大气CO2浓度升高对杂交水稻淀粉颗粒的结构功能影响及其分子机制解析

本研究通过自由大气CO2富集（FACE）系统揭示高浓度CO2（E-CO2）通过上调OsGBSS1基因表达和增强GBSS、SSS、α/β-amylase等关键酶活性，显著改变杂交水稻淀粉颗粒形态（大体积颗粒+3.1%）和分子结构（双螺旋+4.1%），进而提升米饭食味品质（硬度降低21.1%）但增加淀粉加工能耗，为气候智慧型水稻育种提供理论依据。

　　

Highlight

淀粉颗粒形态结构

电镜分析显示（图2a-d），在环境CO₂（A-CO₂）和高CO₂（E-CO₂）条件下，淀粉颗粒均呈现不规则多面体"石块状"结构。尽管显微镜视野有限，但E-CO₂下的淀粉颗粒表现出更多表面凹陷、小孔和更粗糙的质地（图2b和d），与A-CO₂条件相比（图2a和c）。激光粒度分析（图2e-l）表明E-CO₂增加了两个品种中大体积（+3.1%）和大表面积（+3.0%）淀粉颗粒的比例。

E-CO₂对籼稻杂交种大表面积淀粉颗粒（LSP）的影响大于大体积颗粒（LVP），主要源于α/β-淀粉酶活性变化

由于杂交水稻具有更高的叶片气孔导度和关键光合酶活性，E-CO₂对杂交水稻叶片光合效率的促进作用远强于常规稻。这可能解释了为什么杂交水稻对E-CO₂的产量响应（37%）远高于常规粳稻（13.5%）。

Conclusion

大气CO₂浓度升高（E-CO₂）通过上调关键酶基因、调节酶活性和乙烯产生速率，显著影响杂交水稻淀粉的理化特性。具体而言，E-CO₂上调OsGBSS1表达并增加GBSS活性，从而提高直链淀粉含量和大体积淀粉颗粒比例。E-CO₂下增强的α-淀粉酶和β-淀粉酶活性促使大表面积淀粉颗粒比例增加。