天天熱資訊！PNAS: 研究解析水稻抗性淀粉合成新機制

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伴隨生活水平提高與精細化飲食，運動減少與攝食過多導致的肥胖與糖尿病等代謝性慢病問題日益嚴峻，而飲食干預與合理膳食是慢病防控的有效策略之一。抗性淀粉（Resistant Starch，RS）是健康人小腸內難以消化吸收的淀粉及降解物的總稱。作為新型的膳食纖維，抗性淀粉在預防和控制糖尿病、降低血脂、控制體重和維持腸道健康等方面有著重要的生理功能。水稻是我國主要的糧食作物，但普通水稻品種中抗性淀粉含量很低。目前對于抗性淀粉合成的功能基因研究仍知之甚少，改良培育高抗性淀粉水稻品種的難度較大且缺乏理論支持。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋研究組與浙江大學原子核農業科學研究所吳殿星研究組合作在水稻抗性淀粉合成機制研究中取得新進展。此前，兩個課題組合作研究發現SSIIIa（Soluble starch synthase，可溶性淀粉合酶）的突變使得秈稻的抗性淀粉含量從低于2%增高至6%。最新的研究中，合作團隊通過對物理誘變獲得的抗性淀粉含量為10%的水稻突變體rs4進行重測序與基因克隆，發現該突變體高抗性淀粉的表型是由于SSIIIa和SSIIIb基因共同突變導致。ssIIIb單突變體的抗性淀粉含量沒有明顯變化，但ssIIIa ssIIIb雙突變體的抗性淀粉含量較ssIIIa單突有顯著增加。伴隨著抗性淀粉含量的增高，ssIIIa ssIIIb雙突變體中直鏈淀粉含量、淀粉脂質復合物含量也顯著增加。

隨后，該研究進一步闡明SSIIIa和SSIIIb均屬于SSIII的同源基因，但SSIIIb主要在葉片中高表達，而SSIIIa特異在種子中表達。在ssIIIa突變體背景下轉入強啟動子驅動的SSIIIb基因能夠使抗性淀粉含量恢復到野生型的水平，表明SSIIIa與SSIIIb的蛋白功能相同，而SSIIIa與SSIIIb基因功能差異主要是由兩者啟動子及表達模式不同所致。同時，粳稻背景的ssIIIa ssIIIb突變體抗性淀粉含量顯著低于秈稻背景的ssIIIa ssIIIb突變體，說明SSIIIa與SSIIIb介導抗性淀粉的合成依賴于秈、粳稻中差異表達的Wx等位基因型。

對水溶性淀粉合成酶SS家族進行系統進化樹與表達譜分析發現，SSII家族與SSIII家族在谷類植物中發生了基因復制，且復制前后的基因有特異的表達模式，一類在種子中特異表達，另一類主要在葉片中高表達。同時，SSII與SSIII基因發生復制的谷類植物，其種子的淀粉含量增加而抗性淀粉含量較低(低于2%)，而SSII與SSIII僅有一個同源基因的雙子葉植物中，其種子的淀粉含量較低而抗性淀粉含量普遍較高(3~10%)。由此推測SSII與SSIII的基因復制與表達模式的分化可能與谷物種子中抗性淀粉含量降低相關。

綜上，該項研究鑒定并克隆控制抗性淀粉合成的新基因SSIIIb，解析了SSIIIb與SSIIIa共同調控抗性淀粉合成的分子機制和進化意義，為改良稻米營養品質、培育高抗性淀粉營養功能型水稻品種提供了重要遺傳資源。

相關成果在線發表于《美國國家科學院院刊》（PNAS，DOI: 10.1073/pnas.2220622120）。該研究得到科技部重點研發計劃等的資助。