近日，生命科學(xué)學(xué)院李剛課題組在《Journal of Integrative Plant Biology》在線發(fā)表了題為“Modulation of starch synthesis in Arabidopsis via phytochrome B‐mediated light signal transduction”的研究論文，揭示了光信號蛋白調(diào)控植物淀粉代謝的分子機制。

淀粉是植物主要的碳水化合物儲藏形式，對植物的代謝、生長和發(fā)育至關(guān)重要。植物體內(nèi)淀粉主要分為兩種類型：暫時性淀粉和儲藏淀粉。暫時性淀粉主要在葉片中合成和積累，在白天光照后開始合成，并在夜間迅速降解，以響應(yīng)晝夜光暗周期的變化，為植物提供必要的能量和碳骨架。儲藏淀粉則在非光合作用的儲藏器官中合成和積累，作為長期能量儲備，支持植物的休眠、種子發(fā)芽或在光合作用不足以滿足植物能量需求時的生長。瞬時淀粉的合成和降解是一系列復(fù)雜的細(xì)胞過程，涉及多種酶和調(diào)控因子的協(xié)調(diào)作用。例如，ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）啟動淀粉合成的第一步，而顆粒結(jié)合型淀粉合酶（GBSS）和可溶性淀粉合成酶（SS1、SS2、SS3、SS4）則負(fù)責(zé)淀粉分子鏈的延長。淀粉合成的調(diào)控受到代謝、晝夜節(jié)律、光照和溫度的影響。其中，光照不僅為光合作用提供能量進(jìn)而提供了淀粉代謝的最初底物，還直接控制各種基因的表達(dá)和細(xì)胞過程。盡管光照對淀粉合成的影響已有大量研究，但關(guān)于光信號如何具體影響淀粉合成，尤其是在環(huán)境光照條件變化下的影響，仍需進(jìn)一步研究。

該研究探索了植物如何通過光受體phyB及其下游因子，精準(zhǔn)調(diào)控淀粉合成過程，以響應(yīng)不斷變化的環(huán)境信號。這項研究揭示了光信號特別是紅光和遠(yuǎn)紅光(R:FR) 比例的變化，直接影響擬南芥葉片中的淀粉合成。植物通過光受體，如phyB，感知環(huán)境中R和FR的比例變化，這種比例的變化是植物判斷周圍是否有其他植物遮蔭的重要依據(jù)。在high R:FR環(huán)境條件下，phyB被激活，轉(zhuǎn)錄因子HY5大量積累，促進(jìn)GBSS/SS3/SS4等淀粉合成基因的表達(dá)，從而加速淀粉的積累。而在low R:FR情況下，PIFs轉(zhuǎn)錄因子成為主導(dǎo)，抑制淀粉合成基因的表達(dá)，進(jìn)而降低淀粉的產(chǎn)生。這一過程中，HY5與PIFs通過競爭性地結(jié)合到淀粉合成基因GBSS/SS3/SS4啟動子區(qū)域的同一G-box順式元件上，形成了一種精巧的拮抗調(diào)控機制。

這一研究不僅深化了我們對植物生理過程中光信號與淀粉代謝相互作用的理解，也為通過精準(zhǔn)調(diào)控這些途徑來優(yōu)化碳水化合物代謝、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)提供了新的策略和視角。通過揭示光信號如何調(diào)控淀粉合成的機制，此項研究預(yù)示著我們能夠通過調(diào)節(jié)植物對光環(huán)境信號的響應(yīng)來優(yōu)化作物的淀粉積累，為未來農(nóng)業(yè)實踐中提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)開辟了新道路。

生命科學(xué)學(xué)院李剛教授為該論文通訊作者，農(nóng)學(xué)院博士后史慶彪、研究生夏瑩為該論文的共同第一作者。孔凡英副教授、張海森副教授對該工作進(jìn)行了指導(dǎo)和幫助。本研究獲得了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項目的資助。

文章引用：Shi, Q., Xia, Y., Xue, N., Wang, Q., Tao, Q., Li, M., Xu, D., Wang, X., Kong, F., Zhang, H., et al.(2024). Modulation of starch synthesis in Arabidopsis via phytochrome B-mediated light signal transduction. J. Integr. Plant Biol. https://doi.org/10.1111/jipb.13630

編      輯：萬    千 

審      核：賈    波