而改善了淀粉的品质和理化性质。介绍了淀粉磷酸化作用的机制,概述了α-葡聚糖水合二激酶(α-glucanwaterdikinase,GWD)功能与磷酸化作用和淀粉代谢的关系及其生物学研究进展,在此基础上,讨论利用基因工程改良淀粉品质的可能途径以及今后的研究任务。     

土壤水分对小麦籽粒淀粉合成和积累特性的影响

以防雨池栽的方式研究了限量灌溉对冬小麦籽粒淀粉合成和积累的影响.结果表明,冬小麦籽粒中可溶性淀粉合成酶(SSS)、淀粉粒结合态合成酶(GBSS)和Q酶 (一种分支酶)均是在灌浆中期(花后14 d)活性最高.中度、严重干旱显著地降低了它们的活性.适宜的灌水处理(处理C和处理D)使三种酶保持较高的活性,这是形成较高产量的生理基础.三