光质调控马铃薯茎尖冷冻保存后恢复过程中的胁迫与防御基因表达谱分析

为解决马铃薯种质资源长期冷冻保存后再生率低的问题，研究人员开展光质调控冷冻茎尖转录组响应机制研究。发现红蓝光(RB-LED)相较于白光(CW)显著降低胁迫相关基因表达并激活形态建成通路，使再生率提高一倍。该研究为优化植物种质冷冻保存技术提供了关键理论依据。

　　

马铃薯作为全球第四大粮食作物，其品种特性主要通过无性繁殖保持。虽然田间和离体保存适用于中短期种质资源保护，但定期继代培养的需求使得这两种方法难以满足长期保存要求。冷冻保存通过将材料在超低温（低于-150°C）下存储，使代谢活动完全停止，理论上可实现无限期保存，是目前最适合克隆繁殖物种长期保存的经济有效方法。

然而马铃薯冷冻保存仍面临三大挑战：基因型特异性反应、冷冻处理诱导的胁迫损伤，以及再生阶段的生理损伤。特别是再生阶段的环境条件对恢复结果具有决定性影响，其中光照强度、时长和光谱质量又是关键环境因子。前期研究发现，含90%红光和10%蓝光的LED光源（RB）能使五个马铃薯品种的再生率比冷白色荧光灯（CW）提高一倍，但背后的分子机制尚不明确。

在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，Jaanika Edesi团队首次对克隆繁殖的马铃薯茎尖进行了冷冻保存后的全面转录组分析，重点研究了恢复阶段光质对基因表达的影响。研究人员采用"二甲基亚砜液滴法"对马铃薯品种Agrie Dzeltenie的茎尖进行冷冻处理，后在三种光条件下（全黑暗D、冷白光CW、红蓝光RB）进行16小时恢复培养，通过RNA测序和qPCR验证分析了基因表达谱。

研究关键技术方法包括：使用国际马铃薯中心提供的离体材料；DMSO液滴法冷冻保存；40μmol m^--2s^-1光强下的三种光质处理；Illumina HiSeq2500平台进行转录组测序；DESeq2进行差异表达分析；PlantRegMap进行GO富集分析；基于MIQE指南的qPCR验证。

光质处理下的差异基因表达

主成分分析显示冷冻保存解释了73%的转录组变异，光条件贡献了16%的变异。与未冷冻对照相比，三种光条件下的冷冻样本共有5,767个差异表达基因（DEGs），其中CW+ vs CW-有8,639个DEGs，RB+ vs CW-有7,947个，D+ vs CW-高达9,353个。这表明冷冻保存对基因表达产生了广泛影响。

冷冻保存的共同响应机制

GO分析发现所有冷冻样本共同上调的基因富集在胁迫和防御响应相关过程，包括"蛋白质磷酸化"、"对生物刺激响应"、"防御反应"等术语。同时下调的基因主要与形态建成过程相关，如"枝条系统发育"、"器官形态建成调控"等。这表明冷冻保存普遍激活了胁迫防御机制而抑制了发育过程。

光质特异性调控效应

比较光处理与黑暗处理的转录组发现，CW+和RB+相较于D+分别有2,882和1,473个DEGs。两种光条件共同上调了光合作用相关过程（"光合作用光反应"、"光捕获"）和光响应过程（"对光刺激响应"、"对蓝光响应"、"对红光响应"）。值得注意的是，CW+特异性激活了更多胁迫响应术语，包括"对几丁质响应"、"伤口响应"等防御反应。

红蓝光的优势机制

RB+与CW+比较显示499个DEGs，其中344个下调基因富集在"对非生物刺激响应"、"对温度刺激响应"、"防御反应"等过程。这表明红蓝光处理降低了胁迫相关基因表达。同时，RB+特异性上调了发育相关过程，如"区域化模式建立"、"激素水平调控"、"细胞分裂素代谢过程"等。研究人员还发现两个bHLH1转录因子（UPBEAT1同源基因）在RB+中特异性高表达，可能通过调控过氧化物酶基因参与活性氧（ROS）稳态维持。

研究结论表明，光质质量显著影响马铃薯茎尖冷冻保存后的转录组特征，红蓝光组合通过减少光诱导胁迫和激活形态建成相关基因表达，为提高冷冻保存效率提供了优化方向。该研究首次揭示了光质调控植物冷冻保存后恢复的分子机制，为改善克隆作物种质资源保存技术提供了重要理论依据，特别强调了通过优化光谱特性减少光相关胁迫可能对植物种质冷冻保存效率产生重大益处。

研究发现还暗示内生菌可能参与冷冻保存响应，因为所有冷冻样本都激活了对生物刺激的防御反应，而红蓝光处理降低了"对几丁质响应"等真菌相关术语的富集程度，这为后续研究微生物与植物互作在冷冻保存中的作用提供了新视角。