淀粉是植物中主要的碳水化合物储存形式,广泛用于人类营养和各种工业。从化学角度来看,淀粉主要由两种成分组成:直链淀粉和支链淀粉,他们构成了淀粉颗粒的结构框架。淀粉的物理化学性质由遗传决定,具体表现为淀粉颗粒的大小和形态、淀粉结构以及直链淀粉与支链淀粉的比例,这些特性决定了淀粉的特定应用。此外,淀粉在植物的生理功能中也起着重要作用,包括生长、发育以及应激反应。根据其生物学功能,淀粉可分为两种类型:暂时性淀粉和储存性淀粉。暂时性淀粉白天积累在叶片的叶绿体中,并在夜间分解,为植物的生长和发育提供碳水化合物。而储存性淀粉则大量积累在储存器官的淀粉体(如种子胚乳和块茎)中,为植物的萌芽或发芽提供碳骨架和能量。淀粉合成包括两个不同的阶段:起始过程和合成过程本身。合成淀粉聚合物(包括支链淀粉和直链淀粉)的过程相对较为明确,在不同物种和器官中涉及的基因功能保守,主要涉及直链支链淀粉的合成以及支链链长的延伸等。然而,关于库器官(籽粒,块茎等)中淀粉颗粒形成的起始过程以及调控每个质体中颗粒数量、颗粒大小和形状的因素具有物种的依赖性。例如马铃薯块茎中的淀粉体通常仅含有一个单一的简单淀粉颗粒,而水稻和小麦等作物的淀粉体则形成多个颗粒或复合颗粒。这种差异表明,淀粉颗粒的形成模式具有显著的物种和器官特异性。在植物叶绿体中SSⅣ、SSⅤ、PTST2和MRC等蛋白质通过协同作用调控颗粒的形成,但是这些基因在库器官的形成存在分化,尤其是在马铃薯研究中,SSⅣ、PTST2、MRC并不调控块茎淀粉颗粒起始。暗示马铃薯淀粉颗粒的起始存在特异的调控机制。马铃薯(Solanum tuberosum L.)是主要的淀粉生产作物之一。在全球范围内,马铃薯是非谷类主食中消费量最大的作物,主要因其作为淀粉类碳水化合物的营养价值而受到认可。此外,日益增长的工业需求要求培育具有更高淀粉含量和特定淀粉特性的马铃薯品种。马铃薯淀粉质量的提升将对粮食安全和工业发展产生重大贡献。因此,识别和理解马铃薯淀粉生物合成过程中涉及的因素至关重要,这有助于合理设计试验性状,以提高农业产量,并开发出可能满足工业需求的新型淀粉应用。研究发现StSSⅤ在马铃薯块茎形成过程中表达含量逐步上升,表现出特定的动态表达模式,暗示SSⅤ在调控块茎淀粉体和叶片叶绿体中颗粒起始以及马铃薯块茎发育中的器官特异性作用。因此,利用基因编辑技术敲除StSSⅤ,以揭示驱动马铃薯块茎储存淀粉颗粒起始的分子机制。这一研究为理解块茎淀粉颗粒的起始形成提供了新的见解,并为改良马铃薯淀粉特性开辟了一种潜在的策略。StSSⅤ属于淀粉合成酶家族的第Ⅲ组,与SSⅣ和SSⅥ同源,但与其他SS亚家族不同,StSSⅤ仅含有GT5结构域,而其他SSs同时含有GT5和GT1结构域。StSSⅤ蛋白定位于叶绿体,与淀粉生物合成的位置一致。StSSⅤ在多种器官中均有表达,但在块茎中表达量最高,且在块茎发育过程中表达量逐渐增加,表明其可能在块茎发育和淀粉合成中起重要作用。为探究StSSⅤ的功能,利用CRISPR/Cas9系统在二倍体马铃薯"AC142"的StSSⅤ基因的5'非翻译区(Untranslated region,UTR)中生成了杂合双等位突变体,从而实现了StSSⅤ的敲低。通过ACT-PCR及测序鉴定发现,仅5'UTR靶点成功编辑(编辑效率31.1%),包括8株单等位编辑、2株双等位编辑及5株嵌合编辑株系。离体异养条件下,ssV突变体试管薯体积减小,淀粉含量显著下降;盆栽自养条件下,突变体植株地上部生长正常,但单株块茎个数减少,单株产量下降,干物质含量、淀粉含量和可溶性糖含量均降低,表明其通过影响碳分配调控块茎发育。ssⅤ突变体中这些差异与淀粉颗粒起始模式和淀粉积累的减少相关。StSSⅤ在马铃薯叶片叶绿体和块茎淀粉体之间的淀粉颗粒起始模式存在显著差异。通过透射电子显微镜(TEM)观察叶片组织发现,ssⅤ突变体叶绿体内淀粉颗粒数量显著减少。叶片碘染试验以及测定叶片淀粉含量表明,ssⅤ突变体叶片在夜间淀粉降解速率降低,表现为"淀粉过剩"表型。相反,ssⅤ突变诱导了一定比例造粉体中形成复合淀粉颗粒(含2～6个颗粒),而野生型(Wild type,WT)对照仅含单一颗粒,表明StSSⅤ缺失导致淀粉粒起始异常,促进多颗粒复合体形成。突变体小淀粉颗粒显著增多,块茎淀粉颗粒粒径分布向小颗粒偏移[0.2～15.3μm vs野生型(Wild type,WT)对照的0.2～25.2μm],平均有效粒径减小,但淀粉链长分布无显著变化。StSS V在马铃薯叶片和块茎中淀粉颗粒起始的不同表现表明StSSⅤ在两类组织中的功能存在器官依赖性,其组织特异性作用机制为解析马铃薯淀粉颗粒起始提供了新视角,这可能为提高块茎淀粉产量和改良淀粉特性提供一种新策略。