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New Phytologist 报道资源植物研究院黄斌全团队揭示马铃薯块茎形成新机制

来源: 澳门精准4肖资源植物研究院/农学院       发布时间:2023-12-08

1204日,澳门精准4肖-资源植物研究院/农学院黄斌全课题组在植物科学领域TOP期刊《New Phytologist5YIF=10.5)在线发表了题为The tuber-specific StbHLH93 gene regulates proplastid-to-amyloplast development during stolon swelling in potato的研究论文,该研究发现了马铃薯块茎形成的新的分子调控机制,首次报道造粉体发育在马铃薯块茎形成过程中的重要的作用。

马铃薯(Solanum tuberosum)是全球第三大重要粮食作物,中国是世界上马铃薯最大的生产国,约占世界总产量的1/4左右。块茎作为马铃薯的无性繁殖器官和储藏器官,其大小和数量是决定马铃薯产量的直接影响因子,因此,鉴定新的马铃薯块茎发育相关基因,解析马铃薯块茎形成的多基因遗传调控网络,是马铃薯遗传改良的理论基础,也是国家社会经济发展的现实需求。马铃薯块茎的发育过程也是造粉体分化发育和淀粉积累的过程,然而,造淀粉体发育与块茎发育的相互关系却鲜有报道。

黄斌全课题组通过构建马铃薯块茎不同发育时期的高分辨率转录组,发现块茎特异表达转录因子StbHLH93,其主要在马铃薯块茎和匍匐茎亚顶端的髓周区和顶端分生区高表达,下调StbHLH93的表达,匍匐茎的膨大过程受到抑制,导致块茎数量和大小显著减少,产量降低,而过表达StbHLH93 促进了匍匐茎的膨大,增加了产量。进一步研究发现,StbHLH93能直接结合质体TOC/TIC蛋白转运复合体中TIC56基因的启动子,激活TIC56表达。TOC-TIC是质体在分化过程中将大量核编码蛋白转移到质体中的重要复合体。在TIC56的突变体中,匍匐茎中的原质体向造粉体的分化受阻,影响了了匍匐茎的膨大,降低了马铃薯数量和产量。此外,研究还发现下调StbHLH93的表达并不影响造粉体发育过程中淀粉合成关键基因的表达,但这些基因编码的蛋白丰度却降低,该结果说明StbHLH93 调控质体蛋白质组变化而非基因表达来调控淀粉体的分化,促进原质体向造粉体转化,进而促使马铃薯匍匐茎向块茎的转变(图1)。以上结果揭示,StbHLH93 通过调控TIC56 参与原质体向造粉体的分化,从而进一步调控马铃薯块茎形成。

1. 马铃薯块茎特异转录因子StbHLH93调控造粉体发育影响块茎形成。

(a)马铃薯模式图; (b)匍匐茎膨大过程示意图; (c)StbHLH93原位杂交,结果表明StbHLH93主要在马铃薯块茎和匍匐茎亚顶端的髓周区和顶端分生区高表达; (d)双荧光素酶报告基因检测,结果表明StbHLH93能直接结合TIC56基因的启动子,激活其表达; (e)透射电子显微镜分析,结果发现下调TIC56基因表达,导致原质体向造粉体的分化受阻; (f)蛋白质印迹检测,结果发现下调StbHLH93TIC56 的表达降低了淀粉合成关键蛋白的丰度; (g)马铃薯单株产量统计; (h)StbHLH93的作用模型。

澳门精准4肖资源植物研究院/农学院博士后杨睿、博士研究生孙源和博士后朱晓玲为共同第一作者,黄斌全研究员为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、云南省科技计划和澳门精准4肖海外高层次人才引进计划等项目资助。

论文链接:https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19426