了解特定基因突变对大麦淀粉特性的影响

大米、小麦、玉米和大麦等谷物是人类饮食中必不可少的，在食品工业中有各种用途。它们是否适合不同的工业应用取决于其谷物的特性。这些谷物的主要成分是淀粉，这是一种仅存在于植物中的葡萄糖聚合物。

淀粉在植物细胞内形成称为淀粉颗粒(SG)的颗粒。SG分为简单和复合两种。简单SG由单个淀粉颗粒组成，而复合SG由多个淀粉颗粒组成。SG的类型因植物种类而异。例如，大麦、小麦和玉米胚乳含有简单SG，而水稻胚乳则发育出复合SG。

支链淀粉(淀粉的主要成分)的合成中涉及的特定酶决定了SG的形状和大小。支链淀粉合成中涉及的关键步骤是淀粉合成酶(SS)延长葡萄糖链、分支酶(BE)将这些链分支，以及淀粉脱支酶(DBE)去除错位的葡萄糖分支。

当这些酶中的一些由于基因变异(称为突变)而缺失或功能失调时，会导致淀粉特性发生显著变化。例如，当DBE缺失时，如大麦(hvisa1)的ISOAMYLASE1(ISA1)突变体，畸形的葡萄糖分支会阻止支链淀粉的形成并导致植物糖原的积累，植物糖原具有广泛的分支和短葡聚糖链，分子量明显低于支链淀粉。在玉米的甜玉米品种中也观察到了类似的特征。

尽管水稻和玉米中淀粉生物合成基因突变之间的遗传相互作用已得到充分研究，但大麦中的情况却知之甚少。为了弥补这一空白，冈山大学植物科学与资源研究所的副教授RyoMatsushima探索了大麦中不同淀粉生物合成基因之间的遗传相互作用，并于2024年8月31日在《理论与应用遗传学》上发表了他们的研究成果。

Matsushima博士表示：“在这项研究中，我们基于对SG形态的筛选，分离出了大麦中的淀粉BE突变体hvbe2a-1和hvbe2a-2，与野生型大麦不同，它们的胚乳中长出了细长的SG。”通过分析这些突变体，他们发现hvbe2a-1的HvBE2a基因发生了碱基变化，导致氨基酸取代，从而破坏了酶活性，而在hvbe2a-2中，由于染色体缺失，HvBE2a缺失。

此前，松岛博士的研究小组曾报告称，DBE突变大麦hvisa1的淀粉含量降低，植物糖原含量增加，而hvflo6基因突变增强了这一特性。他们还报告称，在hvisa1突变体中，胚乳中形成了复合SG，而野生型大麦中形成的是简单的SG。当他们将hvisa1突变体与hvbe2a突变体杂交时，他们发现hvisa1hvbe2a双突变体形成了与野生型一样的简单SG。

“这表明，大麦胚乳中的主要BEHvBE2a的缺失有望减少错误葡萄糖链的形成，从而减少HvISA1修剪的需要。因此，HvBE2a的缺失有可能减轻hvisa1突变引起的可观察性状，”Matsushima博士评论道。

一些影响胚乳中SG形态的突变也会影响谷类花粉中的SG形态。他们发现hvbe2a对hvisa1突变的抑制作用在花粉中没有观察到，这与他们在胚乳中的发现形成了鲜明对比。这些结果表明维持花粉和胚乳中正常SG的途径不同。驱动谷类SG结构变化的确切途径和遗传相互作用是一个不断发展的研究领域。

Matsushima博士表示：“我们的研究结果为淀粉生物合成途径中的遗传相互作用提供了新的见解，展示了特定的基因改变和突变组合如何影响淀粉的特性和SG形态，并有望在谷物育种中获得所需的淀粉特性。”

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