基于转录组学的参薯块根淀粉与蔗糖代谢通路解析及其分子育种潜力评估

《Plant Molecular Biology Reporter》：Transcriptomic Profiling of Dioscorea alata Roots Highlights Starch and Sucrose Metabolism Pathways

本研究针对温产参薯（Dioscorea alata）块根不同部位淀粉形成机制不清的问题，通过Illumina HiSeq 2000平台对其四个区段（S1-S4）进行转录组测序，获得47,547个unigenes，鉴定出1162-3607个差异表达基因（DEGs）。研究发现淀粉蔗糖代谢通路关键基因（如磷酸葡萄糖变位酶、淀粉合成酶）及AP2/ERF、bHLH等转录因子家族显著富集，揭示了块根部位特异性代谢调控网络，为参薯品质改良提供了分子靶点和转录组资源。

　　

作为一种兼具药用价值与健康功效的传统作物，参薯（Dioscorea alata）因其独特风味和营养优势备受青睐。其块根富含淀粉、氨基酸、薯蓣皂苷等活性成分，在增强免疫力、抗氧化等领域展现临床潜力。随着健康饮食理念普及，市场对高品质参薯需求激增，尤其以温产参薯为代表的糯性品种因口感独特而成为育种焦点。然而，参薯淀粉合成与品质形成机制研究仍处于起步阶段，特别是块根不同部位淀粉组分空间分布规律及其分子调控网络尚不明确，严重制约了品种精准选育与产业升级。

为解析参薯块根发育的转录调控基础，研究团队以浙江省温州市种植的温产参薯为材料，将成熟期块根按形态结构自上而下划分为S1-S4四个区段，系统测定淀粉组分含量，并利用Illumina HiSeq 2000平台进行转录组测序。通过de novo拼接获得47,547个unigenes（N50为2605 bp），其中78.49%的基因在七大数据库中获得功能注释。差异表达分析发现S1-vs.-S2、S1-vs.-S3、S1-vs.-S4比较组分别存在1162、2754和3607个DEGs，共有416个核心DEGs贯穿所有比较组。KEGG富集分析表明碳代谢、淀粉蔗糖代谢通路显著激活，而STEM时序表达聚类将DEGs划分为8类动态表达模式，其中G2/G3（上调趋势）和G4/G8（下调趋势）模式基因密集参与次级代谢物合成与淀粉积累调控。

关键技术方法包括：基于CTAB法提取块根四个区段总RNA，利用Illumina HiSeq 2000平台进行测序并通过Trinity软件拼接；采用DIAMOND和Blast2GO进行基因功能注释；以|log₂Ratio|≥1和FDR≤0.001筛选DEGs；通过iTAK预测转录因子家族；随机选取12个DEGs以qRT-PCR验证数据可靠性。

淀粉与水分含量分析

淀粉组分检测显示，S4区段直链淀粉含量显著高于其他部位（377 mg/g），而S1区段支链淀粉含量最高（233 mg/g），表明块根不同部位淀粉合成存在空间异质性。水分含量在各部位均维持在72%左右，排除水分干扰对代谢分析的偏差。

转录组分析及DEGs鉴定

测序数据Q30均高于92%，拼接获得的unigenes长度主要分布在1000-2000 bp区间。NR数据库注释显示81.68%基因与参薯同源，样本间相关性显著。Venn图分析揭示三组比较共享的416个DEGs可能主导块根基础代谢调控。

DEGs的8种表达模式分析

K-means聚类将5583个DEGs划分为8类表达趋势，其中G2/G3组基因随块根发育持续上调，富集于代谢通路、淀粉蔗糖代谢等途径；G4/G8组则呈现抑制趋势，凸显基因表达的时序特异性与功能分工。

淀粉蔗糖代谢相关DEGs表达谱

共鉴定31个淀粉蔗糖代谢通路DEGs，涉及磷酸葡萄糖变位酶（催化α-D-G1P与D-G6P转化）、淀粉合成酶（催化直链淀粉合成）等关键酶基因。其中9个基因上调表达，16个纤维素合成酶基因下调，揭示块根中碳流向淀粉合成的定向调控机制。

转录因子差异表达分析

共预测2326个转录因子（TFs），bHLH（123）、bZIP（121）等家族成员丰度最高。420个TF型DEGs中，AP2/ERF家族37个成员普遍上调，WRKY家族24个成员在S3区段表达峰值显著，暗示其通过协同调控淀粉合成酶基因参与品质形成。

qRT-PCR验证数据准确性

随机选取12个DEGs进行qRT-PCR验证，结果显示其表达趋势与RNA-seq高度一致（R²>0.9），证实转录组数据的可靠性。

本研究通过多组学联用揭示了参薯块根淀粉合成的空间调控网络，首次系统阐释了不同部位代谢通路分化与转录因子协同作用机制。研究不仅为作物淀粉品质改良提供了候选基因库（如磷酸葡萄糖变位酶、淀粉分支酶等），更建立了首个温产参薯转录组数据库，为后续功能基因挖掘与分子育种奠定了资源基础。值得注意的是，淀粉合成相关转录因子（如WRKY、NAC等）在块根中的动态表达模式与谷物类作物具有保守性，暗示作物间淀粉调控网络可能存在进化共性。然而，参薯多倍体遗传背景与无性繁殖特性仍为功能验证带来挑战，未来需结合基因组编辑与代谢工程进一步验证靶基因功能。该成果发表于《Plant Molecular Biology Reporter》，为薯类作物精准育种提供了理论范式与实践路径。