高新科技引领淀粉行业发展步伐

李伟娟

像众多留学生一样，姚新灵也有一颗炽热的爱国心，2000年，历经三年的留学生涯后他毅然回国，并在宁夏大学从事教学和科研工作。因为曾师从马铃薯基因组测序发起人著名科学家Richard Visser教授，受其启发，他的研究兴趣主要有“淀粉生物合成基因表达调控及代谢生物学”和“茄科植物发育分子机制及转录组学及发育生物学”等方面。尤其是在高粘度和高产量淀粉的品系研究方面颇具成就。

回国后的十几年时间，姚新灵围绕自己的研究领域，先后主持完成国家科技计划资助课题6项，地方资助课题5项，参加国家科技计划3项，申请国家发明专利4项，获得高淀粉及高粘度马铃薯转化子9个，累计培养毕业研究生15名，发表论文40余篇。建立了空间、时间和基因型三维水平识别细胞分化及发育特异表达基因的转录子消减杂交（TSH）方法。期间，他还承担了生物化学及分子生物学专业硕士研究生《植物分子生理学》、《植物基因工程》及《分子遗传学》、生物技术专业本科生《分子生物学》、《分子遗传学》课程的讲授。

淀粉，为人类的发展做出了重要贡献

姚新灵教授介绍说，淀粉是植物利用光能聚合二氧化碳和水形成的大分子物质，作为最为重要的天然物质之一供养了人类的文明进化；淀粉存在于自然界的历史同于植物存在地球的时间，尽管经过漫长的改良，我们今天每年可收获更多的淀粉，但对淀粉品质有限的了解，极大地限制了这一天然大分子的应用范围。

淀粉品质决定了其用途和应用范围，葡萄糖分子间以alfa（1-4）糖苷键连接形成直链淀粉，直链淀粉中多处存在以alfa（1-6）糖苷键连接的葡萄糖链分支形成的分子，称作支链淀粉；直链和支链分子在淀粉中所占比重、淀粉粒大小等等均是淀粉品质的决定因素。

经过多年的研究，姚新灵教授总结了目前改变淀粉品质的途径：alfa（1-4）糖苷键连接的直链葡聚糖是alfa（1-6）糖苷键（分支链）合成的前提，ADP-葡萄糖供应波动的缓冲，相对增加了ADP-葡萄糖的供应，有望增加直链葡聚糖中alfa（1-6）糖苷键的形成，从而提高支链淀粉合成，改变最终淀粉的品质。

植物体内腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）是由两个大亚基和两个小亚基组成的异源四聚体酶，代谢合成淀粉生物合成所需的底物ADP-葡萄糖。光照周期调控AGPase翻译后氧化还原修饰，决定着淀粉的生物合成效率。夜间两小亚基以二硫键共价连接，AGPase呈失活的氧化态，白天依赖NADP-硫氧还蛋白还原酶（NTRC）解离共价连接，AGPase寡聚体呈激活的还原态。

在和可溶性淀粉合成酶和去分支酶的共同作用下，淀粉粒结合淀粉合成酶（GBSSI）和淀粉分支酶（BE）分别以ADP-葡萄糖为底物催化糖苷键的形成，其中前者催化alfa（1-4）糖苷键合成，实现直链淀粉合成，后者催化alfa（1-6）糖苷键合成，实现支链合成。

工业淀粉需求巨大，但是很难规模发展

姚教授说，工业淀粉主要来源玉米、马铃薯和木薯等作物，但是受耕地面积和作为饲料巨大需求的限制，以玉米为原料加工淀粉的产业正在逐渐淡出淀粉市场，在我国情况尤其如此。同时，组成淀粉的葡萄糖间糖苷键连接决定着淀粉品质，传统植物育种技术无法实现分子间连接方式的改变；基因工程技术则是以对分子进行定向改良见长。因此为了充分发挥淀粉作为光能聚合载体的潜力，自基因工程技术诞生以来，对淀粉分子改良的脚步就未停止过。

在国际市场对淀粉巨大需求的驱动下，高出粉率、高粘度淀粉更是炙手可热。过去十多年，国际化工巨头、如荷兰Avbe和德国BASF及Unika旗下等巨头纷纷投资于淀粉品质改良的育种研究，取得了许多育种成果。德国Basf公司已获批相关基因专利3.5万个。

早在1992年，Basf公司通过基因工程途径，将直链淀粉合成酶编码基因GBSSI关闭，获得了转化株系Amflora（EH92-527-1），田间试验表型测定结果表明，其块茎淀粉中支链淀粉含量在90%以上；这是淀粉在纺织和造纸等应用领域运用近百年来，首次对其改良的突破。

据称由Amflora加工的高粘度淀粉，在纺织和造纸等应用领域只需传统淀粉用量的五分之一，即可达到同样的使用效果；欧盟民众多年来一直抵制在西欧种植转基因作物，但鉴于Amflora淀粉性能的巨大诱惑，2010年欧盟批准BASF在欧洲种植Amflora，据预测Amflora 淀粉可年创3000万欧元产值。

我国适宜木薯种植的土地有限，产能受到影响，而适宜马铃薯种植的长江以北及西部和东部省区广大区域具有淀粉生产的巨大潜力，但是用于工业淀粉加工的马铃薯仍占少数。2010年，我国马铃薯种植面积达到7808万亩，居于世界第一，用于淀粉加工的马铃薯只占总产的5%，且淀粉大多仅局限于食品添加剂的狭窄用途，远落后于发达国家20%加工的水平，更无高端淀粉生产，从而制约了高级纸张、高端纺织品、高端化工产品的生产，这些产品长期依赖进口。

包括内蒙在内的西北马铃薯产区占我国马铃薯种植面积的三分之二，从生产到加工的完整马铃薯产业链是相关省区的农业支柱产业之一；近年，国际巨头技术进步对产区的可持续发展带来了严峻挑战，龙头企业的加工效益急剧下降，问题的核心是马铃薯产量低、加工品质不高。国内的淀粉技术改良迫在眉睫，只有创新科技，才能真正助力国家经济的发展。

科技创新，引领经济发展

姚新灵教授带领课题组，紧紧围绕阻碍产业发展的核心的问题，在过去的15年间，开展了通过分子生物学及基因工程途径调控淀粉生物合成的应用基础研究，期间先后6次得到国家相关科技计划的支持，其中淀粉品质改良研究取得了预期的结果，先后获得了高粘度和天然交联淀粉品系，品系淀粉具体技术参数如下。

高粘度淀粉性能指标：该项目高粘度淀粉的粘度比国内产同类淀粉高出30%以上，与德国Basf尚未上市的Amflora淀粉水平持平。

天然交联淀粉性能指标：直链淀粉含量（≤11）显著低于非交联对照，粘度高于或等同于化学交联淀粉，动态热稳定性抗剪切性高于化学交联淀粉；目前国际范围尚未检出内源（天然）交联淀粉及相关产品。

姚教授还将项目技术及产品特点做了以下介绍：

1、重组基因组成及结构的唯一性

检索Pubmed、Genbank和各类专利数据库发现，到目前为止有2个重组基因用于马铃薯淀粉品质改良，一个是Monsanto公司用Patatin启动子驱动的glgC16的重组基因，另一个是Basf公司用于Patatin启动子驱动反义GBSSI的重组基因。本项目完成了4个重组基因构建，其中，重组基因组成中的glgC由本项目独立完成分离，序列比对发现，其编码的氨基酸序列中有3个特异突变尚未见报道。

2、多个基因操作进行淀粉品质改良

Avebe和Monsanto公司分别以GBSSI和glgC16单个基因为目的基因，经过基因工程途径获得了高产和低直链淀粉品系，因其报道极为有限，两者所产淀粉的性能指标尚不了解，但可以肯定的是单个基因操作所能达到的淀粉品质改良效果有限。

本项目首次采用多个基因，包括glgC、AGPase小亚基编码基因和GBSSI 3个基因的操作，达到了提高淀粉含量、改变其组成和结构增强粘度的育种目的；国内已用的马铃薯品种主要是通过传统育种方法的，且对淀粉品质改良的育种尚未见报道。

3、首创内源交联淀粉

传统上，交联淀粉只能通过化学变性方法获得，本项目通过基因工程方法获得了含有天然内源交联淀粉的品系，在不改变产业链生产条件的前提下，依此品系为原料品种，可生产获得最终产品——内源交联淀粉，内源交联淀粉属于技术国际领先的全新产品。

4、国内首创高粘度淀粉

本项目获得的高粘度淀粉的品系，在不改变产业链生产条件的前提下，依此品系为原料可生产获得最终产品---高粘度淀粉，属于国内技术领先的全新产品。

姚新灵教授研究的课题具有极大的经济价值和社会价值，如今取得了斐然的成绩，姚教授并未停下科研的脚步，他将继续带领科研小组为祖国的经济发展提供强大的科技支撑，为实现祖国的强国梦而奉献自己的力量。endprint