雷春霞 李燦輝 陳永坤，3 龔明

（1.云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 生物能源持續(xù)開發(fā)利用教育部工程研究中心 云南省生物質(zhì)能與環(huán)境生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；2.云南師范大學(xué)馬鈴薯科學(xué)研究院 云南省馬鈴薯生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，昆明 650500；3.新疆師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830054）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是繼小麥、水稻之后，全球第三大糧食作物，糧菜兼用，營(yíng)養(yǎng)豐富，根據(jù)單位種植面積產(chǎn)生的供人體消耗的卡路里，它是世界上最高效的糧食作物［1-3］。馬鈴薯在中國(guó)的種植面積和總產(chǎn)量均位居世界第一，但單位面積產(chǎn)量?jī)H為發(fā)達(dá)國(guó)家的1/3左右［2］。為保障國(guó)家糧食安全、促進(jìn)農(nóng)民持續(xù)增收，2015年初，我國(guó)啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略［4］。馬鈴薯塊莖形成過程是馬鈴薯植株最重要的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量決定事件之一，對(duì)其進(jìn)行深入研究有利于改進(jìn)和提高馬鈴薯塊莖的產(chǎn)量和質(zhì)量。

馬鈴薯起源于氣候相對(duì)涼爽的南美安第斯山脈，塊莖是由地下匍匐莖膨大形成的淀粉儲(chǔ)存器官，其形成受內(nèi)部因素與環(huán)境條件互做的調(diào)控。在馬鈴薯生長(zhǎng)的各發(fā)育階段，結(jié)薯期是受外界環(huán)境影響最敏感的階段，不同地區(qū)的氣候差異限制其種植區(qū)域和實(shí)際產(chǎn)量［5］。本文概述了馬鈴薯塊莖形成的生理生化基礎(chǔ)，討論了塊莖誘導(dǎo)形成過程中信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及相關(guān)基因、蛋白、miRNAs、激素和第二信使分子等對(duì)塊莖形成的調(diào)節(jié)，構(gòu)建了塊莖誘導(dǎo)形成過程中可能的分子互作網(wǎng)絡(luò)，展望了未來(lái)研究的方向和可能的突破點(diǎn)。隨著各類生物技術(shù)的成熟與應(yīng)用，通過分子遺傳改良提高馬鈴薯產(chǎn)量成為一種發(fā)展趨勢(shì)［5-7］；而闡明塊莖形成的分子機(jī)制，可為將來(lái)通過精準(zhǔn)分子育種提高馬鈴薯產(chǎn)量和改良品質(zhì)提供理論基礎(chǔ)。

1 馬鈴薯塊莖形成的生理生化基礎(chǔ)

馬鈴薯植株生長(zhǎng)發(fā)育到一定時(shí)期形成匍匐莖，在特定的誘導(dǎo)條件下，匍匐莖進(jìn)一步膨大形成塊莖，該過程涉及一系列的生理生化變化，如內(nèi)源激素成分、含量及其比值發(fā)生明顯的變化，植株葉片光合速率提高、同化物外運(yùn)速度加快、匍匐莖頂端的蔗糖和淀粉含量增加以及特異蛋白的出現(xiàn)等［8］。早先的C/N 假說認(rèn)為，馬鈴薯植株中C∶N比率的變化與塊莖形成密切相關(guān)，在短日照（SDs）條件下，碳水化合物在匍匐莖亞頂端積累引起C∶N 比率增加，從而誘導(dǎo)塊莖形成［9］。Zheng等［10］的研究也表明，隨著CO2濃度的增加，馬鈴薯植株C∶N比率增大，塊莖形成時(shí)間提早，施氮量的減少也會(huì)導(dǎo)致C∶N比率的升高和塊莖形成時(shí)間的提前［10］。

1.1 馬鈴薯塊莖形成的過程

馬鈴薯塊莖的形成是一個(gè)復(fù)雜的發(fā)育過程，包括幾個(gè)連續(xù)的階段：匍匐莖的發(fā)生和伸長(zhǎng)、隨后頂端彎曲成鉤狀，亞頂端區(qū)域膨大形成塊莖（圖1）。在匍匐莖生長(zhǎng)過程中，細(xì)胞分裂主要局限于頂芽和接近頂端垂直于匍匐莖生長(zhǎng)軸方向的區(qū)域。塊莖形成啟動(dòng)后，匍匐莖停止生長(zhǎng)，匍匐莖亞頂端區(qū)域髓區(qū)、環(huán)髓區(qū)和皮層細(xì)胞的數(shù)量增多與體積增大引起塊莖膨大，這一過程中伴隨著淀粉合成和一組特定的貯藏蛋白質(zhì)的積累［1，11-12］。匍匐莖的伸長(zhǎng)和塊莖的膨大是連續(xù)的、密切相關(guān)的兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)育階段，受外界環(huán)境和內(nèi)源激素的共同調(diào)控［1，5，13］。然而，并非所有的匍匐莖都能產(chǎn)生塊莖。受遺傳基因、外界環(huán)境及栽培條件的影響，一般來(lái)說，匍匐莖的成薯率為50%-70%［14］。在某些情況如在離體培養(yǎng)或在黑暗中，塊莖也可以從地上莖的芽或先前發(fā)育的塊莖中產(chǎn)生。因此，匍匐莖的形成和生長(zhǎng)并不一定是塊莖形成的必經(jīng)階段。

圖1 離體培養(yǎng)條件下馬鈴薯塊莖形成過程圖示Fig.1 Illustration of S.tuberosum tuberization in vitro

1.2 影響馬鈴薯塊莖形成的內(nèi)部因素

1.2.1 基因型和生理年齡 馬鈴薯塊莖形成主要由其遺傳特性調(diào)控，同樣的外部環(huán)境，不同品種的馬鈴薯結(jié)薯能力不同［15］。另外，馬鈴薯植株發(fā)育階段也是決定塊莖形成的重要因素，植株必須達(dá)到一定的生理年齡才能對(duì)誘導(dǎo)塊莖形成的環(huán)境因素作出響應(yīng)。塊莖形成過程需要生化代謝途徑和形態(tài)發(fā)生過程的精確同步，其受特定基因表達(dá)的調(diào)控，同時(shí)負(fù)責(zé)誘導(dǎo)塊莖形成的信號(hào)分子（如各種信號(hào)蛋白、mRNAs、miRNAs、植物激素和糖）的產(chǎn)生伴隨著塊莖的誘導(dǎo)與形成［16］。

1.2.2 植物激素 馬鈴薯塊莖形成受到多種植物激素的共同調(diào)控，各種激素對(duì)塊莖形成的功能不一。大量研究表明赤霉素（gibberellins，GAs）是植物激素中調(diào)控馬鈴薯塊莖形成的主要負(fù)調(diào)控因子［17］。抑制結(jié)薯發(fā)生的主要生物活性GAs是GA1和GA3，它們?cè)谫橘肭o生長(zhǎng)過程中含量高，在塊莖形成前迅速下降［16，18］。GAs在塊莖形成中作用的另一個(gè)證據(jù)是，施用GAs生物合成抑制劑（如氯膽堿、多效唑或嘧啶醇）可以促進(jìn)塊莖的形成［16］。

與GAs不同，細(xì)胞分裂素（CKs）能促進(jìn)馬鈴薯的塊莖形成［19］。離體培養(yǎng)條件下，CKs可通過促進(jìn)細(xì)胞分裂來(lái)促進(jìn)塊莖形成［20-21］。此外，在塊莖形成之前，匍匐莖中的生長(zhǎng)素（IAA）水平升高，在隨后的塊莖生長(zhǎng)期間仍保持較高水平，表明生長(zhǎng)素在塊莖形成中的促進(jìn)作用［22］。而脫落酸（ABA）可能是通過降低GA的活性來(lái)促進(jìn)塊莖形成［23］。在塊莖形成起始階段，ABA/GA比值迅速上升，塊莖膨大期間，ABA含量上升，GA含量下降；但二者的絕對(duì)濃度變化并不是影響塊莖形成的關(guān)鍵因素，重要的是GA/ABA比值起決定作用［24］。因此，ABA與GA相互作用來(lái)參與塊莖形成調(diào)控。

乙烯也參與了匍匐莖生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。乙烯及其前體乙烯利對(duì)匍匐莖伸長(zhǎng)具有抑制作用，而對(duì)頂端膨大具有促進(jìn)作用［25］。此外，施用茉莉酸（JA）可增加分生組織的厚度，匍匐莖彎曲部位和初膨大匍匐莖的細(xì)胞面積分別增大達(dá)4倍和6倍，使亞頂端區(qū)域分生組織膨大形成塊莖［26］。JA還對(duì)塊莖干物質(zhì)和淀粉的積累有促進(jìn)作用，而CKs在塊莖形成中對(duì)JA 具有拮抗作用［27］。

總體而言，植物激素是馬鈴薯塊莖形成的關(guān)鍵因子，不同激素對(duì)塊莖形成的影響存在互作效應(yīng)，對(duì)這種互作效應(yīng)的分子解析將有助于更好地理解植物激素對(duì)塊莖形成調(diào)控的分子機(jī)制。

1.2.3 淀粉和蛋白質(zhì) 馬鈴薯塊莖的誘導(dǎo)與形成涉及一系列生理生化變化，如植株光合速率增加，同化產(chǎn)物的運(yùn)輸加快，干物質(zhì)快速積累，形成塊莖的匍匐莖頂端蔗糖、淀粉及塊莖特異蛋白含量增加。

塊莖形成伴隨著匍匐莖頂端淀粉合成的急劇增加和ADP-葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）含量和活性的同時(shí)升高；AGPase是淀粉合成的關(guān)鍵酶，因此，淀粉曾一度被認(rèn)為是塊莖誘導(dǎo)形成所必需的［28］。在反義AGPase基因植株中，淀粉合成受阻，合成量?jī)H為正常植株的2%，但塊莖形成數(shù)量并未降低，甚至還高于正常植株。因此，淀粉合成對(duì)塊莖誘導(dǎo)形成沒有直接影響，但淀粉的積累會(huì)最終影響塊莖產(chǎn)量［29-31］。Andersson等［32］的研究表明，通過 RNAi下調(diào)馬鈴薯質(zhì)體水溶性無(wú)機(jī)焦磷酸酶（psPPase）基因，塊莖總淀粉和直鏈淀粉含量顯著降低，淀粉顆粒減小，糖中間體的數(shù)量發(fā)生了變化，ADP-葡萄糖含量顯著增加。單個(gè)下調(diào)StpsPPase基因或ATP/ADP轉(zhuǎn)運(yùn)體基因StNTT均可提高單株塊莖數(shù)量和鮮重；相反，當(dāng)這兩個(gè)基因同時(shí)被抑制時(shí)，一些株系只發(fā)育出少數(shù)形狀扭曲的小塊莖，表明PPase水解PPi對(duì)馬鈴薯塊莖中功能淀粉的積累至關(guān)重要［32］。這暗示著未來(lái)可望通過改變淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)或敲除來(lái)提高塊莖產(chǎn)量。

塊莖形成的過程還伴隨著一些貯藏蛋白的動(dòng)態(tài)變化。塊莖貯藏蛋白Patatin僅在馬鈴薯塊莖形成過程中才在匍匐莖頂端特異性的出現(xiàn)和累積，其含量占?jí)K莖總可溶性蛋白含量的 40% 左右，被認(rèn)為是塊莖形成的生化標(biāo)志；蛋白酶抑制劑Ⅱ（protease inhibitor Ⅱ，Pin Ⅱ）是在塊莖發(fā)生后才開始出現(xiàn)和逐漸積累的。Patatin和 Pin Ⅱ只存在于塊莖中，其含量大約占?jí)K莖總可溶性蛋白含量的 60%以上［33］，其作用尚待進(jìn)一步深入研究。

1.3 影響馬鈴薯塊莖形成的外界因素

各種環(huán)境因子中，溫度和光照是影響馬鈴薯塊莖形成最重要的因素，水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)對(duì)塊莖形成也有一定影響。

1.3.1 溫度 塊莖的誘導(dǎo)和形成、數(shù)量、大小和產(chǎn)量都受到溫度的影響［34］。塊莖發(fā)生的最低溫度是4-5℃，但生長(zhǎng)遲緩；最適溫度為15.6-18.3℃；高于2l℃，塊莖的生長(zhǎng)速度減慢［35］。在塊莖形成期間，夜間溫度的影響尤為關(guān)鍵，當(dāng)夜晚的溫度增加至25-27℃時(shí)，塊莖的數(shù)量和重量均大幅度減少。因此，低溫可以使馬鈴薯結(jié)薯提早，高溫則會(huì)延遲甚至是完全抑制塊莖形成［36-37］。

1.3.2 光照 光周期在誘導(dǎo)馬鈴薯塊莖形成的啟動(dòng)過程中起著重要的作用。SDs有利于結(jié)薯，長(zhǎng)日照（LDs）抑制或延遲塊莖形成［38］。不同基因型對(duì)光周期反應(yīng)不一，如野生種S.tuberosum ssp.andigena的塊莖形成受光周期嚴(yán)格控制，而有些廣泛種植的栽培品種盡管對(duì)光周期不敏感，但減少日照時(shí)間和降低溫度仍然可以促進(jìn)其塊莖形成［39］。

光照強(qiáng)度也影響塊莖形成。低光照強(qiáng)度通過降低光合速率，導(dǎo)致蔗糖合成水平和濃度降低，進(jìn)而延遲結(jié)薯。此外，低光強(qiáng)對(duì)塊莖形成的影響類似于高溫，較高光照水平可以緩解高溫對(duì)塊莖形成的抑制作用。低光照強(qiáng)度能增加馬鈴薯葉片中的GAs水平，因此推測(cè)溫度和光照強(qiáng)度都可通過調(diào)控GAs代謝來(lái)介導(dǎo)塊莖形成［37］。

1.3.3 水分與礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng) 馬鈴薯植株的蒸騰系數(shù)在400-600之間，屬于需水較多作物，充足的水分供給對(duì)于塊莖的形成至關(guān)重要。塊莖誘導(dǎo)形成階段需水量約占整個(gè)生育期的23%-28%以上，塊莖逐漸膨大的過程占45%-50%以上，水分供應(yīng)不足會(huì)延遲甚至抑制塊莖形成，水分供應(yīng)過多則會(huì)導(dǎo)致塊莖品質(zhì)下降［40］。

土壤營(yíng)養(yǎng)狀況也會(huì)影響馬鈴薯的塊莖形成。氮素營(yíng)養(yǎng)對(duì)塊莖形成有顯著影響，氮素形態(tài)、濃度及其施用時(shí)間與塊莖形成時(shí)間和最終產(chǎn)量密切相關(guān)［9，41］。合理的氮、磷、鉀肥施用和最佳配比配施有機(jī)肥能夠提高馬鈴薯的產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，適當(dāng)?shù)氖┯免}肥可以增加塊莖數(shù)量和提高產(chǎn)量［42-44］。

2 馬鈴薯塊莖誘導(dǎo)形成過程中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

馬鈴薯塊莖形成過程中受到多種內(nèi)部因素和外界環(huán)境的誘導(dǎo)，引發(fā)多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，這些途徑又有上下游關(guān)系和相互作用。

2.1 光周期信號(hào)途徑

光周期在馬鈴薯塊莖誘導(dǎo)形成中起重要作用。馬鈴薯植株通過葉片感知光周期，葉片中的光受體（photoreceptor）感知光信號(hào)后，將光信號(hào)傳遞給晝夜節(jié)律鐘（circadian clock）和節(jié)律調(diào)節(jié)基因（circadian regulated genes），并由它們將信號(hào)向下游傳遞［45］。

2.1.1 光周期信號(hào)的感知 馬鈴薯中與光周期誘導(dǎo)塊莖形成有關(guān)的重要光受體是光敏色素A（StPHYA）、光敏色素B（StPHYB）和光敏色素F（StPHYF）［45-46］。StPHYA能夠在遠(yuǎn)紅外光條件下感知光信號(hào)，參與馬鈴薯生物節(jié)律的重建并調(diào)控塊莖形成。StPHYB能夠在綠色葉片中穩(wěn)定積累，作為長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)男盘?hào)分子，在紅光條件下參與光周期變化的感知，StPHYF與StPHYB以異源二聚體的形式介導(dǎo)馬鈴薯塊莖形成的潛在光周期調(diào)控模式，LDs條件下抑制塊莖形成［45-46］。馬鈴薯中的另一個(gè)藍(lán)光受體蛋白FLAVINBINDING KELCH REPEAT F-BOX PROTEIN 1（FKF1）與晝夜節(jié)律鐘的重要核心調(diào)控蛋白GIGANTEA（GI）形成復(fù)合物（StFKF1/StGI），感知藍(lán)光來(lái)測(cè)量日長(zhǎng)［47］。

2.1.2 光周期信號(hào)的傳遞及對(duì)塊莖形成的調(diào)控

2.1.2.1 CONSTANS（CO）與 CYCLING DOF FACTOR 1（CDF1） 轉(zhuǎn)錄因子CONSTANS（CO）是調(diào)控開花和塊莖形成的重要基因，晝夜節(jié)律鐘對(duì)該基因的表達(dá)具有嚴(yán)格的調(diào)控作用［45］。在馬鈴薯中CO有兩種形式（StCO1 和 StCO2），StCO1/2又稱 StCOL1/2，對(duì)塊莖形成起負(fù)調(diào)控作用［48］，在馬鈴薯中過表達(dá)StCO延遲塊莖形成，StCO對(duì)塊莖形成的負(fù)調(diào)控作用可以通過嫁接傳遞［49］。DOF（DNA-binding with one finger）基因家族是植物專有的一類轉(zhuǎn)錄因子，參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中多種基因的表達(dá)。CYCLING DOF FACTOR 1（CDF1）蛋白屬于DOF轉(zhuǎn)錄因子家族，馬鈴薯中的CDF1（StCDF1）是生物鐘組件StGI1和StFKF1的下游作用因子，與 StGI1和StFKF1相互作用，StFKF1/StGI復(fù)合物調(diào)節(jié)StCDF1的穩(wěn)定性，而StCDF1的穩(wěn)定性控制StCOL1/2基因的表達(dá)，因此，StCDF1是晝夜節(jié)律鐘調(diào)控StCO環(huán)節(jié)中的重要分子［45，47，50］。

2.1.2.2 FLOWERING LOCUST（FT，成花素）同源基因 產(chǎn)生于葉片并可以在植物韌皮部運(yùn)輸?shù)腇T蛋白被認(rèn)為是誘導(dǎo)開花的信號(hào)分子，成花素基因FT是CO調(diào)控開花的直接下游基因，CO蛋白是調(diào)控FT基因的轉(zhuǎn)錄因子［49］。煙草和馬鈴薯的嫁接實(shí)驗(yàn)表明，開花和塊莖形成是通過相同的移動(dòng)信號(hào)來(lái)介導(dǎo)的，成花素是開花的移動(dòng)信號(hào)，也可以誘導(dǎo)塊莖形成，被稱為成薯素［38］。在馬鈴薯中有4種FT同源基因：StSP6A、StSP5G、StTFL1和StSP3D。其中，StSP6A的激活與塊莖誘導(dǎo)形成密切相關(guān)［45，48-49］。

StSP6A蛋白是產(chǎn)生于葉片的移動(dòng)信號(hào)，可以移動(dòng)到地下匍匐莖的莖尖誘導(dǎo)塊莖形成。過表達(dá)StSP6A株系可使塊莖形成提前，并且在非誘導(dǎo)（LDs）條件下形成塊莖［48］。沉默StSP6A，在SDs條件下延遲結(jié)薯，但最終產(chǎn)量與野生型相比相差無(wú)幾［48］。StSP6A參與塊莖形成起始的激活，但是可能不參與后期的塊莖形成［48］。在早熟品種中，StSP6A基因的表達(dá)量較高，而晚熟品種StSP6A基因的表達(dá)量相對(duì)較低。使用誘導(dǎo)型啟動(dòng)子誘導(dǎo)StSP6A可引起幾個(gè)塊莖標(biāo)記基因（包括StGA2OX1）的激活。在一個(gè)光周期響應(yīng)品種中，SDs誘導(dǎo)葉片和匍匐莖中StSP6A的mRNA 積累，StSP6A大量表達(dá)促進(jìn)結(jié)薯［48-49］。但這種轉(zhuǎn)錄調(diào)控的機(jī)制目前還不明確。

LDs條件下，StPHYB感知光信號(hào)，再由光受體E3泛素化連接酶FKF1與核蛋白GI形成復(fù)合體，該復(fù)合體能夠分解調(diào)節(jié)StCOL1/2基因的轉(zhuǎn)錄因子StCDF1，使StCOL1/2基因大量表達(dá)，抑制StSP6A基因的表達(dá)，抑制結(jié)薯［50-52］。StCOL1/2對(duì)塊莖誘導(dǎo)的影響可以通過嫁接傳遞表明StCOL1/2參與遠(yuǎn)程調(diào)控信號(hào)分子的基因表達(dá)，這與StCDF1抑制StCOL1/2轉(zhuǎn)錄和增強(qiáng)StSP6A活性相一致。StCOL1/2對(duì)StSP6A的抑制作用也受StSP5G的控制，LDs能夠促進(jìn)StPHYF與StPHYB結(jié)合形成異源二聚體，穩(wěn)定StCOL1并激活StSP5G基因的表達(dá)，進(jìn)而抑制StSP6A的表達(dá)，使馬鈴薯在LDs下結(jié)薯受阻［39，46］。此外，在誘導(dǎo)塊莖形成前，F(xiàn)T同源基因StTFL1 mRNA在匍匐莖中的豐度較高，在塊莖發(fā)育的早期下降，過表達(dá)StTFL1可引起塊莖產(chǎn)生數(shù)量的增加［53］，表明StTFL1在塊莖誘導(dǎo)和發(fā)育中的促進(jìn)作用。已發(fā)現(xiàn)StSP3D可控制開花途徑［48］，但對(duì)馬鈴薯塊莖形成的影響至今尚未見報(bào)道。

2.1.2.3 StBEL5與 POTH1 StBEL5（Solanum tuberosum BEL5） 和 POTH1（potato homeobox1） 是 馬鈴薯中兩個(gè)相互作用的三氨基酸環(huán)擴(kuò)展（TALE）蛋白［54］。

StBEL5 mRNA產(chǎn)生于葉片，通過韌皮部被運(yùn)輸?shù)降叵沦橘肭o的莖尖誘導(dǎo)塊莖形成［55］。StBEL5基因在葉片中的表達(dá)受低水平藍(lán)光和紅光的刺激，而不受日照長(zhǎng)度的影響。在幾個(gè)獨(dú)立的株系中過表達(dá)StBEL5引起結(jié)薯提早、結(jié)薯率增加，而RNA干擾抑制StBEL5則顯著降低塊莖產(chǎn)量［56］。StBEL5蛋白激活多種塊莖形成基因，如StSP6A和StCDF1基因［39，56］。在誘導(dǎo)條件下，產(chǎn)生于葉片的StSP6A 和StBEL5通過mRNA作為移動(dòng)信號(hào)被運(yùn)輸?shù)劫橘肭o莖尖誘導(dǎo)塊莖形成，StCOL1/2通過抑制葉片中StSP6A和 StBEL5 mRNAs的積累抑制塊莖形成［57］。

馬鈴薯中的POTH1 基因受光誘導(dǎo)表達(dá)，編碼POTH1的 mRNA被運(yùn)輸?shù)劫橘肭o頂端參與塊莖形成［45］。Chen等［54］的研究發(fā)現(xiàn) POTH1和 StBEL5協(xié)同互作抑制馬鈴薯赤霉素氧化酶基因StGA20ox1的表達(dá)，StGA20ox1能夠?qū)⒕哂猩锘钚缘腉A1、GA4轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)活性的GA8和GA34，從而調(diào)節(jié)塊莖形成期間的GA合成。StBEL5-POTH1復(fù)合體還可以增加細(xì)胞分裂素水平。這表明StBEL5和伙伴蛋白POTH1相互作用，通過調(diào)節(jié)匍匐莖頂端激素水平介導(dǎo)塊莖形成［45，54］。

2.1.2.4 參與塊莖誘導(dǎo)調(diào)控的microRNAs 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)馬鈴薯中的兩種microRNAs（miR172和miR156）可作為移動(dòng)的信號(hào)分子來(lái)調(diào)控塊莖形成［58，59］。

StPHYB和StBEL5參與了馬鈴薯塊莖誘導(dǎo)對(duì)光周期的響應(yīng)，然而它們是否在相同的結(jié)薯途徑中起作用尚不清楚。Martin等［58］的研究表明，miR172在SDs下的表達(dá)量更高，在塊莖形成的起始階段，匍匐莖中miR172的表達(dá)量上調(diào)。在馬鈴薯中過表達(dá)miR172，在適宜的光周期誘導(dǎo)條件下可促進(jìn)開花、加速塊莖形成，LDs條件下也能誘導(dǎo)塊莖形成。在LDs條件下結(jié)薯的植株中StPHYB的豐度降低，StBEL5 mRNA和miR172水平在葉片中降低，在匍匐莖中增加。再加上維管束中miR172的存在以及嫁接傳遞對(duì)塊莖形成的影響，表明miR172可能是可移動(dòng)的，或者是通過調(diào)節(jié)遠(yuǎn)距離信號(hào)誘導(dǎo)結(jié)薯。與此一致的是，過表達(dá)miR172的植株中StBEL5 mRNA水平升高，而StBEL5可以作為移動(dòng)信號(hào)參與塊莖形成［57］。這些結(jié)果表明，miR172可能作用于結(jié)薯抑制因子StPHYB的下游和結(jié)薯促進(jìn)因子StBEL5的上游，由StPHYB、miR172和StBEL5協(xié)同控制結(jié)薯的過程［58］。

LDs條件下，miR156在馬鈴薯葉片和莖中顯示較高的豐度，而在SDs條件下，匍匐莖中的miR156豐度增加，這表明miR156受光周期調(diào)控。過表達(dá)miR156的馬鈴薯植株塊莖產(chǎn)量下降，miR172和SPLs水平都下降，研究表明miR156是通過StSPL9轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)miR172，進(jìn)而對(duì)塊莖的形成起負(fù)調(diào)控作用［59］。

綜上所述，光周期對(duì)馬鈴薯塊莖發(fā)生的調(diào)控與其遺傳機(jī)制密切相關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的綜合調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。馬鈴薯葉片中的光受體StPHYA、StPHYB等首先感知光信號(hào)，并將光信號(hào)傳遞給晝夜節(jié)律鐘的重要核心調(diào)控蛋白復(fù)合物StFKF1/StGI，StGI可以調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子StCDF1的含量，最終負(fù)調(diào)控StCO的表達(dá)。同時(shí)，StPHYA、StPHYB和StPHYF等還可以直接對(duì)StCO的表達(dá)量進(jìn)行調(diào)控［45-48］。StCO可以調(diào)控StSP6A、StBEL5的表達(dá)。而StSP5G對(duì)StSP6A起負(fù)調(diào)控作用，從而抑制塊莖形成［39，49］。StBEL5-POTH1 復(fù)合體通過調(diào)節(jié)匍匐莖頂端激素水平介導(dǎo)塊莖形成［54］。miR172也受StGI的調(diào)控，并影響StBEL5的表達(dá)［58］。miR156是通過StSPL9轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)miR172，進(jìn)而影響塊莖形成［59］。

雖然光周期調(diào)控馬鈴薯塊莖形成的分子機(jī)理研究已經(jīng)取得了許多重要進(jìn)展，但其中一些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)推測(cè)而來(lái)的，未來(lái)仍需要大量研究來(lái)證實(shí)。

2.2 溫度信號(hào)途徑

溫度是另一個(gè)重要的控制塊莖形成的外部信號(hào)。已知較高環(huán)境溫度不利于塊莖形成。Menzel［60］的研究表明，高溫對(duì)塊莖形成的抑制作用是通過增加GA水平介導(dǎo)的，用GA生物合成抑制劑氯乙基三甲基氯化銨（矮壯素）處理植株或莖段，可克服由高溫引起的對(duì)塊莖形成的抑制作用。然而，GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中溫度響應(yīng)組件的分子機(jī)制尚未建立。

高溫可通過減少同化物進(jìn)入塊莖的量和增加植株其它部分的量來(lái)影響同化物的分配。高的土壤溫度并不影響誘導(dǎo)信號(hào)的產(chǎn)生，但會(huì)阻止匍匐莖形成塊莖［61］。在高的土壤溫度下匍匐莖會(huì)向上生長(zhǎng)，一旦它們到達(dá)土壤表面遇到冷空氣，則形成塊莖。炎熱的天氣會(huì)使塊莖上長(zhǎng)出匍匐莖，這一過程稱為熱發(fā)芽。如果在熱發(fā)芽后溫度變冷，在匍匐莖尖將會(huì)開始形成一個(gè)新的塊莖，通過高/低溫的重復(fù)循環(huán)可以形成一個(gè)“鏈塊莖”［37］。

作為馬鈴薯塊莖形成的重要調(diào)控分子，StSP6A的積累除了依賴于日照長(zhǎng)度外，還受溫度控制。高溫導(dǎo)致StSP6A的表達(dá)下調(diào)，這與塊莖產(chǎn)量下降有很高的相關(guān)性。但其分子機(jī)制目前并不清楚［48，62-63］。

外界環(huán)境對(duì)馬鈴薯塊莖形成的誘導(dǎo)可能是光周期和溫度共同作用的結(jié)果。盡管有充分證據(jù)表明環(huán)境溫度影響馬鈴薯塊莖形成，但其分子機(jī)制目前知之甚少。這一部分尚需借鑒光周期信號(hào)途徑的研究成果，闡明環(huán)境溫度如何觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來(lái)調(diào)控馬鈴薯塊莖的誘導(dǎo)與形成。

2.3 植物激素信號(hào)途徑

塊莖形成是環(huán)境信號(hào)和內(nèi)源激素互作的結(jié)果。大量研究表明，多種植物激素對(duì)塊莖形成的各個(gè)階段都有顯著影響，同一種植物激素對(duì)塊莖形成的不同階段影響不同［64］。

GA參與多種外界因素（光周期、溫度、氮素等）對(duì)塊莖形成的影響。大量研究表明GA不僅抑制塊莖發(fā)生的誘導(dǎo)，還抑制塊莖形成的啟動(dòng)［65］。GA可刺激匍匐莖的萌發(fā)、生長(zhǎng)和分枝。高的GA水平有利于匍匐莖的萌發(fā)，但不利于塊莖發(fā)生。因?yàn)閴K莖發(fā)生與匍匐莖生長(zhǎng)停止及其頂端細(xì)胞分裂有關(guān)，伴隨著GA含量減少，匍匐莖伸長(zhǎng)停止。因此，所有誘導(dǎo)塊莖發(fā)生的條件，如SDs、較低生長(zhǎng)溫度和有限的氮供應(yīng)，都能顯著降低匍匐莖中GA的含量［65］。

馬鈴薯結(jié)薯非誘導(dǎo)狀態(tài)與高的內(nèi)源GA水平相關(guān)。LDs條件下，馬鈴薯葉片中GA活性和含量比SDs誘導(dǎo)條件下高出數(shù)倍。SDs條件下，用GA處理的植株結(jié)薯延遲。LDs條件下，用抑制劑阻斷GA合成可以促進(jìn)塊莖的形成［65］。在馬鈴薯塊莖發(fā)育的早期階段，可見的膨大之前，GA 2-氧化酶基因（StGA2ox1）的表達(dá)上調(diào)，它主要在匍匐莖的亞頂端區(qū)域和生長(zhǎng)的塊莖中表達(dá)，因此，StGA2ox1的作用是在塊莖萌發(fā)早期，在塊莖形成的起始階段改變匍匐莖亞頂端區(qū)域的GA水平，促進(jìn)塊莖發(fā)育和生長(zhǎng)［14，52］。

轉(zhuǎn)基因植株在SDs條件下赤霉素氧化酶20基因（StGA20ox1）的表達(dá)水平與塊莖形成時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。該基因轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)延緩了塊莖的形成，而表達(dá)的抑制則加速了塊莖的形成。然而，由于抑制StGA20ox1基因轉(zhuǎn)錄而導(dǎo)致的GA水平下降并不能抵消LDs對(duì)塊莖形成的抑制作用，即在LDs下不能形成塊莖［66］，故LDs抑制結(jié)薯可能不完全依賴GA信號(hào)，還有其他機(jī)制。

其中一個(gè)機(jī)制是StPHYB參與抑制LDs下的光周期誘導(dǎo)結(jié)薯［64］。無(wú)論在SDs還是LDs條件下，StPHYB合成受阻的轉(zhuǎn)基因植株都能快速、密集地產(chǎn)生塊莖。與一般認(rèn)為的GA抑制結(jié)薯的觀點(diǎn)相反，與野生型植株相比，這些轉(zhuǎn)基因植株葉片和地上嫩枝中GA1的含量增加了3-5倍；GA20和GA8水平升高，但GA29水平降低。這表明在LDs條件下參與抑制結(jié)薯的StPHYB影響了活性GA組分的含量、比例和代謝［67］。

在馬鈴薯中過表達(dá)StBEL5，使StGA20ox1表達(dá)量降低，StGA2ox1表達(dá)量升高，GA活性下降，誘導(dǎo)塊莖形成［52］。提高培養(yǎng)液中的氮含量，匍匐莖中GA活性增加，抑制塊莖形成。蔗糖濃度可以改變匍匐莖頂端的GA1水平從而影響塊莖形成［52］。此外，GAs對(duì)馬鈴薯塊莖形成的影響不僅是通過GAs的合成/失活，它們?cè)谥仓昊蛱囟ㄆ鞴僦械倪\(yùn)輸也可能是重要的因素，然而，GA分配的機(jī)制尚不明確。近年來(lái)，優(yōu)先負(fù)責(zé)糖轉(zhuǎn)運(yùn)的SWEET促進(jìn)因子被認(rèn)為參與了 GA 轉(zhuǎn)運(yùn)［16，68］。

脫落酸（ABA）也是控制匍匐莖生長(zhǎng)的一個(gè)激素，通常對(duì)馬鈴薯塊莖形成的誘導(dǎo)有積極的影響［65］。用ABA處理馬鈴薯葉片可促進(jìn)塊莖的形成，然而，塊莖的形成過程本身與ABA在葉片中的積累并沒有明顯的直接關(guān)系，它的刺激作用是通過拮抗GA信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的［65］。

茉莉酸（JA）及其衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）即塊莖酸（tuberonic acid，TA）和塊莖酸葡糖苷（glucoside of tuberonic acid，TAG）是體外培養(yǎng)馬鈴薯外植體中促進(jìn)塊莖形成和生長(zhǎng)的化合物［65］。早期的研究認(rèn)為，這些化合物是塊莖誘導(dǎo)形成的遠(yuǎn)距離刺激物。然而，目前還沒有闡明葉片中這些化合物具體參與塊莖形成誘導(dǎo)相關(guān)過程。JA、TA和TAG在馬鈴薯植株中通過脂氧合酶（LOX）合成；LOX催化多不飽和脂肪酸（FA）的氧化，主要形成亞油酸和亞麻酸，并形成相應(yīng)的氫過氧化物［69］。

綜上所述，塊莖形成是環(huán)境信號(hào)和內(nèi)源激素互作的結(jié)果，環(huán)境信號(hào)通過調(diào)控內(nèi)源激素的合成/分解代謝途徑、基因表達(dá)、內(nèi)源水平與活性、各種激素比例等來(lái)調(diào)節(jié)塊莖形成。但環(huán)境信號(hào)如何調(diào)控這些過程尚待進(jìn)一步闡明。

2.4 參與塊莖誘導(dǎo)形成的第二信使分子

馬鈴薯塊莖形成受到各種外界和內(nèi)源信號(hào)的激活或抑制，而這些信號(hào)常常通過一些第二信使分子參與信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑來(lái)調(diào)控馬鈴薯塊莖的形成。

2.4.1 蔗糖信號(hào)分子 蔗糖是植物主要的光合產(chǎn)物之一，不僅為細(xì)胞提供必要的能源物質(zhì)，還作為信號(hào)分子調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育、細(xì)胞周期、基因表達(dá)等［70-71］。蔗糖信號(hào)系統(tǒng)對(duì)馬鈴薯塊莖的發(fā)生、發(fā)育具有調(diào)控作用［52］。蔗糖水平可能是塊莖形成的主要調(diào)控因子，離體塊莖形成高度依賴蔗糖濃度［72］。蔗糖誘導(dǎo)馬鈴薯塊莖形成過程伴隨著塊莖形成相關(guān)基因表達(dá)的提高，如patatin基因、Pin Ⅱ基因和鈣依賴蛋白激酶 I（CDPK1）基因等［52，70］。

植物體源器官（葉片）中合成的蔗糖除少部分用于滿足葉片自身的代謝活動(dòng)外，大部分被運(yùn)輸?shù)綆?kù)器官，對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響。馬鈴薯塊莖是營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)藏器官，塊莖形成與蔗糖的合成、運(yùn)輸、代謝密切相關(guān)。蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（sucrose transporters，SUTs）對(duì)于蔗糖在不同器官中的運(yùn)輸和分配具有重要作用。目前已知的SUTs分為SUT1、SUT2和SUT4共 3個(gè)亞群［52］。StSUT1負(fù)責(zé)蔗糖的運(yùn)輸，SUT2是質(zhì)膜上的蔗糖信號(hào)感受器，SUT4能促進(jìn)GA的生物合成，GA也可以通過反饋調(diào)節(jié)使SUT4的表達(dá)增加［52，73］。StSUT4能促進(jìn)StCO 蛋白對(duì) StFT基因表達(dá)的抑制作用，從而抑制結(jié)薯［74］。

在塊莖形成啟動(dòng)初期，蔗糖的卸載模式發(fā)生了從質(zhì)外體到共質(zhì)體的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變可能是通過StSP6A和蔗糖流出運(yùn)輸器StSWEET11之間的相互作用來(lái)調(diào)節(jié)的。StSP6A與StSWEET11的結(jié)合阻止了蔗糖外流到質(zhì)外體，因此可能促進(jìn)共質(zhì)體的蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)。StSWEET11和StSP6A蛋白之間的直接互作表明調(diào)控馬鈴薯塊莖形成的糖信號(hào)和光周期通路之間存在交互作用（crosstalk）。StSP6A作為源-庫(kù)分配的重要調(diào)節(jié)者，為修改源-庫(kù)相互作用提供了可能［75］。

“(現(xiàn)有)電力市場(chǎng)是上世紀(jì)中葉設(shè)計(jì)的，而當(dāng)時(shí)的體系如今已不再存在。我們看到，在許多地區(qū)多次出現(xiàn)一種情況，即電廠利潤(rùn)接近零，或者在一天的某個(gè)時(shí)段實(shí)際為負(fù)值，一些相對(duì)較舊的水電設(shè)施正在虧損?！?/p>

近年來(lái)有關(guān)糖在塊莖誘導(dǎo)中作用的研究主要集中在其對(duì)植物激素水平的影響及其相互作用上［76］。相對(duì)于8%蔗糖，生長(zhǎng)于含有1%蔗糖培養(yǎng)基中的馬鈴薯匍匐莖頂端含有較高水平的GA1，蔗糖被認(rèn)為可以調(diào)節(jié)匍匐莖尖內(nèi)源GA的含量，進(jìn)而調(diào)控塊莖形成［52］。高濃度GA處理可完全防止馬鈴薯結(jié)薯；但在培養(yǎng)基中添加高濃度蔗糖時(shí)，盡管植株內(nèi)源GA含量高，但也會(huì)形成大量的塊莖。因此，GAs和蔗糖調(diào)節(jié)塊莖形成可能是兩條平行途徑［16］。

2.4.2 Ca2+信號(hào) Ca2+是植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中最重要的第二信使之一，并作為信號(hào)分子參與馬鈴薯塊莖形成的誘導(dǎo)。在馬鈴薯中，蛋白質(zhì)脫磷酸化是一些塊莖形成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄激活所必需的［14］。植物中的鈣依賴蛋白激酶（CDPK）是一類Ca2+信號(hào)受體蛋白。StCDPK1是馬鈴薯塊莖誘導(dǎo)形成和發(fā)育期間蔗糖信號(hào)通路的一個(gè)關(guān)鍵因子，高濃度蔗糖和促進(jìn)塊莖形成的ABA和6-芐基腺嘌呤（BA）正向調(diào)控StCDPK1的表達(dá)，在馬鈴薯塊莖形成的起始階段，StCDPK1在匍匐莖膨大的部位大量表達(dá)，該部位同時(shí)也有蔗糖的大量積累，表明蔗糖可能通過對(duì)StCDPK1 特異性誘導(dǎo)表達(dá)促進(jìn)結(jié)薯［52，70］。

細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度通過CDPK調(diào)節(jié)活性氧（ROS）爆發(fā)，參與NADPH氧化酶的激活過程［77］。在馬鈴薯塊莖形成期間由Ca2+和 StCDPK1介導(dǎo)的活性氧爆發(fā)的作用值得被研究。盡管Ca2+和各種Ca2+調(diào)控蛋白在馬鈴薯塊莖形成中發(fā)揮了積極作用，但Ca2+和Ca2+誘導(dǎo)的信號(hào)通路調(diào)控塊莖形成的分子機(jī)制尚有許多待解之謎。

植物細(xì)胞產(chǎn)生的各種ROS在信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中發(fā)揮重要作用。H2O2激活Ca2+內(nèi)流，胞內(nèi)Ca2+濃度增加，進(jìn)而引發(fā)植物對(duì)各種環(huán)境因子和內(nèi)部信號(hào)的響應(yīng)。最新的研究發(fā)現(xiàn)了植物細(xì)胞質(zhì)膜表面存在過氧化氫受體HPCA1（hydrogen-peroxide-induced Ca2+increases 1），H2O2能夠激活HPCA1的細(xì)胞內(nèi)激酶活性，觸發(fā)了Ca2+通道引起Ca2+內(nèi)流，從而將環(huán)境信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)進(jìn)而調(diào)節(jié)基因表達(dá)［78］。目前尚無(wú)關(guān)于ROS與馬鈴薯塊莖形成相關(guān)的直接證據(jù)。另外，作為植物體內(nèi)重要信號(hào)分子的NO和H2S，有沒有可能參與馬鈴薯的塊莖形成？至今尚未見報(bào)道。

馬鈴薯的塊莖形成受到外部環(huán)境（光周期、溫度、氮供應(yīng)等）和內(nèi)源激素及糖水平的共同調(diào)控。塊莖形成對(duì)日長(zhǎng)、溫度、激素、碳水化合物和氮營(yíng)養(yǎng)條件的響應(yīng)是相互關(guān)聯(lián)的，并具有適應(yīng)性，它們構(gòu)成了馬鈴薯發(fā)育的季節(jié)性策略。塊莖形成的誘導(dǎo)是自身結(jié)薯能力和對(duì)有利環(huán)境信號(hào)感知相結(jié)合的結(jié)果。在適宜的環(huán)境條件下，各種各樣的信號(hào)被激活并誘導(dǎo)塊莖形成，這些信號(hào)或者在葉片中起作用，或者是在葉片中產(chǎn)生并向下移動(dòng)到匍匐莖頂端誘導(dǎo)塊莖形成。這些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑已日趨明晰，呈現(xiàn)出了一個(gè)復(fù)雜的塊莖形成的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。

3 馬鈴薯塊莖形成的分子機(jī)制

馬鈴薯塊莖形成是一個(gè)復(fù)雜的綜合控制過程，外界環(huán)境和內(nèi)源激素通過啟動(dòng)多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)相關(guān)基因的表達(dá)，從而調(diào)控塊莖形成。在適宜的環(huán)境條件下，馬鈴薯的塊莖形成受到調(diào)節(jié)蛋白的激活，在這些調(diào)節(jié)蛋白中，有些是在葉片中起作用，另一些是產(chǎn)生于葉片并被運(yùn)輸?shù)劫橘肭o頂端誘導(dǎo)塊莖形成。有3個(gè)最重要的調(diào)控塊莖形成起始的調(diào)節(jié)蛋白是StCDF1、StSP6A和 StBEL5。StCDF1和StBEL5是轉(zhuǎn)錄因子，StSP6A是輔助調(diào)節(jié)因子家族的一個(gè)成員。這3種調(diào)節(jié)蛋白分別與其它相關(guān)蛋白形成復(fù)合物，通過相互作用調(diào)控塊莖形成［47，49，57］。

3.1 StGI-StKFK1-StCDF1復(fù)合物

日長(zhǎng)感知是通過FKF1/GI復(fù)合物來(lái)完成的，是開花和塊莖形成共享的一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)制。SDs條件下，StGI-StKFK1-StCDF1復(fù)合物中的StCDF1可以結(jié)合StCO1/2啟動(dòng)子的特定區(qū)域抑制StCO1/2轉(zhuǎn)錄和激活StSP6A 基因的表達(dá)，誘導(dǎo)結(jié)薯［45，47，50，57］。

3.2 StBEL5/POTH1復(fù)合物

在塊莖形成起始階段，StBEL5和POTH1在葉片中相互作用，通過誘導(dǎo)StCDF1和 StSP6A的轉(zhuǎn)錄，而后信號(hào)放大發(fā)生在匍匐莖里，StBEL5在剛剛開始形成塊莖的匍匐莖頂端通過自動(dòng)調(diào)節(jié)增強(qiáng)自身的轉(zhuǎn)錄，在匍匐莖里StBEL5再次和POTH1相互作用誘導(dǎo) StSP6A 和 StBEL5 的轉(zhuǎn)錄［47］。

StBEL5/POTH1復(fù)合物識(shí)別一個(gè)特定的順式元件，該順式元件是存在于StBEL5靶基因的一個(gè)TTGAC基序［1］。StBEL5過表達(dá)和抑制株系的發(fā)育研究表明，StBEL5與StSP6A基因的活性呈高度正相關(guān)［56］。分析表明StSP6A上游序列顯示有5個(gè)TGAC串聯(lián)基序［1］。作為StBEL5/POTH1的靶標(biāo)基因，StCDF1的上游序列含有6個(gè)TTGAC串聯(lián)的元件［56］，StBEL5可以激活塊莖形成相關(guān)基因StCDF1［47］。StBEL5/POTH1復(fù)合物能夠抑制StGA20OX1的轉(zhuǎn)錄并提高StGA2OX1的活性［1］。研究發(fā)現(xiàn)，StGA20OX1啟動(dòng)子區(qū)域含有兩個(gè)TGAC串聯(lián)基序，StBEL5/POTH1可以與該序列結(jié)合并抑制StGA20OX1的活性。StGA2OX1啟動(dòng)子上也有10個(gè)TTGAC串聯(lián)基序，過表達(dá)StBEL5植株中StGA2OX1的表達(dá)量增加，GA活性降低，促進(jìn)塊莖形成［79］。

總之，StBEL5和POTH1互作來(lái)調(diào)節(jié)上游的StSP6A 和StCDF1表達(dá)，進(jìn)而調(diào)控下游多個(gè)塊莖形成相關(guān)基因來(lái)誘導(dǎo)塊莖形成。

3.3 成薯素復(fù)合物（tuberigen activation complex，TAC）

在匍匐莖頂端部位起作用的TAC由StSP6A、14-3-3調(diào)節(jié)蛋白和類FD（ferredoxin-like，F(xiàn)DL）蛋白組成。酵母雙雜交分析表明，StSP6A蛋白與馬鈴薯的14-3-3蛋白和FDL蛋白相互作用。過表達(dá)StSP6A植株以一個(gè)14-3-3蛋白依賴的方式誘導(dǎo)早期結(jié)薯，抑制StFDL1則延遲塊莖形成。這些結(jié)果表明該復(fù)合物的組件是塊莖形成的局部觸發(fā)器。然而，過表達(dá)StFD1對(duì)塊莖形成沒有影響［80］。塊莖形成通常是通過在離散時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生塊莖植株的百分比來(lái)判斷的，不考慮整體的塊莖產(chǎn)量，這表明該復(fù)合物的組件調(diào)控塊莖形成的起始，但不一定影響整體塊莖產(chǎn)量［80］。

在過去的20年，馬鈴薯塊莖形成及其調(diào)控的分子機(jī)制方面的研究已取得了重要進(jìn)展。蛋白質(zhì)依賴的正向信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制主要涉及StSP6A、StBEL5和POTH1轉(zhuǎn)錄因子及其許多靶基因。值得一提的是，StSP6A的靶基因還包括GA2-氧化酶GA2ox和蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)體SUT1。然而，碳水化合物平衡與其他信號(hào)通路之間的相互作用尚未得到充分的研究?；谝呀?jīng)獲得的結(jié)果，包括自發(fā)形成塊莖（spontaneously tuberizing，ST）植株中StSP6A豐度升高的結(jié)果，可以推測(cè)糖依賴和赤霉素依賴通路之間的信號(hào)交談至少部分是由StSP6A介導(dǎo)的。然而，這個(gè)假設(shè)仍需實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證［16］。

根據(jù)上述的研究結(jié)果，本文構(gòu)建了塊莖誘導(dǎo)形成過程中可能的分子互作網(wǎng)絡(luò)圖示（圖2）。

圖2 馬鈴薯塊莖誘導(dǎo)形成的可能分子互作網(wǎng)絡(luò)圖示Fig.2 Schematic diagram showing the possible molecular interaction network during tuber induction and formation in potato

4 展望

馬鈴薯塊莖的誘導(dǎo)形成和生長(zhǎng)是一個(gè)受各種外界環(huán)境信號(hào)和內(nèi)源植物激素及信號(hào)分子調(diào)控的復(fù)雜過程。盡管歷經(jīng)數(shù)十年的研究，但塊莖誘導(dǎo)和形成的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和分子機(jī)制仍有許多待解之謎。面對(duì)全球氣候變化和將馬鈴薯主糧化以滿足日益增長(zhǎng)人口的糧食和營(yíng)養(yǎng)需求的期望，徹底闡明馬鈴薯塊莖形成機(jī)制變得尤為重要和迫切。

近年來(lái)，各國(guó)研究人員一直在努力破解馬鈴薯塊莖發(fā)生的分子機(jī)制，以識(shí)別和開發(fā)塊莖發(fā)生的關(guān)鍵觸發(fā)點(diǎn)和分子開關(guān)。這可能使馬鈴薯可以在一個(gè)更廣泛的地域范圍內(nèi)結(jié)薯和種植，該范圍包括大多數(shù)限制性的和關(guān)鍵的環(huán)境因素（如溫度和光周期）。為了更好地了解馬鈴薯塊莖形成的分子機(jī)制，科學(xué)家們對(duì)各種基因和蛋白質(zhì)進(jìn)行了鑒定。此外，一些參與從地上組織傳遞感知信號(hào)到匍匐莖的信號(hào)分子已經(jīng)被識(shí)別出來(lái)并正在進(jìn)行進(jìn)一步的分析。雖然馬鈴薯基因組測(cè)序的完成［81］將有助于更好解析馬鈴薯塊莖形成的分子途徑，但進(jìn)一步的功能基因組和蛋白組學(xué)研究將需要精確地描述與結(jié)薯過程相關(guān)的各個(gè)因子的相互作用。例如有一些證據(jù)表明StBEL5和 StSP6A可能協(xié)同工作。StSP6A 和 StBEL5在形成塊莖的匍匐莖中共表達(dá)，激活一些相同的下游靶基因；兩者都誘導(dǎo)StGA2OX1，但StSP6A作為一個(gè)輔助調(diào)節(jié)因子起作用，不能獨(dú)立介導(dǎo)這種誘導(dǎo)。值得注意的是，StGA2OX1的上游序列包含6個(gè)串聯(lián)的TTGAC元件，表明StBEL/POTH1或者StBEL/StSP6A復(fù)合物在該調(diào)節(jié)中起作用。凝膠位移實(shí)驗(yàn)證實(shí)StBEL5/POTH1特異性結(jié)合在StGA2OX1上游序列的這些串聯(lián)基序上［1］。進(jìn)一步闡明它們之間的互作及其在塊莖形成中的作用無(wú)疑會(huì)有助于我們更好理解塊莖形成的分子機(jī)制。

近年來(lái)興起及廣泛應(yīng)用的各種生物技術(shù)和基因組學(xué)研究工具如基因編輯等［6，82］可用來(lái)確定塊莖形成的關(guān)鍵分子靶點(diǎn)（基因和蛋白質(zhì)），這些靶點(diǎn)可用于基因工程介導(dǎo)的馬鈴薯塊莖形成過程的調(diào)控。如可 以 選 擇 StSP6A、StPOTH1、StBEL5、miR172和StCDF等作為過表達(dá)的候選基因來(lái)正向調(diào)控塊莖形成過程，而選擇StPHYB、StCO、StSUT4和StSP5G等基因通過抑制靶點(diǎn)負(fù)向調(diào)控塊莖形成，從而通過基因工程來(lái)提高馬鈴薯的產(chǎn)量。

調(diào)控塊莖形成的多個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間存在相互作用，如高濃度蔗糖對(duì)StCDPK1的誘導(dǎo)表達(dá)表明Ca2+信號(hào)與蔗糖信號(hào)之間存在交互作用。且同一結(jié)薯基因可被不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑誘導(dǎo)表達(dá)，如高濃度蔗糖和SDs都可以特異性的誘導(dǎo)patatin class I 基因的大量表達(dá)。此外，盡管已知各種激素參與調(diào)控塊莖形成，但關(guān)于激素的研究結(jié)果多是孤立的，沒有確定任何一種激素作為塊莖誘導(dǎo)形成唯一的發(fā)育開關(guān)。同樣，也沒有確切證據(jù)表明其它代謝產(chǎn)物（如蔗糖、氧化脂類、塊莖貯藏蛋白或塊莖酸等）能單獨(dú)啟動(dòng)塊莖形成。未來(lái)的挑戰(zhàn)在于闡明參與塊莖形成的多個(gè)信號(hào)分子和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之間的相互作用及其這種互作對(duì)塊莖形成的調(diào)控。

綜上所述，馬鈴薯塊莖形成是一個(gè)多種外界環(huán)境因素與內(nèi)源植物激素和信號(hào)分子互作來(lái)激活或抑制多個(gè)特定基因表達(dá)、調(diào)控多條生化途徑及同化物分配、最終使匍匐莖特定區(qū)域膨大的過程。基于現(xiàn)有和將來(lái)進(jìn)一步細(xì)化的馬鈴薯基因組信息，通過多組學(xué)聯(lián)合分析手段，可望全面解析控制馬鈴薯塊莖形成的多重關(guān)鍵基因、代謝途徑以及信號(hào)分子和轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間如何互作來(lái)調(diào)控這些基因和途徑，以最終闡明塊莖形成的分子機(jī)制。這將有助于通 過精準(zhǔn)分子育種手段來(lái)培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的馬鈴薯品種提供借鑒和新思路。