禾本科作物籽粒淀粉化学组分及生物合成研究进展

银永安，李卫华，齐军仓，曹连莆* ，陈 林

(1石河子大学农学院，新疆石河子832000;2新疆天业(集团)有限公司，石河子832000)

水稻、小麦、玉米和高粱等禾本科作物籽粒的主要成分为淀粉，它不但为人类和动物提供了营养和能量而且也是生物链的主要碳源[1]。

在世界每年生产的禾谷类作物中，淀粉占到了100亿吨，有80%左右被人们用作食物和饲料，淀粉制造业和化工仅用到淀粉总量的3%左右[2];此外，在糖果外皮、高档面包和糕点加工业中淀粉充当了不可缺少的角色[3，4]。长期以来，禾本科作物籽粒的蛋白质和优质氨基酸研究一直受到广大科技工作者的青睐，淀粉对作物品质及食品加工品质的作用一直被忽略[5，6]。近年来，随着淀粉广泛用于食品、化工和纺织领域，其研究越来越受到人们的重视。本文通过对禾本科作物籽粒淀粉化学组分的分析以及淀粉生物合成原理的剖析，旨在为将来作物淀粉的深入研究做铺垫。

1 淀粉的化学组分及结构

目前研究一致认为，禾本科作物淀粉基本上由α－D葡糖聚合物(直链淀粉和支链淀粉)组成，此外包括少量的脂类、蛋白质、己糖、戊聚糖、磷、硅等成分[7～9]。淀粉是一种多糖，是葡萄糖之间通过分子间缩合构成的，根据分子的链条形状不同可分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉约占总淀粉质量的20% ～25%，主要由α－1，4糖苷键连接而成(图1 A)，基本上呈线型，分子相对质量小[10]。支链淀粉约占总淀粉质量的75% ～80%，由短的α－1，4糖苷键相连再通过α－1，6糖苷键连接成的高度分支的葡萄糖聚合体(图1 B)，其分子相对质量较大[11]。

阎隆飞等和van Buynum的研究一致认为，直链淀粉和支链淀粉都能溶于水，但直链淀粉的水溶性要好于支链淀粉[11，12]。直链淀粉与碘结合，显蓝色反应，其最大的吸收峰在644 nm，被水解时可产生大量麦芽糖;而支链淀粉不易与碘结合，呈红紫色，其最大的吸收峰在554～556 nm，水解产物为异麦芽糖等双糖，并可进一步分解成葡萄糖[12]。

图1 直链淀粉(A)和支链淀粉(B)结构示意图

2 淀粉的生物合成与关键酶

2.1 淀粉的生物合成过程

淀粉的生物合成是在植物体内叶绿体(Chloroplast)和淀粉体(Amyloplast)中完成的。高等植物叶片等绿色器官通过光合作用可以产生临时性的游离态淀粉，被称为“临时淀粉”，这类淀粉理化性质变化较大，常常在夜间分解成蔗糖输送到植物的根部、茎、叶鞘、果皮、籽粒等其它组织[13]。据潘庆民等研究报道，小麦籽粒胚乳中的淀粉是叶片和茎秆等器官制造的光合产物以蔗糖形式经过茎干韧皮部长距离运输至籽粒后，再经一系列淀粉酶的催化作用才能转化为淀粉[14]。

淀粉生物合成机理至今仍是一个谜。它是一个非常复杂的过程，尤其是参与淀粉合成的一些生化酶的作用机理当前还不清楚。不过，多数学者认为小麦胚乳淀粉最初的原料来自叶片及茎干中合成的临时淀粉降解产生的蔗糖。

如图2所示，叶片和茎干的蔗糖首先通过韧皮部运输至小麦籽粒，在籽粒胚乳胞液中由蔗糖合成酶(SuSy)催化分解为果糖和UDP－葡萄糖，继而形成6－磷酸葡萄糖(G6P)或1－磷酸葡萄糖(G1P)，G1P进入籽粒胚乳造粉体后可以在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、淀粉合成酶(SS)、淀粉分支酶(SBE)以及淀粉去分支酶(DBE)共同作用下合成直链淀粉和支链淀粉[15]。

图2 小麦籽粒胚乳淀粉生物合成(Jenner等，1993)

2.2 参与淀粉生物合成的关键酶

首先，高等植物要通过叶绿体光合作用的卡尔文循环来固定CO2，先形成葡萄糖，继而形成蔗糖。由于淀粉体自身没固定CO2的能力，所以它依赖于叶绿体通过韧皮部转运过来的蔗糖作为淀粉合成的碳源[16]。其次，蔗糖在SuSy参与下水解后，以G1P形式进入造粉体中参加淀粉的合成。最后，在AGPP、GBSS共同作用下形成了直链淀粉;而在AGPP、GBSS、SBE和DBE共同作用下形成了支链淀粉[17]。参与淀粉合成的每种酶都有其同工酶，但这些同工酶在合成淀粉中的功能存在差异。因此，从游离蔗糖到合成淀粉，严格意义来讲必须有SuSy、AGPP、SS、SBE和DBE这5种酶的参与。

2.2.1 蔗糖合成酶

高等植物的SuSy存在于细胞质中，是促进禾谷类作物籽粒中淀粉合成的第一步骤。它的具体作用为分解蔗糖产生果糖和UDPG，UDPG接着参加淀粉的合成。一般认为SuSy主要存在于植物淀粉合成组织和细胞壁中，起到分解蔗糖的作用。目前SuSy的3种同工型已从水稻中分离出，且由3个不同基因来编码。Wang等通过原位杂交和蛋白印迹杂交表明，在发育种子中有3个SuSy基因都表达，它们的差异就是表达时间的早晚[18]。在胚乳发育早期表达的基因为SuSy1，所以其多数分布在种皮糊粉层细胞中，SuSy2在胚乳发育中期表达，在籽粒中分布比较广泛，SuSy3在籽粒的灌浆高峰期才表达。3种SuSy表达时间顺序说明，它们具有不同的分工。SuSy1主要功能是将蔗糖转运到籽粒胚乳细胞中，再由SuSy2和SuSy3共同来水解蔗糖产生果糖和UDPG，此外，SuSy2还有持家酶的作用。在小麦中，只存在SuSy1和SuSy2这两种同工酶，2种基因在小麦胚乳中的表达都很高，且SuSy2表达时间要早于SuSy1[19]。

2.2.2 腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶

腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)存在于大多数绿色植物叶片和贮藏器官中，它能催化G1P和ATP形成ADP－G，合成直链和支链淀粉的底物就是ADP－G。AGPP在淀粉合成中扮演淀粉生物合成的调节点角色，同时它也是淀粉合成的限速酶[20]。AGPP在高等植物中是以异源四聚体的形式存在的，主要由2个大亚基和2个小亚基组成。其中，分子量在56～60 kD是大亚基，为酶活性调节中心，分子量在50～55 kD为小亚基，是酶活的催化中心[16]。Ainsworth等在小麦籽粒胚乳cDNA文库中筛选出了编码AGPP小亚基的基因[21]。前人研究表明，两种不同形式的AGPP在水稻、小麦、玉米和大麦等作物胚乳中都存在，而且分别以胞质的和质体的形式存在[22]。

此外，AGPP是变构调节酶的一种，但大麦胚乳中AGPP对3－PGA和无机磷酸的变构调节不敏感是个特例[23]。然而，据Gomez和Iglesias研究报道，在小麦胚乳中的AGPP对3－PGA的激活不敏感，但受无机磷酸，ADP和1，6－二磷酸果糖3者的共同抑制[24]。Stark等研究发现，将AGPP基因导入马铃薯中可使其淀粉含量平均提高30%左右[25]。

2.2.3 淀粉合成酶

SS在高等植物中充当葡萄糖转移酶的角色，各种SS基因都是高度保守的[26]。SS以ADP－葡萄糖为底物，以寡聚糖为前体，通过α－1，4糖苷键不断增加寡聚糖的葡萄糖单位。根据它在造粉体中的状态，SS可分为GBSS和SSS。GBSS是因为保留在淀粉粒内部而得名，是与直链淀粉合成直接相关的酶[27]。SSS存在淀粉粒的表层基质，催化支链淀粉生物合成[26]。但是，以上划分不是绝对的，有很多SS既有可溶部分，又有许多与淀粉粒附着[28]。

GBSS包括2种类型，分别是GBSSⅠ和GBSSⅡ。分子量为60 kD酶是GBSSⅠ，它的功能是将ADP－G的葡萄糖残基转移到α－1，4－葡聚糖链的非还原性末端。据Vrinten和 Nakamura报道，在小麦中的GBSSⅠ存在于籽粒胚乳中，主要作用为负责直链淀粉的合成[27]。此外，它还能为支链淀粉的合成提供较长的链，以便在SBE催化下给直链上面加分支。GBSSⅡ，存在于小麦茎秆和叶片等营养器官，主要负责临时直链淀粉的合成。在小麦中，GBSSⅠ有Wx－A1，Wx－B1和 Wx－D1这3个高度同源的waxy基因已被分离，且分别被定位于7A，4A和7D染色体上[29];其中Wx－B1基因比Wx－A1和Wx－D1基因的缺失对直链淀粉含量减少的作用影响更显著[30]。2001年，Fujita等对玉米和二倍体小麦籽粒胚乳中酶活的测定与分析，表明GBSSⅠ活性和Wx基因剂量呈正相关关系，但直链淀粉含量与Wx基因剂量不成正比例[31]。该结果说明除GBSSⅠ外，直链淀粉含量可能还受其它调控因子的作用。通过大麦Wx基因突变实验可以合成少量的直链淀粉，GBSSⅠb被鉴定为第二种GBSS，与小麦GBSSⅡ的同源性有96.5%，但与大麦GBSSⅠ同源性只有65.3%的;因此，GBSSⅠ和GBSSⅡ之间相互协调共同作用来促进直链淀粉的生物合成[32]。

SSS是对温度要求最苛刻的一种酶。禾谷类作物高产最适温度为20～30℃，适度高温尽管能提高光合作用的同化产物，但会使SSS失活，形成淀粉的催化作用严重受到影响，从而降低淀粉的合成[28]。SSS的最适温度为20～25℃，当在35℃处理小麦种子30 min后，SSS活性就会降低一半，这种现象被称为“Knock－down”[33]。由于过高温度对淀粉合成有关的酶(如SuSy，AGPP，GBSS等)的活性影响不大，故SSS被称作淀粉合成的温度调节位点。SSS主要存在于质体的基质中，它与SBE、DBE一起合成支链淀粉。Commuri和Keeling的研究指出，SSⅠ整个C－末端区域对于结合淀粉是必需的;而且，SSⅠ结合的亲和能力与底物链长呈正相关，而SSⅠ的催化能力与底物链长度呈负相关。在玉米SS突变体导致支链淀粉结构发生变化这个研究背景下，Wang等和Gao等提出了几种SSS决定支链淀粉结构的模型[18，34]。根据模型解释，最短链的合成由SSⅠ负责，较长的链由SSⅡ和SSⅢ共同负责合成。谷类作物胚乳中存在SSⅡa，而叶片和茎秆等光合组织中主要存在SSⅡb。此外，Edwards等对马铃薯酶研究表明，SSⅢ的反义抑制会导致支链淀粉链长分布改变，最终造成合成支链淀粉减少[35]。

2.2.4 淀粉分支酶

SBE是谷类作物籽粒支链淀粉合成的关键酶，又被称作“Q”酶，它具有双重催化功能。它既能切开α－1，4糖苷键，又能把切下的短链通过α－1，6糖苷键连接于较长受体直链上。该酶的催化反应不仅能产生支链的分支，而且其非还原端可供α－1，4 葡聚糖链进一步延伸以加长直链的长度[36，37]。WBE－ⅠAD(88 kD)、WBE－IB(87 kD)和 WBE－Ⅱ(88 kD)这3种同型体的SBE被通过免疫杂交从小麦胚乳中鉴定出;WBE－Ⅱ与玉米BEⅡ类似，而WBE－ⅠAD和WBE－ⅠB与玉米BEⅠ类似[38]。

SBE根据酶的结构、底物专一性和免疫反应等的不同，被分为同型体A和同型体B两类[39]。较短的分支链主要由A型淀粉分支酶催化合成;而B型淀粉分支酶擅长转移较长分支的链，所以它以直链淀粉为底物时活性明显高于 A型分支酶[16，40]。Satoh等对水稻胚乳SBE研究表明，不同的SBE形式在胚乳淀粉合成中有不同的作用[41]。2000年Peng等对发育和成熟的小麦籽粒胚乳酶的研究发现，从胚乳A型淀粉颗粒中提取出了淀粉分支酶SBEIc有两种变构蛋白 SGP－145kD和 SGP－140kD，而在B型淀粉粒上没获得这两种产物。从而得出了 SGP－145kD和 SGP－140kD这两种SBEIc变构蛋白与小麦A型淀粉粒形成有关的结论[42]。

2.2.5 淀粉去支酶

近年来研究发现，DBE在植物淀粉合成中也起重要作用[43]。DBE能特异性地水解淀粉中的α－1，6糖苷键，与α－淀粉酶的氨基酸序列具有很高同源性，所以被划归到淀粉水解酶家族。根据DBE催化底物的不同分为两类:一类是异淀粉酶(Isoamylase，ISA)，另一类是普鲁蓝酶(Pullulanase，R)，也可称为极限糊精酶或称R酶;前者以支链淀粉或糖原为底物，去除它们的α－1，6糖苷键，而普鲁蓝酶以极限糊精为底物，特异去除它们的α－1，6糖苷键[16]。高等植物中ISA至少有3种同工酶，即ISA1、ISA2和ISA3，R酶没有同工酶，在基因组中表现是单拷贝。James等、Ball等和Nakamura等分别对玉米、水稻Sugary－1突变体，衣藻Sta7突变体研究发现，支链淀粉在这些植物中合成虽减少，但积累了大量高度分支的、可溶性的支链淀粉，被称作植物糖原(PG)[44～46]。

图3 支链淀粉生物合成的修剪模型(Ball等，1996)

1996年，Ball等解释DBE在高等植物淀粉合成中作用时提出了著名的“修剪模型”。如图3所示，禾本科作物籽粒合成支链淀粉是通过 SSS，SBE，DBE这3种酶的连续的、循环的催化反应生成的[45]。最初，在SSS催化下在淀粉粒表面以短糖链为底物进行延伸，到一定长度后在SBE催化下形成分支链，接着DBE剪掉位置不合适的分支链;当分支链达到一定的长度，可再次作为SSS的底物进行下一轮延伸与修剪的循环。Nielsen等研究发现，未成熟淀粉颗粒表面有短的糖链存在，从而验证了这个模型[47]。尽管Ball等提出的“修剪模型”能很好地解释高等植物淀粉生物形成的过程，但还存在一些问题尚需研究。

3 结论

禾本科作物籽粒淀粉在组分上主要包含直链淀粉和支链淀粉，它们都是在籽粒淀粉胚乳细胞中形成的。直链淀粉形成是以腺苷二磷酸葡萄糖(UDPG)为底物，在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、直链淀粉合成酶(GBSS)和淀粉去分支酶(DBE)共同作用下合成的;而支链淀粉是在形成直连淀粉的基础上，在淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶(DBE)反复作用下形成的。

[1]Visser RGF，Stolte A，Jacobsen E.Towards modifying plants for altered starch content and composition [J].Plant Science，1994，11(2):63 －68.

[2]Ranam S.Genetic manipulation of starch properties in wheat[J].Chemistry in Australia，1994，9(3):517 －518.

[3]Considine DM.Foods and Food Production Encyclopedia[M].New York:John Wiley Inc，1982.55－56.

[4]Doane WM.Opportunities and challenges for new industrial uses of starch[J].Cereal Food World，1994，39(1):556－562.

[5]刘广田，李保云.小麦的营养品质及品质改良[J].小麦研究，1997，18(1):1－5.

[6]Akashi H，Takahashi M，Endo S.Evaluation of starch properties of wheat used for Chinese yellow－alkaline noodles in Japan[J].Cereal Chemistry，1999，76(1):50－55.

[7]Khalil NF，Duncan HJ.The sillca content of plant polysaccharides[J].Journal of the Science of Food and Agriculture，1981，32(4):415－418.

[8]Swinkels JJM.Composition and properties of commercial and native starches[J].Starch，1985，37(6):1 －5.

[9]Fishman ML，Cook P，White B，et al.Size distributions of amylose and amylopectin solubilized from corn starch granules[J].Carbohydrate Polymers，1995，26(4):245－253.

[10]Deatherage WL，MacMasters MM，Rist CE.A partial survey of amylose content in starch from domestic and foreign varieties of corn，wheat，and sorghum and from some other starch bearing plants[J].Transactions of A-merican Association of Cereal Chemistry，1955，13(1):3l－33.

[11]阎隆飞，李启明.基础生物化学[M].北京:农业出版社，1985.21－22.

[12]van Buynum GMA，Roels JA.Starch Coversion Technology[M].NewYork:Marcel Dekker Inc，1985.3－4.

[13]Jenner CF，Siwek K，Hawken JS.The synthesis of[14C]sucrose in isolated wheat grains is dependent upon the activity of soluble starch synthase[J].Australia Journal Plant Physiology，1993，20(3):329－335.

[14]潘庆民，于振文，王月福.追氮时期对小麦旗叶中蔗糖合成与籽粒中蔗糖降解的影响[J].中国农业科学，2002，35(7):771－776.

[15]彭佶松，郑志仁，刘 涤.淀粉的生物合成及其关键酶[J].植物生理学通讯，1997，33(4):297－303.

[16]Smith AM，Denyer K，Matin CR.The synthesis of the starch granule[J].Annu Rev Plant Physiology Plant Molecular Biology，1997，48:67－87.

[17]Monille G.Preamylopectin processing:Amandatory step for starch biosynthesis in plants [J].The Plant Cell，1996，8(8):1353－1366.

[18]Wang AY，Kao MH，Yang WH，et al.Differentially and developmentally regulated expression of three rice sucrose synthase genes [J].Plant Cell Physiology，1999，40(5):800－807.

[19]Marana C，Garcia OF，Carbonero P.Differential expression of two types of sucrose synthase encoding genes in wheat in response to anaerobiosis cold shock and light[J].Gene，1990，88(2):167 －172.

[20]Okitatw K.Is there an alternative pathway for starch synthesis[J].Plant Physiology，1992，100(2):560 －564.

[21]Ainsworth C，Clark J，Balsdon J.Expression，organization and structure of the genes encoding the waxy protein(granule － bound starch synthase)in wheat[J].Plant Molecular Biology，1993，22(1):67－82.

[22]Denyer K，Dunlap F，Thorbjornsen T，et al.The major form of ADP glucose pyrophosphorylase in maize endosperm is extraplastidial[J].Plant physiology，1996，112(2):779－783.

[23]包劲松，夏英武.水稻淀粉合成的分子生物学研究进展[J].植物学通报，1999，16(4):352－358.

[24]Gomez DF，Iglesias AA.ADP－glucose pyrophosphorylase from wheat endosperm.Purification and characterization of an enzyme with novel regulatory properties[J].Planta，2002，214(3):428－434.

[25]Stark DM，Timmerman KP，Barry GF，et al.Regulation of the amount of starch in plant tissues by ADP glucose pyrophosphrylase[J].Cereal Science，1992，258(4):287－292.

[26]Ball SG，Morell MK.From bacterial glycogen to starch:understanding the biogenesis of the plant starch granule[J].Annual Review of Plant Biology，2003，54:207－233.

[27]Vriten P，Nakamura T.Wheat granule－bound starch synthesisⅠandⅡare endoded by separate genes that are expressed in different tissues [J].Plant Physiology，2000，122(1):255－263.

[28]Rigven A.Heat inaction of starch systhase in wheat endosperm[J].Plant Physiology，1986，81(1):449 －457.

[29]Chao S，Sharp PJ，Worland AJ，et al.RFLP－based genetic maps of wheat homoeologous group 7 chromosomes[J].Theor Appl Genet，1989，78(4):495 －504.

[30]Miura H，Sugawara A.Dosage effects of the three Wx genes on amylose synthesis in wheat endosperm[J].Theor Appl Genet，1996，93:1066 －1070.

[31]Fujita N，Hasegawa H，Taira T.The isolation and characterization of a waxy mutant of diploid wheat(Triticum monococcum L.)[J].Plant Science，2001，160(4):595－602.

[32]Patron NJ，Smith AM，Fahy BF，et al.The altered pattern of amylose accumulation in the endosperm of lowamylose barley cultivars is attributable to a single mutant allele of granule－bound starch synthase I with a deletion in the 50 － non － coding region[J].Plant Physiology，2002，130(1):190－198.

[33]Keeling PL，Bacon PJ，Holt DC.Elevated temperature reduces starch deposition in wheat endosperm by reducing the activity of soluble starch synthase[J].Planta，1993，191(3):342－348.

[34]Gao M，Wanat J，Stinard PS，et al.Characterization of dull1，a maize gene coding for a novel starch synthase[J].Plant Cell，1998，10(3):399 －412.

[35]Edwards A，Fulton DC，Hylton CM，et al.A combined reduction in activity of starch synthasesⅡandⅢof potato has novel effects on the starch of tubers[J].The Plant Journal，1999，17(3):251 －261.

[36]Martin C，Smith AM.Starch Biosynthesis[J].Plant Cell，1995，7(7):971 －985.

[37]Bertoft E.On the nature of categories of chains in amylopectin and their connection to the super helix model[J].Carbohydrate Polymers，2004，57(2):211 －224.

[38]Morell MK，Blennow A，Hashemi BK，et al.Differential expression and properties of starch branching enzyme isoforms in developing wheat endosperm[J].Plant Physiology，1997，113(1):201－208.

[39]Burton MK，Bewley JD，Smith AM.Starch branching enzymes belonging to distinct enzyme families are differentially expressed during pea embryo development[J].Plant Journal，1995，7(1):3 －15

[40]Guan H，Preiss J.Differentiation of the properties of the branching isozymes from maize(Zea mays)[J].Plant Physiology，1993，102(4):1269－1273.

[41]Satoh H，Nishi A，Yamashita K，et al.Starch－branching enzyme I－deficient mutation specifically affects the structure and properties of starch in rice endosperm[J].Plant Physiology，2003，133(3):1111－1121.

[42]Peng MS，Ming G，Monica B，et al.Starch－branching enzymes preferentially associated with A－type starch granules in wheat endosperm [J].Plant Physiology，2000，124(1):265－272.

[43]徐军望，李旭刚，朱 祯.基因工程改良淀粉品质[J].生物技术通报，2000，16(1):11－19.

[44]James MG，Robertson DS，Myers AM.Chraracterization of the maize gene sugaryl，a determinant of starch composition in kernels[J].The Plant Cell，1995，7(4):417－429.

[45]Ball S，Guan HP，James M，et al.From glycogen to amylopectin:a model for the biogenesis of the plant starch granule[J].Cell，1996，86(3):349 －352.

[46]Nakamura Y，Umemoto T，Takahata Y，et al.Changes in structure of starch and enzyme activities affected by sugary mutations in developing rice endosperm:possible role of starch debranching enzyme(R－enzyme)in amylopectin biosynthesis[J].Physioloy Plant，1996，97(3):491－498.

[47]Nielsen TH，Baunsgaard L，Blennow A.Intermediary glucan structures formed during starch granule biosynthesis are enriched in short side chains，a dynamic pulse labeling approach [J].Journal of Biological Chemistry，2002，277(23):20249－20255.