5月1日，扬州大学农学院刘巧泉教授团队在国际生物技术著名期刊Plant Biotechnology Journal在线发表了题为“Creating high-resistant starch rice by simultaneous editing of SS3a and SS3b”的研究论文。介绍了利用CRISPR/Cas9基因编辑技术创制高抗性淀粉含量、慢消化速率水稻营养健康新种质的研究结果。
近年来，超重、肥胖、II型糖尿病等能量代谢和血糖相关慢性疾病的发病率在全球范围内大幅上升。谷物淀粉是人体日常能量摄入的主要来源，普通淀粉极易被人体消化、吸收，并快速转化为血糖，是相关疾病的重要诱因。抗性淀粉（Resistant starch, RS）是一类不能在人体小肠中被酶解消化、只能在人体的大肠中被缓慢酵解成有益短链脂肪酸的特殊淀粉。食用富含抗性淀粉的食物可以有效降低淀粉消化速率和升糖指数预防血糖相关疾病。水稻是重要的主粮作物，其食用部分主要是淀粉。普通大米中抗性淀粉含量通常小于1%。因此，提高稻米中抗性淀粉含量是水稻品质改良育种的重要方向。当前，通过调控淀粉合成相关基因的表达改良水稻胚乳淀粉组成与结构是提高稻米抗性淀粉含量的主要方式。然而，现有的研究主要集中在SBE1/SBEI、SBE3/SBEIIb和SSIIIa等有限的几个基因上，绝大部分淀粉合成相关基因在稻米抗性淀粉形成中的作用和效应都尚不清楚。
本研究所关注的SS3a/SSIIIa/SSIII-2和SS3b/SSIIIb/SSIII-1基因分别编码可溶性淀粉合成酶III（SSIII/SS3）的两个同工酶。在水稻中二者的基因结构、蛋白结构域和氨基酸序列都非常保守，不同的是：SS3a在发育籽粒中优势表达，而SS3b在叶片等营养器官中优势表达。前人研究发现SS3a在稻米抗性淀粉形成中发挥重要重用，SS3b可能具有类似的功能，但当前尚无报道。为了解析SS3b在淀粉合成和RS形成中的功能及其与SS3a之间的互作情况，利用CRISPR/Cas9技术对SS3a和SS3b进行了共敲除，并经过多代筛选获得了多个单突（ss3a、ss3b）和双突（ss3a-ss3b）纯合系。
消化特性分析结果显示，SS3a突变后稻米的RS含量由野生型的0.58%显著增加到4.76%-5.01%、总可消化淀粉含量（TDS）和消化速率显著降低；SS3b突变后稻米的RS含量、TDS以及消化速率与野生型相比没有显著变化，但SS3b突变可显著提高SS3a突变背景下的RS水平，导致ss3a-ss3b双突材料的RS含量进一步提高到9.54%-9.73%，TDS和消化速率也进一步降低。除消化特性外，SS3b突变对稻米的其他理化特性也没有显著影响，但可以进一步加强SS3a突变的表型，导致ss3a-ss3b双突材料的表观直链淀粉含量（AAC）和甘油三酯含量进一步增加，总淀粉含量、糊化温度和RVA（快速粘度分析）谱进一步降低。淀粉粒形态观察、淀粉精细结构测定和X-射线衍射分析结果也发现了SS3a和SS3b在水稻胚乳淀粉粒形态建成、淀粉精细结构和晶体结构形成中的类似现象。这些结果表明，SS3b只在SS3a突变的基础上对水稻胚乳淀粉组成、结构以及RS含量有显著影响，暗示SS3b与SS3a在水稻胚乳淀粉合成和RS形成中具有协同效应。
为了进一步验证该机制，本研究还还测定了相关材料叶片中瞬时淀粉的理化特性。结果显示，SS3b突变后叶片总淀粉含量、支链淀粉链长分布、淀粉粒形态均发生显著变化，类似于SS3a突变对水稻胚乳淀粉合成的影响；而SS3a突变对叶片瞬时淀粉的组成、结构和淀粉粒形态均无显着影响，但可以进一步增强ss3b突变体的表型，造成ss3a-ss3b突变体中更剧烈的表型变化。这些结果表明SS3b在叶片瞬时淀粉合成中起主要作用，且SS3a突变对SS3b突变具有协同作用。
综上所述，该研究揭示了SS3a和SS3b在水稻叶片和胚乳淀粉合成以及稻米RS形成中的协同作用机制，创制了RS含量高达9.54%-9.73%（野生型0.58%）、消化速率显著降低的营养健康水稻新种质，为培育高RS含量水稻新品种提供了新策略，并有助于进一步阐明谷物中淀粉合成相关基因的功能。
扬州大学农学院青年教师黄李春和硕士研究生肖颖、赵微为论文共同第一作者，刘巧泉教授和张昌泉副教授为共同通讯作者。研究得到国家自然科学基金、崖州湾种子实验室、江苏省种业振兴揭榜挂帅项目等的资助。
值得注意的是，中科院遗传发育所李家洋院士、余泓研究员团队与浙江大学吴殿星教授团队同日在PNAS期刊发表了题为“Loss of function of SSIIIa and SSIIIb coordinately confers high RS content in cooked rice”（https://www.pnas.org/doi/epdf/10.1073/pnas.2220622120）研究论文，报道了一种高RS水稻突变体rs4（RS ~10.8%），并揭示了SSIIIa/SS3a和SSIIIb/SS3b功能丧失以及背景中强Wx等位基因共同促成rs4突变体高RS表型的分子机制，与本研究的结论一致。
图1. ss3相关突变体的创制和理化特性分析。
文章来源：植物生物技术Pbj
