水稻抗性淀粉含量提升的分子机制研究：通过编辑SBEIIb基因顺式调控元件实现精准调控

一、研究团队与发表信息
本研究由扬州大学农业科学学院的Qingqing Yang、Ying Ye、Jiannan Zhu、Yan Tan、Dongsheng Zhao和Qiaoquan Liu共同完成，通讯作者为Dongsheng Zhao和Qiaoquan Liu。研究成果发表于2025年的*Plant Biotechnology Journal*（期刊编号DOI: 10.1111/pbi.70436），标题为《Moderate regulation of SBEIIb gene expression by editing cis-regulatory elements enhances the resistant starch content in rice》。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于植物生物技术与作物遗传改良领域，聚焦水稻淀粉代谢的分子调控机制。
研究背景：抗性淀粉（Resistant Starch, RS）是一种难以被人体消化的膳食纤维，对预防糖尿病和肥胖具有潜在益处。水稻作为全球半数人口的主粮，其RS含量普遍低于2%。此前研究发现，通过基因编辑敲除淀粉分支酶基因（如SBEIIb）虽可提高RS含量，但会导致籽粒皱缩、粉质胚乳等负面表型。因此，如何在维持水稻农艺性状的同时精准提升RS含量成为关键科学问题。
研究目标：通过鉴定并编辑SBEIIb基因的顺式调控元件（cis-regulatory elements, CREs），实现对其表达的适度调控，从而开发兼具高RS含量和优良农艺性状的水稻新品种。

三、研究流程与方法
1. CREs的鉴定与验证
- 方法：结合ATAC-seq（染色质可及性测序）和DNase-seq数据，从水稻品种“日本晴”中筛选出SBEIIb启动子区的两个CRE（CRE1和CRE2）。
- 实验设计：通过双荧光素酶报告系统验证CRE1和CRE2对下游基因表达的增强作用。结果显示，删除CRE1或CRE2会显著降低荧光素酶活性（图1b-c）。

1. 基因编辑与突变体构建

   • CRISPR/Cas9编辑：设计靶向CRE1和CRE2的gRNA，构建载体并转化水稻。获得三种纯合突变体：
     
     • *sbeIIb-cre1*（CRE1缺失3 bp）
       
     • *sbeIIb-cre2*（CRE2缺失6 bp）
       
     • *sbeIIb-cre1&2*（双CRE缺失5 bp）。
       
   • 脱靶分析：通过测序确认无脱靶效应（表S2）。
     

2. 突变体表型分析

   • RS含量：突变体稻米中RS含量较野生型提高3.15–5.31倍（图2a），且总淀粉含量仅轻微下降（图2f-g）。
     
   • 淀粉结构：X射线衍射（XRD）和链长分布分析显示，突变体中中长链支链淀粉比例增加（图2h-i），可能是高RS表型的主因。
     
   • 农艺性状：突变体籽粒形态、千粒重及产量相关性状与野生型无显著差异（图4），克服了传统高RS突变体的缺陷。
     

3. 转录组与代谢组分析

   • 转录组：SBEIIb表达量在突变体中显著降低（图1e-f），同时淀粉合成通路基因（如OsAGPS2B、OsSSIIa）表达发生适应性变化（图3b）。
     
   • 代谢组：突变体内糖类（如蔗糖、葡萄糖）和脂质代谢物（如C16:0）含量显著变化（图3a, c），表明碳源分配被重新编程。
     

4. 转录因子调控机制解析

   • DNA pull-down与Y1H：发现NAC20、NAC23和NAC26可结合CRE1/CRE2序列（图5a-d）。
     
   • 双荧光素酶与BIFC：NAC20和NAC26激活CRE1驱动的转录，而NAC23具有抑制作用（图5e-v）。三者通过形成异源二聚体协同调控SBEIIb表达（图5w）。
     

四、主要研究结果
1. CRE编辑的有效性：CRE1和CRE2的缺失显著降低SBEIIb表达，但未引发其他淀粉合成基因的剧烈扰动。
2. 淀粉结构改变：中长链支链淀粉比例增加直接导致RS含量提升，且淀粉颗粒形态保持正常（图2b-e）。
3. 代谢重编程：糖类和脂质代谢通路的变化表明，SBEIIb表达下调触发了碳分配的全局调整。
4. 转录因子网络：NAC家族蛋白通过结合CREs形成调控模块，为作物代谢工程提供了新靶点。

五、研究结论与价值
科学价值：
- 首次阐明SBEIIb的CREs通过NAC转录因子网络实现精准表达调控的机制。
- 提出“适度调控”策略，为作物品质改良提供了新范式。
应用价值：
- 培育的高RS水稻品种（RS含量达野生型5倍）兼具优良农艺性状，可直接应用于健康主食开发。
- 该策略可拓展至其他谷物（如小麦、玉米）的淀粉改良。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合多组学（ATAC-seq、代谢组）与基因编辑技术，系统性解析CREs的功能。
2. 理论突破：揭示NAC转录因子通过CREs调控淀粉合成的分子机制。
3. 应用潜力：克服传统高RS突变体的产量缺陷，为功能性水稻育种提供实用方案。

七、其他重要发现
- 突变体中OsISA2（去分支酶基因）的上调可能参与长链淀粉积累（图3b）。
- 晶体结构分析显示，突变体淀粉相对结晶度降低（图2i），可能影响消化特性。

（注：文中所有图表及附表编号均引用自原文，详细数据可参考原文支持信息。）