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丰富合成难消化淀粉的木薯植物的开发
- -为功能性食品的原材料开发做出贡献- 理化学研究所(理研)环境资源科学研究中心植物基因组表达研究小组内海好规研究员、关原明小组组长等的研究小组成功开发出了富含难消化性淀粉[1]的热带植物木薯[2]。
消化性淀粉具有改善血糖应答性和胰岛素应答性、改善肠功能等生理作用。 本研究成果有望对面向降低生活质量和疾病风险的功能性食品素材开发的木薯分子育种[3]研究做出贡献。
虽然高功能化是木薯育种目标之一，但没有明确木薯块根中的淀粉[4]代谢和赋予淀粉难消化性的研究。
此次，研究小组着眼于在木薯块根中表达的淀粉合成相关酶中的“淀粉接枝酶( SBE ) [5]”。 抑制所有多种SBE基因后，发现难消化性淀粉含量约为野生株的6.3倍。
本研究刊登在科学杂志《Plant Molecular Biology》在线版( 11月12日:日本时间11月12日)上。  碘染色的木薯淀粉粒(左)和难消化性淀粉量 背景
尽管热带植物木薯是主要作物，但其研究和育种与其他主要作物相比仍处于发展中。 作为木薯的育种目标之一，列举了木薯植物的高功能化，如高产量、耐病性、难消化性淀粉的增强等，但从没有明确木薯块根中的淀粉代谢框架和赋予淀粉难消化性的研究。 研究方法和成果
研究小组着眼于木薯淀粉代谢相关的基因组中，淀粉接枝酶( SBE )的基因。 SBE是淀粉分子中α- 1，6 -葡萄糖苷键形成相关的主要酶，SBE基因分为1型和2型。
通过基因表达分析发现，块根中有SBE1型、SBE2a型、SBE2c型基因表达。 利用基因重组技术[6]，制作了分别抑制这些SBE基因的马铃薯系统和抑制所有SBE基因的马铃薯系统，并对其淀粉性状进行了评价。 于是，抑制SBE1型的系统的淀粉性状与野生株没有变化，但抑制SBE2型的系统的直链淀粉[7]含量比野生株增加(图1 )，支链淀粉[8]的分子结构发生了很大变化(图2 )。
并且，抑制SBE基因全部的木薯系统的直链淀粉含量比抑制SBE2型的系统进一步增加(图1 )，直链淀粉的分子结构变化也与抑制SBE2型的系统相比，差距变大(图2 )。 研究还发现，抑制所有SBE基因的木薯系统的难消化性淀粉含量将增加到野生株的约6.3倍。
图1抑制sbe基因时直链淀粉含量的变化
SBE1型基因抑制系统( #12和#14 )的直链淀粉含量与野生株相同，但在SBE2型基因抑制系统( #13 )中增加。 在SBE1型和SBE2型基因抑制系统( #1和#18 )中飞跃增加。图2抑制sbe基因时淀粉酶的结构变化
将SBE1型和SBE2型两基因抑制系统( #1和#18 )的淀粉酶的侧链长度分布与SBE1型( #12、#14 )或SBE2型( #13 )的基因抑制系统进行了比较。 SBE1型和SBE2型两基因抑制系统中葡萄糖聚合度6-13短链的比例明显减少，葡萄糖聚合度14以上的比例增加。今后的期待
本研究发现，通过改变木薯块根中的SBE基因，可以提高木薯淀粉的难消化性。 消化性淀粉具有改善血糖响应性、胰岛素响应性、改善肠功能等生理作用，本研究成果有可能为马铃薯分子育种对降低生活质量和疾病风险的功能性食品素材开发的研究做出贡献。
因此，本次研究有望为联合国2016年制定的17个“可持续发展目标( SDGs ) [9]”中的“3 .为所有人提供健康和福利”做出贡献。补充说明
1 .难消化性淀粉
淀粉不易被消化器官消化，不会被小肠吸收，而是以比较高分子的状态移动到大肠。 由于难消化淀粉本身不易形成卡路里，具有与食物纤维相似的功能，因此作为功能性食品备受期待。
2 .木薯
学名: Manihot esculenta，英文名: cassava。 在热带、亚热带地区栽培。 通过扦插繁殖，在根上形成块根。 块根中合成的淀粉已成为全球5~10亿人的重要粮食来源和能源，在粮食安全保障和产业利用上占有重要的作物地位。
3 .分子育种
有效利用基因操作技术和基因信息的育种方法。 大体上分为利用基因组信息有计划地进行传统交配育种的标记选拔育种和利用转基因技术的重组育种。
4 .淀粉
淀粉一般是不溶于水的粒状葡萄糖的聚合物。 高等植物的淀粉代谢通过局部存在于叶绿体和淀粉酶等塑料中的酶群进行。
5 .淀粉接枝酶( SBE )
从1，4 -α- d -葡聚糖链的非还原末端，将一定长度的葡萄糖残基转移到另一链的葡萄糖残基的C6-OH，生成α- 1，6 -葡萄糖苷键。 是淀粉生成α- 1，6 -葡萄糖苷键的唯一酶。 植物的SBE根据其蛋白质的化学性质分为SBE1型和SBE2型。 SBE是Starch Branching Enzyme的缩写。
6 .转基因技术
这是一种通过从某生物中提取目标基因( DNA )并导入到另一生物的基因组中，从而赋予该生物新性质的技术。
7 .直链淀粉
是淀粉的主要成分之一。 直链淀粉基本上具有α- 1，4 -链连接的直链结构，存在短支链。 另外，其聚合度从几个葡萄糖聚合度到几千个葡萄糖聚合度连续分布。
8 .淀粉果胶
是淀粉的主要成分之一。 淀粉果胶通常占淀粉的70~85%，是α- 1，4 -葡萄糖苷键的直链以α- 1，6 -葡萄糖苷键连接的团簇结构为基本单位，团簇合作用的巨大分子。
9 .可持续发展目标( SDGs )
2015年9月联合国峰会通过的《可持续发展2030议程》中列出的2016年至2030年国际目标。 它由实现可持续发展世界的17个目标、169个目标组成，不仅是发展中国家，也是发达国家自身努力的环球之物，作为日本也在积极努力(从外务省主页进行部分改变后转载)研究支援
本研究是战略性国际联合研究计划( SICOPR )的研究课题“用于持续作物生产的土豆和木薯的比较混合分析”、国际合作组织( JICA ) /科学技术振兴机构( JST )国际科学技术联合研究推进事业应对地球规模课题的国际科学技术合作计划( SATREPS ) 由柬埔寨、泰国基于木薯入侵病害虫对策的持续生产系统开发和普及”、日本学术振兴会( JSPS )加快头脑循环的战略性国际研究网络推进计划“构建以我国为基地的实用作物世界最先进基因组编辑研究国际网络”提供资助原論文情報Yoshinori Utsumi, Chikako Utsumi, Maho Tanaka, Satoshi Takahashi, Yoshie Okamoto, Masami Ono, Yasunori Nakamura, Motoaki Seki, "Suppressed expression of starch branching enzyme 1 and 2 increases resistant starch and amylose content and modifies amylopectin structure in cassava", Plant Molecular Biology, 10.1007/s11103-021-01209-w
发表者
物理化学研究所
环境科学研究中心植物基因组表达研究小组
研究员内海好规
队长关原明
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