[00139716]马铃薯高光效基因识别及功能研究

研究完成了3个不同光照周期6个时间点的转录组测序和分析,识别了不同光照周期和昼夜周期特异表达基因,表明了短光照周期是马铃薯的负调控因子;选择短光照周期响应上游基因进行GO和KEGG分析,结果显示,叶绿体组分、光合和氧化磷酸化等光合作用要素,表明光照周期响应基因参与了光合作用。 图一 StH2A.Z、StEPF 2、StYAB 1和St536表达随光照周期的变化 选择了42个短光照周期响应上游基因,完成了其在3个不同光照周期各2个时间点的RT-qPCR定量,依据其相关分析结果、明确了光照周期改变密切相关基因。依据其随短光照周期变化的不同特征,确定了不同典型特征的4个代表基因StH2A.Z、StEPF 2、StYAB 1和St536,对其功能进行了进一步研究,各基因光照周期变化的RT-qPCR定量结果如图一所示。 StH2A.Z是马铃薯核小体组分H2A.Z编码基因,其植物同源物研究报道有限,功能有待确定。本研究体内抑制其表达,显著降低了赤霉素积累,增加了叶片叶绿素积累,表现半矮化和花期推迟表型;StH2A.Z独立于光照周期调控花期的结果,证实了StH2A.Z是光照周期响应基因。 抑制株系蛋白质组表达谱和KEGG富集分析,抑制StH2A-1表达,叶绿素a-b结合蛋白CP26（LHCA2、LHCB5、LHCB4.2）的天线蛋白积累增加2倍以上;意味着PSⅡ的水光解氧化能力增强。另外3个四吡咯结合蛋白,PSⅡ中心蛋白PSBA和PSBD及光系统I亚基PSAB上调2.5倍以上;预示着PSⅠ和PSⅡ的稳定性及PSⅡ光子捕获和传递能力增强。抑制StH2A.Z表达株系净光合速率高于对照3倍（图二A）的测定结果证实了蛋白质组的测定结果。 YABBY转录因子调控萜烯代谢,广泛参与植物不同器官发生形成,但其作用机制鲜有报道。本研究在本氏烟体内表达马铃薯YABBY 1（StYAB 1）反义cDNA,抑制其同源物表达,蛋白质组表达谱和生理表型测定结果分析显示,StYAB 1表达下调,镁-卟啉IX甲基转移酶（CHLM）等萜烯合成酶表达急剧增加,继而致使叶绿素含量比对照提高了29%,赤霉素含量高于对照22倍;Rubisco小亚基1B、碳酸酐酶（CA1）、光系统II反应中心蛋白等光合作用蛋白上调,增强叶绿体光合磷酸化活性,净光合速率是对照的2.3倍（图二B）。 研究表明,植物表皮模式因子（EPF2）反向调控叶片气孔密度,但作用机制有待明确。本研究分离了马铃薯（StEPF 2）基因,抑制和过量表达株系蛋白质组表达谱及代谢成分测定结果分析,表明StEPF2作为调控子,改变果胶酶积累;抑制StEPF 2表达,分别下调β-木糖苷酶（BXL1）和β-半乳糖苷酶3（BGAL3）,上调果胶裂解酶（PLY）积累,这三者果胶修饰酶共同作用,增加了气孔保卫细胞壁亲水分子阿拉伯鼠李糖半乳糖醛酸聚糖（RG1）积累,减少非亲水分子同型半乳糖醛酸聚糖（HG）积累,增强了气孔保卫细胞壁弹性,使得气孔开闭更为灵活。抑制StEPF 2表达株系更具弹性保卫细胞壁使其叶片气孔密度是对照的2倍,叶片气孔导度和蒸腾速率分别是对照近2倍,净光合速率比对照提高了2倍以上（图二C）。 以往研究表明,发育阶段分化表达的CUC 3 （CUP-SHAPED COTYLEDON 3）基因调控腋生芽分生组织分化,但其作用机制不详。本研究发现,抑制光照周期响应基因StHCUC 3表达,出现类似于StYAB 1的表型,即Rubisco小亚基1B和碳酸酐酶（CA1）积累增加,叶绿素和赤霉素含量高于对照,净光合速率显著高于对照。 图二 StH2A.Z、StYAB 1和StEPF 2抑制及St536过量表达株系净光合速率 光照周期响应基因St536（DMG400012536）在短光照周期的长黑暗（16h）条件下,相对表达量高于其它条件15倍以上,是长黑暗特异诱导表达基因,检索数据库,未见及其同源物功能的研究报道。本研究通过亚细胞定位,明确了St536是核基因编码的线粒体膜蛋白;体内过量表达St536结果分析显示,St536过量表达株系纤维素积累比对照降低了20%,气孔保卫细胞相对纵向长度比对照降低了17%,叶片气孔导度、蒸腾速率和ATP积累分别是对照的4.6、4.0和2.2倍,叶绿素含量比对照增加了32%;净光合速率是对照的3.5倍（图二D）。 以上基因在光合作用中的功能尚未见报道,结果不仅明确了其表达变化可增强光合作用,而且明确了高光效育种的目的基因。