可溶性淀粉合成酶调控木薯储藏根碳流分配的机制研究

The development and carbohydrate partitioning of storage root, the energy storage organ of root and tuber crops, determine the accumulation of specific metabolites. Revealing the regulatory mechanism of the biological processes can provide the fundamental technology for yield and quality improvement in root and tuber crops. Cassava storage roots accumulate large amount of starch, thereby, starch biosynthesis is the leading metabolism. The project focuses on the soluble starch synthase II (SSII) and studies its function in the complex of starch biosynthetic enzymes and carbohydrate partitioning through protein-protein interaction with others, which is based on the phenotypic changes of dramatically increased lipid content and reduced starch amount in the storage roots of SSII-RNAi transgenic cassava plants. Using the wild type and transgenic cassava plants that are down-regulated expression of starch synthases, the interplay of SSII in the organizing the complex of starch synthetic enzymes and the interaction with AGPase, GBSS and PPDK were studied using various techniques such as Co-IP, BiFC and Pull-down. In combination with starch and lipid analysis and gene expression changes, the molecular mode of SSII for regulating carbohydrate partitioning in storage roots and formation of resistant starch will be revealed. The study will provide the fundamental knowledge and technology for quality improvement of root and tuber crops.

储藏根是薯类特有的能量储存器官，其发育及碳流分配决定特定代谢物的大量富集，解析该生物学过程的调控机制是改良薯类作物的产量和品质的基础。木薯储藏根大量富集淀粉，因此淀粉合成是其主导的代谢过程。本项目以可溶性淀粉合成酶II (SSII) 为主要目标基因，基于SSII-RNAi转基因木薯储藏根脂肪酸大幅度提高和淀粉含量降低的表型，研究SSII在淀粉合成酶复合体中的核心作用及通过与其它蛋白互作调控储藏根碳流分配的机制。以野生型和下调淀粉合成酶表达的转基因木薯为研究材料，利用GPC分离造粉体蛋白，通过Co-IP、BiFC、Pull-down、酵母双杂交等技术分析SSII参与淀粉合成酶复合体的组装模式及与AGPase、GBSS和PPDK激酶等互作的调控；结合储藏根淀粉和脂肪酸分析及基因表达的变化，解析SSII在调控储藏根碳流分配中的分子模式和抗性淀粉形成的方式，为薯类品质改良提供理论指导和技术支持。

木薯储藏根富集淀粉，因此淀粉合成是其主导的代谢过程，解析该生物学过程的调控机制是改良薯类作物的产量和品质的基础。本项目以可溶性淀粉合成酶II (MeSSII) 为主要目标基因，基于MeSSII-RNAi转基因木薯储藏根脂肪酸大幅度提高和淀粉含量降低的表型，研究了SSII在淀粉合成酶复合体中的核心作用及通过与其它蛋白互作调控储藏根碳流分配的机制。获得如下重要发现：（1）木薯淀粉合成关键酶通过蛋白复合体的形式参与到淀粉合成过程中，并且存在与谷物类胚乳不同的淀粉合成酶蛋白互作方式，例如MeSSII与MeISAII互作。（2）木薯淀粉合成关键酶复合体的关键组分MeSSII在淀粉合成过程中扮演了重要角色。MeSSII基因被干扰后淀粉性质发生了显著的变化，不仅支链淀粉受到影响，直链淀粉合成同样受到影响。进一步分析发现，与以往人们认识不同，MeSSII并不是通过酶活性来影响淀粉合成过程，而是通过蛋白相互作用形成的复合体来影响其他淀粉合成关键酶的酶活和淀粉结合能力来发挥作用，这也暗示淀粉合成关键酶复合体在淀粉合成过程中扮演着重要角色。（3）支链淀粉合成关键酶受到磷酸化作用和氧化还原作用的调节，但不同酶之间的调控模式差异巨大，暗示淀粉合成过程的调控机制是十分复杂精细的。（4）MeSSII除了影响淀粉的合成过程外，还影响到了木薯储藏根中的碳流分配过程。但与玉米中不同的是，MeSSII并不会与MePPDK等蛋白形成复合体对碳流分配过程进行调控，而是通过与MeAGPase形成复合体直接调控MeAGPase的酶活性，进而调控碳流的分配过程。系统分析后发现，MeSSII被干扰后，木薯储藏根细胞会通过转录、蛋白和代谢多种层次来维持细胞内糖分的稳定，丰富了人们对于MeSSII影响碳流分配过程的认识。综上所述，本研究更新了人们对于MeSSII功能的认识，拓展了淀粉合成代谢现有的调控网络的知识，也可为新型淀粉品质木薯的遗传改造提供思路和策略。