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马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为世界第四大粮食作物,因其营养价值高、适应性强及高产等性状,对保证世界尤其是发展中国家的粮食产量及安全有着重要的作用。然而,由于马铃薯结薯对光周期敏感性,导致很多马铃薯优良品种无法适应长日照生长条件,造成了生产上的局限性。因此,光周期介导的马铃薯块茎形成机制研究,对马铃薯生产具有重要的应用及理论指导意义。前人对马铃薯光周期介导的块茎形成机制已经有较多研究,包括以StCOL1为中心的基因调控。目前认为,StCOL1通过结合到StSP5G的启动子上激活StSP5G的表达,进而抑制StSP6A的表达从而抑制马铃薯在长日照条件下结薯,而光敏色素StPHYB则通过稳定StCOL1蛋白参与抑制马铃薯在长日照条件下结薯。本实验室前期通过分别干涉马铃薯中5个光敏色素基因（StPHYA、StPHYB、StPHYB2、StPHYE和StPHYF）发现,干涉StPHYF能够促进马铃薯试管薯的形成。在此基础上,本课题对光敏色素F介导的块茎形成机理进行了进一步研究,主要结果如下:1.干涉光敏色素StPHYF和StPHYB基因均能够解除长日照对块茎形成的抑制。以实验室前期获得的分别干涉5个光敏色素基因的马铃薯转基因株系为材料,检测了其试管薯形成表型及相关基因的表达,结果证明,在组织培养（异养）条件下,StPHYB和StPHYF的干涉株系都能够在长日照条件下形成试管薯,其它3个光敏色素基因的干涉株系在长日照条件下则不能形成试管薯,且干涉任何一个光敏色素基因对其它光敏色素基因的表达没有影响。由于前期获得的转基因干涉株系的受体基因型为鄂马铃薯3号（E3）,试管薯形成对光周期敏感,但在自然生长条件下结薯对光周期并不敏感,因此无法验证StPHYF在长日照条件下是否能够抑制马铃薯块茎的形成。为此,我们以一个光周期敏感基因型E109sm（E109）为受体进行转化,获得了StPHYF的转基因干涉株系StPHYFi-E109,并对其在长短日照条件下的异养和自养条件下的结薯表型进行了观察。结果显示,野生型E109长日照自养及异养两种培养条件下均不能结薯。而干涉株系StPHYFi-E109在长日照自养及异养条件下均能结薯。该结果明确显示,StPHYF基因具有在长日照条件下抑制马铃薯块茎形成的功能。进一步通过qRT-PCR检测StPHYFi-E109干涉株系中各光敏色素表达量时发现,干涉StPHYF基因没有影响马铃薯其它光敏色素基因的表达。本研究首次证明StPHYF在光周期诱导的马铃薯块茎形成中具有重要作用。2.StPHYF与StPHYB互作形成异源二聚体。研究首先采用农杆菌注射烟草叶片瞬时表达系统进行了StPHYF及StPHYB的亚细胞定位,结果显示StPHYF及StPHYB均定位在细胞质和细胞核中。之后利用酵母双杂、BiFC、Co-IP等三种方法进行系统的蛋白质互作研究。结果表明,马铃薯StPHYF和StPHYB在体内外均能够互作形成异源二聚体。通过将StPHYF和StPHYB分别截短成N端和C端,对二者互作结构域的验证结果证明,二者通过StPHYF的C端与StPHYB的N端互作形成异源二聚体。这些结果表明,StPHYF和StPHYB可能通过形成异源二聚体对马铃薯块茎形成的光周期敏感性进行调控。3.StPHYF和StPHYB均涉及调控StCOL1蛋白稳定性进而影响块茎形成。研究制备了马铃薯StCOL1蛋白的特异性抗体,通过Western blot检测转基因干涉株系及其对照非转基因株系中StCOL1蛋白的相对含量,结果显示,干涉StPHYF和StPHYB转基因株系的StCOL1蛋白含量均显著低于对照,由此说明StPHYF和StPHYB均能介导调控StCOL1蛋白的稳定性,也暗示StPHYF和StPHYB可能通过稳定StCOL1蛋白实现对长日照结薯的抑制。4.干涉StPHYB和StPHYF基因影响了CO-FT途径关键基因StSP5G和StSP6A的表达。前人研究表明,马铃薯StCOL1和StSP5G是块茎形成的抑制因子,而StSP6A和StCDF1是诱导块茎形成的因子,本研究对StPHYF及StPHYB干涉株系中这4个基因的表达进行了检测。结果表明,在E3和E109两个受体基因型的转基因干涉株系中,StSP5G的表达显著下降,而StSP6A的表达则显著升高,证明StPHYF和StPHYB对马铃薯块茎形成的调控确实处于StSP5G和StSP6A的调控链上。但StCOL1表达量并未发生改变的结果进一步表明,StPHYF和StPHYB对StCOL1的调控不是在基因转录水平上。转基因株系StCDF1基因在叶片中的表达水平与对照没有显著差异,但匍匐茎中的表达却显著升高,这一结果暗示StPHYF可能并未参与调控StCDF1在叶片中的表达,却可能参与调控了StCDF1在匍匐茎中的表达。5.StPHYF介导了块茎形成相关的信号长距离运输。本研究将转基因干涉株系StPHYFi-E109作为接穗,嫁接到非转基因株系E109砧木上,在长日照条件下生长,结果显示,StPHYFi-E109接穗可以诱导E109砧木的匍匐茎结薯,而当以E109作为接穗,StPHYFi-E109转基因干涉株系PHYFi-E109-14作为砧木时,PHYFi-E109-14砧木的匍匐茎则无法形成块茎。由此表明,地下匍匐茎能否膨大形成块茎是由地上部的某种信号决定的,而StPHYF介导了与此相关的信号由地上部向地下部的传递。同时,研究采用qRT-PCR检测了地上部叶片及地下部匍匐茎中块茎形成途径相关基因的表达,同样显示当接穗为PHYFi-E109-14时,匍匐茎中的StCDF1和StSP6A的表达显著升高。这一结果还暗示,可能还存在另一个信号因子随StSP6A共同从叶片传递到匍匐茎中调控了StCDF1的表达,与StSP6A一起双重保障调控块茎的形成。6.筛选鉴定了StPHYF和StPHYB的互作蛋白及StPHYF调控的下游基因。实验采用马铃薯块茎形成光周期敏感性不同的基因型E20、E26和E108为材料,构建了用于酵母双杂的cDNA文库以筛选互作蛋白。结果显示,全长BK-StPHYF获得28个潜在互作蛋白,StPHYF的C端BK-StPHYFC为获得48个潜在互作蛋白,StPHYF的N端BK-StPHYFN获得22个潜在互作蛋白,去除重叠的蛋白,共筛选到79个潜在互作蛋白。StPHYB的N端BK-StPHYBN获得11个潜在互作蛋白,其中有8个互作蛋白同时出现在StPHYF筛到的互作蛋白中,仅3个为StPHYBN特有的互作蛋白。其中,与StPHYF互作的bHLH、Zinc finger和NAC转录因子及两个激酶可能在StPHYF的功能调控中具有重要作用,互作的激酶可能涉及到光敏色素或相关蛋白质的磷酸化。同时以E109（PHYFi-E109-13和PHYFi-E109-14）和E3（PHYFi-E3-9和PHYFi-E3-15）转基因干涉株系为材料,采用RNA-seq分析筛选长日照条件下的差异表达基因,共筛选获得了32个可能受到StPHYF调控的差异表达基因,其中MADS转录因子可能与块茎形成调控有关,萜烯合成相关基因可能与长距离信号传输有关。这些结果为后续研究提供了新的思路与方向。