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为探究 GBSSI 对马铃薯叶片淀粉的影响，研究人员以马铃薯品种 Wotan 及其 GBSSI 基因功能缺失突变体’K33’为材料，研究淀粉的合成、分解及结构。结果发现突变体叶片淀粉积累快、降解慢且结构改变。该研究有助于深入理解叶片淀粉代谢机制。
淀粉，作为植物体内的重要物质，在植物的生长发育过程中扮演着不可或缺的角色。它主要分为两种类型，一种是在光合器官中合成的临时性淀粉，也就是我们常说的叶片淀粉；另一种则是存在于储存器官中的储备或储存淀粉。从分子层面来看，淀粉由两种多糖组成：支链淀粉（amylopectin）和直链淀粉（amylose）。支链淀粉是一种庞大且具有分支结构的分子，由 α-1,4 和 α-1,6 糖苷键连接而成；直链淀粉则主要是线性分子，以 α-1,4 糖苷键为主。在淀粉颗粒中，支链淀粉的结构复杂，它的主链系统中，外部和内部的分支链段能形成平行双螺旋，并结晶为稳定的多晶型结构，而直链淀粉对该结构也有一定影响 。
储存淀粉一直备受关注，因为它为全球人类提供了 70%-80% 的热量，并且在食品、材料和医药等多个领域都有重要应用。然而，叶片淀粉尽管是植物光合作用的关键产物，在植物的碳代谢和夜间生存中起着关键作用，却没有得到足够的重视。比如，在保卫细胞中，淀粉在夜间存在，光照后 30 分钟内迅速降解，促进气孔快速开启。在叶片中，淀粉白天逐渐积累，夜间则被消耗，为植物代谢提供糖分和能量。近年来的研究表明，植物能根据黑夜时长调整淀粉降解速率，在拟南芥中，存在精细的调控机制来分配光合产物到淀粉以及控制夜间淀粉降解。但由于从叶片中分离大量淀粉存在实际困难，目前对于叶片淀粉结构动态变化对植物代谢的影响研究主要集中在分子结构和形态方面，对其多尺度结构的全面理解还十分有限，这极大地限制了我们对叶片淀粉代谢的认知。
为了填补这一研究空白，深入了解叶片淀粉的代谢机制，研究人员以马铃薯品种 Wotan 及其 GBSSI（Granule Bound Starch Synthase I，颗粒结合淀粉合酶 I）基因功能缺失的同基因蜡质突变体’K33’为研究材料开展研究。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上，为植物淀粉研究领域提供了重要的理论依据。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是利用大小排阻色谱法（SEC）分析淀粉样品去分支前基于重量的分子量分布，以此探究淀粉的分子结构；二是通过对植株进行不同时间的光照处理，测定 24 小时内叶片淀粉含量，研究淀粉积累和降解的动态变化；三是运用多种技术手段对淀粉的分子、片层、结晶和颗粒等多尺度结构进行评估。
在分子结构研究方面，研究人员通过大小排阻色谱法（SEC）分析了野生型（WT）和 gbssI 突变体的块茎和叶片淀粉。结果显示，野生型块茎和叶片淀粉在流体动力学半径（Rh）约 120nm 处有一个支链淀粉峰，在 Rh 约 20nm 处有直链淀粉肩峰；而 gbssI 突变体的块茎和叶片淀粉则呈现出不同的分布特征，表明 GBSSI 功能缺失影响了淀粉的分子结构，导致直链淀粉含量降低，支链淀粉和直链淀粉分子变大。
在淀粉积累和降解动态研究中，研究人员对植株进行 16/8 h（光 / 暗）昼夜节律处理，测定 24 小时内叶片淀粉含量。结果发现，与野生型相比，gbssI 突变体叶片淀粉积累速率更快，而降解速率则慢得多。这表明 GBSSI 功能缺失显著影响了叶片淀粉的代谢动态，改变了植物对碳源的储存和利用模式。
在淀粉多尺度结构研究中，研究发现与块茎淀粉相比，野生型叶片淀粉的直链淀粉含量更低，支链淀粉分子更小，具有更多聚合度（DP）为 6 - 12 的支链淀粉侧链和更少 DP 为 12 - 24 的侧链，分支程度更高，无定形片层更厚，结晶度更高，分子有序性更高，且颗粒更小。GBSSI 基因敲除后，叶片淀粉的直链淀粉含量进一步降低，支链淀粉侧链（DP 6 - 8 和 12 - 16）增多，内部链（DP 18 - 24）减少，分支增加，结晶片层增厚，结晶度降低，分子有序性增加。这些结果表明，GBSSI 功能缺失导致叶片淀粉多尺度结构发生显著变化。
综上所述，该研究首次系统地分析了马铃薯叶片淀粉的多尺度结构，证实了 GBSSI 功能缺失会导致叶片淀粉结构出现显著差异，并影响叶片淀粉的合成和降解。这一研究成果不仅为深入理解植物叶片淀粉代谢机制提供了重要依据，也为通过基因工程手段改良植物淀粉品质奠定了理论基础，在植物科学研究领域具有重要的意义。同时，该研究也为后续进一步探究 GBSSI 在其他植物中的功能以及其对淀粉代谢的调控机制提供了参考方向。
