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(hào)蛋白調(diào)控植物淀粉代謝的分子機(jī)制。
淀粉是植物主要的碳水化合物儲(chǔ)藏形式，對(duì)植物的代謝、生長(zhǎng)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(shí)性淀粉和儲(chǔ)藏淀粉。暫時(shí)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(chǔ)藏淀粉則在非光合作用的儲(chǔ)藏器官中合成和積累，作為長(zhǎng)期能量?jī)?chǔ)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(shí)的生長(zhǎng)。瞬時(shí)淀粉的合成和降解是一系列復(fù)雜的細(xì)胞過(guò)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(dòng)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(zhǎng)。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(guò)程。盡管光照對(duì)淀粉合成的影響已有大量研究，但關(guān)于光信號(hào)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(guò)光受體phyB及其下游因子，精準(zhǔn)調(diào)控淀粉合成過(guò)程，以響應(yīng)不斷變化的環(huán)境信號(hào)。這項(xiàng)研究揭示了光信號(hào)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(guò)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(guò)程中，HY5與PIFs通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性地結(jié)合到淀粉合成基因GBSS/SS3/SS4啟動(dòng)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(jī)制。
這一研究不僅深化了我們對(duì)植物生理過(guò)程中光信號(hào)與淀粉代謝相互作用的理解，也為通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控這些途徑來(lái)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(guò)揭示光信號(hào)如何調(diào)控淀粉合成的機(jī)制，此項(xiàng)研究預(yù)示著我們能夠通過(guò)調(diào)節(jié)植物對(duì)光環(huán)境信號(hào)的響應(yīng)來(lái)優(yōu)化作物的淀粉積累，為未來(lái)農(nóng)業(yè)實(shí)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?？追灿⒏苯淌凇埡Ｉ苯淌趯?duì)該工作進(jìn)行了指導(dǎo)和幫助。本研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(wàn) 千
審 核：賈 波
