马铃薯是我国西南山区重要的粮食作物之一,也是山区脱贫攻坚的支柱产业之一,对于保障山区粮食安全和打赢脱贫攻坚战具有重要的战略地位。马铃薯与玉米等作物间套种是我国西南地区栽培种植的主要模式,马铃薯在结薯期受到玉米遮荫影响,造成产量和品质下降,阻碍了马铃薯产业的可持续发展。研究弱光对结薯期马铃薯生理生化及分子响应机制,对马铃薯耐弱光的遗传改良和栽培措施具有重要的指导意义。本研究以生产上广泛种植的马铃薯品种费乌瑞它为材料,在植物生长箱控制生长条件(光照周期12/12 h,22/18℃),以结薯期的不同光照强度(300μmol·m-2·s-1和100μmol·m-2·s-1)为处理,研究降低光照强度后,马铃薯植物光合生理和淀粉-糖代谢等生理生化以及光照周期内基因活性差异变化。另外,以前期鉴定的耐弱光品种鄂马铃薯10号(即鄂薯10号)和弱光敏感品种丽薯6号为材料,研究它们在弱光条件下的光合生理动态变化情况。主要研究结果如下:1.不同光强对马铃薯叶片光合生理、叶片淀粉-糖代谢和块茎产量品质的影响弱光增加了马铃薯叶片叶绿素a和叶绿素b的含量,且叶绿素b增加幅度大于叶绿素a导致叶绿素a/b值变小,提高了叶片捕获弱光的能力。胡萝卜素含量增加,增强了叶片的抗氧化功能。光合色素的变化是马铃薯对弱光的适应性响应。另外,降低光强使光合参数和荧光参数均有所变化:Pn、Tr和Gs均降低,Ci升高;F0和Fm均升高,Y(Ⅱ)和qP均降低,Fv/Fm变化不显著,NPQ增加。弱光下叶片中的淀粉和蔗糖含量都显著减少,同时降弱光减少了叶片中蔗糖和淀粉的合成效率。弱光降低了马铃薯块茎的产量及淀粉、蔗糖的含量。这些结果表明弱光降低了光合效率,减少了源的供应,且库强也减少。2.不同光强对马铃薯叶片和块茎中基因活性的影响在一个光照周期内每4 h进行叶片和块茎取样,通过RNA-seq分析两种光强下基因活性的动态变化。结果显示,弱光仅影响块茎中22-24个基因活性,影响叶片中368-2208个基因活性。块茎中差异表达基因未涉及淀粉-糖代谢途径,表明弱光未影响块茎库强,块茎产量和淀粉积累减少可能与地上部分源不足或流通不畅有关。光照周期内叶片差异基因数量显示,光照黑暗交替时间点的差异基因数量最多,随着时间的推移差异基因数量逐渐减少,表明弱光使基因活性产生生物节律性变化。差异基因GO富集分析结果显示,上调基因在氧化还原进程、几丁质代谢进程、细胞识别等生物学过程显著富集,说明弱光引起植物细胞的防御反应增强。下调基因在代谢过程、碳代谢过程、氮代谢过程、光合作用等生物学过程富集,在光系统II、光系统I、叶绿体等细胞组分富集,在催化活性、磷酸化酶活性等分子功能富集,说明弱光使光合作用降低,下调光合结构如叶绿体的基因活性,降低了酶的活性导致代谢过程减弱。此外,上下调差异表达基因在光暗交替0 h和12 h两个时间点最多,说明基因活性变化与光照周期节律性变化相关。差异基因KEGG富集结果显示,上调富集途径主要有植物激素信号转导、脂肪酸的生物合成等代谢途径,暗示降低光强引起植株适应性反应。差异下调表达基因主要富集途径有光合作用、光合生物中的碳固定、卟啉和叶绿素代谢、乙醛酸和二羧酸酯代谢、氮代谢、碳代谢等,表明弱光下调了光合相关途径、以及氮/碳利用分配。这些途径改变降低了马铃薯源的来源也改变了流的分配,是导致块茎产量下降和淀粉积累减少的主要原因。3.不同光强下不同耐荫性马铃薯的光合生理的动态变化比较弱光下,丽薯6号和鄂薯10号的Pn、Gs、Tr、Y(Ⅱ)、和qP都显著降低,且丽薯6号降低幅度大于鄂薯10号;丽薯6号和鄂薯10号的FO、Fm都升高,且丽薯6号升高幅度逐渐大于鄂薯10号,说明弱光降低了马铃薯的光合能力,且鄂薯10号对弱光的敏感程度低于丽薯6号,在弱光下拥有更好的光合能力。总结:弱光一方面下调了光合作用、光合生物中的碳固定、卟啉和叶绿素代谢、光合作用-天线蛋白等代谢途径,降低了光合效率导致源的不足;另一方面下调了乙醛酸和二羧酸酯代谢、氮代谢、碳代谢等途径,改变了C/N的分配和利用。在不同耐荫性马铃薯的光合特性比较中显示,弱光下鄂薯10号F0、Fm的增幅低于丽薯6号,同时鄂薯10号的Pn、Tr、Gs、Y(Ⅱ)和qP高于丽薯6号,说明鄂薯10号在弱光下更能利用光能,是减少弱光影响的重要因素。这些结果为马铃薯耐弱光的遗传改良途径指明方向和套作栽培措施,提供理论基础。