【摘 要】
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马铃薯（Solanum tuberosum L.）栽培面积广,在全球作物中占比很大。而马铃薯种植地非常容易受旱,因为这些地方降雨量较少,水资源受限,加之马铃薯植株根系较浅,吸收水分的能力较弱,因而其生长过程易受水分逆境胁迫。另外,当前全球气温不断升高,水分亏缺的情况愈加严重,对马铃薯生产的影响不可忽略。因而,深入了解马铃薯适应不同水分状况的生理与分子机制非常重要,有助于增强马铃薯在水分胁迫中的适应
【基金项目】
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国家“十二五”科技支撑计划课题（2015BAD22B01）； 国家重点基础研究发展计划（2015CB150402）； 国家自然科学基金项目（51479189）；
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马铃薯（Solanum tuberosum L.）栽培面积广,在全球作物中占比很大。而马铃薯种植地非常容易受旱,因为这些地方降雨量较少,水资源受限,加之马铃薯植株根系较浅,吸收水分的能力较弱,因而其生长过程易受水分逆境胁迫。另外,当前全球气温不断升高,水分亏缺的情况愈加严重,对马铃薯生产的影响不可忽略。因而,深入了解马铃薯适应不同水分状况的生理与分子机制非常重要,有助于增强马铃薯在水分胁迫中的适应能力以及培育耐旱品种。本研究以我国北方地区大面积种植的马铃薯品种“冀张薯8号”为试验材料,通过盆栽试验,研究马铃薯叶片和块茎中碳氮物质积累、转运对干旱胁迫与复水的响应状况,并结合转录组测序技术,分析马铃薯响应不同水分状况基因的表达情况,筛选响应干旱与复水的关键基因,解析马铃薯块茎膨大期对干旱胁迫与复水处理应答的分子机制。主要研究结果如下:1.水分胁迫下,马铃薯叶片蔗糖磷酸合成酶（SPS）活性增强,蔗糖大量积累,块茎蔗糖与淀粉含量显著下降。复水后叶片蔗糖含量增加,块茎蔗糖与淀粉含量都增多。说明干旱抑制淀粉与蔗糖代谢过程,叶片碳水化合物积累,复水恢复块茎淀粉积累过程。2.水分胁迫下,马铃薯叶片硝酸还原酶（NR）活性显著降低,谷氨酰胺合成酶（GS）活性与对照差异不显著,游离氨基酸与可溶性蛋白质含量在叶片内降低,在块茎中增多。旱后复水,叶片NR与GS活性增强,氮素同化物在叶片中仍较低,块茎中较高,块茎全氮含量降低。说明干旱胁迫促进氮素向块茎分配,复水后该趋势缓解。3.通过转录组测序分析,在对照、干旱与复水处理的马铃薯叶片中分别获得19893、18886与19780个表达基因,水分胁迫后差异基因3530个,其中上调1393个,下调2137个,在叶片中,复水与水分胁迫的差异基因3308个,包括上调1980个,下调1328个;对照、干旱与复水处理下马铃薯块茎中表达基因分别有17855、17186与17754个,在块茎中,水分胁迫后有1357个差异基因,上调729个,下调628个,复水与干旱胁迫处理组间差异基因数为4663个,上调2619个,下调2044个。通过q RT-PCR技术验证27个差异基因,表明转录组数据可靠。4.差异基因KEGG注释结果显示:在叶片中差异基因主要与糖基转移酶、核糖体蛋白、丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶、受体蛋白等相关;在块茎中差异基因主要与过氧化物酶、氧化酶、转录因子等相关。在叶片中,干旱胁迫下1372个差异表达基因注释于118个KEGG代谢途径中,复水后1781个差异表达基因富集于118个代谢途径中,其中干旱胁迫下差异表达基因参与的代谢途径有次生代谢生物合成途径、植物激素信号转导与淀粉与蔗糖代谢途径等过程;复水后参与的代谢途径有植物激素信号转导、次生代谢产物生物合成途径、碳代谢途径以及糖酵解/糖异生代谢途径等。在块茎中,干旱胁迫下661个差异基因注释于100个KEGG代谢途径中,复水后2563个差异基因注释于121个KEGG代谢途径,其中干旱胁迫下差异基因富集较多的代谢途径有植物激素信号转导途径、内质网中蛋白加工、苯丙氨酸代谢途径等;复水后差异基因参与的代谢途径主要碳代谢、氨基酸的生物合成、丙酮酸代谢等途径。5.干旱胁迫下,叶片中SPS和Su Sy基因的表达水平与SPS和SS活性显著正相关,促进蔗糖大量积累,块茎蔗糖显著降低;复水后叶片SPS和Su Sy基因下调表达,说明分子水平已经启动了降低叶片蔗糖的调控机制,块茎蔗糖积累。干旱胁迫下,块茎SBE基因表达水平与淀粉含量显著正相关,块茎淀粉积累被抑制;复水后,块茎SBE和AGP与淀粉含量正相关,促进淀粉的合成与积累。结合分子与生理水平,表明水分胁迫阻碍了碳水化合物向块茎中分配,复水后有所恢复。
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