馬鈴薯塊莖發(fā)育的四大調(diào)控途徑

2022-11-26 18:30:28陳玉珍唐廣彬馬憲新田貴云于宏心駱瓔珞樊明壽賈立國

作物雜志 2022年4期

陳玉珍唐廣彬馬憲新田貴云于宏心駱瓔珞樊明壽賈立國

（1呼和浩特民族學(xué)院化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，010051，內(nèi)蒙古呼和浩特；2呼倫貝爾農(nóng)墾謝爾塔拉農(nóng)牧場有限公司，021012，內(nèi)蒙古呼倫貝爾；3內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，010019，內(nèi)蒙古呼和浩特）

馬鈴薯是世界重要的糧食、蔬菜兼經(jīng)濟(jì)作物，在糧食安全和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。不同于玉米、小麥和水稻三大糧食作物，馬鈴薯的收獲器官是地下的塊莖，屬于特化的營養(yǎng)器官，其發(fā)育過程及機(jī)制具有特殊性。隨著對其重要性認(rèn)知程度和研究水平的提升，關(guān)于馬鈴薯塊莖發(fā)育的研究在過去十幾年取得了許多突破性進(jìn)展。

物質(zhì)積累是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，作為馬鈴薯的收獲器官——塊莖的起始和膨大的基礎(chǔ)就是碳水化合物的積累?，F(xiàn)有研究[1-2]證明，碳水化合物的種類、數(shù)量和運(yùn)輸?shù)染c塊莖的發(fā)育密切相關(guān)。碳水化合物的積累和運(yùn)輸形式受到光、熱、水分和養(yǎng)分等環(huán)境因素的調(diào)控，內(nèi)部又有成花素、激素和小RNA等信號調(diào)控途徑，復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)決定塊莖起始時間和數(shù)量[3-5]。馬鈴薯植株持續(xù)不斷地感應(yīng)周邊環(huán)境的變化，決定塊莖在適宜的時間形成和膨大。總體來看，馬鈴薯塊莖發(fā)育的調(diào)控可歸結(jié)為以下4條主要途徑。

1 塊莖發(fā)育的蔗糖代謝（信號）調(diào)控

雖然源庫關(guān)系在馬鈴薯的一生中并不是固定的，但是從塊莖起始，塊莖就是馬鈴薯主要的庫器官，而成熟的葉片是主要的源器官。源端通過光合作用累積同化產(chǎn)物，以碳水化合物作為主要形式運(yùn)輸?shù)綆炱鞴?，為庫器官的正常發(fā)育提供保障。正常生長條件下，削弱地上部的生長會減少庫器官對同化物的獲取，進(jìn)而限制庫的建成；相反，當(dāng)庫的接納能力被削弱時，源端的光合作用被反饋抑制?；谶@些考量，塊莖在合適的時間形成對于整個植株的發(fā)育進(jìn)程至關(guān)重要。

蔗糖是調(diào)控塊莖形成的主要碳水化合物。組培條件下，通過添加高濃度的蔗糖可誘導(dǎo)試管薯的形成，蔗糖抑制劑阻斷塊莖的起始[6]。蔗糖誘導(dǎo)塊莖形成的原因除了作為營養(yǎng)物質(zhì)外，還有2種可能的作用機(jī)制：一是高濃度的蔗糖產(chǎn)生的滲透勢變化誘導(dǎo)了塊莖的形成，有研究[2,7-8]證明，一定濃度的甘露醇和山梨醇也會誘導(dǎo)提前結(jié)薯，9%葡萄糖或10%海藻糖也能達(dá)到最佳誘導(dǎo)結(jié)薯的效果，對此也有一些不同的觀點(diǎn)；二是蔗糖作為信號物質(zhì)調(diào)控塊莖的形成，對此已有大量報道并且被廣泛接受。但是，蔗糖在植物體內(nèi)參與了其他多種糖類分子的代謝過程，目前報道的有葡萄糖信號途徑、海藻糖-6-磷酸（Tre6P）信號途徑和不依賴Tre6P的蔗糖信號途徑，蔗糖調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的途徑還不是很明確[9]。

蔗糖作為同化產(chǎn)物的主要運(yùn)輸形式，其在葉片和塊莖之間的轉(zhuǎn)運(yùn)對源庫協(xié)調(diào)扮演核心角色。蔗糖在葉肉細(xì)胞的胞質(zhì)中合成后，通過胞間連絲以共質(zhì)體的方式在細(xì)胞間運(yùn)輸，直至到達(dá)韌皮部薄壁細(xì)胞與伴胞的邊界，通過蔗糖外運(yùn)載體SWEET家族蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到質(zhì)外體[10]。然后，通過蔗糖/H+協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（SUC）跨膜主動裝載進(jìn)入伴胞，這樣就產(chǎn)生了一個蔗糖濃度梯度，驅(qū)動蔗糖沿著篩管以集流的方式通過長距離運(yùn)輸?shù)竭_(dá)庫器官（塊莖）。StSUT1是一個高親和性的SUC，主要在成熟葉片的韌皮部中表達(dá)，對蔗糖長距離運(yùn)輸發(fā)揮著重要作用[11]。

蔗糖在庫器官中的卸載也有質(zhì)外體和共質(zhì)體2種途徑，卸載方式在塊莖形成過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變。未經(jīng)誘導(dǎo)的匍匐莖優(yōu)先采用質(zhì)外體卸載（apoplasmic unloading，AU）的方式進(jìn)行，需要依靠轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白把同化物從韌皮部主動輸出到細(xì)胞間隙，其中StSUT4蛋白發(fā)揮著重要作用[12]。在塊莖形成的初期，蔗糖的卸載由質(zhì)外體卸載轉(zhuǎn)變?yōu)楣操|(zhì)體卸載（symplasmic unloading，SU），不再依賴專門的載體蛋白，而是通過胞間連絲進(jìn)行被動擴(kuò)散[13]。

伴隨著卸載方式的轉(zhuǎn)變，蔗糖分解的代謝途徑也發(fā)生了改變，由蔗糖轉(zhuǎn)化酶（invertase）途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楦痈咝У恼崽呛厦福⊿uSy）途徑，促進(jìn)蔗糖分解為淀粉合成的前體物質(zhì)。塊莖淀粉積累量與SuSy活性密切相關(guān)，SuSy活性是植株庫容增強(qiáng)的重要特征[14]。轉(zhuǎn)錄組分析結(jié)果[15]表明，淀粉合成相關(guān)的基因顯示出晝夜節(jié)律的變化，與葉片蔗糖供應(yīng)高度相關(guān)。塊莖淀粉合成能力的增加有利于庫容擴(kuò)增，使更多的光合同化產(chǎn)物運(yùn)輸和積累在塊莖中[2]。

2 塊莖發(fā)育的光周期調(diào)控

60多年前，結(jié)薯刺激素（tuberigen）被首次報道在葉片中誘導(dǎo)產(chǎn)生，誘導(dǎo)產(chǎn)生的結(jié)薯刺激素運(yùn)輸?shù)綁K莖形成的位點(diǎn)調(diào)控塊莖形成[16]。這個發(fā)現(xiàn)促使科學(xué)家推測塊莖形成可能與花發(fā)育有著同樣的機(jī)制，都受到光周期的調(diào)控[17]。關(guān)于光周期調(diào)控開花的機(jī)制在擬南芥中已有深入研究，其中CO/FT（CONSTANS/FLOWERING LOCUS T）被認(rèn)為是植物響應(yīng)日長成花的核心模塊，F(xiàn)T也被認(rèn)為是植物的成花素（florigen）[18]。CO是一個轉(zhuǎn)錄因子，可以整合來自于光照和光周期的信號，從而激活成花素FT的表達(dá)。

FT的同源基因StSP6A（SELF PRUNING6A）是馬鈴薯塊莖形成的關(guān)鍵信號，短日照誘導(dǎo)條件下StSP6A蛋白在葉片的維管束中被強(qiáng)烈地誘導(dǎo)表達(dá)，并可通過韌皮部運(yùn)輸至匍匐莖誘導(dǎo)結(jié)薯[19-20]。另外，研究[21]證明，StSP6A和FT家族的其他蛋白可以調(diào)控源庫平衡，過量表達(dá)StSP6A會削弱莖的生長、加速塊莖的形成，表明StSP6A具有強(qiáng)大的庫容擴(kuò)增功能。StSP6A的表達(dá)和運(yùn)輸受源強(qiáng)嚴(yán)格控制并根據(jù)源強(qiáng)調(diào)整，從而決定發(fā)育“開關(guān)”的最佳時間[21]。塊莖形成信號StSP6A還受蔗糖直接調(diào)控，進(jìn)一步的研究[22]證明，F(xiàn)T處于蔗糖信號途徑的下游，F(xiàn)T又可通過調(diào)控蔗糖進(jìn)入庫器官而影響蔗糖的分配。

BEL5（BELLRINGER-1 like）轉(zhuǎn)錄因子是另外一個塊莖形成調(diào)控通路中的信號分子。葉片中BEL5的轉(zhuǎn)錄本在短日照條件下表達(dá)上升，且會沿著韌皮部長距離運(yùn)輸進(jìn)入匍匐莖[23]。BEL5過量表達(dá)會增加馬鈴薯的塊莖產(chǎn)量，而表達(dá)下調(diào)則會減少塊莖數(shù)量[24]。另外，與BEL5互作的轉(zhuǎn)錄因子POTH1（POTATO HOMEBOX1）可以在韌皮部細(xì)胞表達(dá)和移動，其mRNA的運(yùn)輸與匍匐莖轉(zhuǎn)變?yōu)閴K莖密切相關(guān)[25]。

另外，小RNA也可以作為移動信號調(diào)控塊莖的形成。miR172是最早報道調(diào)控植物花發(fā)育的小RNA，進(jìn)一步研究[26-27]發(fā)現(xiàn)還是馬鈴薯的結(jié)薯信號，過量表達(dá)miR172的株系可在長日照非誘導(dǎo)條件下結(jié)薯，在短日照誘導(dǎo)條件下加快塊莖的形成。另一個和塊莖發(fā)育相關(guān)的miRNA是miR156，與miR172一樣都可以在韌皮部移動。在擬南芥上的研究[28]表明，miR156調(diào)控植株從幼年期向成熟期過渡，過量表達(dá)miR156會導(dǎo)致馬鈴薯形態(tài)上的巨大改變，使地下部不能形成塊莖。葉片中，在短日照條件下miR172表達(dá)上升，而在短日照條件和隨發(fā)育進(jìn)程推進(jìn)miR156表達(dá)量下降，但是它們都在結(jié)薯誘導(dǎo)后的匍匐莖中積累[27-28]。因此，推測葉片中miR156作為塊莖形成的負(fù)調(diào)控因子抑制miR172的表達(dá)，但是在匍匐莖中2種miRNA卻呈現(xiàn)出疊加效應(yīng)。

3 塊莖發(fā)育的激素調(diào)控

植物生長發(fā)育的過程均會受到激素的調(diào)控，馬鈴薯塊莖的發(fā)育也不例外。赤霉素（GA）是馬鈴薯塊莖形成的關(guān)鍵調(diào)控因子，1960年就有關(guān)于GA刺激匍匐莖伸長的報道[29]。外源GA刺激匍匐莖的伸長，而對塊莖的形成產(chǎn)生抑制作用，這種效應(yīng)會被外源高濃度的蔗糖逆轉(zhuǎn)，表明激素信號和糖信號在調(diào)控塊莖形成方面具有互作效應(yīng)[30]。GA生物合成酶基因StGA20ox1的過量表達(dá)會使植株莖節(jié)間伸長和塊莖起始延遲，而StGA20ox1的減少表達(dá)會使植株節(jié)間縮短和塊莖提早形成，進(jìn)一步證明外源GA抑制塊莖形成[31]。馬鈴薯中最具活性的GA是GA1，GA的降解基因StGA2ox1在膨大前的匍匐莖亞頂端和發(fā)育中的塊莖優(yōu)勢表達(dá)，通過降低GA1含量阻止匍匐莖的伸長，改變細(xì)胞分裂的方向而導(dǎo)致亞頂端膨大[32]。

組織培養(yǎng)條件下添加生長素（IAA）誘導(dǎo)塊莖提前起始發(fā)育，同時添加IAA和GA可延遲匍匐莖的生長，說明IAA參與了塊莖發(fā)育早期階段由縱向伸長到橫向擴(kuò)展的轉(zhuǎn)變[30]。當(dāng)把馬鈴薯轉(zhuǎn)移到誘導(dǎo)條件下時，從植株頂端運(yùn)輸?shù)劫橘肭o的IAA急劇減少，而匍匐莖頂端分生組織自身啟動IAA的合成，導(dǎo)致匍匐莖頂端IAA的積累。隨后，負(fù)責(zé)IAA轉(zhuǎn)運(yùn)的PIN蛋白被激活，介導(dǎo)IAA在匍匐莖膨大區(qū)積累，誘導(dǎo)新器官的建成[33]。研究[33]表明，IAA含量在塊莖形成前的匍匐莖中迅速升高，隨著塊莖的形成及膨大，IAA的含量有所下降，但是仍然保持一個較高的水平。進(jìn)一步的研究[33]證明，IAA的濃度和極性轉(zhuǎn)運(yùn)與莖分枝相關(guān)的第2激素——獨(dú)腳金內(nèi)酯協(xié)同調(diào)控匍匐莖的結(jié)構(gòu)和塊莖的起始。

細(xì)胞分裂素（cytokinin，CTK）和IAA均可以刺激細(xì)胞分裂和調(diào)控分生組織活性，IAA主要是促進(jìn)塊莖的生長，而CTK主要是起始新的塊莖，從而增加塊莖的數(shù)量[34]。過量表達(dá)CTK生物合成基因IPT能誘導(dǎo)氣生匍匐莖形成，促進(jìn)地下匍匐莖的生長，增加塊莖的數(shù)量，但是降低了塊莖重量[35]。研究[33]發(fā)現(xiàn)，低濃度的CTK促進(jìn)塊莖的形成，而高濃度的CK對塊莖的形成產(chǎn)生抑制。

與GA的功能不同，組織培養(yǎng)條件下施加外源脫落酸（ABA）抑制匍匐莖的伸長、刺激塊莖的形成，內(nèi)源ABA含量在匍匐莖和塊莖的發(fā)育過程中是逐漸下降的[30]。蒙美蓮等[36]的研究結(jié)果顯示，馬鈴薯塊莖形成期ABA含量顯著增加，外源噴施ABA促進(jìn)塊莖的提早形成，并指出GA與ABA比值下降到一定水平是塊莖形成的重要條件。ABA對塊莖的促進(jìn)主要表現(xiàn)在誘發(fā)塊莖的起始和增加塊莖的數(shù)量等方面[30]。而促進(jìn)作用很可能是由于ABA對GAs活性的抑制，因有研究[37]認(rèn)為，GAs能夠抑制塊莖的形成，ABA對塊莖的形成也起抑制作用，而抑制的效果取決于品種、濃度以及與CTK的相互作用。

4 塊莖發(fā)育的水肥調(diào)控

諸多環(huán)境因素都會影響塊莖的起始和膨大，在明確調(diào)控過程和機(jī)理的基礎(chǔ)上，理論上采取技術(shù)措施均可以調(diào)控塊莖發(fā)育和產(chǎn)量形成。但是在大田生產(chǎn)中，許多的環(huán)境因素難以控制（如溫度和光周期等），目前可以進(jìn)行人為控制的因素主要是水分和養(yǎng)分。

水分是植物生長發(fā)育和代謝過程賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，干旱和缺水會顯著降低馬鈴薯塊莖的數(shù)量和產(chǎn)量[38-39]。早期的研究[40]報道，干旱會極大地減少匍匐莖的數(shù)量，一旦匍匐莖形成（不管是否經(jīng)歷干旱）都會產(chǎn)生塊莖。近些年的研究[41-42]結(jié)果表明，苗期適度的水分脅迫有利于結(jié)薯數(shù)和結(jié)薯率的增加，并且不會降低馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)，能顯著地提高大薯比例，在后期復(fù)水后還可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。適度干旱脅迫提高了馬鈴薯植株各器官ABA含量，且外源高濃度ABA也可促進(jìn)馬鈴薯結(jié)薯數(shù)和薯重的增加，推測ABA可能介導(dǎo)了干旱脅迫對馬鈴薯塊莖形成的調(diào)控[43]。馬鈴薯非結(jié)構(gòu)性碳水化合物種類和含量對苗期水分脅迫產(chǎn)生不同響應(yīng)，說明水分通過源庫關(guān)系調(diào)控塊莖的發(fā)育[44]。

各種養(yǎng)分都會不同程度地影響塊莖的發(fā)育，其中研究最多最深入的是氮素對馬鈴薯塊莖發(fā)育的調(diào)控。馬鈴薯田土壤礦質(zhì)氮（Nmin）含量對塊莖形成時間、數(shù)量以及重量均有重要影響，土壤Nmin在18.6～19.9mg/kg可促進(jìn)塊莖較早形成，當(dāng)Nmin超過50.6mg/kg時塊莖的形成被完全抑制[45]。在霧培條件下，低濃度的氮素供應(yīng)塊莖形成時間明顯早于高氮供應(yīng)，進(jìn)一步證實(shí)了低氮誘導(dǎo)而高氮抑制塊莖的起始[46]。氮素對塊莖發(fā)育的影響可能通過C:N的調(diào)控實(shí)現(xiàn)[47]。塊莖的形成不僅受氮素供應(yīng)數(shù)量的影響，還受氮素形態(tài)的調(diào)控。研究[48-49]發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮（NO3--N）促進(jìn)形成更多的塊莖，而銨態(tài)氮（NH4+-N）更有利于塊莖提前形成；塊莖形成后施用NH4+-N比NO3--N更有利于塊莖的膨大和產(chǎn)量的形成。最新報道[50]表明，NH4+-N和NO3--N比值為3:7時對塊莖形成及其內(nèi)部葡萄糖、蔗糖和淀粉積累有促進(jìn)作用，說明糖代謝或糖信號途徑介導(dǎo)了氮素形態(tài)對馬鈴薯塊莖形成的調(diào)控。

5 展望

馬鈴薯塊莖形成與發(fā)育過程有多條調(diào)控途徑，但是各途徑間不是完全獨(dú)立的，而是環(huán)境因子與內(nèi)部信號綜合作用的結(jié)果，雖然存在核心的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，但是它們之間存在復(fù)雜的互作關(guān)系。關(guān)于塊莖調(diào)控的研究取得了很多進(jìn)展，但是許多過程和機(jī)制還不清楚，未來還需從以下幾個方面進(jìn)一步開展研究：

（1）許多移動信號（包括蛋白質(zhì)、mRNA和miRNA）被認(rèn)為是塊莖發(fā)育的調(diào)控因子，但是在塊莖起始和膨大過程中各移動信號如何分工，是否存在互作，互作的調(diào)控機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)等還不是很清楚，需要進(jìn)一步研究加以解釋。

（2）塊莖起始和膨大是組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞學(xué)過程發(fā)生劇烈改變的過程，同時代謝過程（特別是碳水化合物代謝）也發(fā)生了根本性的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的改變和代謝的變化如何協(xié)調(diào)統(tǒng)一而完成塊莖的發(fā)育過程還有待繼續(xù)研究。