淀粉是谷类作物或以块根、块茎为收获对象的农作物中碳水化合物的主要贮藏形式，为人类日常饮食提供必需的热量。淀粉生物合成是一个复杂的生化过程^[1]，在此过程中存在5种关键酶：ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（ADP-glucose pyrophosphorylase，ADPGase）、颗粒结合淀粉合成酶（granule-bound starch synthase，GBSS）、可溶性淀粉合成酶（soluble starch synthase，SSS）、淀粉分支酶（starch branching enzymes，SBE）及淀粉去分支酶（starch debranching enzymes，DBE）^[2]。

GBSS是决定直链淀粉合成的关键酶，它可以通过α-1，4-D-糖苷键将ADPG中的葡萄糖残基添加到葡聚糖的非还原端，能够延长葡聚糖的直链。在植物细胞中GBSS与淀粉颗粒紧密结合，使合成的直链淀粉保持未分支状态，是与发育中的淀粉结合的唯一有活力的蛋白^[3]。单子叶植物GBSS有两种同工酶，分别是GBSSI和GBSSII，GBSSI由waxy基因编码，在小麦中位于第7染色体上^[4]，水稻和玉米中该基因分别位于第6^[5]、第9染色体上^[6]，主要控制种子、胚乳等贮藏器官中直链淀粉的合成，而GBSSII主要控制根、茎、叶等营养器官中直链淀粉的合成，双子叶植物只有GBSSII单个家族，且功能与单子叶植物GBSSII相似^[4]。转基因或RNAi实验进一步研究发现，过表达或降低GBSSI表达将导致贮藏器官中GBSSI酶活性和直链淀粉含量明显上升或下降^{[7, 8]}。通过突变体实验也发现，缺失GBSSI表达将获得直链淀粉缺失的转基因植株^[9]。但GBSS表达调控的机制目前还不完全清楚。除基因结构发生改变，影响其表达和蛋白功能外，可能受多个水平、多种因子的协同调控，目前研究比较多的是GBSSI启动子、转录因子等。本文重点从基因结构特征、启动子和转录因子角度介绍模式植物和农作物中GBSSI基因表达调控机制的最新研究进展，以期为其他植物GBSS基因的研究提供借鉴。

GBSSI 基因是一个基因家族编码的单拷贝或低拷贝基因，其cDNA全长为0.6-2.4 kb，包含6-13个外显子，编码200-800 个氨基酸，蛋白大小为30.0-70 kD。GBSSII 的氨基酸序列与GBSSI同源性较高，但GBSSII比GBSSI蛋白大，分子量约为70-100 kD。此外，GBSSII即可附着于淀粉颗粒上也可游离于颗粒之间。目前，在水稻（OsGBSSI，OsGBSSII）^[5]、小麦（TaGBSSI，TaGBSSII）^[4]、玉米（ZmGBSSI，ZmGBSSII）^[6]、马铃薯（StGBSS）^[10]、大麦（GBSSI）^[11]、苋菜（GBSSI）^[12]、拟南芥（AtGBSS）^[13]、苦荞麦（FtGBSS1）^[14]及苹果（MdGBSSII-1，MdGBSSII-2，MdGBSSII-3）、桃（PpGBSSII-1，PpGBSSII-2）、柑橘（CsGBSSII-1，CsGBSSII-2）^[13]、天宝蕉（MaGBSSI）^[15]、巴西蕉（MaGBSSI-1，MaGBSSI-2，MaGBSSI-3，MaGBSSI-4，MaGBSSII-1，MaGBSSII-2）^[16]等多种植物中均克隆到编码GBSSI 和GBSSII 的基因。GBSSI 主要在花、果实、胚乳等贮藏器官中表达，GBSSII主要在根、茎、叶等营养器官中表达^{[13, 14]}。目前，大多数研究主要集中在GBSSI基因。

GBSSI基因外显子和内含子结构发生改变，将影响其表达量和蛋白功能。Olsen等^[17]报道糯稻的产生主要是由于GBSSI基因第1内含子5'端G/T突变和第2外显子23 bp碱基片段的插入，引起pre-mRNA不能正常剪切，其表达量减少所致，并且糯稻GBSSI基因第一内含子5'端的突变位点以T为主，粘稻的突变位点以G为主^[18]。Fan等^[19]发现了糯玉米的缺失突变体Wx-D7，究其原因是由于GBSSI基因第7个外显子3'端30个碱基缺失，导致终止子TAA提早出现翻译提前终止，进而GBSSI蛋白功能缺失所引起的。糯玉米的另一种缺失突变体Wx-D10是由于GBSSI第10个外显子内部15个碱基缺失，导致糖基转移酶功能域缺失所致^[20]。目前在小麦中也筛选到多个糯性缺失突变体，其中Wx-A1b突变体在GBSSI内含子和外显子的连接区存在一个23 bp片段缺失，Wx-D1b突变体存在一个588 bp片段缺失和12 bp的填充序列，而Wx-B1b突变体缺失了整个编码区。随着GBSSI基因结构研究的不断深入，多位研究者针对GBSSI基因的不同突变位点开发出特异性引物^{[17, 19, 20]}，实现了不同位点的高效、快速的基因鉴定，为糯稻、糯玉米和糯小麦的分子辅助育种奠定了基础。

Sano 等^[21]较早发现水稻OsGBSSI表达受阻，导致胚乳中几乎不含直链淀粉。Williams等^[7]利用RNA沉默技术降低GBSSI表达发现，小麦籽粒胚乳中GBSSI酶活性和直链淀粉含量明显下降；同样抑制甘薯中GBSSI表达，直链淀粉含量也明显降低^[8]。将甘薯GBSSI基因的反义cDNA链转到甘薯基因组中从而获得了直链淀粉缺失的转基因植株^[9]。最近，在马铃薯微管中通过反义RNA技术降低GBSSI活性，淀粉中直链淀粉含量随之降低^[22]。Hunt等^[23]突变体实验发现，谷子胚乳中直链淀粉含量主要由GBSSI-S位点控制，而直链淀粉合成效率下降主要与GBSSI-L位点有关。Liu等^[24]将OsGBSSI 蛋白中8个氨基酸位点缺失，导致其活性明显下降，结合淀粉颗粒的能力减弱。最新研究还发现，GBSSI不仅影响大麦籽粒淀粉直链淀粉浓度，而且与支链淀粉的链长相关^[25]。高粱籽粒中缺失GBSSI，导致其淀粉颗粒中支链淀粉含量增加^[26]。通过调控GBSSI表达，人们获得了含直链淀粉比例不同的淀粉，如直链淀粉缺失型淀粉、高直链淀粉等，前者可以用于食品工业，而后者则可用于糖果和塑料工业。

目前应用APCR、IPCR或PCR技术从玉米^[27]、小麦^[28]、大麦^[29]、水稻^[30]、马铃薯^[31]、拟南芥^[32]中克隆到多个GBSS启动子，发现了一些可能与组织特异性表达相关的响应元件，如CCGTCC-box、SORLIP5AT等；脱落酸响应的顺式作用元件CACCG；茉莉酸响应有关的顺式调节元件CGTCA-motif、TGACG-motif；赤霉素应答相关元件P-box、TATC-box；水杨酸反应的顺式元件TCA-element；糖代谢相关的元件CGACGOSAMY3、WBOXHVISO1等。5'端片段缺失突变是确定启动子调控区域响应元件的常用方法，Hu等^[33]通过5'端片段缺失突变实验证明淀粉合成酶I（starch synthase I，SSI）启动子在玉米胚乳中特异表达受ABA响应的顺式元件CACCG诱导，但不受蔗糖、果糖及赤霉素等相关元件的影响。姚彩萍等^[34]将GBSSI启动子区5'端12个不同长度的缺失片段与GUS融合，导入水稻原生质体，找到了与基因表达强度有关的区段（-861-640 bp）。凝胶滞后法和足印法检测出该区段中包含一个31 bp的胚乳核蛋白结合序列^[35]。将包含或不包含该31 bp序列的GBSSI 启动子区与GUS分别连接，同时转化水稻幼胚愈伤组织，含有31 bp序列比不含此序列的GBSSI启动区的GUS报告基因表达水平高出2-3倍^[36]，该研究结果表明此31 bp序列很可能是GBSSI表达调控中的一个关键响应元件。

瞬时表达分析发现，GBSSI启动子为组织特异性启动子，启动活性与35S启动子相近^[37]。Kluth等^[28]通过构建小麦gbssI基因启动子（8.0 kb）和GUS基因的表达载体并转化小麦发现，上游-4.0 kb的启动区介导的GUS基因的表达与GBSSI内源启动子的组织表达模式相似，只在胚乳和花药中表达。将启动区缩减至-1.9和-1.0 kb发现仍然在胚乳和花药中表达，但随着启动子区的缩短GUS活性呈下降趋势。同时，在玉米^[38]和大麦^[29]中也报道GBSSI启动区使GUS报告基因主要在胚乳中表达，而马铃薯主要在块茎中表达^[31]，这些结果证明了GBSSI基因启动子的启动调控模式。但是，当GBSS启动子序列发生重复、缺失或替换时，将影响GBSS启动活性和直链淀粉合成。Heilersig等^[31]实验发现马铃薯GBSSI转录后沉默效率依赖于一段重复的启动子区域。Patron等^[29]报道低直链淀粉含量的大麦品种是由于GBSSI启动子区413 bp碱基缺失所导致的。Wang等^[30]实验证明，水稻直链淀粉含量降低是由于GBSSI启动子497 bp位置发生了单核苷酸的替换。Ma等^[39]实验发现，非糯性大麦GBSSI启动子（1 029 bp）比糯性大麦GBSSI启动子（822 bp）启动活性强，可能是由于糯性大麦GBSSI启动子区397 bp碱基缺失所导致的。

拟南芥GBSSI基因的表达是由于转录因子CCA1和LHY与GBSSI启动子直接互作的结果^[40]。水稻转录因子bZIP蛋白REB、OsbZIP20和OsbZIP58通过结合GBSS基因5'上游区Ha-2片段的3个ACGT元件（WG1、WG2和WG3）来调节GBSS基因表达，从而影响水稻籽粒直链淀粉的生物合成^[41]。Albani等^[42]报道水稻bZIP家族的转录因子也可通过结合GBSSI启动子区胚乳盒（endosperm box，EB）中的GCN4 基序调控GBSSI基因在种子中的专一性表达。程世军等^[43]进一步研究发现，水稻bZIP家族的转录因子REB既能识别GBSSI启动子区的GCN4基序，参与对GBSSI基因的组织特异性表达调控，也能结合α-globulin启动子上的靶位点，参与对glb基因表达的协同调控。通过分析水稻籽粒灌浆期基因芯片数据，另外发现RSR1基因（AP2/EREBP转录因子家族成员）负调控水稻种子中GBSSI基因的表达^[44]。OsSERF1在水稻籽粒灌浆期也可负调控GBSSI基因的表达，染色质免疫共沉淀分析发现OsSERF1可结合在GBSSI的启动子区，是GBSSI的直接上游调控因子^[45]。而RSp29和RSZp23x，两种富含丝氨酸/苏氨酸的蛋白，通过增强OsGBSSI mRNA前体的剪切效率，影响OsGBSSI表达和直链淀粉合成^[46]。此外，MYC转录因子OsBP-5与乙烯响应元件结合蛋白（EREBP）形成异源二聚体OsEBP-89调控水稻OsGBSSI表达，利用RNAi技术干涉OsBP-5转录因子，OsGBSSI表达量降低，种子中直链淀粉含量下降^[47]。

近几年，酵母单杂交技术被用来筛选调控淀粉合成相关基因表达的转录因子，如Wang等^[48]利用酵母单杂交技术获得了bZIP类转录因子OsbZIP58，它可直接结合在6个淀粉合成相关基因（OsAGPL3、OsGBSSI、OsSSIIa、SBE1、OsBEIIb和ISA2）的启动区并调控它们的表达活性，且Osbzip58缺失突变体表现出种子形态不正常，淀粉积累速率下降，总淀粉和直链淀粉含量降低等现象。ZmaNAC36在玉米胚乳中也可与大多数的淀粉合成相关基因（AGPL2、AGPL3、AGPs2、AGPs3和GBSSIIb）共表达，是玉米胚乳合成淀粉的关键调节因子之一^[49]。截止目前，共发现4大类转录因子家族（bZIP、AP2/EREBP、MYC和NAC）成员参与了GBSSI基因的表达调控，是否还有其他转录因子家族成员参与其表达调控，仍需进一步深入研究。

在生产中如何有效调控植物直链淀粉的合成，以满足食品、医疗、工业等行业对不同含量直链淀粉的需求，将是未来的研究方向。然而，深入解析直链淀粉合成关键酶基因GBSS的表达调控机制，有针对性的通过激素、光照等外界刺激来调节GBSS的表达水平，将是改良谷类作物以及淀粉转化型果实的品质、提高产量的有效方法之一。