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晋鹏

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[交流] [优秀文章推荐]科学家发现大麦中控制碳水化合物合成顺序的SUSIBA双元系统

研究发现大麦中存在一个SUSIBA双元系统，此双元系统能感应大麦体内光合作用产物蔗糖的浓度，根据蔗糖的浓度来决定果聚糖和淀粉的合成。该研究首次解释了植物为什么首先合成果聚糖，再合成淀粉的科学秘密。为培育高产，优质化谷类品种，提供了科学依据。

动物能通过移动觅食来补充贮存体内赖以生存的能量，而植物是则是通过光合作用合成并贮存不同的碳水化合物来生存。植物怎样贮存碳水化合物以及贮存碳水化合物的顺序对植物的生存至关重要。目前已知地球上存在三万六千种以上植物合成的碳水化合物，其中淀粉和果聚糖是两个重要组分，也是人类主粮谷类作物种子中的重要成分。淀粉是人类从主食中摄取能量的主要来源，而果聚糖则是近年来用于生产越来越多的健康食品的重要成分。摸清谷类作物合成淀粉和果聚糖的特征及顺序，对了解谷类作物本身的生长、发育和繁殖有着深远的意义，更重要的是在育种领域可以人工控制淀粉和果聚糖的合成及比例，为提高谷类作物的产量和品质打下科学基础。

大麦第二条染色体上，存在一个基因被命名为SUSIBA (Sugar Signaling in Barley)。该基因利用两个不同的启动子来产生两个长短不同的转录子，SUSIBA1和SUSIBA2 (见图1)。SUSIBA1为短版本转录子，是个抑制子，它抑制着果聚糖基因以及SUSIBA2 (长版本转录子)的表达。而长版本转录子SUSIBA2，是个激活子，它的表达会激活淀粉基因的表达，产生大量淀粉。当光合作用低或无的时候(比如夜间)，蔗糖浓度极低，SUSIBA1表达量很大，它抑制着果聚糖基因及SUSIBA2的表达，使果聚糖和淀粉无法合成。当光合作用增强时(比如早晨)，植物体内蔗糖浓度随之增加，并至25 mM (约0.9%) 以上时，SUSIBA1的表达量开始减弱。随着蔗糖浓度的逐渐最高，SUSIBA1的表达量逐渐减少，直到蔗糖浓度增至40 mM (约1.4%) 时，SUSIBA2开始表达，蔗糖浓度50 mM (约1.7%) 时，果聚糖开始合成。随着光合作用的逐渐增强 (比如上午)，蔗糖浓度增至85 mM (约2.9%) 时，由于SUSIBA1的减少，SUSIBA2的自我激活，导致足够量的SUSIBA2来激活淀粉基因及淀粉合成。当光合作用更高的时候 (比如中下午)，蔗糖浓度更高，SUSIBA2的自我激活能力更大，导致淀粉的大量积累。该研究论文报道了怎样利用SUSIBA双元系统培育高果聚糖大麦品种，建议在谷类作物育种中，要培育高产 (高淀粉) 及高果聚糖谷类品种，必须考虑降低SUSIBA1的表达。此外，该研究还报道了在谷类作物中研究基因功能和启动子功能的瞬时方法，该方法是快速检测基因及启动子功能的极好工具。

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