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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)
1482
3
甘薯可溶性淀粉合成酶
3.1 SSS
的结构与功能
SSS(EC 2.4.1.10)
主要参与支链淀粉的合成，它
能够通过
α
-
1,4
-
D
-糖苷键将
ADPG
中的葡萄糖残
基加到侧链的非还原端。人们已经发现植物叶片和
储藏组织存在多种
SSS
同工酶
(Kossmann and Lloyd,
2000)
。至今为止，人们已经报道了
4
种
SSS
同工
酶，分别是
SSSI
、
SSSII
、
SSSIII
和
SSSIV(Ball and
Morell, 2003)
。
3.2 SSS
的研究进展
现今，淀粉生物合成中
SSSI
的功能仍未完全了
解，一部分原因是由于还不清楚它的结构。
SSSII
是
豌豆胚乳中的主要淀粉合成酶，它的缺失将导致淀
粉的含量和结构发生很大的变化
(Craig et al., 1998)
。
SSSIII
是马铃薯块根的主要淀粉合成酶，
80%
的可溶
性淀粉合成酶都是
SSSIII
型
(Abel et al., 1996;
Marshall et al., 1996)
。研究表明，
SSSI
是延长较短的
支链，而
SSSII
和
SSSIII
则是分别延长中间长度和
较长的支链
(Ball and Morell, 2003)
。
SSSIV
是最近在
拟南芥中发现的，其功能可能是参与淀粉颗粒形成
的起始阶段，生成较短的葡聚糖链
(Roldan et al.,
2007)
。尽管在很多植物中都对
SSS
进行了研究，然
而在甘薯中却罕有相关报道。因此，开展甘薯
SSS
的相关研究对培育甘薯新品种具有重要意义。
4
甘薯淀粉分支酶
4.1 SBE
的结构与功能
SBE(EC 2.4.1.18)
是
α
-
1,4
-
D
- 葡萄糖 -
α
-
6
-
[α-1,4-
葡萄糖
]-
转移酶，水解直链淀粉的
α
-
1,4
-
D
-
糖苷键，将切下的短链转移到相似或者不同的葡聚
糖链上形成
α
-
1,6
-糖苷键，从而生成支链淀粉
(Pan
and Nelson, 1984; Hussain et al., 2003)
。根据高等植
物中
SBE
的氨基酸序列，
SBE
主要分为
A
型
(
马铃
薯
SBEIIa
、玉米
SBEIIa
和豌豆
SBEIa
等
)
和
B
型
(
马
铃薯
SBEIb
、玉米
SBEb
和豌豆
SBEIIb
等
)
。
4.2 SBE
的研究进展
Jobling
等
(1999)
研究发现
SBE
对淀粉颗粒的分
子结构，尤其是支链淀粉的链长有重要影响。
Kim
等
(2005)
成功克隆了甘薯的
SBE
基因
(
Iblsal
)
，并发
现其转录水平在块根完全形成后开始增加。这表明
Iblsal
基因在淀粉合成过程中发挥了作用。
Hamada
等
(2006)
也从甘薯中克隆了一个
SBEI
基因
(
IbSBE
)
，
并对
IbSBE
的时空表达进行了研究，发现在甘薯这
种六倍体植物中存在多少拷贝，而且在淀粉生物合
成的各个组织中都有表达。同时，
Shimada
等
(2006)
将含有编码甘薯
SBEII
基因
(
IBSBEII
)
的双链
RNA(dsRNA)
载体导入甘薯基因组中，使得内源的
IBSBEII
基因被沉默，从而导致淀粉中直链淀粉的
含量显著增加；另外，
IBSBEII
基因在甘薯中有多
个拷贝，并且也在淀粉生物合成的各个组织中都有
表达。
Pao
等
(2005)
对
SBE
基因转录的日变化水平
进行了研究，发现其日变化可被自身的生物钟所控
制，还发现在
SBE
基因启动子序列中存在若干个与
昼夜和光照有关的调控因子。
SBE
是决定支链淀粉结构的关键酶，也是调节
直、支链淀粉比例的重要淀粉合成酶，与
GBSS
相比，
它主要是修饰支链淀粉的分子结构从而改变淀粉粒
的形态。因此，继续加强对甘薯
SBE
基因表达调控的
研究从而获得不同结构的淀粉颗粒，对改良淀粉品质
以及满足人们的不同需求有着重要的作用。
5
甘薯淀粉去分支酶
5.1 DBE
的结构与功能
DBE
作为一种
α
-
1,6
-葡聚糖水解酶能够催化
多糖链中的
α
-
1,6
-糖苷键水解，并且是决定支链淀
粉结构的重要因素之一。改变
DBE
的活性就可以
改变直链淀粉和支链淀粉之间的比例以及支链淀
粉的结构，从而形成分支程度不一的支链淀粉，并
使淀粉具有新的理化特性。迄今为止，根据
DBE
的氨基酸序列不同和作用的底物差异，人们将其划
分为两大类：异淀粉酶
(Isoamylase, ISA; EC:
3.2.1.68)
和极限糊精酶
(limit-dextrinase, LDA; EC:
3.2.1.142)
。
ISA
含有
3
种同工酶，分别是
ISA1
、
ISA2
和
ISA3
，而
ISA1
和
ISA2
主要参与支链淀粉合成
的反应中
(Hussain et al., 2003)
。
5.2 DBE
的研究进展
在马铃薯块根和拟南芥叶片中，
ISA1
与
ISA2
组合在一起，形成一个异源多聚体复合酶。其中
ISA1
活性最高，它作用于较长的外部支链
(
比如可
溶性淀粉
)
，
ISA2
则可能起调节作用在反应过程中
没有催化活性，而
ISA3
和
LDA
的主要作用是淀粉
的降解，并对较短的外部支链有很高活性
(
比如
β-