近日，生命科学学院李刚课题组在《journal of integrative plant biology》在线发表了题为“modulation of starch synthesis in arabidopsis via phytochrome b‐mediated light signal transduction”的研究论文，揭示了光信号蛋白调控植物淀粉代谢的分子机制。
淀粉是植物主要的碳水化合物储藏形式，对植物的代谢、生长和发育至关重要。植物体内淀粉主要分为两种类型：暂时性淀粉和储藏淀粉。暂时性淀粉主要在叶片中合成和积累，在白天光照后开始合成，并在夜间迅速降解，以响应昼夜光暗周期的变化，为植物提供必要的能量和碳骨架。储藏淀粉则在非光合作用的储藏器官中合成和积累，作为长期能量储备，支持植物的休眠、种子发芽或在光合作用不足以满足植物能量需求时的生长。瞬时淀粉的合成和降解是一系列复杂的细胞过程，涉及多种酶和调控因子的协调作用。例如，adp-葡萄糖焦磷酸化酶（agpase）启动淀粉合成的第一步，而颗粒结合型淀粉合酶（gbss）和可溶性淀粉合成酶（ss1、ss2、ss3、ss4）则负责淀粉分子链的延长。淀粉合成的调控受到代谢、昼夜节律、光照和温度的影响。其中，光照不仅为光合作用提供能量进而提供了淀粉代谢的最初底物，还直接控制各种基因的表达和细胞过程。尽管光照对淀粉合成的影响已有大量研究，但关于光信号如何具体影响淀粉合成，尤其是在环境光照条件变化下的影响，仍需进一步研究。
该研究探索了植物如何通过光受体phyb及其下游因子，精准调控淀粉合成过程，以响应不断变化的环境信号。这项研究揭示了光信号特别是红光和远红光(r:fr) 比例的变化，直接影响拟南芥叶片中的淀粉合成。植物通过光受体，如phyb，感知环境中r和fr的比例变化，这种比例的变化是植物判断周围是否有其他植物遮荫的重要依据。在high r:fr环境条件下，phyb被激活，转录因子hy5大量积累，促进gbss/ss3/ss4等淀粉合成基因的表达，从而加速淀粉的积累。而在low r:fr情况下，pifs转录因子成为主导，抑制淀粉合成基因的表达，进而降低淀粉的产生。这一过程中，hy5与pifs通过竞争性地结合到淀粉合成基因gbss/ss3/ss4启动子区域的同一g-box顺式元件上，形成了一种精巧的拮抗调控机制。
这一研究不仅深化了我们对植物生理过程中光信号与淀粉代谢相互作用的理解，也为通过精准调控这些途径来优化碳水化合物代谢、提高作物产量和品质提供了新的策略和视角。通过揭示光信号如何调控淀粉合成的机制，此项研究预示着我们能够通过调节植物对光环境信号的响应来优化作物的淀粉积累，为未来农业实践中提高作物产量和品质开辟了新道路。
生命科学学院李刚教授为该论文通讯作者，农学院博士后史庆彪、研究生夏莹为该论文的共同第一作者。孔凡英副教授、张海森副教授对该工作进行了指导和帮助。本研究获得了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等项目的资助。
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
编 辑：万 千
审 核：贾 波
