拟南芥TPS5/TPS10/TPS11 II类海藻糖磷酸合成酶突变体通过调控碳氮分配影响光周期依赖性淀粉及有机酸代谢

本研究针对II类海藻糖磷酸合成酶(TPSII)基因功能不明的科学问题，通过构建tps5-1、tps10-2和tps11-2插入突变体，系统分析了短日照(8h/16h)和长日照(16h/8h)条件下碳氮代谢重编程特征。研究发现TPS5/TPS10/TPS11通过负向调控TPS1-Tre6P(海藻糖-6-磷酸)代谢中枢，显著改变淀粉积累模式及有机酸/氨基酸动态，揭示了光周期依赖的新型代谢调控网络，为作物产量性状改良提供新靶点。

　　

在植物生长发育过程中，海藻糖-6-磷酸(Tre6P)作为蔗糖信号传导的核心分子，通过抑制能量感受激酶SnRK1来协调碳源分配与生长发育。然而，拟南芥11个TPS基因家族中，II类成员(TPS5-TPS11)虽缺乏明确的酶活证据，却在胁迫响应和发育调控中展现出独特作用。近年研究发现，这类"神秘"蛋白能与SnRK1复合物结合并抑制其核活性，暗示其可能通过非经典途径参与代谢调控。但关键科学问题仍未解决：这些TPSII蛋白如何响应环境节律变化？它们与经典Tre6P信号系统存在何种互作关系？

为破解这一谜题，墨西哥的研究团队在《Planta》发表了创新性研究成果。研究人员选取代表TPSII三个亚群的tps5-1、tps10-2和tps11-2突变体，通过短日照和长日照处理，结合代谢组学、酶活检测和表型分析，首次系统揭示了这些基因在光周期依赖的碳氮分配中的调控作用。

研究采用插入突变体构建、气相色谱-质谱联用(GC-MS)代谢物检测、硝酸还原酶(NR)活性测定、光合参数分析等技术手段。实验使用90株/基因型的拟南芥群体，在严格控制的生长室中进行光周期处理，分别在三个时间点采集叶片样本进行代谢物定量分析。

【植物表型分析揭示发育调控作用】
tpsII突变体表现出显著的形态改变：所有突变体营养生长增强，其中tps10-2突变体莲座面积达到野生型2倍。这种生长优势与开花时间延迟形成鲜明对比，尤其tps10-2完成开花需延迟2天。这表明TPSII基因可能通过复杂机制分别调控营养生长和生殖转换过程。

【非结构性碳水化合物动态重编程】
淀粉代谢呈现最显著变化：在两种光周期光照阶段，所有突变体淀粉含量持续高于野生型，仅tps11-2在长日照末期例外。值得注意的是，突变体中蔗糖(SUC)和葡萄糖(Glc)的昼夜波动减弱，tps10-2在短日照期间SUC持续积累。这种"高淀粉-稳糖"表型与经典tps1突变体相似，暗示TPSII可能负向调控TPS1-Tre6P系统对淀粉代谢的控制。

【TCA循环有机酸代谢重塑】
柠檬酸、琥珀酸等TCA循环中间体在突变体中普遍积累，尤其在光照阶段。但长夜处理导致所有突变体苹果酸急剧下降，甘油酸在tps11-2突变体中呈现独特的光周期依赖性波动。这些变化提示TPSII可能通过调节碳骨架供应影响氮同化效率。

【氨基酸代谢的光周期特异性调控】
丙酮酸衍生的丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)等在突变体中显著积累，而光呼吸相关甘氨酸(Gly)呈现相反趋势。谷氨酰胺(Gln)在所有突变体中持续升高，与NR活性增强相呼应。特别值得注意的是，天冬酰胺(Asn)在tps11-2突变体中表现出独特的长夜积累特征，显示不同TPSII成员可能通过差异机制调控氮转运存储。

【光合与氮代谢的协同变化】
tps11-2突变体展现出独特的光合特征：虽然胞内CO₂浓度(Ci)升高，但水分利用效率(WUE)和CO₂同化率(A)显著降低。与之对应，所有突变体的NR活性在夜间显著增强，尤其tps11-2在长夜末期达到峰值。这种"高氮同化-低光合效率"的耦合现象，揭示了碳氮代谢平衡调控的新维度。

这项研究首次系统阐明TPS5/TPS10/TPS11通过光周期依赖的方式调控碳氮分配网络。三个关键发现尤为突出：(1)TPSII可能作为TPS1-Tre6P系统的负调节因子，通过影响淀粉合成/降解平衡改变碳流分配；(2)不同TPSII成员存在功能分化，如tps11-2在有机酸代谢和光合调控中展现独特模式；(3)光周期信号通过TPSII模块整合碳氮代谢，其中NR活性与氨基酸代谢的时序调控可能起核心作用。

该研究为作物改良提供了新思路：通过精准调控特定TPSII基因表达，可能实现"高生物量-适当开花时间"的理想农艺性状组合。特别是tps10-2突变体展现的持续营养生长特性，对于叶菜类作物产量提升具有潜在应用价值。未来研究需解析TPSII蛋白与Tre6P/SnRK1模块的精确互作机制，以及它们在昼夜节律信号传导中的分子开关作用。