玉米胚乳多酶复合物蛋白互作模式解析及调控淀粉合成机理相关研究

淀粉是至关重要的食物来源和工业原料。玉米胚乳淀粉合成是由多酶参与的复杂调控网络。最新研究表明玉米胚乳内可能存在多种蛋白质复合物，暗示淀粉合成酶类通过蛋白质相互作用参与调控淀粉生物合成。申请人前期工作中首次从不同发育期玉米胚乳中鉴定出8个新多酶复合物，其中2个复合物蛋白互作模式解析工作已经完成。本研究一方面以其余的6个新多酶复合物为研究材料，利用蛋白质互作分析技术解析互作模式，明确多酶复合物的形成原理和详细组配结构；另一方面以已获得的实验数据为理论支持，利用多基因聚合转化技术将两种核心多酶复合物组份导入玉米，通过比较过表达核心多酶复合物玉米胚乳中不同糖代谢底物积累量的差异，解析其在调控玉米籽粒淀粉合成中发挥的生物学功能。本研究从蛋白质互作水平上研究淀粉合成代谢调控网络，是对目前淀粉合成机理研究的进一步创新。研究的顺利进行对深入剖析淀粉合成调控网络和转基因技术创制高淀粉玉米新种质意义重大。

玉米胚乳中的淀粉合成代谢通路是一个由多种酶共同参与、协同作用的复杂分子网络，涉及了多种酶和调控因子，酶与酶、酶与底物、酶与调控蛋白之间复杂的相互作用共同决定了玉米籽粒中淀粉链的结构以及所占比例，多种蛋白质复合物共同调控淀粉的生物合成。前期研究以参与玉米胚乳淀粉合成代谢通路的酶/多酶复合物作为研究目标，采用二维亲和电泳技术，首次从不同发育期的胚乳中鉴定到7个新的蛋白复合物。本研究在上述研究工作的基础上利用酵母双杂交、双分子荧光淬灭、转基因功能验证、GFP亚细胞定位等研究技术系统性的开展蛋白质互作模式解析和关键多酶复合物生物功能分析等研究工作。研究共计克隆复合物中SUS-SH1、SSIII、SBEIIb、ADPGase等复合物中重要核心蛋白编码基因25个；根据生物信息学预测结果，成功构建了5个酵母双杂交AD载体和22个BD载体；酵母双杂交研究表明6个复合物中26对互作蛋白质对存在蛋白质相互作用；为进一步明确这些多酶复合物是否在质体中真实存在，并具有潜在的生物学功能，本研究采用双分子荧光互补技术对其中11对蛋白进行了体内验证，研究结果证实10对蛋白质互相作用是在植物质体内真实存在的。SUS-SH1、SBEIIb、ADPGase三个关键蛋白互作被认为具有潜在增加玉米产量的潜力。研究以上述三个多酶复合物关键因子为研究对象开展了玉米遗传转化和多基因聚合研究。研究发现：组成型过表达中SUS-SH1提高了玉米整体的生物量，但对玉米淀粉含量影响不显著；胚乳特异性表达SUS-SH1对植株生物量没有明显影响，但显著提高了玉米总淀粉含量；胚乳特异性ADPGase不但没有提高玉米淀粉含量，反而转基因玉米籽粒显著皱缩，降低了总淀粉含量。反义抑制SBEIIb显著提高了直链淀粉的含量，但总淀粉含量明显下降。多基因聚合转基因材料表现出淀粉含量显著增加，百粒重增幅达到5.64%-32.02%。以上研究为深入了解复杂的淀粉合成调控网络提供了新的线索和基础实验数据，对转基因技术创制高淀粉玉米新种质研究的开展具有重要意义。