淀粉既是植物的能量储备，也是人类和动物饮食中重要的碳水化合物来源。淀粉还应用于食品、建筑、造纸和纺织行业。直链淀粉是淀粉中较难消化的成分，在食品行业中用作黏合剂和胶凝剂。
尽管淀粉对植物、人类和工业都至关重要，研究人员仍未完全了解淀粉是如何形成的。苏黎世联邦理工学院植物生物化学教授 Sam Zeeman 领导的研究团队如今发现了一块重要的拼图，为淀粉的结构提供了更多线索。该团队刚刚在科学期刊《PLOS Biology》上发表了研究结果。
发现新基因
白天阳光照射时，植物进行光合作用，将空气中的二氧化碳转化为糖，为新陈代谢提供能量。多余的糖会转化为淀粉颗粒，储存在叶片中；夜间光合作用中断、植物需要能量时，便会利用这些淀粉。不过，淀粉并非均一物质，而是由不同成分组成——主要是高度分支、易于消化的多糖支链淀粉，另有较少量的直链淀粉，后者本质上是一种线性多糖。
此前已知，只有一种位于淀粉颗粒上的酶参与直链淀粉的形成。如果缺少这种称为颗粒结合型淀粉合酶（GBSS）的小型分子机器，植物就无法生成直链淀粉。
Zeeman 的研究人员系统筛查了模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana），寻找其他可能参与淀粉形成的基因，并发现其中一个基因也参与直链淀粉的生成。该基因编码一种蛋白质，可暂时与 GBSS 和淀粉结合，从而将 GBSS 运送到目的地。发现这一基因的 Zeeman 博士生 David Seung 因此将这种分子命名为淀粉靶向蛋白（PTST）。
分子相互依存
研究人员通过对突变植物进行实验，厘清 PTST 的作用。这些突变会抑制 PTST 的形成，使突变植物完全无法生成直链淀粉，尽管其淀粉总含量与野生型植物一样高。因此，植物研究人员得出结论：拟南芥形成直链淀粉必然依赖 PTST。令研究人员惊讶的是，在突变植物中几乎检测不到 GBSS——这种最常见的结合于植物淀粉颗粒的酶。
但他们如何解释这一现象？研究人员用荧光物质标记这两种蛋白质，终于解开了这个谜团。GBSS 需要 PTST，因为 PTST 就像出租车，将 GBSS 运送到淀粉颗粒。PTST 携带 GBSS 后，会短暂地“停靠”在正在形成的淀粉颗粒表面，卸下所载的分子。随后，PTST 再次从淀粉颗粒上脱离，而 GBSS 则继续合成直链淀粉。此外，这种运输蛋白似乎也是维持 GBSS 稳定所必需的——没有 PTST，也没有与淀粉颗粒的结合，GBSS 就不稳定。
按需调节淀粉含量？
PTST 蛋白不仅存在于拟南芥中，从进化角度看也具有保守性。它在植物进化过程中相对早期便出现，在物种分化过程中得以保留，此后变化甚微。因此，许多其他植物中也存在 PTST，包括多种谷物。不过，Zeeman 表示，PTST 在这些植物中发挥的作用仍有待厘清。“这项发现仍然为我们展示了一种可能途径，可用于调节农作物中的直链淀粉含量，”Zeeman 解释说。
这些新发现未来或可用于制造供工业应用的纯直链淀粉。直链淀粉可用作酱料和布丁的胶凝剂，也可用于生产可生物降解包装。因此，ETH Transfer 已通过专利申请对这项发现进行保护。
Seung 在撰写博士论文期间发现了 PTST 的功能。此前，这位澳大利亚人获得了 ETH 卓越奖学金，因此得以来到苏黎世攻读硕士课程。如今，在 Heinz Imhof Fellowship 的资助下，他正作为苏黎世联邦理工学院与南非斯泰伦博斯大学联合研究计划的一员继续攻读博士学位。
本文由苏黎世联邦理工学院合作发布。发布本文并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Peter Rüegg 为苏黎世联邦理工学院撰稿。
图片：在伊利诺伊州艾迪生市的工厂里，Transparent Container 的 Regina Piego 和 Rosina Padilla（左）正在准备刚成型的包装。路透社/John Gress
