蔗糖通过调控植物激素信号通路诱导马铃薯匍匐茎早期发育的转录组学研究

为解决马铃薯匍匐茎早期发育机制不明的问题，青海大学与北京师范大学团队通过转录组学、激素定量及转基因技术，揭示高浓度蔗糖通过激活IAA、CK和GA信号通路（特别是StARF9基因）促进匍匐茎起始，为马铃薯离体培养和遗传改良提供新靶点。成果发表于《Scientific Reports》。

　　

马铃薯作为全球第四大粮食作物，其块茎产量直接关系到粮食安全。然而，块茎形成的初始阶段——匍匐茎的早期发育机制尚不明确，尤其是蔗糖和植物激素如何协同调控这一过程。现有研究多聚焦于块茎膨大后期，而匍匐茎起始的分子机制仍是空白。这一问题制约了马铃薯离体培养和品种改良的效率。

为填补这一空白，青海大学和北京师范大学的研究团队联合开展了一项系统性研究。通过结合转录组学、激素定量和功能验证实验，首次揭示了高浓度蔗糖（8%）通过激活生长素（IAA）、细胞分裂素（CK）和赤霉素（GA）信号通路，驱动马铃薯匍匐茎起始的关键机制。相关成果发表在《Scientific Reports》上。

研究团队采用多组学联用策略：首先通过体外培养筛选最佳蔗糖浓度（3% vs 8%），利用RNA-seq分析差异表达基因（DEGs），结合LC-MS-sMRM技术定量IAA、tZR、iPR等内源激素，并通过异源过表达StARF9基因验证其功能。样本来源于马铃薯栽培种Atlantic的茎节组织。

高浓度蔗糖诱导匍匐茎起始
实验发现，8%蔗糖处理可诱导每株产生9.1个匍匐茎原基，显著优于其他糖类（如葡萄糖仅4.8个）。表型观察显示，3%蔗糖无法启动发育程序，而8%处理8天后即可见原基形成（图1d）。

蔗糖激活糖代谢与激素通路基因
RNA-seq分析显示，8%蔗糖上调2451个基因，包括糖代谢关键酶（如中性转化酶PGSC0003DMG400013088）和激素相关基因。KEGG富集发现这些基因显著关联IAA（如SAUR家族）、CK（如细胞分裂素氧化酶）和GA（如赤霉素3-β-双加氧酶）通路（图2g）。

发育关键基因与激素调控网络
筛选出10个蔗糖诱导且发育上调的核心基因，如黄素单加氧酶（参与IAA合成）和WRKY转录因子（调控IAA信号）。激素定量显示匍匐茎原基中IAA含量最高（8.078 ng/g），外源施加IAA和6-BA可替代蔗糖诱导匍匐茎（图6b-c）。

StARF9的功能验证
转录组数据锁定StARF9（PGSC0003DMG400012261），其在8%蔗糖处理的茎节中表达量提升9.2倍。转基因烟草过表达该基因后，基部叶片和分枝数显著增加（图6e-g），证实其正向调控器官发育。

这项研究首次构建了蔗糖-激素-发育的调控模型：高浓度蔗糖通过激活糖代谢，提升IAA、CK等激素水平，进而由StARF9等转录因子驱动匍匐茎起始（图7）。该发现不仅解析了早期发育的分子机制，还为离体快繁提供了8%蔗糖的优化条件，并通过StARF9等靶基因为遗传改良开辟新途径。

讨论部分指出，蔗糖可能通过次级代谢物（如类黄酮）或表观遗传机制协同调控发育。未来可结合ATAC-seq和单细胞测序进一步解析染色质开放性与细胞异质性。研究局限性在于GA3动态变化未被完全捕获，但通过多组学交叉验证确保了结论可靠性。这项成果为马铃薯和其他块茎作物的精准育种奠定了理论基础。