Recently, systems biology has been increasingly applied to gain insights into the complexity of living organisms. Many inaccessible biological information and hidden evidences fur example flux distribution of the metabolites are simply revealed by investigation of artificial cell behaviors. Most bio-models are models of single cell organisms that cannot handle the multi-cellular organisms like plants. Herein, a structured and multi-cellular model of potato was developed to comprehend the root starch biosynthesis. On the basis of simplest plant cell biology, a potato structured model on the platform of Berkley Madonna was divided into three parts: photosynthetic (leaf), non-photosynthetic (tuber) and transportation (phloem) cells. The model of starch biosynthesis begins with the fixation of CO$_2$ from atmosphere to the Calvin cycle. Passing through a series of reactions, triose phosphate from Calvin cycle is converted to sucrose which is transported to sink cells and is eventually formed the amylose and amylopectin (starch constituents). After validating the model with data from a number of literatures, the results show that the structured model is a good representative of the studied system. The result of triose phosphate (DHAP and GAP) elevation due to lessening the aldolase activity is an illustration of the validation. Furthermore, the representative model was used to gain more understanding of starch production process such as the effect of CO$_2$ uptake on qualitative and quantitative aspects of starch biosynthesis.
아밀로즈는 ${\alpha}-1,4$ 결합으로 이루어진 포도당의 중합체로 곡류에서의 식품학적 기능성을 결정하는 가중 중요한 전분의 구성성분으로, 이의 함량은 단일 우성유전인자인 Wx 유전인자에 의하여 결정된다고 알려지고 있다. 지금까지 Wx 단백질이라고 알려지는 전분 합성 효소(starch-bound starch synthase)는 아밀로즈의 생합성에 관련된 효소로 아밀로즈의 함량을 조절하는 단백질로 알려져 왔다. 따라서 본 연구에서는 아밀로즈의 생합성 기작 연구의 한단계로 Wx 단백질인 아밀로즈 합성 효소를 동정하고 분리하였다. 아밀로즈의 함량이 매우 다양한 변이품종들로부터 전분 결합 단백질을 추출하고 이를 전기영동 분석을 통하여 비교분석하였다. 그 결과 전분과 결합하여 존재하는 66 kDa의 단백질이 전분 중 아밀로즈의 함량과 매우 높은 연관관계를 전기영동상에서 보여주고 있어, 이를 Wx 단백질로 동정하였다. 아울러 이 단백질을 전분으로부터 분리하고, gel filtration 과정을 통하여 순수 분리하는 정제 방법을 확립하였다.
한국작물학회 2017년도 9th Asian Crop Science Association conference
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pp.229-229
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2017
This research study was conducted to analyze the characteristics of different rice cultivars in abnormal temperature conditions (low temperature) for ripening period abnormalities, and to investigate the physiological causes behind the abnormalities. Four Korean high quality japonica-type rice cultivars, Jinbu (JB), Junamjosaeng (JJ), Geumyoung (GY), Hwawang (HW) were used in the experiment. The following day after flowering, they were then moved into two phytotrons under natural daylight with 65% RH but controlled at different temperatures - one at $19/29^{\circ}C$ (night/day) and the other at $13/23^{\circ}C$ as the low - temperature study on ripening. For the cultivars at $13/23^{\circ}C$ (low temperature study), JB and JJ had a ripening rate of 93% which is similar to the ripening rates of cultivars at $19/29^{\circ}C$ at 45 days after heading (DAH). In contrast, GY and HW recorded lower ripening rates of 86% and 57% respectively. However, when the cultivars at $13/23^{\circ}C$ were harvested at 61 DAH (when the accumulated temperature reached $1100^{\circ}C$), the difference in ripening rates compared to the 4 cultivars of $19/29^{\circ}C$ harvested at 45 DAH was not obvious (JB 94%, JJ 97%, GY 97%, HW 88%). Starch content showed little difference among the 4 cultivars at different temperature conditions while amylose content was higher for cultivars at $13/23^{\circ}C$ compared to those at $19/29^{\circ}C$. In addition, the enzyme activities of starch biosynthesis were about 5~10 days slower in cultivars at $13/23^{\circ}C$ compared to cultivars at $19/29^{\circ}C$. The grain-filling rate showed highly significant correlations with the enzyme activities of Sucrose synthase ($R^2=0.70^{***}$), ADP glucose pyrophosphorylase ($R^2=0.63^{***}$), UDP glucose pyrophosphorylase ($R^2=0.36^{***}$), Starch synthase ($R^2=0.51^{***}$), and Starch branching enzyme ($R^2=0.59^{***}$). Among the enzymes, Sucrose synthase activity had the highest correlation coefficient with grain-filling rate. In conclusion, the activity of enzymes such as Sucrose synthase, UDP glucose pyrophosphorylase, ADP glucose pyrophosphorylase, Starch synthase, Starch branching enzyme in starch biosynthesis is proven to be highly related to the grain filling process. Notably, the decrease in the activity of Sucrose synthase and Starch branching enzyme and the late increase in ADP glucose pyrophosphorylase activity at low temperature in the ripening stage are considered to be disadvantageous as they delay ripening and increased amylose content.
Generally, enzymes in the starch biosynthesis pathway exist in many isoforms, contributing to the difficulties in the dissection of their specific roles in controlling starch properties. In this study, we present an algorithm as an alternative method to classify isoforms of starch biosynthesis enzymes based on their conserved secondary structures. Analysis of the predicted secondary structure of plant soluble starch synthase I (SSI) and soluble starch synthase II (SSII) demonstrates that these two classes of isoform can be reclassified into three subsets, SS-A, SS-B and SS-C, according to the differences in the secondary structure of the protein at C-terminus. SS-A reveals unique structural features that are conserved only in cereal plants, while those of SS-B are found in all plants and SS-C is restricted to barley. These findings enable us to increase the accuracy in the estimation of evolutionary distance between isoforms of starch synthases. Moreover, it facilitates the elucidation of correlations between the functions of each enzyme isoforms and the properties of starches. Our secondary structure analysis tool can be applicable to study the functions of other plant enzyme isoforms of economical importance.
Starch serves not only as an energy source for plants, animals, and humans but also as an environmentally friendly alternative for fossil fuels. Progress in understanding of starch biosynthesis, and the isolation of many genes involved in this process have enabled the genetic modification of crops in a rational manner to produce novel starches with improved functionality. Starch is composed of two glucose polymers, amylose and amylopectin. The amylose and amylopectin ratio in starch affects its physical and physicochemical properties. Alteration in starch structure can be achieved by modifying genes encoding the enzymes responsible for starch biosynthesis and starch hydrolysis. Here, we describe recent findings concerning the starch modification in sweetpotato. Sweetpotato [Ipomoea batatas (L.) Lam] ranks seventh in annual production among food crops in the world as an important starch source. To develop transgenic sweetpotato plants with modifying starch composition, we constructed transformation vectors overexpressing granule bound starch synthase I and inhibiting amylopectin synthesis genes such as starch branching enzyme and isoamylase under the control of 35S promoter, respectively. Transformation of sweetpotato (cv. Yulmi) is in progress.
Yoon-Hee Jang;Jae-Ryoung Park;Eun-Gyeong Kim;Kyung-Min Kim
한국작물학회:학술대회논문집
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한국작물학회 2022년도 추계학술대회
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pp.286-286
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2022
The properties of starch play an important role in determining the palatability of rice. In addition, the gelatinization temperature (GT) of rice starch is an important factor in determining the quality of rice because it is related to the cooking time and texture of rice. For the development of high-quality rice, it is important to understand the genetic basis of palatability-related traits, and QTL analysis is an effective method to explain the genetic basis of variation in complex traits. QTL mapping related to alkali digestion value (ADV) of brown and milled rice was performed using the 120 Cheongcheong/Nagdong double haploid (CNDH) line. As a result, 12 QTLs related to ADV were detected, and 20 candidate genes were selected from the RM588-RM1163 region of chromosome 6 through screening by gene function analysis. The comparison of the relative expression level of candidate genes showed that OsSS1q6 is highly expressed in CNDH lines with high ADV in both brown rice and milled rice. In addition, OsSS1q6 has high homology with starch synthase 1 protein, and interact with various starch biosynthesis-related proteins, such as GBSSII, SBE, and APL. Therefore, we suggest that OsSS1q6 identified through QTL mapping could be one of the various genes involved in the GT of rice by regulating starch biosynthesis. This study can be used as basic data for breeding high-quality rice and provides a new genetic resource that can increase the palatability of rice.
Starch contents play important roles in determining the fruit quality. Stawberry accumulates starch in the early stages and then mobilized into soluble sugars during fruit ripening. To date the molecular studies on the ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), a key enzyme of starch biosynthesis, were not reported. cDNAs encoding small (FagpS) and large (FagpL1 and FaspL2) AGPase subunits were isolated from strawberry (Fragaria ${\times}$ ananassa Duch. cv. Niyobou). Both FagpS and FagpL1 cDNAs have open reading frames deriving 55-58 kDa polypeptides, where FagpL2 contains a partial fragment. Sequence analyses showed that FagpS has a glutamate-threonine-cysteine-leucine (ETCL) instead of a glutamine-threonine-cysteine-leucine (QTCL) motif found in all the dicot plants except for Citrus. In fruits, FagpS and FagpL1 were expressed in all stages with a little change in the amounts of transcripts. In the case of FagpL2, we were not able to detect any signal from all stages of fruit development and all tissues except for very a weak signal from the leaf. The results indicate that FagpL1 and FagpL2 show ubiquitous and leaf-specific expression patterns, respectively. The studies suggest that the starch contents in strawberry might be controlled by the expression of AGPase gene at both the transcriptional and post-transcriptional levels during fruit development.
Kim, Sang-Kuk;Choi, Hong-Jib;Kang, Sang-Mo;Lee, In-Jung;Kim, Hak-Yoon
한국작물학회지
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제56권1호
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pp.94-98
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2011
Proximate chemical components (protein, oil, carbohydrate, ash, fiber, and starch) were determined from tubers grown in upland and wetland conditions. The contents of crude protein, oil, carbohydrate, and starch were higher in upland condition than in wetland condition. Eight gibberellins were commonly identified and quantified in leaves and tuber of chufa grown in wetland and upland field during growing season. Gibberellin content was always higher specifically in the leaves and tubers grown in wetland condition than in those grown in upland condition. The current knowledge of gibberellin biosynthesis suggests that the two endogenous bio-active gibberellins both $GA_1$ and $GA_4$ are differently metabolized according to cultural conditions. Major gibberellin biosynthesis route is ascertained dominantly the non C-13 hydroxylation pathway leading $GA_4$ in chufa plants.
The objective of this study was to determine the effects of low temperature on starch accumulation in rice grains. We used four major Japonica-type Korean rice cultivars as materials: Jinbu (JB), Junamjosaeng (JJ), Geumyoung (GY), and Hwawang (HW). Rice plants were moved into two phytotrons the day after heading. Temperatures in the two phytotrons were maintained at $19/29^{\circ}C$ (night/day) as the control, and $13/23^{\circ}C$ as the low temperature condition, both under natural daylight with a relative humidity of 65%. The ripening rates of JB and JJ showed no significant difference between the low temperature and control conditions at 45 days after heading (DAH). In contrast, the ripening rates of GY and HW were 86% and 57% lower than those of JB and JJ under the low temperature condition at 45 DAH, respectively. However, the ripening rates of these four varieties at 61 DAH (when accumulated temperature reached $1,100^{\circ}C$) under the low temperature condition were similar to those at 45 DAH under the control condition (JB, 94%; JJ, 97%; GY, 97%; HW, 88%). The total starch contents showed no significant difference between the control and low temperature conditions. However, the amylose contents in the cultivars were higher under the low temperature than under the control condition. The enzyme activities of starch biosynthesis were about 5-10 days slower in cultivars under the low temperature than under the control. The grain-filling rate showed significant correlations with the enzyme activities of SuSase ($r^2=0.70^{***}$), AGPase ($r^2=0.63^{***}$), UDPase ($r^2=0.36^{***}$), StSase ($r^2=0.51^{***}$), and SBE ($r^2=0.59^{***}$). In conclusion, although StSase activity was increased at $13/23^{\circ}C$ up to 20 DAH, there might not be enough time for SBE to synthesize amylopectin, thus affecting the amylose content of HW, which had the slowest grain filling rate. Notably, the decreased activity of SuSase and SBE and late increase in AGPase activity under the low temperature during the ripening stage are considered to be disadvantageous, as they delay ripening and increase the amylose content.
The induction of glucoamylase biosynthesis from the yeast Candida tsukubaensis by different carbon sources was investigated by using either an enzyme activity assay or immunoblot analysis. The induction by C. tsukubaensis appears to be independent of the carbon sources, although the level of enzyme activity was lower in slowly utilizable carbon sources such as galactose. This glucoamylase is a constitutive enzyme and its biosynthesis is resistant to carbon catabolite repression. Glucose was more effective for the enzyme induction than starch, maltose or glycerol. In addition, this enzyme is regulated by both induction and repression.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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