Sci Adv | 协同打破'空间’与'竞争‘�...

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

淀粉是人类饮食中最重要的碳水化合物来源，贡献了全球约50%的热量摄入，同时也是造纸、纺织、粘合剂和生物塑料等工业生产的核心原料。植物淀粉以颗粒形式存在于质体（如淀粉体）内，其颗粒大小直接影响淀粉的物理化学性质、消化率以及加工品质。在以小麦为代表的禾本科植物籽粒中，淀粉颗粒通常呈双模分布：一类是开花后早期形成的、体积较大的透镜状A型颗粒；另一类是后期形成的、体积较小的球形B型颗粒。

长期以来，如何大幅增加小麦淀粉颗粒的大小一直是作物改良的热点。虽然较大的淀粉颗粒与更高的磨粉效率、出粉率以及特定的工业用途（如特种纸生产）密切相关，但由于商业品种和野生近缘种中颗粒大小的自然变异极为有限，传统的育种手段难以实现实质性的突破。过去的研究曾假设淀粉体内部的空间大小可能是限制颗粒增长的物理约束，但仅通过突变质体分裂基因（如PARC6）来扩大淀粉体空间，对A型颗粒直径的提升非常有限。这暗示除了空间限制外，底物竞争——即同一淀粉体内多个颗粒共同竞争合成原料——也是限制颗粒发育的核心因素。

来自英国约翰·英纳斯中心（John Innes Centre）的David Seung团队在Science Advances上发表了题为“Targeting granule initiation and amyloplast structure to create giant starch granules in wheat”的研究论文。该研究通过遗传学手段，同时打破了小麦淀粉粒在淀粉体内的发育与“底物竞争”两大瓶颈。研究人员通过同时突变质体分裂调节因子PARC6（增加淀粉体体积）和淀粉粒起始调控因子BGC1（减少颗粒起始数量），成功在硬粒小麦中创制出颗粒直径显著增大"或附具体数值。该研究不仅揭示了调控淀粉颗粒大小的关键生物学约束，还为开发具有特殊理化性质的新型淀粉资源提供了分子靶点。

parc6 bgc1双突变体的筛选与生长表型

研究团队利用硬粒小麦（Triticum turgidum cv. Kronos）作为实验材料，将具有较少B型颗粒表型的bgc1-1突变体与具有较大淀粉体表型的parc6缺失突变体进行杂交。通过F2代筛选，获得了同时缺失两个基因部分同源基因的双突变体（parc6 dbl bgc1），以及部分缺失的系（parc6 sgl bgc1）。

温室试验和室外大田试验结果均表明，这些突变体在植株生长形态上与野生型（WT seg）保持了高度一致（图1A）。尽管在温室环境下，双突变体的千粒重较野生型有微小且显著的下降，但在实际大田条件下，这种差异消失了，突变体的籽粒产量甚至略高于野生型。籽粒的宏观形态和横截面面积也未见显著异常（图1B-E）。这说明同时改变淀粉颗粒的粒径分布并不会对作物的基本农艺产量造成严重的负面影响。

巨型淀粉颗粒的积累及其分布重构

通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，parc6 dbl bgc1双突变体的淀粉颗粒展现出自然界小麦中从未见过的巨型尺寸（图2A）。这些颗粒不仅体积巨大，其表面形态也发生了变化，出现了明显的褶皱和脊状纹路，不再像普通A型颗粒那样表面光滑。

库尔特计数仪（Coulter counter）的粒径分布分析进一步量化了这一变化。小麦淀粉颗粒的双模分布在双突变体中被彻底打破。bgc1单突变体基本消除了B型颗粒的波峰，而parc6与bgc1的结合产生了协同效应，使得A型颗粒的粒径大幅度右移（图2B）。数据表明，在双突变体中，平均颗粒直径显著增加，其中直径超过30μm的颗粒贡献了总淀粉体积的近一半（约45%），而野生型仅为7%；直径超过40μm的超大颗粒占比达14%，而在野生型和各单突变体中几乎为零（图2G-H）。这一粒径分布的大幅跨越是通过单一基因改良无法实现的。

空间与底物竞争：限制颗粒生长的协同机制

为了探究为什么双突变能产生巨型颗粒，研究人员利用透射电子显微镜（TEM）观察了花后15天发育中的籽粒。在parc6单突变体中，虽然淀粉体变得巨大，但内部通常含有多个A型颗粒，颗粒间仍存在明显的基质空间，表明它们在竞争底物（图3）。而在parc6 dbl bgc1双突变体中，由于BGC1功能的减弱，淀粉颗粒的起始数量剧增减少，巨大的淀粉体膜紧紧包裹着单个持续增长的颗粒，几乎观察不到多余的基质空间。

这一观察结果验证了研究者的假说：PARC6突变提供了必要的物理增长空间，而BGC1突变减少了同空间内的竞争者，使得光合产物能集中供应给极少数的淀粉颗粒，从而实现了尺寸的倍增。这也解释了为何传统育种很难选育出此类表型，因为这需要两个独立调控通路的基因同时发生特定突变。

巨型淀粉理化性质的变化

研究者进一步评估了这种巨型淀粉的工业应用潜力。利用快速粘度分析仪（RVA）测试发现，淀粉颗粒的大小与糊化性质高度相关。A型颗粒直径越大，淀粉的峰值粘度、崩解值和最终粘度越高，而糊化温度显著降低（图4）。其中，A型颗粒直径与糊化温度呈极显著的负相关（r = -0.87）。这意味着这种巨型淀粉在较低的加热温度下即可达到极高的粘度状态，这在需要高效粘合或低能耗加工的食品和工业流程中具有重要价值。

有趣的是，尽管颗粒体积巨大，但在淀粉含量、直链淀粉比例以及支链淀粉的链长结构上，各突变体与野生型之间并没有显著差异。这意味着研究人员在不改变淀粉化学组成的前提下，仅仅通过改变颗粒的物理组装结构就实现了功能的调控。

消化动力学与营养评估

由于颗粒大小通常被认为会影响酶解效率，研究团队测试了巨型淀粉的体外消化性质。令人惊讶的是，尽管parc6 dbl bgc1颗粒表面积与体积比大幅下降（通常应减缓消化），但其实际的抗性淀粉含量和α-淀粉酶消化动力学与野生型并无显著差异。研究者认为，这可能是由于巨型颗粒脊状突变增加了褶皱与脊状结构增大了酶的可及表面积的有效位点，从而抵消了体积增大带来的负面影响。不过，这种淀粉在熟化食品基质中的最终消化表现仍需未来进一步研究。

全文总结与展望

本研究通过创新的遗传设计，成功打破了小麦淀粉颗粒发育的生物学上限，培育出具有“巨型”淀粉颗粒的新型小麦系。这一成果证明了淀粉体空间容积与颗粒间底物竞争是限制谷物淀粉粒径增长的两个关键互补因素。

研究的科学意义与应用前景主要体现在：

1. 理论突破：明确了淀粉体结构与造粒起始频率在决定淀粉微观形态中的协同作用。

2. 加工改良：巨型颗粒有望提高小麦的磨粉效率。更大的A型颗粒比例能减少难以回收的B型颗粒比例，有助于生产高品质的特殊面粉。

3. 工业价值：低糊化温度和高粘度特性使这种淀粉在冷加工食品或造纸等工业粘合领域具有显著的竞争力。

4. 育种潜力：突变体在田间表现良好，产量稳定，为未来将此性状引入现代小麦育种计划奠定了基础。

未来研究将进一步探索这种特殊颗粒结构在实际烹饪（如意大利面或面包）中的表现，以及其独特的表面形态是否能开发出更多差异化的工业用途。

本文的通讯作者为 David Seung博士，第一作者为Rose McNelly博士生。研究得到了John Innes基金会、Leverhulme信托研究项目以及英国生物技术与生物科学研究委员会（BBSRC）等多项基金的资助。该团队已提交相关专利申请。

DOI链接：10.1126/sciadv.aeh2735

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

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