南湖新闻网讯（通讯员 吴心如）近日，华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室、生命科学技术学院、生命科学交叉学院闫俊杰教授课题组在Nature Communications上发表了题为"The plastidial PHS1-DPE1 complex drives efficient malto-oligosaccharides synthesis in rice starch metabolism"的研究论文。研究揭示了水稻质体α-葡聚糖磷酸化酶PHS1与歧化酶DPE1通过组装形成多聚复合物，协同驱动麦芽寡糖（MOSs）的高效合成，为阐明淀粉生物合成的关键起始步骤提供了分子基础，也为作物淀粉品质的遗传改良开辟了新思路。

淀粉是植物中主要的能量储藏物质，既是人类膳食中最主要的碳水化合物来源，也是重要的工业原料。淀粉主要在叶绿体（叶片光合固碳形成瞬时淀粉）和淀粉体（块根、块茎中形成储藏淀粉）等质体中合成。在淀粉的生物合成过程中，麦芽寡糖作为关键的起始引物，其合成效率直接影响淀粉颗粒的形成与积累。质体α-葡聚糖磷酸化酶PHS1和歧化酶DPE1是MOS代谢中的两个关键酶，但二者之间的功能关系及协同机制仍不清楚。

研究团队以水稻PHS1和DPE1为对象，系统探究了它们在MOS合成中的协同作用。通过体外重组成功获得了PHS1-DPE1复合物，并解析了其高分辨率冷冻电镜结构。结构分析表明，PHS1二聚体与DPE1二聚体交替排列，形成延伸的多聚组装体，其中PHS1二聚体界面两侧的裂隙分别容纳来自相邻重复单元的DPE1单体。荧光辅助糖电泳（FACE）实验证实，与单独酶相比，PHS1-DPE1复合物显著提高了多糖引物的催化效率，更高效地合成链长更长的MOSs分子。

进一步研究表明，DPE1的N端臂状结构对其二聚化及PHS1-DPE1多聚化至关重要。该区域的缺失不仅破坏DPE1的二聚体形成，还阻碍复合物的组装并严重削弱酶的催化活性。通过对复合物互作界面的精细分析和突变体的pull-down实验，研究团队鉴定出介导PHS1与DPE1相互作用的关键氨基酸残基，证实该互作界面对维持复合物稳定性及促进长链MOS合成具有重要作用。

在底物结合状态的复合物结构中，研究团队在DPE1催化口袋中观察到了麦芽糖和葡萄糖分子的电子密度，并验证了催化三联体氨基酸对DPE1酶活性的关键作用。同时，通过构建催化失活突变体复合物，证实了PHS1和DPE1在促进MOSs分子高效合成中发挥协调作用。

值得关注的是，研究发现PHS1特有的L80环结构在底物传递中发挥调控作用。单分子荧光共振能量转移（smFRET）实验直观展示了底物在DPE1与PHS1之间的动态转移过程：野生型复合物中底物在两种构象状态间快速转换，而L80缺失突变则显著延长了状态转换时间，降低了底物传递效率。这表明L80环作为独特的结构调控元件，通过优化底物在两个蛋白酶之间的转移或扩散，提升了复合物的整体催化效率。

该研究首次从生化、结构和单分子水平系统阐明了水稻PHS1-DPE1复合物驱动MOS高效合成的分子机制，揭示了植物质体代谢酶通过形成多聚复合物实现底物通道化的工作策略。研究不仅为深入理解淀粉生物合成的起始调控提供了重要理论依据，也为通过分子设计优化作物淀粉产量与品质提供了新思路。

华中农业大学生命科学技术学院刘建博士、硕士研究生吴心如为论文共同第一作者，闫俊杰教授为通讯作者。刘主教授在单分子荧光共振能量转移实验体系中提供了重要指导。研究得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和中国博士后科学基金等项目的资助。

据悉，该工作是闫俊杰教授课题组在植物质体淀粉代谢调控领域系列研究的新突破。前期研究已揭示叶绿体瞬时淀粉的分解代谢需要一个三元蛋白酶复合体（Liu et al., Plant Cell 2023）；阐明了水稻质体异淀粉酶复合物调控分支修剪的分子基础（Fan et al., Nature Communications 2025）。上述系列成果为作物淀粉品质的遗传改良提供了理论支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72738-5

审核：闫俊杰