Cell Reports｜马铃薯中的温敏调控系统，温度调控块茎发育的新机制被揭示

撰文 | 十一月

责编 | 王一

马铃薯（Solanum tuberosum）也称为土豆，是地下茎中发展出的贮藏器官。土豆的好吃与否，受到多种因素的影响，其中包括温度、光周期以及土壤盐分等等【1】。高温会影响马铃薯的产量。以往的研究通过不同的马铃薯品种来研究高温对块茎发育的影响。研究表明，与块茎形成相关的基因表达受到温度变化的调节，其中关键的因子是StSP6A。StSP6A是拟南芥中FT (FLOWERING LOCUS T) 的同源基因【2】，负责光周期依赖的块茎发育，过表达StSP6A会诱导块茎的快速形成并增加块茎产量，而抑制StSP6A则会导致块茎形成减少。因此，StSP6A在块茎发育过程中发挥着关键作用。

近日，韩国生命科学技术研究院Hyo-Jun Lee研究组以及Hyun-Soon Kim研究组合作在Cell Reports发表了题为Temporally distinct regulatory pathways coordinate thermo-responsive storage organ formation in potato的研究论文，报道了马铃薯块茎形成和发育过程中温度依赖的时空调节信号通路。

为了探究高温对的马铃薯块茎发育的影响，作者们将马铃薯植株从培养基转入土壤中，随后进行不同时间的高温处理。包括正常温度组、稍高温度组以及高温组。总体的种植时间不超过9周，因为到第九周马铃薯的叶子会出现明显的衰老。通过对块茎数量的测量，作者们发现高温处理组显著降低了匍匐茎的产量和数量，稍高温组的处理影响居中（图1），块茎的产量随温度的升高而降低。

图1 不同时间以及不同温度对马铃薯产量的影响

那么不同温度下StSP6A时程表达是如何的呢？在正常的温度下，StSP6A的表达逐渐增加，但是高温情况下马铃薯叶片和匍匐茎中StSP6A的表达显著降低。这说明高温会导StSP6A的表达显著降低从而抑制块茎的发育。但是这并不能完全解释马铃薯块茎形成的温度调节过程，因为高温延迟了块茎形成的时间点约三周左右，但在开始在前三周StSP6A的转录本的没有显著的不同。

为了对不同温度下StSP6A表达与块茎之间的关系进行研究，作者们构建StSP6A转基因植株。过表达可以一定程度上解除高温对块茎形成的抑制，因此在高温处理组的第五周马铃薯形成了块茎，但是总的来说块茎形成数量和产量上仍然存在显著差异。因此，该结果说明过表达可以完全恢复块茎的形成，但是不能提高高温胁迫下块茎后期的产量。

在高温起始阶段，StSP6A转录本没有显著差异，随后与对照组出现了显著差异，但是块茎形成和匍匐茎数量等在早期阶段已经出现了差异。因此，作者们分析认为马铃薯中温敏调节的通路包括两个阶段：早期阶段转录本不变化、晚期阶段转录本降低。作者们发现在高温处理早期阶段是StSP6A转录本发生了转录后调控，由miRNA SES作为上游调节因子切割StSP6A转录本，抑制StSP6A的作用。为了进一步对晚期阶段马铃薯块茎形成对温度响应基因进行探究，作者们对马铃薯叶片进行了RNA-seq，通过分析高温处理后的差异表达基因，作者们在第3周和第8周分别发现了1447和5571个温度响应基因（图2），这一图谱为马铃薯中温度响应给出了全面的分析。

图2 高温处理后的差异表达基因图谱

总的来说，作者们发现马铃薯中FT同源基因StSP6A的转录水平在早期和晚期的不同调节途径（图3），揭开了高温情况下块茎形成抑制的分子机制，为调控马铃薯的块茎发育提供了新的思考。

图3 工作模型

参考文献：

1. Hancock, R.D., Morris, W.L., Ducrewx, L.J.M., Morris, J.A., Usman, M., Verrall, S.R., Fuller, J., Simpson, C.G., Zhang, R., Hedley, P.E., et al. (2014). Physiological, biochemical and molecular responses of the potato (Solanum tuberosum L.) plant to moderately elevated temperature. Plant Cell Environ. 37, 439–450.

2. Navarro, C., Abelenda, J.A., Cruz-Oro, E., Cuellar, C.A., Tamaki, S., Silva, J., Shimamoto, K., and Prat, S. (2011). Control of flowering and storage organ formation in potato by FLOWERING LOCUS T. Nature 478, 119–122.

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.110579