高直链淀粉的生物合成和应用研究进展_刘雨霏.pdf

书书书化学与生物工程 ，综述专论 基金项目：国家自然科学基金项目（），四川大学大学生创新创业训练计划项目（，）收稿日期：作者简介：刘雨霏（），女，四川 成 都 人，研 究 方 向：制 药 工 程，：；通讯作者：姚长洪（），男，副教授，研究方向：淀粉生物合成工程，：。：刘雨霏，罗慧琳，陈响，等 高直链淀粉的生物合成和应用研究进展 化学与生物工程，（）：，（）：，高直链淀粉的生物合成和应用研究进展刘雨霏，罗慧琳，陈响，潘云云，申雨韩，张浩宇，姚长洪（四川大学化学工程学院，四川 成都 ）摘要：淀粉是一种可再生且环境友好的自然资源，在日常生活和工业生产中占有重要地位。淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成，二者所占的比例决定了其性质和品质。普通淀粉一般含有 的直链淀粉，在使用基因工程等手段对作物进行育种后，可以得到直链淀粉含量 以上的高直链淀粉。与普通淀粉相比，高直链淀粉具有特殊的理化性质，如更高的糊化温度、更易发生老化以及更好的成膜性能等。由高直链淀粉经过加工制备成的药物载体、食品添加剂和包装材料等各类产品也具备良好的性能，在工业上具有广阔的应用前景。从生物合成、理化性质及应用等三方面综述了高直链淀粉的研究进展，分析了发展过程中面临的问题，提出了可行的解决方法以及未来可能的发展方向，为高直链淀粉的研究和产业化应用提供了参考。关键词：高直链淀粉；生物合成；理化性质；应用中图分类号：，（，）：，：，：；淀粉作为一类可再生的物质一直备受关注，它在自然界中的来源广泛、含量丰富，并且具备良好的性能，在制药、食品、材料等领域都有广泛的应用。淀粉由直链淀粉（，）和支链淀粉（，刘雨霏，等：高直链淀粉的生物合成和应用研究进展 年第期）组成，其中直链淀粉主要由葡萄糖残基通过，糖苷键线性连接而成，支链淀粉在线性分子链的基础上还存在通过，糖苷键形成的大量侧链，其分子量较直链淀粉的更大。直链淀粉和支链淀粉所占的比例决定了淀粉的性质和品质。普通淀粉一般由 的直链淀粉和 的支链淀粉组成，而经过基因工程育种后，可以得到直链淀粉含量达 到 的 高 直 链 淀 粉（，）。与普通淀粉相比，高直链淀粉的颗粒形貌不同，并具有糊化温度较高、成膜性能较好等特殊的理化性质，因此具有更广阔的应用前景。作者在此从生物合成、理化性质、应用等三方面综述高直链淀粉的研究进展，为高直链淀粉的研究、产品开发和工业应用提供参考。高直链淀粉的生物合成淀粉的合成高等植物中的淀粉可分为暂时性淀粉（）和贮藏性淀粉（）两种，分别在光合组织的叶绿体和储存组织的淀粉体中合成。日间利用光合作用合成的暂时性淀粉在夜间会降解为代谢所需的碳源和能量，运输到淀粉体合成贮藏性淀粉。贮藏性淀粉为种子的生长发育提供能量和营养，在种子萌发等生命活动中起重要作用。淀粉合成途径植物以蔗糖为碳源进行贮藏性淀粉的生物合成，如图所示。蔗糖合成酶（）利用尿苷二磷酸（）催化裂解蔗糖为尿苷二磷酸葡萄糖（）和果糖，尿苷二磷酸葡萄糖和胞液中的焦磷酸盐（）在尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（）的作用下生成葡萄糖磷酸（）和三磷酸尿苷（），胞质磷酸葡萄糖酶（）又将 代谢为葡萄糖磷酸（）；果糖则在果糖激酶（）的作 用下形成 果 糖磷酸（），再借助胞质磷酸葡萄糖异构酶（）转化为 。通过尿苷二磷酸葡萄糖及果糖两种途径生成的 借 助 葡 萄 糖磷 酸 盐磷 酸 转 运 蛋 白（）进入淀粉体；同时，三磷酸腺苷（）也在 转运蛋白（）的帮助下进入淀粉体。在淀粉体中，质体磷酸葡萄糖变位酶（）将 再次转化为 ，随后质体 葡萄糖焦磷酸化酶（）又将 和转运来的 转化为腺苷二磷酸葡萄糖（）作为淀粉合成的前体。直链淀粉由颗粒结合淀粉合成酶（）催化腺苷二磷酸葡图贮藏性淀粉的生物合成途径 萄糖与葡萄糖糖链的非还原末端连接，使糖链延长而得到；支链淀粉的合成则需要可溶性淀粉酶（）、淀粉分支酶（）和去分支酶（）的共同作用。其中，催化，葡聚糖链的延长；则催化，糖苷键断裂，所得短链的 位再在相同或另一链中葡萄糖基的 位形成，糖苷键，形成分支；能够修饰不规则的糖链分支，形成具有晶型结构的支链淀粉。淀粉合成关键酶 是一种重要的可逆酶，它能实现蔗糖和尿苷二磷酸向尿苷二磷酸葡萄糖和果糖的可逆转化，促进蔗糖的合成与降解，从而影响植物细胞壁组分和淀粉合成。对蔗糖的代谢有一定的影响，当活性降低时，淀粉合成受阻，且合成的淀粉含量下降。玉米 的活性与 、和 基因的表达相关。是一个重要的蔗糖合成酶编码基因，的活性随着 基因表达量的升高而降低；基因在玉米的根、茎、叶、胚中都有所表达，是淀粉合成前体尿苷二磷酸葡萄糖的供源；在胚乳、胚珠、根和幼芽中表达。是淀粉合成中的一个重要限速酶，其作用机制是通过促进 、向腺苷二磷酸葡萄糖和焦磷酸盐的转化，从而实现对谷类胚乳及其它器官淀粉含量的调控。在绝大多数植物中，仅存刘雨霏，等：高直链淀粉的生物合成和应用研究进展 年第期在于叶绿体和淀粉体（合称为质体）中，但在禾谷类植物胚乳细胞中只有 为质体型 ，其余均为胞质型 ，而胞质型 在催化腺苷二磷酸葡萄糖生成的同时还参与细胞内糖的代谢调控。玉米中质体型 有 、等 种 亚 基，其 中 与 能够构成有活性的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（）。有研究表明，的活性直接影响淀粉含量，如在马铃薯中 的活性与淀粉含量成正比。在玉米籽粒胚乳中 由个大亚基和个小亚基组成，分别为结构调节中心和酶催化中心，其对应编码基因 和 的变异均能使 活力下降 ，淀粉合成受到阻碍，淀粉含量下降。但也有研究表明，的活性与淀粉含量没有显著联系，它的活性变化与淀粉积累速率变化并不一致，可能原因是合成淀粉的供应途径不止一条。淀粉合成酶（）由 和 组成，通过在葡聚糖引物的非还原末端引入葡萄糖残基延长链长度。和淀粉颗粒紧密地结合在一起，主要参与直链淀粉合成，此外还参与超长链（）的支链淀粉合成。可 分 为 两 类：和 。是催化腺苷二磷酸葡萄糖合成直链淀粉的重要酶，在胚乳、花药中所占比例较高，其编码基因为。在糯玉米中，由于 基因的变异，酶活力丧失，在胚乳中仅能合成支链淀粉。在水稻胚乳中，由第染色体 基因编码，负责直链淀粉的合成。与 具有相同活性，但主要存在于瞬态器官中，如在叶片中参与直链淀粉的合成。有、等种亚型，主要负责支链淀粉链的延长。对直链淀粉含量没有显著影响，主要影响水稻籽粒胚乳中支链淀粉的结构。玉米中 有、等种类型，其中，在胚乳中高表达，主要在叶片中高表达，在叶片、胚乳和根中均有表达；和 缺乏突变体，对其功能的研究尚未有进展。的编码基因为，的编码基因为，这两个基因突变会分别使 和 的活性降低，导致胚乳中的直链淀粉含量升高。控制淀粉颗粒的起始形成，它的过表达使拟南芥叶片中淀粉含量升高 。是一种不具有催化葡萄糖基转移酶功能的非典型亚型，其与 类似，具有与糖链结合和与类肌球蛋白的叶绿体蛋白（）相互作用的保守区域，控制淀粉颗粒的起始形成，进 而 影 响 拟 南 芥 叶 片 中 淀 粉 颗 粒 的 大 小 和数量。可以使原本的，糖苷键断裂，或在，糖苷键的帮助下实现受体链 位与切下的短链相连接。有 、等种亚型，又有种类型：和 。在禾谷类植物中，和 主要在胚乳中表达，则在水稻的所有器官中表达。此外，是主要的支链淀粉合成酶，突变的玉米中的直链淀粉含量明显升高，但淀粉总量下降，且突变体胚乳没有光泽，籽粒晶莹剔透，有一定程度的褶皱。突变对玉米直链淀粉的合成有一定影响，但不影响支链淀粉的结构。的功能主要是通过水解支链淀粉的，葡聚糖对支链进行微细的结构修饰，这样能消除不规则的主链分支，从而使淀粉的螺旋状结构更易结晶。包括异淀粉酶（）和普鲁兰酶（）。水解支链淀粉和可溶性植物糖原的，糖苷键，主要有 、等种亚型，对不规则的支链淀粉分支进行修剪，使其突变株中的淀粉含量下降；只有与 形成异源复合体时才具有催化功能；与糖原积累有关。主要作用对象是普鲁兰糖和支链淀粉，在谷物萌发时的淀粉降解中起作用。提高直链淀粉含量的途径通过培育不同的高直链淀粉作物，可以扩大高直链淀粉品种的选择范围。目前高直链淀粉主要来源于玉米、大麦、水稻等作物，在市场上竞争力大，商业价值高。提高作物的直链淀粉含量可从增强 表达、抑制 活性、抑制 活性和抑制葡聚糖水二激酶（）活性等几方面着手，如表所示。增强 表达 直接负责胚乳中直链淀粉的合成。也被称为 蛋白，能够催化淀粉糖链的延长。增强 的表达可以使淀粉中直链淀粉的含量显著升高。赵丫杰 将编码 的 基因与质粒的融合基因“：”转入玉米自交系得到转基因纯合的子代 植株，其直链淀粉含量升高了。浮萍的转基因株系 和 的直链淀粉含量较野生型分别升高了 和 。抑制 活性编码 的 基因、编码 和 的 基因、编码 的 基因的变异均可导致相刘雨霏，等：高直链淀粉的生物合成和应用研究进展 年第期表提高直链淀粉含量的途径 途径植株育种方法关键酶野生型直链淀粉含量育种植株直链淀粉含量参考文献增强 表达玉米农杆菌介导的过表达 浮萍农杆菌介导的过表达 、抑制 活性水稻敲除淀粉合成酶基因 小麦杂交育种 抑制 活性大麦干扰 、小麦重离子辐射诱导等位基因缺失 、小麦 诱导基因突变、回交转育、杂交育种 、玉米杂交育种 抑制 活性马铃薯农杆菌介导的反义抑制 应酶活力下降，支链淀粉合成能力下降的同时直链淀粉含量升高。突变株又称 突变体，其直链淀粉含量能达到 。基因显性突变基因 通过回交转育导入优良玉米品种自交系可以提高直链淀粉的含量。降低小麦中 和 的活性能使分支减少、直链淀粉含量升高。与其它基因（如）组合突变株的直链淀粉含量较单基因突变株的更高，如籼稻中 与 基因组合突变株的直链淀粉含量从单一 基因突变株的 提高到 。抑制马铃薯的 和 活性，能将直链淀粉含量由 提高到 。抑制 活性在玉米中，不仅能催化叶绿体中暂时性淀粉的降解，还与贮藏性淀粉的磷酸化有关。可以催化支链淀粉葡萄糖残基 或 位与 上磷酸基团水解后的磷酸盐相结合，破坏淀粉表面的颗粒结构，使其易于与淀粉 合 成相 关 酶 结 合。表达降低会使淀粉中支链淀粉含量降低，从而提高直链淀粉的相对含量。与野生型马铃薯淀粉比较，抑制 活性的马铃薯淀粉中的直链淀粉相对含量提高了。但 影响直链淀粉的合成机制尚不清楚。高直链淀粉特殊的理化性质颗粒形貌淀粉的存在形式为颗粒状。根据颗粒直径的大小，淀粉颗粒可分为 型（大颗粒）和 型（小颗粒），其中，型的直径，型的直径 。在颗粒形貌上，高直链淀粉与普通淀粉呈现出明显的差别，普通淀粉颗粒多为饱满光滑的小球体或多面体，而高直链淀粉颗粒则多为没有蜡质光泽的不规则形状。李志伟等 通过对不同直链淀粉含量的淀粉颗粒进行扫描电子显微镜表型特征检测，发现在普通玉米淀粉中，型和型淀粉颗粒均是带有明显蜡质光泽、饱满光滑的小球体或多面体；而在直链淀粉含量为 的高直链玉米淀粉中，型淀粉颗粒出现皱缩、扭曲的情况，型淀粉颗粒则出现拉长的情况，二者表面均带有蜡质光泽；随着直链淀粉含量的上升，型淀粉颗粒皱缩、扭曲的情况进一步加重，颗粒直径也出现减小的情况，型淀粉颗粒则出现扭曲的情况，并且二者表面没有明显的蜡质光泽。糊化温度淀粉的糊化过程是指水分充足的淀粉加热到一定温度时，淀粉颗粒及其晶体结构开始破坏，出现体积膨胀、黏度迅速增大的现象。等 通过研究不同直链淀粉含量的玉米淀粉的糊化过程，发现直链淀粉含量较低的蜡质玉米淀粉和普通玉米淀粉在约 时便开始出现大量的糊化吸热，而直链淀粉含量更高的淀粉则在 以上时才开始发生糊化，因此随着直链淀粉含量的上升，往往糊化温度也会升高。然而，与普通淀粉相比，高直链淀粉的糊化温度虽然明显较高，但是在糊化过程的热流变化却比普通淀粉更加平缓，糊化焓也相对更低。老化性质淀粉的老化是指部分或完全糊化的淀粉在冷却时发生的淀粉分子由无序到有序的变化过程。淀粉的老化性质与其分子结构紧密相关，一般而言，直链淀粉比支链淀粉更容易发生老化，不同链长的直链淀粉发生老化的速率也有所不同。在淀粉的老化过程刘雨霏，等：高直链淀粉的生物合成和应用研究进展 年第期中，最先发生的是直链淀粉分子的快速重结晶，之后发生支链淀粉分子的缓慢重结晶。淀粉分子结构是影响其老化过程的重要因素，决定了老化速率