稻米支链淀粉结构的研究进展

范名宇 王晓菁 王旭虹 唐亮 徐铨 徐正进

稻米支链淀粉结构的研究进展

范名宇 王晓菁 王旭虹 唐亮 徐铨 徐正进*

(沈阳农业大学 水稻研究所/教育部和辽宁省北方粳稻遗传育种重点实验室/农业部东北水稻生物学与遗传育种重点实验室，沈阳 110866；*通讯联系人，E-mail: xuzhengjin@126.com)

随着我国国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对稻米品质的要求越来越高，在丰产的基础上还要求有较好的口感。支链淀粉是稻米淀粉的主要成分，其结构对食味品质有重要的影响。本文介绍了稻米支链淀粉结构的测定方法，籼粳稻支链淀粉结构的差异、遗传机制，支链淀粉超长链部分的合成调控以及支链淀粉的结构与理化特性和食味品质关系等方面的研究现状，认为今后有必要改进、完善和规范现有的支链淀粉结构测定方法，进一步研究籼粳稻杂交后代支链淀粉结构的差异，明确支链淀粉结构与亚种分化之间的关系，与此同时对支链淀粉结构与稻米食味品质之间的关系进行深入研究，以期为我国水稻生产及稻米品质改良提供理论指导。

稻米；支链淀粉结构；理化特性；食味品质

水稻是人类重要的粮食作物，中国作为水稻生产和消费大国，60%以上的人口以稻米为主食[1]。随着社会、生产的发展和生活水平的提高，人们对稻米的需要开始从数量型向品质和食味型转变[2]。淀粉是稻米的主要成分，占稻谷籽粒质量的75%～85%，分为直链淀粉和支链淀粉，其中籼米的直链淀粉含量为25.4%，粳米为18.4%，而糯米的直链淀粉含量几乎为零（0.98%）[3]。以往大量的研究表明，直链淀粉含量直接影响稻米的蒸煮食味品质，但是随着研究的深入，发现支链淀粉是造成直链淀粉含量相同或相近的水稻品种间食味品质差异的重要原因[4-7]。越来越多的学者开始关注支链淀粉的结构以及支链淀粉结构与稻米理化特性和食味品质间的关系，但是不同学者使用的材料和方法不同，得出的结论也不相同[4,8-11]。本文综合评述了支链淀粉结构的测定方法、籼粳稻支链淀粉结构的差异及其与稻米理化特性和食味品质间的关系等，分析了目前支链淀粉研究存在的问题，并提出了展望。

图1 支链淀粉的分支结构Fig. 1. The branch structure of amylopectin.

1 支链淀粉的结构与测定方法

1.1支链淀粉的组成与结构

支链淀粉是一个多分支结构的分子，分子量较大，一般由1300个以上的葡萄糖残基组成。它是由α-D葡萄糖通过α-1,4糖苷键连接而成主链，加上由α-1,6糖苷键连接的葡萄糖支链共同构成的多聚体。支链淀粉的各条链可以分为A、B、C链三种，C链是唯一一个具有还原性末端的主链，还原性末端在脐点，B链有一个或多个分支的葡聚糖链；A链没有分支，通过α-1,6糖苷键连接在B链上。因为A链和B链只有非还原性末端基，所以淀粉不表现出还原性[3,7]（图1）。

支链淀粉的链分为外链和内链[12]。外链形成双螺旋结构，存在于淀粉颗粒的结晶片层，内链主要存在于非结晶片层。因为A链不携带其他的链，所以A链属于外链，而B链一部分属于外链，一部分属于内链[13]。支链淀粉的分支形成有规则的结构簇，通常用链的聚合度（degree of polymerization, DP）,即分子中脱水葡萄糖苷元的平均数目来表示链的长度（chain length, CL）。水稻支链淀粉平均聚合度8200～12800，平均链长19～23，外部平均链长11.3～15.8，内部平均链长3.2～5.7[14-15]。通常将支链淀粉的链分为4种类型，即Fa (5≤DP≤12)、Fb1(13≤DP≤24)、Fb2(25≤DP≤36)和Fb3(37≤DP≤58)[15]。

1.2支链淀粉链长分布的测定方法

目前关于支链淀粉链长分布的测定方法很多，主要分为两大类，一类为电泳法，另一类为色谱法。每一大类方法又根据自身的特点，衍生出许多新方法，这些方法各有其优点和缺点。

1.2.1 荧光糖电泳法(Fluorophore-assisted carbohydrate electrophoresis, FACE)

FACE是利用还原胺化反应，在支链淀粉脱分支支链的还原末端进行荧光基团衍生标记，并利用荧光基团带有的电荷实现电泳分离的链长分布分析方法。

基于DNA测序仪的荧光糖电泳法：利用荧光剂APTS(8-氨基芘-1,3,6-三磺酸三钠盐)标记的基于DNA测序仪的FACE法，测定支链淀粉链长和链长分布具有快速灵敏、分辨率高、重复性好和高通量的特点。贺晓鹏等[8]提出了直接用异淀粉酶酶解精米粉测定支链淀粉链长分布的简化方法，即改进的基于DNA测序仪的FACE，由于此方法省去了繁琐的纯化过程，从而提高了实验效率, 更适用于大批量样品的分析。

基于毛细管电泳的荧光糖电泳法：需对糖分子的还原端进行荧光衍生化反应，影响因素较多、操作繁琐以及使用的试剂较贵，但是准确性较高，聚合度能达到150左右，并且重复性好，适用于比较不同水稻品种支链淀粉的精细结构，是目前测定支链淀粉链长分布的常用方法之一。将毛细管电泳法得到的支链淀粉链长数据进一步处理，建立数学模型，可以发掘出支链淀粉合成相关酶活性等生物合成信息[16-17]。

1.2.2 色谱法

色谱法的原理是不同物质在固定相和流动相中具有不同的分配系数，当两相作相对移动时，使这些物质在两相间反复多次分配，原来微小的分配差异产生明显的分离效果，从而按先后顺序流出色谱柱。

凝胶渗透色谱法(Gel permeation chromatography, GPC)：也称为凝胶层析法等。它是一种依靠专用色谱柱按尺寸分离天然及合成聚合物、生物聚合物、蛋白质或纳米颗粒的液相色谱技术。虽然该技术在稻米支链淀粉链长分布分析上已多有应用[9,18-19]，但该方法缺点是灵敏度低，也无法检测分子质量较大的聚合物，只能对不同聚合度范围的脱分支支链进行简单的分离检测，不适用于支链淀粉精细结构的比较。

高效体积排阻色谱法（high-performance size-exclusion chromatography, HPSEC）：常与示差折光检测器（RI）联用。同凝胶色谱技术相比，它的灵敏度更高，能够提供脱分支支链淀粉的整体质量分布信息，缺点是无法像离子色谱那样提供某单独色谱峰所代表的分子聚合度大小，仅是对多聚物分子质量大小分布范围的描述。总体上，该法操作简单、测定周期短、数据可靠、重现性好，但是受校正等一些因素的影响，不适合支链淀粉短链的测定，是高聚物分子质量分布研究中最普遍和常用的方法，例如测定直链淀粉的精细结构[20]。

图2 L型和S型支链淀粉簇状结构Fig. 2. Schematic representation of cluster structure of L-type and S-type amylopectin.

高效阴离子交换色谱-脉冲安倍检测法(high-performance anion exchange chromatography with pulsed amperometric detection, HAPED-PAD)，是近十多年发展起来的一种分析多糖的有效方法，该方法具有在强碱性条件下灵敏度高、有机溶剂兼容性好以及无需衍生等特点[21]，分离特定聚合度下的各个色谱峰，即对葡萄糖链的分布进行测定，从而成为检测支链淀粉链长分布的一种重要方法，但所能检测到的最大分子聚合度大小一般不超过80，样品前期处理复杂、时间长，对仪器操作人员及仪器配置要求极高，也是目前国内外测定支链淀粉链长分布的常用方法之一。

2014年Nakamura等[22]提出了利用碘吸收曲线来计算支链淀粉链长分布的公式。此方法相对于以上方法，操作简单、成本较低，但是只能计算出支链淀粉短链Fa（DP≤12）和长链Fb3（DP≥37）的比率，具有一定的局限性。

2 籼稻与粳稻支链淀粉结构的差异及其遗传机制

2.1籼稻与粳稻支链淀粉结构的差异

一般来说，籼稻支链淀粉的平均聚合度低于粳稻，而链长、外链长和内链长高于粳稻，而糯稻的平均聚合度要高于籼稻和粳稻，平均链长约17～20，籼稻和粳稻的平均链长分别为18～22、15～18[14,23]。Nakamura等[24]利用毛细管电泳FACE分析了129个不同类型水稻品种的支链淀粉结构，将支链淀粉结构分为S型和L型，也有极少数品种的支链淀粉结构介于S型和L型之间，称为M型(中间型)；以∑DP≤10/∑DP≤24的链长比值来作为划分标准，S型支链淀粉的链长比值大于0.24，而L型支链淀粉的链长比值小于0.20；粳稻品种基本属于S型，多数籼稻品种属于L型（图2）。

贺晓鹏等[8]利用改进的基于DNA测序仪的FACE测定支链淀粉结构，以∑DP≤11/∑DP≤24的链长比值作为划分标准，将测试品种的支链淀粉分为Ⅰ型和Ⅱ型两种结构类型，Ⅰ型支链淀粉的链长比值小于0.22，Ⅱ型支链淀粉的链长比值大于0.26，分别对应L型和S型。粳稻品种的支链淀粉结构属Ⅱ型，籼稻品种既有属于Ⅰ型也有属于Ⅱ型结构。

相对粳稻而言，籼稻除了直链淀粉含量高外，还含有更多的长链支链淀粉，而短链（6≤DP≤11）比率较小，中链（12≤DP≤24）比率较大[9,25-26]。彭小松等[10]利用重组自交系研究表明，群体中支链淀粉短链( 6≤DP≤11) 分配比率表现为籼型＜偏籼型＜偏粳型＜粳型，中链( 12≤DP≤24) 分配比率表现为籼型＞偏籼型＞偏粳型＞粳型，存在极少量短链分配率较高而中链分配率较低的籼型株系。蔡一霞等[9]利用不同类型的水稻品种作为试验材料，研究结果表明不同品种支链淀粉的长链与短链分配的比率存在明显的差异，在供试的糯性品种中，籼糯含的长链比粳糯多；在供试的非糯性品种中，杂交稻支链淀粉中含有的长分支链要比常规稻多，陆稻品种含的长分支链要多于水稻品种。同时Huang等[27]利用籼糯和粳糯作为试验材料进行研究，发现籼糯比粳糯含有更多的长链，而短链比率低，这与蔡一霞等[9]的研究结果是一致的。

2.2支链淀粉结构差异的遗传机制

可溶性淀粉合酶（SSS）Ⅰ活性在不同的亚种间表达有显著差异，籼稻品种Kasalath中SSSⅠ的活性只有粳稻品种日本晴的1/6，甚至更少。利用HPAEC-PAD分析籼稻Kasalath和粳稻日本晴的F3和F4群体, 发现SSSⅠ基因主要负责支链淀粉结构中短链(DP≤12)的合成，等位基因间的变异导致籼粳稻之间支链淀粉结构产生差异[28]。

Umemoto等[26]将控制籼粳稻支链淀粉结构[(DP≤11)/(12≤DP≤24)]差异的基因acl、胶稠度基因gel、糊化温度基因alk定位在第6染色体的同一位点上，并与SSⅡa基因位置相同，表明SSⅡa位点等位基因的差异是籼粳亚种间支链淀粉结构即短链(DP≤11)与中等长度链(12≤DP≤24)比例不同的主要原因。随后Nakamura等[29]检测了粳稻品种日本晴、Kinmaze与籼稻品种IR36、Kasalath的SSⅡa氨基酸多态性，并通过体外表达和转基因试验证明SSⅡa活性决定了形成支链淀粉结构是S型还是L型，也验证了Umemoto[26]的结论。同时也有研究发现SSⅡa基因的表达量在品质不同的籼粳稻胚乳中存在明显差异，籼稻表达量大于粳稻[30]。

3 支链淀粉的超长链及其遗传机制

3.1支链淀粉的超长链

采用碘比色法测得直链淀粉实际上是由两部分组成：真正的直链淀粉和支链淀粉的长链B。基于此提出了“表观直链淀粉含量”（apparent amylose content, AAC）的概念，认为碘比色法测的直链淀粉含量就是表观直链淀粉含量[31]。用碘比色法测出的总直链淀粉也被分为两部分：热水可溶性直链淀粉和热水不溶性直链淀粉[31]。随后Reddy 等[32]采用凝胶渗透色谱技术分离水稻淀粉，证实热水不溶性直链淀粉就是支链淀粉的长链B。因为支链淀粉的长链B与直链淀粉的短链部分很难分离，所以在目前的研究中，如没有特别指出，所说的直链淀粉含量就是指表观直链淀粉含量。

支链淀粉的长链B通常也被称作支链淀粉的超长链（Extra-long chains, ELCs），通常是指支链淀粉中DP＞100的长链部分。一些籼稻品种的表观直链淀粉含量显著高于粳稻，但是真正的直链淀粉含量却相差不多，原因可能是支链淀粉中超长链部分的差异造成的[23]。Horibata等[33]根据支链淀粉中超长链的含量，将水稻品种划分成了高（13%～16%）、中（5%～7%）和低（＜2%）3种类型。除水稻外还在其他多种植物的贮藏淀粉中证实了超长链的存在，包括大麦、荞麦、四季豆、玉米、甜薯和小麦等[34-37]。但是在糯稻淀粉中没有发现支链淀粉的超长链部分。在对水稻和小麦的研究中发现，表观直链淀粉含量与支链淀粉中的超长链含量显著相关[34,38]。这些研究结果表明支链淀粉中超长链部分的合成与直链淀粉的合成相关。

3.2支链淀粉超长链的遗传机制

颗粒性结合淀粉合成酶有两种同工型：GBSSⅠ和GBSSⅡ。GBSSⅠ主要参与了水稻胚乳中直链淀粉的合成，同时也参与了支链淀粉中超长链部分的合成[33,39-40]，GBSSⅡ主要是在水稻叶片中表达，参与叶片中直链淀粉的合成[41]。Hizukuri等[38]通过试验证实GBSSⅠ缺失导致了支链淀粉中超长链部分的缺失，这一结果在小麦等其他作物中得到了证实[34]。编码水稻胚乳GBSS的是蜡质基因（Wx），位于第6染色体上，传统的籼稻品种大多是Wxa基因型，粳稻品种则大多为Wxb基因型，糯稻中只有wx基因[42-43]。支链淀粉长链部分的合成受控于Wx位点，籼稻Wxa相对于粳稻Wxb合成更多的直链淀粉和支链淀粉长链部分[44]，尽管携带了Wx等位基因，但大多粳稻品种却缺乏支链淀粉的超长链部分[23,38,45]。Ball等[46]认为支链淀粉的超长链是直链淀粉合成的中间部分，并且假设直链淀粉的合成是由支链淀粉作为合成前体，同时由GBSSⅠ催化延伸，当达到了足够的大小时裂开，成为成熟的直链淀粉分子。

4 稻米支链淀粉的结构与理化特性和食味品质的关系

4.1支链淀粉的结构与理化特性的关系

前人关于水稻支链淀粉结构与理化特性关系的研究很多，特别是支链淀粉的链长分布与RVA谱特征值之间的关系，由于使用的材料、方法不同，得出的结论也不尽相同。

Han等[11]利用凝胶层析法，根据分子的大小将稻米支链淀粉分支分成FrⅠ(DP>100)、FrⅡ(DPn为44)和FrⅢ(DPn为17) 3个片段范围，认为超长链FrⅠ与崩解值呈极显著负相关，短链FrⅢ则与崩解值呈极显著正相关；蔡一霞等[9]同样利用凝胶层析法将稻米支链淀粉分支分成FrⅠ(DP>100)、FrⅡ(DPn44～47)和FrⅢ(DPn10～17) 3部分，认为FrⅢ的比率与最高黏度和崩解值呈极显著正相关, 而Fr(Ⅰ+Ⅱ)与最高黏度和崩解值呈极显著负相关。李丁鲁等[2]利用BioLC仪器测定稻米支链淀粉链长聚合度，认为支链淀粉的短链Fa所占比率与最高黏度值和崩解值均呈显著正相关，这与蔡一霞[9]所得的结果基本一致。同样，支链淀粉短长链比（Fa/Fb3）与最高黏度和崩解值均显著正相关[2]。支链淀粉中所含的长链部分[Fr(Ⅰ+Ⅱ)]可能形成双螺旋结构或与稻米中其他组分如脂、蛋白形成复合物，抑制淀粉的膨胀，从而导致最高黏度降低。此外，崩解值是由最高黏度减去热浆黏度得来的，在淀粉糊化达到最高黏度时，膨润化的淀粉粒发生破裂，此时淀粉中直链淀粉将流出，如果支链淀粉含有的长链越多，则不易使支链淀粉的结构破裂，有助于维持胶稠化的淀粉颗粒结构，则热浆黏度高，从而降低了崩解值[9]。

Vandeputte等[4]利用HAPED-PAD测定了5个糯性和10个非糯性水稻品种的支链淀粉结构, 并认为DP6～9的短链与稻米淀粉的糊化起始温度（To）、峰值温度（Tp）、最终温度（Tc）及糊化温度（PT）呈负相关, 而DP12～22则正相关。同时DP6～9和DP12～22的支链数量还与淀粉的膨胀、回生特性有关，而与淀粉RVA谱的最高黏度、崩解值、消减值和最终黏度相关性不显著[4]。贺晓鹏等[8]利用改进的基于DNA测序仪的FACE研究发现，材料中9个糯稻的支链淀粉结构与淀粉的糊化特性以及相对结晶度的相关性，与全部品种的相关性是一致的，即不同链长范围的支链数量比例主要与淀粉的糊化温度和结晶度相关, 而与淀粉的胶稠度（GC）和RVA谱特征值相关不显著。其中DP6～11和DP13～24与糊化温度分别呈极显著负相关和极显著正相关，链长比值（ΣDP≤11/ΣDP≤24）与糊化温度呈极显著负相关, 这一结果与Nakamura[24]的研究结果基本一致。Cai等[47]利用直链淀粉含量不同的水稻品种作为试验材料，研究结果表明糊化温度、水溶度与直链淀粉含量呈极显著正相关，与支链淀粉的短分支链呈极显著负相关。Chung等[48]研究认为淀粉的膨胀系数与支链淀粉的短分支链、分支度及相对结晶度呈极显著正相关，与直链淀粉含量呈极显著负相关，同时指出水稻淀粉的结晶度随着表观直链淀粉含量和支链淀粉的分支链长分布的变化而变化。支链淀粉的短链（DP＜11）太短，不能形成跨越整个结晶片层的双螺旋结构，导致结晶区域缺陷和晶体结构的不稳固。另一方面，长链（例如DP 16～21）能够形成跨域整个结晶片层的双螺旋结构，使得晶体结构更加稳固[49-52]。

Qi等[51]认为糯稻淀粉中直链淀粉、脂肪等的含量较低，相比之下更适合作为试验材料来研究淀粉的理化特性，与此同时对6个糯稻品种的支链淀粉结构进行分析，发现高糊化温度的淀粉，其长链比例也高。支链淀粉DP6～9的超短链降低了糯稻淀粉的糊化温度[15]，而长链的比率高增加了糊化温度和消减值，降低了最高黏度和剪切稀化能力[6,53-54]。Lin等[55]利用糯稻作为试验材料，发现糯稻淀粉的分子结构对理化特性的影响主要是膨胀性和糊化特性，对黏滞性的影响较弱，指出淀粉的黏滞性主要是由颗粒结构所决定，糯稻淀粉的膨胀和糊化热力学特性与支链淀粉的链长有极显著的相关性，表明糯稻淀粉颗粒的糊化，膨胀以及有序结构的打乱取决于支链淀粉链间的相互作用。

以上学者都是用不同的水稻品种作为研究材料，彭小松等[10]利用重组自交系研究表明，群体中支链淀粉短链（6≤DP≤11）分配率与糊化温度呈极显著负相关，中链（12≤DP≤24）分配率与糊化温度呈极显著正相关，长链（25≤DP≤50）分配率与消减值呈极显著负相关，而支链淀粉链长与胶稠度和RVA谱其他特征值的相关性因种植地点不同而有差异，说明在籼粳稻杂交后代中支链淀粉结构与淀粉理化特性的关系比较复杂，受环境因素的影响也较大。

也有一些学者利用突变体材料来研究支链淀粉结构与理化特性的关系。Nishi等[56]对Kinmaze及其ae突变体进行分析，认为支链淀粉的侧链对水稻胚乳淀粉在碱溶液及尿素中的消化起重要的作用，支链淀粉中、短链的降低导致糊化温度的升高。Fujita等[57]将反义异淀粉酶基因转入日本晴sugary-1突变体EM-935中，发现转基因后代植株与对照相比，DP≤12的支链淀粉增加，黏度和糊化温度下降，同时淀粉颗粒的X射线衍射图谱、形态学发生改变。Satoh等[58]发现水稻ae突变体中DP≥37和12≤DP≤21的链减少，而DP≤10的链则显著增加，同时DP24～34中等长度链稍有增加，支链淀粉结构的改变使得突变体中淀粉的糊化温度较正常水稻低。糯稻突变体淀粉在回生性、流变学以及质地方面与普通糯稻品种相差很多，短链与长链的比率比品种高出许多，因此可能影响着回生淀粉形成交联点和双螺旋结构的能力[59]。

4.2支链淀粉的结构与食味品质的关系

直链淀粉和支链淀粉的含量、分子量、空间结构及相互关系是影响稻米食味品质的重要因素[60]，表观直链淀粉含量相似的品种之间米饭质地尤其是口感出现明显的差异，不少研究报道认为这种差异是由支链淀粉的精细结构(如分支度、链长分布、平均链长等)差异所引起的[11,61-62]。

热水不溶性直链淀粉含量越高的稻米，分布在淀粉粒外部的长链B就越多，该特点有助于长链与淀粉粒内外的其他成分相互作用，形成坚硬的质地[63]。Ong等[62]研究指出，支链淀粉长链越多且短链少的水稻品种，其米饭质地就越硬，反之其米饭质地就越软，这与一些研究结果一致[64-66]。Li等[20]认为支链淀粉的含量以及支链淀粉短链的比率与米饭的黏性有极显著的正相关性。支链淀粉中[Fr(Ⅰ+Ⅱ)]的比率高，淀粉粒得不到充分糊化，最高黏度和崩解值将越低，其硬性和凝聚性大、松弛性和黏附性小, 米饭的口感表现硬, 咀嚼有渣感；相反，支链淀粉短链部分（FrⅢ）的比率高，利于淀粉糊化，易形成较高的最高黏度和崩解值，有利于米饭食味的改善[9]。金正勋等[67]研究表明，食味值与最高黏度值和崩解值呈显著正相关。这也间接说明支链淀粉长链少且短链多的水稻品种，其米饭食味好，反之其米饭食味就差。

金丽晨等[68]用凝胶层析法分析淀粉3种组分(直链淀粉、支链淀粉和中间成分)的链长分布与食味品质相关性的结果表明，稻米淀粉中的支链淀粉、中间成分、直链淀粉和总淀粉的（FrⅠ+FrⅡ）组分含量与食味品质均呈极显著负相关，说明稻米的食味品质是淀粉各组分链长结构的综合表现，其中支链淀粉的链长结构对于稻米的食味品质起到了决定性作用，中间成分和直链淀粉对于食味品质也有一定的影响。

5 目前支链淀粉研究存在的问题以及展望

5.1改进并完善现有的试验方法

支链淀粉作为稻米淀粉最主要的组分，是淀粉粒各级结构形成和稻米淀粉理化特性的主要决定因素，也是造成直链淀粉含量相同或相近的水稻品种间食味品质差异的重要原因，近年来也有越来越多的学者开始研究支链淀粉。相对于直链淀粉而言，支链淀粉无论是含量还是结构都不易测定。关于支链淀粉结构研究最多的就是链长分布，支链淀粉链长分布的测定方法有很多，其原理和特点也各不相同，有的操作相对简单，但是试验准确性不高；有的试验方法准确性高，但是样品处理复杂且成本较高，最重要的是不同学者使用的方法不同，得出的试验结论也不同，所以目前有必要就现有的试验方法进行改进和完善，在保证准确性的基础上提高效率，降低成本，节省时间。

5.2深入研究籼粳稻杂交后代支链淀粉结构的差异

目前大多数的研究都集中在不同水稻品种间支链淀粉结构的差异，粳稻一般属于短链比率较大的S（Ⅱ）型结构，籼稻品种中既有S（Ⅱ）型也有L(Ⅰ)型结构[8,24]。以综合亚种优点和利用亚种间杂种优势为目的的籼粳稻杂交育种已成为我国水稻育种的重要方法之一，但是对于籼粳稻杂交后代支链淀粉结构差异的研究却很少，已有的研究表明籼粳稻杂交后代中支链淀粉结构与淀粉理化特性的关系比较复杂，受环境因素的影响也较大[10]，所以了解不同生态条件下籼粳稻杂交后代支链淀粉结构的差异以及与淀粉理化特性的关系，明确支链淀粉结构与亚种分化之间的关系，对于水稻生产及稻米品质改良具有重要的指导意义。

5.3进一步探讨支链淀粉结构与稻米食味品质之间的关系

稻米的食味品质越来越得到研究者们的重视。但是目前大多是以糊化温度、胶稠度、直链淀粉含量以及RVA谱特征值等这些理化指标间接评价食味值，而支链淀粉与食味值的相关性也都以支链淀粉与这些指标的关系来间接评定，不能很好地体现支链淀粉与食味值之间的关系。目前对于支链淀粉结构的研究大多集中在短链以及长链的链长分布，而支链淀粉中能与碘反应的超长链部分（DP＞100）的长度和数量与米饭质地也显著相关[62]。同时，支链淀粉的精细结构还涉及到平均链长、分支度以及内/外链比例等, 这些因素对稻米淀粉的形成及食味品质的影响有待于进一步的研究。

[1] 万建民. 中国水稻遗传育种与品种系谱. 北京: 中国农业出版社, 2010: 1-23. Wan J M. Rice Genetic Breeding and Variety Genealogy in China. Beijing: China Agriculture Press, 2010: 1-23. (in Chinese)

[2] 李丁鲁, 张建明, 王慧, 李茂柏, 朴钟泽. 长江下游地区部分优质粳稻品种与越光稻米支链淀粉结构特征及品质性状比较. 中国水稻科学, 2010, 24(4): 379-384.

Li D R, Zhang J M, Wang H, Li M B, Piao Z Z. Differences in amylopectin structure and grain quality of Rice between some high-quality japonica cultivars from the lower Yangtze River region, China and Koshihikari from Niigata, Japan. Chin J Rice Sci, 2010, 24(4): 379-384. (in Chinese with English abstract)

[3] 吴殿星, 舒小丽, 吴伟. 稻米淀粉品质研究与利用. 北京：中国农业出版社, 2009: 6-7.

Wu D X, Shu X L, Wu W. Quality Research and Utilization of Starch in Rice. Beijing: China Agriculture Press, 2009: 6-7. (in Chinese)

[4] Vandeputte G E, Derycke V, Geeroms J, Delcour J A. Rice starches: Ⅱ. Structural aspects provide insight into swelling and pasting properties. J Cereal Sci, 2003, 38(1): 53-59.

[5] 朱昌兰, 翟虎渠, 万建民. 稻米食味品质的遗传和分子生物学基础研究. 江西农业大学学报, 2002, 24(4):454-460.

Zhu C L, Zhai H Q, Wan J M. Progresses in the studies of genetic and molecular bases of eating-quality in rice. Acta Agric Univ Jiangxieensis, 2002, 24(4): 454-459. (in Chinese with English abstract)

[6] Jane J, Chen Y Y, Lee L F, McPherson A E, Wong K S, Radosavljevic M, Kasemsuwan T. Effects of amylopectin branch chain length and amylose content on the gelatinization and pasting properties of starch 1. Cereal Chem, 1999, 76(5): 629-637.

[7] Peat S, Whelan W J, Thomas G J. The enzymic synthesis and degradation of starch: ⅩⅫ. Evidence of multiple branching in waxy-maize starch. A correction. J Chem Soc, 1956: 3025-3030.

[8] 贺晓鹏, 朱昌兰, 刘玲珑, 王方, 傅军如, 江玲, 万建民. 不同水稻品种支链淀粉结构的差异及其与淀粉理化特性的关系. 作物学报, 2010, 36(2): 276-284.

He X P, Zhu C L, Liu L L, Wang F, Fu J R, Jiang L, Wan J M. Difference of amylopectin structure among various rice genotypes differing in grain qualities and its relation to starch physicochemical properties. Acta Agron Sin, 2010, 36(2): 276-284. (in Chinese with English abstract)

[9] 蔡一霞, 王维, 朱智伟, 张祖建, 杨建昌, 朱庆森. 不同类型水稻支链淀粉理化特性及其与米粉糊化特征的关系. 中国农业科学, 2006, 39(6): 1122-1129.

Cai Y X, Wang W, Zhu Z W, Zhang Z J, Yang J C, Zhu Q S. The physicochemical properties of amylopectin and their relationships to pasting properties of rice flour in different varieties. Sci Agric Sin, 2006, 39(6): 1122-1129. (in Chinese with English abstract)

[10] 彭小松, 朱昌兰, 王方, 欧阳林娟, 贺晓鹏, 傅军如,贺浩华. 籼粳杂种后代支链淀粉结构及其与稻米糊化特性相关性分析. 核农学报, 2014, 28(7): 1219-1225.

Peng X S, Zhu C L, Wang F, Ou Yang L J, He X P, Fu J R, He H H. The relationship between amylopectin structure and rice paste property of indica/japonica cross progenies. Acta Agric Nucl Sin, 2014, 28(7): 1219-1225. (in Chinese with English abstract)

[11] Han X Z, Hamaker B R. Amylopectin fine structure and rice starch paste breakdown. J Cereal Sci, 2001, 34(3): 279-284.

[12] Manners D J. Recent developments in our understanding of amylopectin structure. Carbohyd Polym, 1989, 11(2): 87-112.

[13] Pérez S, Bertoft E. The molecular structures of starch components and their contribution to the architecture of starch granules: A comprehensive review. Starch-Stärke, 2010, 62(8): 389-420.

[14] Lu S, Chen L N, Lii C Y. Correlations between the fine structure, physicochemical properties, and retrogradation of amylopectins from taiwan rice varieties. Cereal Chem, 1997, 74(1): 34-39.

[15] Hanashiro I, Abe J, Hizukuri S. A periodic distribution of the chain length of amylopectin as revealed by high-performance anion-exchange chromatography. Carbohydr Res, 1996, 283(10): 151-159.

[16] Wu A C, Gilbert R G. Molecular weight distributions of starch branches reveal genetic constraints on biosynthesis. Biomacromolecules, 2010, 11(12): 3539-3547.

[17] Wu A C, Morell M K, Gilbert R G. A parameterized model of amylopectin synthesis provides key insights into the synthesis of granular starch. Plos One, 2013, 8(6): e65768.

[18] Jane J L, Chen J F. Effect of amylose molecular size and amylopectin branch chain length on paste properties of starch. Cereal Chem, 1992, 69(1): 60-65.

[19] Kong X, Chen Y, Zhu P, Sui Z, Corke H, Bao J. Relationships among genetic, structural, and functional properties of rice starch. J Agric Food Chem, 2015, 63(27): 6241-6248.

[20] Li H, Prakash S, Nicholson T M, Fitzgerald M A, Gilbert R G. The importance of amylose and amylopectin fine structure for textural properties of cooked rice grains. Food Chem, 2016, 196: 702-711.

[21] 潘媛媛, 梁立娜, 蔡亚岐, 牟世芬. 高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法分析啤酒和麦汁中的糖. 色谱, 2008, 26(5): 626-630.

Pan Y Y, Liang L N, Cai Y Q, Mou S F. Analyse of sugars in beer and wort using high performance anion-exchange chromatography coupled with pulsed amperometric detection. Chin J Chromatogr, 2008, 26(5): 626-630. (in Chinese with English abstract)

[22] Nakamura S, Satoh H, Ohtsubo K. Development of formulae for estimating amylose content, amylopectin chain length distribution, and resistant starch content based on the iodine absorption curve of rice starch. Biosci Biotech Biochem, 2015, 79(3): 443-455.

[23] Takeda Y, Hizukuri S, Juliano B O. Structures of rice amylopectins with low and high affinities for iodine. Carbohyd Res, 1987, 168(1): 79-88.

[24] Nakamura Y, Sakurai A, Inaba Y, Kimura y, Lwasawa N, Nagamine T. The fine structure of amylopectin in endosperm from Asian cultivated rice can be largely classified into two classes. Starch /Starke, 2002, 54(3-4): 117-131.

[25] Nakamura Y. Towards a better understanding of the metabolic system for amylopectin biosynthesis in plants: rice endosperm as a model tissue. Plant Cell Physiol, 2002, 43(7): 718-725.

[26] Umemoto T, Yano M, Satoh H, Shomura A, Nakamura Y. Mapping of a gene responsible for the difference in amylopectin structure between japonica-type and indica-type rice varieties. Theor Appl Genet, 2002,104(1): 1-8.

[27] Huang Y C, Lai H M. Characteristics of the starch fine structure and pasting properties of waxy rice during storage. Food Chem, 2014, 152: 432-439.

[28] Yoko T, Suzuki K, Nakamura S, Satoh H, Ohtsubo K. Soluble starch synthase I effects differences in amylopectin structure between indica and japonica rice varieties. J Agr Food Chem, 2006, 54(24): 9234-9240.

[29] Nakamura Y, Francisco P B, Hosaka Y, Sato A, Sawada T, Kubo A, Fujita N. Essential amino acids of starch synthase IIa differentiate amylopectin structure and starch quality between japonica and indica rice varieties. Plant Mol Boil Res, 2005, 58(2): 213-227.

[30] Jiang H, Dian W, Liu F, Wu P. Molecular cloning and expression analysis of three genes encoding starch synthase II in rice. Planta, 2004, 218(6): 1062-1070.

[31] Takeda Y, Maruta N, Hizukuri S, Juliano B O. Structure of indica rice starches (IR48 and IR64) having intermediate affinity for iodine. Carbohyd Res, 1989, 187(2): 287-294.

[32] Reddy K R, Ali S Z, Bhattacharya K R. The fine structure of rice-starch amylopectin and its relation to the texture of cooked rice. Carbohyd Polym, 1993, 22(4): 267-275.

[33] Horibata T, Nakamoto M, Fuwa H, Inouchi N. Structural and physicochemical characteristics of endosperm starches of rice cultivars recently bred in Japan. J Appl Glycosci, 2004(4), 51: 303-313.

[34] Yoo S H, Jane J. Structural and physical characteristics of waxy and other wheat starches. Carbohyd Polym, 2002, 49(3): 297-305.

[35] Yoshimoto Y, Takenouchi T, Takeda Y. Molecular structure and some physicochemical properties of waxy and low amylose barley starches. Carbohyd Polym, 2002, 47(2): 159-167.

[36] Yoshida H, Nozaki K, Hanashiro I, Yagi F, Ito H, Honma M, Takeda Y. Structure and physicochemical properties of starches from kidney bean seeds at immature, premature and mature stages of development. Carbohyd Res, 2003, 338(5): 463-469.

[37] Hanashiro I, Matsugasako J, Egashira T, Takeda Y, Tamami E. Structural characterization of long unit-chains of amylopectin. J Appl Glycosci, 2005, 52(3): 233-237.

[38] Hizukuri S, Takeda Y, Maruta N, Juliano B O. Molecular structures of rice starch. Carbohyd Res, 1989, 189(89): 227-235.

[39] Hanashiro I, Itoh K, Kuratomi Y, Yamazaki M, Igarashi T, Matsugasako J I, Takeda Y. Granule-bound starch synthase I is responsible for biosynthesis of extra-long unit chains of amylopectin in rice. Plant Cell Physiol, 2008, 49(6): 925-933.

[40] Aoki N, Umemoto T, Yoshida S, Ishii T, Kamijima O, Matsukura U, Inouchi N. Genetic analysis of long chain synthesis in rice amylopectin. Euphytica, 2006, 151(2): 225-234.

[41] Dian W, Jiang H, Chen Q, Liu F, Wu P. Cloning and characterization of the granule-bound starch synthase II gene in rice: gene expression is regulated by the nitrogen level, sugar and circadian rhythm. Planta, 2003, 218(2): 261-268.

[42] Mikami I, Aikawa M, Hirano H Y, Sano Y. Altered tissue-specific expression at the Wx gene of the opaque mutants in rice. Euphytica, 1999, 105(2): 91-97.

[43] Sano Y. Differential regulation of waxy gene expression in rice endosperm. Theor Appl Genet, 1984, 68(5): 467-473.

[44] Takeuchi Y. Research on appearance quality and eating quality of rice: X. Rice taste value of genetic analysis and its application. Agron Hortic, 2011, 86: 752-756.

[45] Inouchi N, Hibiu H, Li T, Horibata T, Fuwa H, Ten Li, Itani T, Hidestsugu F. Structure and properties of endosperm starches from cultivated rice of Asia and other countries. J Appl Glycosci, 2005, 52(3): 239-246.

[46] Ball S G, van de Wal M H B J, Visser R G F. Progress in understanding the biosynthesis of amylose. Trends Plant Sci, 1998, 3(12): 462-467.

[47] Cai J, Man J, Huang J, Liu Q, Wei W, Wei C. Relationship between structure and functional properties of normal rice starches with different amylose contents. Carbohyd Polym, 2015, 125:35-44.

[48] Chung H J, Liu Q, Lee L, Wei D. Relationship between the structure, physicochemical properties and in vitro digestibility of rice starches with different amylose contents. Food Hydrocolloids, 2011, 25(5): 968-975.

[49] Witt T, Doutch J, Gilbert E P, Gilbert R G. Relations between molecular, crystalline, and lamellar structures of amylopectin. Biomacromolecules, 2012, 13(12), 4273-4282.

[50] Vandeputte G E, Vermeylen R, Geeroms J, Delcour J A. Rice starches. I. Structural aspects provide insight into crystallinity characteristics and gelatinisation behaviour of granular starch. J Cereal Sci, 2003, 38(1): 43-52.

[51] Qi X, Tester R F, Snape C E, Ansell R. Molecular basis of the gelatinisation and swelling characteristics of waxy rice starches grown in the same location during the same season. J Cereal Sci, 2003, 37(3): 363-376.

[52] McPherson A E, Jane J. Comparison of waxy potato with other root and tuber starches. Carbohyd Polym, 1999, 40(1): 57-70.

[53] Zhong F, Shoemaker C F. Gelatinization and pasting properties of waxy and non-waxy rice starches. Starch/Stärke, 2007, 59: 388-396.

[54] Patindol J, Gu X, Wang Y J. Chemometric analysis of the gelatinization and pasting properties of long-grain rice starches in relation to fine structure. Starch, 2009, 61(1): 3.

[55] Lin J H, Singh H, Ciao J Y, Kao W T, Huang W H, Chang Y H. Genotype diversity in structure of amylopectin of waxy rice and its influence on gelatinization properties. Carbohyd Polyme, 2013, 92(2): 1858-1864.

[56] Nishi A, Nakamura Y, Tanaka N, Satoh H. Biochemical and Genetic Analysis of the Effects of Amylose-Extender Mutation in Rice Endosperm. Plant Physiol, 2001, 127(2): 459-472.

[57] Fujita N, Kubo A, Suh D S, Wong K S, Jane J L, Ozawa K, Nakamura Y. Antisense inhibition of isoamylase alters the structure of amylopectin and the physicochemical properties of starch in rice endosperm. Plant Cell Physiol, 2003, 44(6): 607-618.

[58] Satoh H, Nishi A, Yamashita K, Takemoto Y, Tanaka Y, Hosaka Y, Nakamura Y. Starch-branching enzyme I-deficient mutation specifically affects the structure and properties of starch in rice endosperm. Plant Physiol, 2003, 133(3): 1111-1121.

[59] Singh H, Lin J H, Huang W H, Chang Y H. Influence of amylopectin structure on rheological and retrogradation properties of waxy rice starches. J Cereal Sci, 2012, 56(2): 367-373.

[60] Juliano B O. The chemical basis of rice grain quality//Proceedings of the Workshop on Chemical Aspects of Rice Grain Quality. Los Baños, Laguna, the Philippines: IRRI, 1979: 69-90.

[61] 黄发松, 孙宗修, 胡培松, 唐绍清. 食用稻米品质形成研究的现状与展望. 中国水稻科学, 1998, 12(3): 172-176.

Huang F S, Sun Z X, Hu P S, Tang S Q. Present situations and prospects for the research on rice grain quality forming. Chin J Rice Sci, 1998, 12(3): 172-176. (in Chinese with English abstract)

[62] Ong MH, Blanshard JMV. Texture determinants in cooked parboiled rice: 1. Rice starch amylose and the fine structure of amylopectin. J Cereal Sci, 1995, 21(3): 251-260.

[63] Radhika Reddy K, Subramanian R, Zakiuddin Ali S, Bhattacharya K R. Viscoelastic properties of rice-flour pastes and their relationship to amylose content and rice quality. Cereal Chem, 1994, 71(6): 548-552.

[64] Takeda Y, Takeda C, Mizukami H, Hanashiro I. Structures of large, medium and small starch granules of barley grain. Carbohyd Polym, 1999, 38(2): 109-114.

[65] Ramesh M, Ali S Z, Bhattacharya K R. Structure of rice starch and its relation to cooked-rice texture. Carbohyd Polym, 1999, 38(4): 337-347.

[66] Mar N N, Umemoto T, Abdulah S N A, Maziah M. Chain length distribution of amylopectin and physicochemical properties of starch in Myanmar rice cultivars. Int J Food Prop, 2015, 18(8): 1719-1730.

[67] 金正勋, 秋太权, 孙艳丽, 金学泳. 稻米蒸煮食味品质特性间的相关性研究. 东北农业大学学报, 2001, 32(1): 1-7.

Jin Z X, Qiu T Q, Sun Y L, Jin X Y. Study on the correlation of the cooking and eating quality properties of rice grain. J Northeast Agric Univ, 2001, 32(1): 1-7. (in Chinese with English abstract)

[68] 金丽晨, 耿志明, 李金州, 王澎, 陈菲, 刘蔼民. 稻米淀粉组成及分子结构与食味品质的关系. 江苏农业学报, 2011, 27(1): 13-18.

Jin L C, Geng Z M, Li J Z, Wang P, Chen F, Liu A M. Correlation between components and molecule structure of rice starch and eating quality. Jiangsu J Agric Sci, 2011, 01: 13-18. (in Chinese with English abstract)

Research Advances of Amylopectin Structure in Rice

FAN Mingyu, WANG Xiaojing, WANG Xuhong, TANG Liang, XU Quan, XU Zhengjin*
(Rice Research Institute，Shenyang Agricultural University/ Key Laboratory of Northern Japonica Rice Genetics and Breeding, Ministry of Education and Liaoning Province/ Key Laboratory of Northeast Rice Biology and Genetics and Breeding, Ministry of Agriculture, Shenyang 110866, China; *Corresponding author, E-mail: xuzhengjin@126.com)

Rice is one of the mankind’s major food staples. Given economic development and living standard improving, the quality of rice is becoming an ever more major demand in China. Improving the cooking and eating quality has been the key focus of national and international rice breeding programs. The amylopectin is the main component of rice endosperm and its structure significantly influences the eating and cooking quality of rice. In this review, we summarized the methods of detecting the fine structure of amylopectin and the structure variations of amylopectin between indica and japonica, and concluded the genetic regulation and the synthesis regulation of extra-long chains in amylopectin. The relationships among amylopectin structure, starch physicochemical characteristics and palatabilities were also described. It is necessary to standardize and improve the method of detecting the amylopectin. Investigation on the offsprings derived from the cross between indica and japonica will be an effective way to elucidate the relationship between amylopectin structure and subspecies differentiation. Moreover, the in-depth study on the relationship between eating quality and amylopectin structure will provide theoretical guidance of high-quality rice breeding in China.

rice; amylopectin structure; physicochemical characteristics; eating quality

Q539+.1；S511.033

A

1001-7216(2017)02-0124-09

2016-03-24；修改稿收到日期：2016-07-10。

国家自然科学基金资助项目(31371587；31430062)。