銀永安，李衛(wèi)華，齊軍倉，曹連莆* ，陳 林

(1石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆石河子832000;2新疆天業(yè)(集團(tuán))有限公司，石河子832000)

水稻、小麥、玉米和高粱等禾本科作物籽粒的主要成分為淀粉，它不但為人類和動(dòng)物提供了營養(yǎng)和能量而且也是生物鏈的主要碳源[1]。

在世界每年生產(chǎn)的禾谷類作物中，淀粉占到了100億噸，有80%左右被人們用作食物和飼料，淀粉制造業(yè)和化工僅用到淀粉總量的3%左右[2];此外，在糖果外皮、高檔面包和糕點(diǎn)加工業(yè)中淀粉充當(dāng)了不可缺少的角色[3，4]。長期以來，禾本科作物籽粒的蛋白質(zhì)和優(yōu)質(zhì)氨基酸研究一直受到廣大科技工作者的青睞，淀粉對(duì)作物品質(zhì)及食品加工品質(zhì)的作用一直被忽略[5，6]。近年來，隨著淀粉廣泛用于食品、化工和紡織領(lǐng)域，其研究越來越受到人們的重視。本文通過對(duì)禾本科作物籽粒淀粉化學(xué)組分的分析以及淀粉生物合成原理的剖析，旨在為將來作物淀粉的深入研究做鋪墊。

1 淀粉的化學(xué)組分及結(jié)構(gòu)

目前研究一致認(rèn)為，禾本科作物淀粉基本上由α－D葡糖聚合物(直鏈淀粉和支鏈淀粉)組成，此外包括少量的脂類、蛋白質(zhì)、己糖、戊聚糖、磷、硅等成分[7～9]。淀粉是一種多糖，是葡萄糖之間通過分子間縮合構(gòu)成的，根據(jù)分子的鏈條形狀不同可分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉約占總淀粉質(zhì)量的20% ～25%，主要由α－1，4糖苷鍵連接而成(圖1 A)，基本上呈線型，分子相對(duì)質(zhì)量小[10]。支鏈淀粉約占總淀粉質(zhì)量的75% ～80%，由短的α－1，4糖苷鍵相連再通過α－1，6糖苷鍵連接成的高度分支的葡萄糖聚合體(圖1 B)，其分子相對(duì)質(zhì)量較大[11]。

閻隆飛等和van Buynum的研究一致認(rèn)為，直鏈淀粉和支鏈淀粉都能溶于水，但直鏈淀粉的水溶性要好于支鏈淀粉[11，12]。直鏈淀粉與碘結(jié)合，顯藍(lán)色反應(yīng)，其最大的吸收峰在644 nm，被水解時(shí)可產(chǎn)生大量麥芽糖;而支鏈淀粉不易與碘結(jié)合，呈紅紫色，其最大的吸收峰在554～556 nm，水解產(chǎn)物為異麥芽糖等雙糖，并可進(jìn)一步分解成葡萄糖[12]。

圖1 直鏈淀粉(A)和支鏈淀粉(B)結(jié)構(gòu)示意圖

2 淀粉的生物合成與關(guān)鍵酶

2.1 淀粉的生物合成過程

淀粉的生物合成是在植物體內(nèi)葉綠體(Chloroplast)和淀粉體(Amyloplast)中完成的。高等植物葉片等綠色器官通過光合作用可以產(chǎn)生臨時(shí)性的游離態(tài)淀粉，被稱為“臨時(shí)淀粉”，這類淀粉理化性質(zhì)變化較大，常常在夜間分解成蔗糖輸送到植物的根部、莖、葉鞘、果皮、籽粒等其它組織[13]。據(jù)潘慶民等研究報(bào)道，小麥籽粒胚乳中的淀粉是葉片和莖稈等器官制造的光合產(chǎn)物以蔗糖形式經(jīng)過莖干韌皮部長距離運(yùn)輸至籽粒后，再經(jīng)一系列淀粉酶的催化作用才能轉(zhuǎn)化為淀粉[14]。

淀粉生物合成機(jī)理至今仍是一個(gè)謎。它是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，尤其是參與淀粉合成的一些生化酶的作用機(jī)理當(dāng)前還不清楚。不過，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為小麥胚乳淀粉最初的原料來自葉片及莖干中合成的臨時(shí)淀粉降解產(chǎn)生的蔗糖。

如圖2所示，葉片和莖干的蔗糖首先通過韌皮部運(yùn)輸至小麥籽粒，在籽粒胚乳胞液中由蔗糖合成酶(SuSy)催化分解為果糖和UDP－葡萄糖，繼而形成6－磷酸葡萄糖(G6P)或1－磷酸葡萄糖(G1P)，G1P進(jìn)入籽粒胚乳造粉體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)共同作用下合成直鏈淀粉和支鏈淀粉[15]。

圖2 小麥籽粒胚乳淀粉生物合成(Jenner等，1993)

2.2 參與淀粉生物合成的關(guān)鍵酶

首先，高等植物要通過葉綠體光合作用的卡爾文循環(huán)來固定CO2，先形成葡萄糖，繼而形成蔗糖。由于淀粉體自身沒固定CO2的能力，所以它依賴于葉綠體通過韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)過來的蔗糖作為淀粉合成的碳源[16]。其次，蔗糖在SuSy參與下水解后，以G1P形式進(jìn)入造粉體中參加淀粉的合成。最后，在AGPP、GBSS共同作用下形成了直鏈淀粉;而在AGPP、GBSS、SBE和DBE共同作用下形成了支鏈淀粉[17]。參與淀粉合成的每種酶都有其同工酶，但這些同工酶在合成淀粉中的功能存在差異。因此，從游離蔗糖到合成淀粉，嚴(yán)格意義來講必須有SuSy、AGPP、SS、SBE和DBE這5種酶的參與。

2.2.1 蔗糖合成酶

高等植物的SuSy存在于細(xì)胞質(zhì)中，是促進(jìn)禾谷類作物籽粒中淀粉合成的第一步驟。它的具體作用為分解蔗糖產(chǎn)生果糖和UDPG，UDPG接著參加淀粉的合成。一般認(rèn)為SuSy主要存在于植物淀粉合成組織和細(xì)胞壁中，起到分解蔗糖的作用。目前SuSy的3種同工型已從水稻中分離出，且由3個(gè)不同基因來編碼。Wang等通過原位雜交和蛋白印跡雜交表明，在發(fā)育種子中有3個(gè)SuSy基因都表達(dá)，它們的差異就是表達(dá)時(shí)間的早晚[18]。在胚乳發(fā)育早期表達(dá)的基因?yàn)镾uSy1，所以其多數(shù)分布在種皮糊粉層細(xì)胞中，SuSy2在胚乳發(fā)育中期表達(dá)，在籽粒中分布比較廣泛，SuSy3在籽粒的灌漿高峰期才表達(dá)。3種SuSy表達(dá)時(shí)間順序說明，它們具有不同的分工。SuSy1主要功能是將蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒胚乳細(xì)胞中，再由SuSy2和SuSy3共同來水解蔗糖產(chǎn)生果糖和UDPG，此外，SuSy2還有持家酶的作用。在小麥中，只存在SuSy1和SuSy2這兩種同工酶，2種基因在小麥胚乳中的表達(dá)都很高，且SuSy2表達(dá)時(shí)間要早于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)存在于大多數(shù)綠色植物葉片和貯藏器官中，它能催化G1P和ATP形成ADP－G，合成直鏈和支鏈淀粉的底物就是ADP－G。AGPP在淀粉合成中扮演淀粉生物合成的調(diào)節(jié)點(diǎn)角色，同時(shí)它也是淀粉合成的限速酶[20]。AGPP在高等植物中是以異源四聚體的形式存在的，主要由2個(gè)大亞基和2個(gè)小亞基組成。其中，分子量在56～60 kD是大亞基，為酶活性調(diào)節(jié)中心，分子量在50～55 kD為小亞基，是酶活的催化中心[16]。Ainsworth等在小麥籽粒胚乳cDNA文庫中篩選出了編碼AGPP小亞基的基因[21]。前人研究表明，兩種不同形式的AGPP在水稻、小麥、玉米和大麥等作物胚乳中都存在，而且分別以胞質(zhì)的和質(zhì)體的形式存在[22]。

此外，AGPP是變構(gòu)調(diào)節(jié)酶的一種，但大麥胚乳中AGPP對(duì)3－PGA和無機(jī)磷酸的變構(gòu)調(diào)節(jié)不敏感是個(gè)特例[23]。然而，據(jù)Gomez和Iglesias研究報(bào)道，在小麥胚乳中的AGPP對(duì)3－PGA的激活不敏感，但受無機(jī)磷酸，ADP和1，6－二磷酸果糖3者的共同抑制[24]。Stark等研究發(fā)現(xiàn)，將AGPP基因?qū)腭R鈴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在高等植物中充當(dāng)葡萄糖轉(zhuǎn)移酶的角色，各種SS基因都是高度保守的[26]。SS以ADP－葡萄糖為底物，以寡聚糖為前體，通過α－1，4糖苷鍵不斷增加寡聚糖的葡萄糖單位。根據(jù)它在造粉體中的狀態(tài)，SS可分為GBSS和SSS。GBSS是因?yàn)楸Ａ粼诘矸哿?nèi)部而得名，是與直鏈淀粉合成直接相關(guān)的酶[27]。SSS存在淀粉粒的表層基質(zhì)，催化支鏈淀粉生物合成[26]。但是，以上劃分不是絕對(duì)的，有很多SS既有可溶部分，又有許多與淀粉粒附著[28]。

GBSS包括2種類型，分別是GBSSⅠ和GBSSⅡ。分子量為60 kD酶是GBSSⅠ，它的功能是將ADP－G的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到α－1，4－葡聚糖鏈的非還原性末端。據(jù)Vrinten和 Nakamura報(bào)道，在小麥中的GBSSⅠ存在于籽粒胚乳中，主要作用為負(fù)責(zé)直鏈淀粉的合成[27]。此外，它還能為支鏈淀粉的合成提供較長的鏈，以便在SBE催化下給直鏈上面加分支。GBSSⅡ，存在于小麥莖稈和葉片等營養(yǎng)器官，主要負(fù)責(zé)臨時(shí)直鏈淀粉的合成。在小麥中，GBSSⅠ有Wx－A1，Wx－B1和 Wx－D1這3個(gè)高度同源的waxy基因已被分離，且分別被定位于7A，4A和7D染色體上[29];其中Wx－B1基因比Wx－A1和Wx－D1基因的缺失對(duì)直鏈淀粉含量減少的作用影響更顯著[30]。2001年，F(xiàn)ujita等對(duì)玉米和二倍體小麥籽粒胚乳中酶活的測定與分析，表明GBSSⅠ活性和Wx基因劑量呈正相關(guān)關(guān)系，但直鏈淀粉含量與Wx基因劑量不成正比例[31]。該結(jié)果說明除GBSSⅠ外，直鏈淀粉含量可能還受其它調(diào)控因子的作用。通過大麥Wx基因突變實(shí)驗(yàn)可以合成少量的直鏈淀粉，GBSSⅠb被鑒定為第二種GBSS，與小麥GBSSⅡ的同源性有96.5%，但與大麥GBSSⅠ同源性只有65.3%的;因此，GBSSⅠ和GBSSⅡ之間相互協(xié)調(diào)共同作用來促進(jìn)直鏈淀粉的生物合成[32]。

SSS是對(duì)溫度要求最苛刻的一種酶。禾谷類作物高產(chǎn)最適溫度為20～30℃，適度高溫盡管能提高光合作用的同化產(chǎn)物，但會(huì)使SSS失活，形成淀粉的催化作用嚴(yán)重受到影響，從而降低淀粉的合成[28]。SSS的最適溫度為20～25℃，當(dāng)在35℃處理小麥種子30 min后，SSS活性就會(huì)降低一半，這種現(xiàn)象被稱為“Knock－down”[33]。由于過高溫度對(duì)淀粉合成有關(guān)的酶(如SuSy，AGPP，GBSS等)的活性影響不大，故SSS被稱作淀粉合成的溫度調(diào)節(jié)位點(diǎn)。SSS主要存在于質(zhì)體的基質(zhì)中，它與SBE、DBE一起合成支鏈淀粉。Commuri和Keeling的研究指出，SSⅠ整個(gè)C－末端區(qū)域?qū)τ诮Y(jié)合淀粉是必需的;而且，SSⅠ結(jié)合的親和能力與底物鏈長呈正相關(guān)，而SSⅠ的催化能力與底物鏈長度呈負(fù)相關(guān)。在玉米SS突變體導(dǎo)致支鏈淀粉結(jié)構(gòu)發(fā)生變化這個(gè)研究背景下，Wang等和Gao等提出了幾種SSS決定支鏈淀粉結(jié)構(gòu)的模型[18，34]。根據(jù)模型解釋，最短鏈的合成由SSⅠ負(fù)責(zé)，較長的鏈由SSⅡ和SSⅢ共同負(fù)責(zé)合成。谷類作物胚乳中存在SSⅡa，而葉片和莖稈等光合組織中主要存在SSⅡb。此外，Edwards等對(duì)馬鈴薯酶研究表明，SSⅢ的反義抑制會(huì)導(dǎo)致支鏈淀粉鏈長分布改變，最終造成合成支鏈淀粉減少[35]。

2.2.4 淀粉分支酶

SBE是谷類作物籽粒支鏈淀粉合成的關(guān)鍵酶，又被稱作“Q”酶，它具有雙重催化功能。它既能切開α－1，4糖苷鍵，又能把切下的短鏈通過α－1，6糖苷鍵連接于較長受體直鏈上。該酶的催化反應(yīng)不僅能產(chǎn)生支鏈的分支，而且其非還原端可供α－1，4 葡聚糖鏈進(jìn)一步延伸以加長直鏈的長度[36，37]。WBE－ⅠAD(88 kD)、WBE－IB(87 kD)和 WBE－Ⅱ(88 kD)這3種同型體的SBE被通過免疫雜交從小麥胚乳中鑒定出;WBE－Ⅱ與玉米BEⅡ類似，而WBE－ⅠAD和WBE－ⅠB與玉米BEⅠ類似[38]。

SBE根據(jù)酶的結(jié)構(gòu)、底物專一性和免疫反應(yīng)等的不同，被分為同型體A和同型體B兩類[39]。較短的分支鏈主要由A型淀粉分支酶催化合成;而B型淀粉分支酶擅長轉(zhuǎn)移較長分支的鏈，所以它以直鏈淀粉為底物時(shí)活性明顯高于 A型分支酶[16，40]。Satoh等對(duì)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P(guān)eng等對(duì)發(fā)育和成熟的小麥籽粒胚乳酶的研究發(fā)現(xiàn)，從胚乳A型淀粉顆粒中提取出了淀粉分支酶SBEIc有兩種變構(gòu)蛋白 SGP－145kD和 SGP－140kD，而在B型淀粉粒上沒獲得這兩種產(chǎn)物。從而得出了 SGP－145kD和 SGP－140kD這兩種SBEIc變構(gòu)蛋白與小麥A型淀粉粒形成有關(guān)的結(jié)論[42]。

2.2.5 淀粉去支酶

近年來研究發(fā)現(xiàn)，DBE在植物淀粉合成中也起重要作用[43]。DBE能特異性地水解淀粉中的α－1，6糖苷鍵，與α－淀粉酶的氨基酸序列具有很高同源性，所以被劃歸到淀粉水解酶家族。根據(jù)DBE催化底物的不同分為兩類:一類是異淀粉酶(Isoamylase，ISA)，另一類是普魯藍(lán)酶(Pullulanase，R)，也可稱為極限糊精酶或稱R酶;前者以支鏈淀粉或糖原為底物，去除它們的α－1，6糖苷鍵，而普魯藍(lán)酶以極限糊精為底物，特異去除它們的α－1，6糖苷鍵[16]。高等植物中ISA至少有3種同工酶，即ISA1、ISA2和ISA3，R酶沒有同工酶，在基因組中表現(xiàn)是單拷貝。James等、Ball等和Nakamura等分別對(duì)玉米、水稻Sugary－1突變體，衣藻Sta7突變體研究發(fā)現(xiàn)，支鏈淀粉在這些植物中合成雖減少，但積累了大量高度分支的、可溶性的支鏈淀粉，被稱作植物糖原(PG)[44～46]。

圖3 支鏈淀粉生物合成的修剪模型(Ball等，1996)

1996年，Ball等解釋DBE在高等植物淀粉合成中作用時(shí)提出了著名的“修剪模型”。如圖3所示，禾本科作物籽粒合成支鏈淀粉是通過 SSS，SBE，DBE這3種酶的連續(xù)的、循環(huán)的催化反應(yīng)生成的[45]。最初，在SSS催化下在淀粉粒表面以短糖鏈為底物進(jìn)行延伸，到一定長度后在SBE催化下形成分支鏈，接著DBE剪掉位置不合適的分支鏈;當(dāng)分支鏈達(dá)到一定的長度，可再次作為SSS的底物進(jìn)行下一輪延伸與修剪的循環(huán)。Nielsen等研究發(fā)現(xiàn)，未成熟淀粉顆粒表面有短的糖鏈存在，從而驗(yàn)證了這個(gè)模型[47]。盡管Ball等提出的“修剪模型”能很好地解釋高等植物淀粉生物形成的過程，但還存在一些問題尚需研究。

3 結(jié)論

禾本科作物籽粒淀粉在組分上主要包含直鏈淀粉和支鏈淀粉，它們都是在籽粒淀粉胚乳細(xì)胞中形成的。直鏈淀粉形成是以腺苷二磷酸葡萄糖(UDPG)為底物，在腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(AGPP)、直鏈淀粉合成酶(GBSS)和淀粉去分支酶(DBE)共同作用下合成的;而支鏈淀粉是在形成直連淀粉的基礎(chǔ)上，在淀粉分支酶(SBE)和淀粉去分支酶(DBE)反復(fù)作用下形成的。

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