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唐维等
, 2011,
甘薯淀粉合成关键酶及其基因结构与功能的研究进展
,
分子植物育种
Vol.9 No.65 (doi: 10.5376/mpb.cn.2011.09.0065)
1481
体与玉米中的
AGPase
异构体相似。而后，
Kwak
等
(2006)
通过分析甘薯块根和胡萝卜主根中
ibAGP1
和
ibAGP2
这两基因的启动子的瞬时表达情
况发现甘薯内源蔗糖含量可以调节
AGPase
大小亚
基基因的转录水平，并且这两个基因受内源蔗糖的
调节作用是相反的：
ibAGP1
的启动子能够被蔗糖
诱导，而
ibAGP2
的启动子却受到阻遏抑制
(Kwak et
al., 2006)
。另外，
ibAGP1
和
ibAGP2
的启动子以及
其转运肽可以用来构建一个强启动子基因表达系
统。尽管这两个启动子都能显著增加蛋白的表达
量，然而不同的是
ibAGP1
的启动子和其转运肽的
作用是组成型表达，没有组织特异性；
ibAGP2
的
启动子和其转运肽则具有时间和空间上的特异性
(Kwak et al., 2007; Kwak et al., 2008)
。
张立明等
(2005)
对不同基因型甘薯块根膨大过
程中淀粉积累与淀粉合成酶的关系进行了研究，发
现不同基因型同一发育时期块根的
APGase
活性与
块根淀粉含量正相关，并且前期的淀粉积累速率高
于后期。陈宇星
(2008)
研究也发现甘薯基因型的差
异是引起各淀粉合成酶活性差异的主要影响因素，
并认为在生产前期不同基因型甘薯块根中的
AGPase
活性显著大于中后期，而且随着生产发育
的进行，
AGPase
不断催化淀粉合成从而导致其活
性也不断下降。张聪
(2010)
从高淀粉甘薯品种川薯
34
中克隆了
AGPa1
和
AGPa2
两个
亚基编码序列，
构建了
pC-AGPa1
和
pC-AGPa2
两个双元表达载体，
并导入根癌农杆菌
EHA105
中，接着进行遗传转化，
最终获得了
5
株阳性植株。
目前，
AGPase
是甘薯中研究最多的淀粉合成
酶之一，已经从甘薯中克隆到了它的全长基因序
列，对
AGPase
基因的表达和调控进行了相关研究，
并确认
AGPase
作为淀粉合成的限速酶，对甘薯块
根淀粉积累起着关键的作用。因此，彻底了解甘薯
AGPase
的结构和功能对培育高淀粉新品种有着重
要的意义。
2
甘薯颗粒结合淀粉合成酶
2.1 GBSS
的结构与功能
GBSS(EC 2.4.1.11)
是直链淀粉形成的关键酶，
它能够与淀粉颗粒紧密结合，并将
ADPG
的葡萄糖
残基转移到引物的非还原端形成
α
-
1,4
-
D
-糖苷键，
从而最终生成线性多聚糖链分子结构。在植物的不
同组织中一般存在着一种或者两种
GBSS
同工酶，
主要包括
GBSSI
和
GBSSII
，而
GBSSI
又可以分为
GBSSIa
和
GBSSIb
。
GBSSI
以颗粒的形式附着于淀
粉粒上，而
GBSSII
既能以颗粒形式附着于淀粉粒
上，也能游离于淀粉粒外。
2.2 GBSS
的研究进展
GBSS
是甘薯中研究最多的淀粉生物合成酶之
一，它位于质体中并负责直链淀粉的合成。甘薯
GBSSI
基因的全长
cDNA
和基因序列早已被克隆出
来，而且
Southern
杂交实验表明甘薯中
GBSSI
基因
有多个拷贝
(Wang et al., 1999; Kimura et al., 2000)
。
Kimura
等
(2001)
通过将从甘薯中克隆的
GBSSI
基因
的正义
cDNA
链转入到甘薯基因组中从而获得直链
淀粉缺失的转基因植株。而
Noda
等
(2002)
对
6
株转
入
GBSSI
基因
cDNA
的转基因甘薯的淀粉进行分
析，发现直链淀粉缺失型甘薯的淀粉具有特别的理
化性状。
Kimura
和
Saito(2010)
又通过分析现有的甘
薯
GBSSI
的
cDNA
序列，发现在它们
3’
末端
poly(A)
之前的序列具有多样性，并以此将
GBSSI
基因分为
六大类。同时，他发现在
GBSSI
的
3'
-非编码区域
有一段富含
A
、大小为
23 bp
的保守序列，并推测
其
poly(A)
信号的近端上游因子在这段序列中。
为了研究
GBSSI
基因是怎样被调控的，
Wang
等
(2001)
发现
GBSSI
基因的
mRNA
和蛋白质的积累
都受内部生物钟的控制，并且甘薯叶片中
GBSSI
基
因的表达好像受到两个不同的代谢途径调控。
Otani
等
(2007)
研究发现
RNA
介导的基因沉默技术抑制
甘薯中
GBSSI
基因的表达从而降低了甘薯中直链淀
粉的含量。同时，人们也研究了这种转基因甘薯中
淀粉的物理化学性质。
Kitahara
等
(2007)
发现抑制
GBSSI
基因表达会导致淀粉分子结构发生改变，直
链淀粉缺失型甘薯中的淀粉表现出很缓慢的回生
过程，并且可以被胰酶快速消化分解，而高直链型
甘薯淀粉却恰恰相反。
如今，通过对甘薯
GBSS
基因结构和功能的研
究，以及生物技术的利用，人们获得了直、支链淀
粉比例不同的淀粉，比如直链淀粉缺失型甘薯的淀
粉、高直链淀粉等。前者可以用于食品业，而后者
则可用于糖果工业、塑料工业等。因此，加强对甘
薯
GBSS
的研究对提高淀粉的应用价值有着重要的
作用。