[发明专利]一种ADP-葡萄糖焦磷酸化酶突变体及其编码基因与应用

说明书

技术领域

本发明涉及植物的ADP-葡萄糖焦磷酸化酶突变体及其编码基因与应用，特别是涉及来源于玉米胚乳的ADP-葡萄糖焦磷酸化酶突变体及其编码基因与应用。

背景技术

淀粉作为一种在工业生产和人类生活中不可替代的物质资源，在人类生产和生活中占有十分重要的地位，因此科研人员对于淀粉合成的研究投入了极大的热情，并且从未间断过。在过去的很长一段时间里，为了能够满足持续增长的世界人口所带来的粮食需求和工业原料供给，人们仅仅致力于提高农作物(如玉米、小麦、水稻等)的产量。然而，随着社会的飞速发展和人们生活水平的不断提高，同时从环境保护和可持续发展的角度出发，对农作物中淀粉含量和质量的要求也会日益增加和提高。此外，由于淀粉含量高的植物细胞或器官吸收脂肪或煎炸油量少，因此食品工业上淀粉可用于生产低热量的“更健康”的食品。同时医药工业应用淀粉为原料生产抗生素和维生素；铸造工业应用淀粉为砂芯胶粘剂；石油工业油井钻泥中应用淀粉使其具有蓄水性；干电池中应用淀粉为电解质载体等。其他诸如油漆、塑料、染料、纺织、造纸、轮胎橡胶等行业，均将淀粉作为必需的材料，淀粉也是制作各类变性淀粉的起始材料。研究发现，大米、麦子及玉蜀黍等农作物中均富含淀粉。但据统计，全世界生产和生活所用淀粉80％以上来源于玉米。在美国这一比例更是高达95％以上。我国在高淀粉玉米方面的研究还存在许多欠缺之处。因此，加速工业用高淀粉玉米品种的培育和改良已势在必行。

在生物体内，淀粉的合成过程涉及到一系列酶的共同参与，如：ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-Glucose pyrophosphorylase，AGPase)、淀粉合成酶(strarchsynthase，SS)、淀粉分支酶(starch branching enzyme，SBE)和淀粉去分支酶(starchdebranching enzyme，DBE)等。其中，AGPase是细菌糖原和植物淀粉合成的关键酶，它能够催化1-磷酸葡萄糖(1-P-Glucose)和腺苷三磷酸(ATP)生成腺苷二磷酸葡萄糖(ADPG)和焦磷酸(PPi)。同时，ADPG作为淀粉合成的前体物质在淀粉合成酶、淀粉分支酶和淀粉去分支酶等的协同作用下合成直链淀粉和支链淀粉。因此，AGPase活性的高低是决定淀粉积累速率的关键因素之一。提高AGPase活性以促进还原糖向淀粉合成方向的转化，是提高作物淀粉含量、实现品质改良的重要途径。在高等植物中，AGPase具有复杂的异源四聚体结构。到目前为止，已从玉米、小麦、菠菜、甜菜、拟南芥、大麦和马铃薯等多种植物中得到分离纯化到AGPase。

AGPase活性的高低受多种因素共同调控。其中别构调节是一种重要的调节方式，该方式通过调节激活剂3-磷酸甘油酸(3-PGA)和抑制剂无机磷(Pi)的比例来达到控制酶活性的目的。1969年，Cattaneo等(Cattaneo J，O.M.，Sigal N，Sanchez-Medina G，Puig J.Genitic studies of E.coli K 12 mutants with alterations inglycogenesis and properties of an altered AGPase.Biochem Biophys Res Commun.1969，34：694-701.)发现了大肠杆菌(E.coli)K12株系中的一个突变菌株，其糖原含量比野生型菌株提高了33％以上。进一步研究证实，突变体糖原含量提高的原因是由于控制糖原合成的关键酶AGPase发生了突变，改变了该酶对别构调节剂的反应，即对别构调节不敏感(Lee Y M，K.A.，Preiss J.Amino acid sequence of an E.coliADPglucose synthetase allostefric mutants as deduced from the DNA sequence of theglgC gene.Nucleic Acids Res，1987，15：10603.)。1992年，Monsanto公司的Stark等人(David M.Stark，Kurt P.Timmerman et al.Regulation of the amount of starch in planttissues by AGPase.Science，258：287-291.)将突变的AGPase基因转入马铃薯中，获得了淀粉含量提高的转基因马铃薯。该转基因马铃薯中淀粉平均含量比对照提高了35％，有的甚至高达60％，这是利用基因工程手段提高植物淀粉含量的第一个成功的例子。