2022年3月28日，韓國生物科學與生物技術研究所Hyun-Soon Kim和Hyo-Jun Lee等科研學者在國際著名期刊
Cell Reports
發表題為“
Temporally distinct regulatory pathways coordinate thermo-responsive storage organ formation in potato
”的研究論文。本研究表明，在高溫條件下，StSP6A的轉錄水平在不同的時期被調控，進而影響馬鈴薯塊莖的形成。
馬鈴薯 （
Solanum tuberosum
L。）在其生長髮育過程中，會從地下莖中發育出一種特殊的儲存器官，稱為塊莖。塊莖的形成受各種環境因素的影響，包括溫度、光週期和鹽度等。高溫是塊莖形成的最不利環境因素。然而目前對不同時期熱響應塊莖的調控機制仍然瞭解甚少。
研究者分別在正常溫度（NT；22°C光照，16°C黑暗）、稍高溫度（SHT；30°C光照：24°C 黑暗）、高溫（HT；35°C光照：29°C黑暗）條件下對馬鈴薯幼苗進行培養。在培養五週時，高溫條件下，沒能觀察到馬鈴薯塊莖的產生。在第 9 周，塊莖產量隨溫度升高而降低。使用熱圖對結果進行視覺化顯示，在NT種植的植物中，9 周時塊莖的重量和大小比在SHT和HT種植的植物更具多樣化（圖1）。以上結果表明，高溫抑制了塊莖的發育，特別是在新塊莖的形成過程中。透過對塊莖產生時間進行統計，顯示高溫延遲了塊莖和匍匐莖形成的時間。
圖1 高溫抑制馬鈴薯塊莖的形成
先前的研究表明，
StSP6A
在調節馬鈴薯塊莖形成中起關鍵作用。此外，
StSP6A
的表達受到高溫的抑制。研究者分析了StSP6A在不同溫度下的時空表達模式。在NT條件下，隨著培養時間的延長，
StSP6A
的表達量逐漸增加。但在HT培養條件下，培養4至8周的馬鈴薯葉子和匍匐莖中
StSP6A
的表達量顯著降低（圖2）。這意味著
StSP6A
在SHT和HT中表達的減少會抑制高溫下塊莖發育。使用35S啟動子獲得轉基因植株，顯示
StSP6A
過表達完全恢復了塊莖形成，但在HT條件下它不能提高後期塊莖產量。
圖2 在不同溫度下
35S：StSP6A
植株的塊莖產生情況
為了研究
StSP6A
在不同時間點過表達的不同影響，研究者分析了馬鈴薯生長5周和8周時，
StSP6A
在
35S：StSP6A
轉基因植物中的表達情況。因為葉片中StSP6A表達的調控與塊莖形成密切相關，因此分析了葉子中的表達。在5周時，HT降低了
StSP6A
的表達。相比之下，在8周時，StSP6A過表達完全恢復 HT降低的
StSP6A
表達。這些結果與HT 對塊莖影響的資料一致，表明葉片中的
StSP6A
表達影響塊莖形成。高溫處理下調
StSP6A
轉錄水平，表明在高溫條件下，
StSP6A
在早期轉錄後受到調節。
StSP6A
的組成型過表達恢復了的熱抑制後期葉片中的轉錄水平，表明轉錄調控在後期起主要作用（圖3）。
糖是光合作用的最終產物，被運輸到塊莖中進行澱粉生物合成。在HT下，葉子中的蔗糖、葡萄糖和果糖含量含量增加。而糖轉運的缺陷會導致葉片中糖的積累，從而降低塊莖產量。暗示著HT條件下，塊莖產量下降可能是由於抑制了糖從源器官的運輸。
最後，研究者進行了轉錄組分析，表明參與塊莖發育的基因在高溫處理後的早期和晚期表現出不同的表達模式。總之，本工作表明，馬鈴薯具有隨時間變化的不同調節途徑，用於在高溫下對塊莖發育進行精細和多層次的調控。
圖3 不同溫度條件下，
StSP6A
調控馬鈴薯塊莖發育模式圖
原文連結：
https：//www。cell。com/cell-reports/fulltext/S2211-1247（22）00323-0#%20
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MP植物科學
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