小麦籽粒淀粉合成内在影响因素研究进展

吴云飞,陆文艺,段玉仁,安本泽,熊 飞

(扬州大学生物科学与技术学院,江苏扬州 225009)

小麦是世界三大粮食作物之一。小麦灌浆性状决定粒重[1],是淀粉积累并贮存在籽粒内的生理过程[2]。淀粉约占小麦粒重的65%～75%[3-4],是一种半结晶颗粒,由两种葡萄糖聚合物组成,因聚合方式不同被分为直链淀粉和支链淀粉[5]。直链淀粉分子间由α-1,4-糖苷键相连,支链淀粉由α-1,4-糖苷键和α-1,6-糖苷键(分支处)相连,其精细结构决定了淀粉的理化性质、谷物质量和工业用途的多样性[5-6]。

小麦光合同化物以蔗糖形式从光合组织通过韧皮部运输至籽粒,经蔗糖合成酶(sucrose synthase,SuSy)和转化酶(invertase,INV)水解成葡萄糖、尿苷二磷酸葡萄糖(UDP-Glu)和果糖[7];UDP-Glu一部分由海藻糖磷酸合成酶(trehalose-6-phosphate synthase,TPS)催化生成海藻糖-6-磷酸(trehalose-6-phosphate,T6P),T6P在海藻糖-6-磷酸酯酶(trehalose-6-phosphatase,TPP)的作用下连续去磷酸转为海藻糖[8];一部分由尿苷二磷酸焦磷酸化酶催化生成葡萄糖-1-磷酸[7]。葡萄糖-1-磷酸在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase,AGPase)催化下形成腺苷二磷酸葡萄糖(ADP-Glu)和焦磷酸[9]。ADP-Glu最终在可溶性淀粉合酶(soluble starch synthase,SSS)、结合态淀粉合成酶(granule bound starch synthase,GBSS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme,SBE)、淀粉脱分支酶(starch debranching enzyme,DBE)等一系列酶的作用下合成淀粉[7]。其中,直链淀粉的合成由GBSS介导;而支链淀粉的合成由SSS、SBE和DBE的联合作用[10]。

小麦粒重是“源-流-库”相互作用的结果[2]。不同穗位籽粒因发育及形成时间顺序不同而导致其灌浆程度存在显著差异[1,11]。前人将开花早、灌浆快、粒重高的籽粒称为强势籽粒,反之则为弱势籽粒[12]。近年来的研究表明,小麦弱势籽粒灌浆差的因素包括“源”供应限制、“流”障碍、“库”容量、生理活性限制等[1,13]。本文在前人研究的基础上,主要梳理和总结了小麦籽粒(库)淀粉合成途径中原料、淀粉合成关键酶及编码基因和其他库强度影响因素对小麦籽粒淀粉合成与积累的效应,以期为小麦强、弱势籽粒淀粉差异积累机制研究提供参考。

1 原料供给与调控

小麦叶、茎等“源”组织通过捕获光和固定二氧化碳形成光合同化物,并将其主要以蔗糖的形式运输到籽粒,为灌浆过程提供原料[14-15],其供应程度决定籽粒灌浆质量和最终产量[16]。在叶肉细胞中,磷酸丙糖从叶绿体转运到细胞质标志着叶片等“源”组织中蔗糖合成的开始[7];在细胞质中,磷酸丙糖通过果糖-1,6-二磷酸酶的作用转化为果糖-6-磷酸(fructose-6-phosphate, F6P),F6P和UDP-Glu在蔗糖磷酸合成酶作用下合成蔗糖[7]。在叶肉细胞细胞质中合成的部分蔗糖被转移到叶绿体中,以合成临时淀粉;另一部分通过韧皮部装载、运输并卸载到籽粒[17]。在小麦中,强势籽粒具有“主优势”和更强的营养获取能力[18]。Jiang等[19]认为,在灌浆早期和中期,强势籽粒中蔗糖含量较高,淀粉合成能力更强。Liu等[18]在高氮及高种植密度条件下发现,在灌浆早期和中期,穗中部弱势籽粒积累的蔗糖较少,导致淀粉合成受到抑制,最终使粒重下降。这表明蔗糖供应量不同可能是造成小麦强、弱势籽粒中淀粉合成和积累差异的原因之一。

尽管蔗糖等同化物的供应量会对强、弱势籽粒的发育产生影响,但籽粒中蔗糖转化能力更与淀粉积累量密切相关,且蔗糖转化能力越高,籽粒淀粉积累量越高[20]。梁太波等[21]发现,灌浆前期小麦弱势粒中具有较充足的底物,说明淀粉合成底物并非弱势粒淀粉积累量低的主要限制因子。Luo等[1]在开花期去除小麦强势籽粒后发现,弱势籽粒内蔗糖含量下降,表明小麦弱势籽粒灌浆差不是由于早期同化物供应的限制造成的,而主要与蔗糖降解能力和淀粉合成能力有关,即蔗糖转化为淀粉的效率低是导致弱势籽粒灌浆差的主要原因。

有研究表明,海藻糖通过调控蔗糖转化和淀粉合成相关基因的表达,促进蔗糖转化为淀粉[22]。T6P作为海藻糖的代谢前体[8],也是一个重要的调控因子,其信号调节存在于籽粒等库组织中,以激活淀粉的合成和积累[4,23-24]。低浓度的T6P可作为“饥饿”信号,上调蔗糖的运输过程[25];高浓度的T6P可作为“Feast”信号,通过激活AGPase的氧化还原状态,刺激淀粉的合成[24]。此外,高浓度蔗糖能通过T6P及其对蛋白激酶SnRK1的调控,刺激分生组织细胞生长、分裂和扩张,使籽粒具备强的蔗糖运输能力和酶活性等,以利于后续淀粉的积累[26]。Min等[22]发现,海藻糖是弱势籽粒发育过程中关键的糖信号,与水稻强弱势籽粒开花动态特性密切相关,其中OsTPS-2和OsTPP-1时空表达的差异是导致水稻强、弱势籽粒中海藻糖含量发生异步变化的重要原因。过量表达TaTPS和TaTPP也能促进小麦的蔗糖代谢和淀粉积累[27]。Luo等[1]研究推测,TPS和TPP差异积累能促进小麦弱势籽粒的灌浆和淀粉积累。

2 淀粉合成关键酶及其编码基因

籽粒作为灌浆过程中的碳水化合物“库”,其活性包括参与碳水化合物代谢的关键酶的活性及其编码基因的转录表达能力[28]。Zhang等[29]研究表明,孕穗期短期低温胁迫会导致灌浆期籽粒中关键淀粉合成酶活性降低,从而降低了籽粒淀粉的积累、灌浆率及干物质的积累,最终降低了产量。在严重缺水条件下,弱势籽粒由于在灌浆中期淀粉合成相关酶活性显著下降以及灌浆后期腹部韧皮部组织的运输能力显著降低,粒重比强势籽粒降低更快[30]。因此,淀粉合成关键酶活性及其编码基因表达是灌浆过程中籽粒淀粉积累的生理限制,会显著影响籽粒干物质积累。

SuSy是小麦籽粒灌浆中蔗糖代谢关键酶,催化蔗糖和尿苷二磷酸生成UDP-Glu和果糖, 为淀粉合成提供前体物质[31-32]。虽然INV也能催化蔗糖降解,转化为葡萄糖和果糖[33],但小麦弱势籽粒中SuSy活性基本与强势粒中酸性INV的活性相当[34]。在籽粒淀粉快速积累期间,SuSy活性明显高于INV,表明对蔗糖降解起主要作用的是SuSy[35]。亚精胺能显著提高小麦弱势籽粒SuSy和酸性INV活性,增加弱势籽粒中蔗糖含量,最终促进弱势籽粒灌浆和粒重增加[36]。此外,转录因子TaNAC019能与SuSy编码基因TaSuSy1和SSS编码基因TaSSIIa直接结合并被激活表达,调控小麦籽粒淀粉的积累[37]。这表明小麦籽粒库活性是产量的重要限制因素[15]。

AGPase是籽粒淀粉合成的中枢调节和关键酶,催化葡萄糖-1-磷酸和ATP形成ADP-Glu和焦磷酸,决定淀粉合成和积累速率[9,29]。AGPase是由两个大调节亚基(LSU/AGPL)和两个小催化亚基(SSU/AGPS)组成的异四聚体[38]。AGPL1亚基和AGPS1亚基定位于细胞质,而AGPL2和AGPS2定位于质体[39],分别在胞质和质体中独立产生淀粉[38]。小麦胚乳中的AGPase主要作用于胞质,其产物从细胞质运输到质体中进行淀粉合成[25]。Jiang等[19]研究表明,在小麦灌浆过程中,强势籽粒的AGPase平均活性比弱势籽粒高11.9%。有学者试图通过增加胞质AGPase活性来提高产量,但除了在某些胁迫条件下外,田间产量并没有得到显著提高[40]。此外,AGPase活性与小麦籽粒支链淀粉积累率显著相关[19]。TaAGPL1基因编码胞质AGPase大亚基,调控AGPase活性与淀粉积累速率形成相似的变化;过表达TaAGPL1也能显著提高小麦籽粒中AGPase的活性,从而提高籽粒淀粉含量和积累速率[38,41]。TaAGPL2基因编码质体AGPase大亚基,调控千粒重[42]。胞质AGPase亚基的转录水平比质体亚基的高10～100倍,表明小麦胚乳发育过程中将葡萄糖-1-磷酸和ATP转化为ADP-Glu的反应主要由细胞质TaAGPL1/S1复合物控制[39]。

SSS将葡萄糖残基从ADP-Glu转移到淀粉引物分子上[19],并负责支链淀粉中α-1-4糖苷键的延伸[6]。小麦SSS有4种亚型为SSⅠ、SSⅡ、SSⅢ、SSⅣ;其中SSⅡ有3种亚型,为SSⅡa、SSⅡb和SSⅡc;SSⅢ有2种亚型,为SSⅢa和SSⅢb;而SSⅣ只有1种亚型SSⅣb[6,39]。亚细胞定位分析显示,SSⅠ、SSⅡa、SSⅡb、SSⅡc、SSⅢa和SSⅢb在质体中分布[39]。TaSSI一般在籽粒灌浆全期表达[28];TaSSⅡ和TaSSⅢ在籽粒灌浆早期和中期表达[28],其中,TaSSⅢa主要在籽粒中表达,而TaSSⅢb则在根、叶、芽、穗和籽粒中均有表达[43]。SSI主要负责支链淀粉短链的合成,即链长聚合度(degree of polymerization,DP)≤10,SSII和SSIII则主要进一步对短链进行延伸[44],其中SSIIa通过延长支链淀粉的短链参与中链的合成(DP 11-25)[45-46]。已有研究表明,TaSSIIa的缺失突变后籽粒中支链淀粉短链富集、中链缺失,A-型淀粉颗粒严重扭曲、不呈椭球形,B-型淀粉颗粒变少、不呈球形[47]。TaSSⅡa的无效突变也会致使籽粒淀粉含量减少,使粒宽减小及千粒重显著下降[48]。SSⅢa活性的缺失会导致淀粉表型发生显著变化,包括A-型淀粉颗粒变小及淀粉颗粒形态的改变[43]。Teng等[49]在水稻花后适度干燥土壤后发现,SSIIIa活性的显著增加能提高弱势籽粒中淀粉的积累。TaSSⅣ缺失突变并不改变籽粒中总淀粉含量、组成和支链淀粉的结构,但导致胚乳中淀粉颗粒形态高度异常,即形成复合淀粉颗粒并取代大多数A-型淀粉颗粒[50]。此外,TaSSIVb-D在小麦临时淀粉的形成中起着重要作用,TaSSIVb-D突变会导致小麦临时淀粉显著减少[51]。

GBSS利用ADP-Glu延长低聚麦芽糖,在支链淀粉基质内产生直链淀粉[52]。GBSS活性与籽粒直链淀粉积累率显著相关[19],与淀粉含量和千粒重呈正相关[29]。小麦GBSS有2种亚型:GBSSI和GBSSII[3]。GBSSI在籽粒灌浆全期表达[7],负责直链淀粉的合成[3],GBSSI基因的产物被称为蜡质(Wx)蛋白[3]。GBSSI并不限制支链淀粉的合成,Wx蛋白的完全缺失通过抑制葡聚糖链的伸长来影响淀粉颗粒的生长,如淀粉颗粒大小的分布,并且完全蜡质淀粉中的C-型淀粉颗粒相对于非蜡质淀粉增加了37%[11]。GBSSII主要催化非贮藏组织,如叶片、茎秆叶绿体中临时淀粉的合成[53],它在籽粒灌浆全期表达量较低[39],其活性受磷酸化所调控[54],还负责支链淀粉长链的合成[45]。

SBE裂解葡聚糖中的α-1,4键,通过α-1,6键重新连接该链来催化分支点的形成,从而合成支链淀粉[55-56]。在籽粒胚乳中,SBE的缺失会改变淀粉的形态和结构,形成异质淀粉颗粒[55],其活性与千粒重显著相关[29]。小麦SBE有3种亚型:SBEI、SBEII和SBEⅢ;SBEII有2种亚型:SBEIIa和SBEIIb[28,35]。SBEI和SBEII底物特异性不同,即SBEII转移短链,比SBEI有更高的支链淀粉亲和力以及更高的直链淀粉分支率[44]。TaSBEIIa和TaSBEIIb基因在胚乳发育后期优先表达,可能参与B-型淀粉颗粒的形成[56]。SBEIIa参与支链淀粉短中链(DP≤12)的合成并且作用于直链淀粉的长链;而SBEIIb修饰支链淀粉中相对较长的分支,对直链淀粉合成影响不显著[57]。已有研究表明,TaSBEIIa缺失会导致中链(DP为9～16)显著减少、长链(DP>30)显著增加,即中链被异常地延伸至更长的链且产生了类似直链淀粉的线性结构[47]。同时,TaSBEIIa缺失也会导致籽粒中A-型淀粉颗粒会发生变形,几乎无B-型淀粉颗粒的存在[47]。此外,RNA干扰TaSBEIIa和TaSBEIIb的表达能增加籽粒直链淀粉的含量[58]。TaSBEⅢ在小麦灌浆全期表达,这意味着TaSBEⅢ基因的功能可能不同于SBEI基因,其功能可能与小麦籽粒中A-和B-型淀粉颗粒的合成均有关[56]。此外,TaSBEⅢ-A的等位基因T与千粒重显著相关,可能有助于籽粒产量的提高[59]。

DBE水解α-1,6糖苷键,主要去除定位不当的链,催化分支点的形成[55]。小麦DBE有ISA和PUL2种亚型,ISA有ISA1、ISA2和ISA3 3种亚型[39,52]。研究表明,抑制TaISA1的表达会导致淀粉含量显著下降,TaPUL和TaSuSy的表达量显著降低[7]。同时,ISA1活性降低也会导致支链淀粉短链(DP <10)和长链(DP >39)减少,而中长链(DP为10～39)增加[60]。此外,夜间高温能会诱导TaISA3等淀粉降解酶转录水平的增加,从而限制小麦籽粒中淀粉的合成和积累[61]。

3 其他影响因素

籽粒作为主要的碳水化合物库,其容量和活性强度不仅受蔗糖-淀粉代谢关键酶及编码基因的调控[7],也存在其他影响因素,如激素、ATP酶、氮代谢相关转运体和酶等[62-63]。

籽粒库容量取决于胚乳细胞及其所含淀粉体的数量[62]。Yan等[62]研究发现,小麦强势籽粒胚乳细胞数明显高于弱势籽粒,且最终粒重和淀粉积累与胚乳细胞数呈正相关。Luo等[1]认为,去除小麦强势籽粒也会显著促进弱势籽粒胚乳细胞分裂及相关酶活性,从而增强其吸收从茎运输的碳水化合物的潜力。小麦叶面施钾能诱导籽粒中玉米素(zeatin,Z)和玉米素核苷(zeatin riboside,ZR)含量的增加,进而促进胚乳细胞分裂,增加弱势籽粒的库容量[64]。在260 mm降雨条件下,保护性耕作(不进行翻耕,玉米秸秆按干重7 000 kg·hm-2进行覆盖)也能显著增加小麦弱势籽粒中生长素(indole-3-acetic acid,IAA)的含量,从而刺激籽粒中胚乳细胞的分裂,进而促进籽粒灌浆[65]。

籽粒库活性主要指代谢活性[66],并且高库活性显著促进同化物从源到库的运输[64]。植物激素与谷物的库活性显著相关,其中多种激素参与调节谷物的库活性[67]。Yang等[35]发现,SuSy、SSS和SBE的活性与脱落酸(abscisic acid,ABA)含量显著正相关,AGPase活性与ABA含量相关。Lv等[64]研究表明,叶面施钾可以增加籽粒中ABA含量和乙烯(ethylene,ETH)进化速率,促进库活性和碳水化合物从茎向籽粒的运输,从而提高库容量。此外,ETH可以作为信号诱导α-淀粉酶的合成,通过抑制水稻中蔗糖向淀粉转化的关键酶来降低淀粉积累和灌浆速率[10]。与细胞分裂素(cytokinin,CTK)相比,籽粒中较高的ETH进化速率抑制了SuSy和AGPase的活性和淀粉的合成,从而抑制了小麦的籽粒灌浆[68]。小麦籽粒中高Z和ZR的含量促进了籽粒中SuSy和AGPase的活性和淀粉的合成,促进了籽粒灌浆[68]。这也表明多种激素可能对蔗糖-淀粉途径中关键酶活性有重要的调控作用。此外,外源施用亚精胺促进弱势籽粒蔗糖分解相关酶活性的提高和蔗糖卸载,从而显著提高弱势籽粒对蔗糖的接收能力,最终促进蔗糖从茎向弱势籽粒的运输[36]。这表明多胺可能促进小麦籽粒中蔗糖从茎向弱势籽粒运输,从而增加弱势籽粒的库活性[36]。在严重缺水条件下,灌浆后期籽粒的中间细胞和韧皮部薄壁细胞质膜上ATP酶活性的降低也是导致粒重显著降低的原因[63]。此外,氮代谢与转运也显著影响小麦籽粒库活性与强度[69-71]。周 琴等[70]研究发现,小麦弱势籽粒氨基酸含量较强势籽粒高,但积累量较强势籽粒低,表明弱势籽粒转化合成蛋白质能力差,库强度较差。籽粒胚乳中过表达氨基酸转运体TaAAP13可以通过增强籽粒氮的吸收能力来提高库强度,从而显著增加籽粒大小和重量[71]。谷氨酰胺合成酶同工酶的时空分布及其在“源-流-库”组织中基因和蛋白亚基的表达也影响了碳/氮的转运与合成,从而影响库的强度[69]。这也表明,同化物的贮存能力和转化合成能力差异确实是小麦强、弱势籽粒发育差异的影响因素。建议进一步分析上述3种影响小麦籽粒淀粉合成因素的关系。

综上所述,库是影响小麦籽粒淀粉合成的主要因素,包括库容量与库活性。库容量主要取决于胚乳细胞数量的多少,属于物理限制[72];库活性主要取决于参与光同化物利用和贮藏的多种因子和关键酶作用能力的高低,属于生理限制[66]。同时,库容量也决定了籽粒同化物积累的最大空间,为淀粉的积累奠定基础[66];库活性维持籽粒代谢活跃状态,调控淀粉的合成、分布与积累。二者共同调节光同化物的分配与转化,影响最终粒重。

4 展望

小麦籽粒淀粉合成是一个复杂的生化过程,籽粒灌浆程度既制约产量,又影响品质。蔗糖-淀粉代谢途径相关基因及酶的表达参与籽粒库的建成和调控,探究其在小麦籽粒发育中的作用,能对破解籽粒发育差的难题提供理论基础。因此,后期应进一步对以下几个方面进行研究:(1)从蔗糖等关键可溶性糖的运输与卸载、籽粒内淀粉合成关键酶基因表达以及糖信号的调控等方面系统阐明小麦籽粒淀粉合成的生物学过程;(2)通过外源激素单一或复合喷施,结合糖代谢关键酶活性的变化,探明促进小麦淀粉合成的有效调控途径,以期对实现小麦乃至谷类作物的高产、优质提供实践意义。