蔗糖合酶基因PtSUS1通过维持光合稳态增强半夏块茎产量和耐热性

本研究针对药用植物半夏（Pinellia ternata）规模化栽培中高温胁迫导致“倒苗”减产的关键问题，通过过表达蔗糖合酶基因PtSUS1，系统解析了其调控块茎产量和耐热性的分子机制。研究发现PtSUS1通过加速蔗糖降解，促进UDP-葡萄糖/ADP-葡萄糖生成及淀粉/纤维素合成，进而提高块茎产量和机械强度；同时通过维持光合作用稳态、增强抗氧化能力，显著提升半夏耐热性。该研究为培育高产抗逆半夏新品种提供了重要基因资源和理论依据。

　　

在传统中医药宝库中，半夏（Pinellia ternata (Thunb.) Breit）的干燥块茎——半夏（Pinelliae Rhizoma, PR），以其卓越的止呕、化痰等功效被应用了数千年。近年来，其抗肿瘤、抗炎、抗病毒等新药理活性的发现，以及作为生物农药和工业抗性淀粉新来源的潜力，使得市场需求激增，供需矛盾日益突出。然而，半夏作为一种喜阴植物，在田间规模化栽培时，难以避免夏季高温的侵袭。当环境温度超过30°C时，半夏地上部分便会发生“倒苗”现象——叶片枯黄、植株萎蔫，这虽是植株应对高温的生存策略，却严重缩短了其有效生长期，导致块茎产量大幅下降。高温胁迫还会破坏叶肉细胞结构、损伤叶绿体、显著降低光合效率。尽管对半夏的热响应已有不少表型和生理研究，但其背后的分子机制仍不清楚，制约了耐热高产半夏品种的选育。

为了解决半夏产业面临的这一核心瓶颈，一项发表于《Industrial Crops and Products》的研究应运而生。研究团队将目光投向了蔗糖代谢的关键酶——蔗糖合酶（Sucrose Synthase, SUS）。SUS催化蔗糖与尿苷二磷酸（UDP）可逆地生成UDP-葡萄糖和果糖，该过程相较于需要消耗ATP的转化酶（INV）途径更为节能，尤其在胁迫条件下更为重要。SUS在调控淀粉合成、果实品质和纤维形成中扮演关键角色，而半夏块茎中淀粉含量高达75%以上，暗示SUS可能对其产量形成至关重要。此前研究虽暗示SUS可能与水稻、玉米的耐热性相关，但其在植物耐热性中的具体调控机制尚不明确。基于此，研究人员提出科学假设：半夏中的SUS基因可能在其耐热性和块茎产量调控中发挥重要作用。

为了验证这一假说，研究人员开展了一系列系统性的实验。他们首先对半夏基因组进行了SUS基因家族的全面生物信息学分析，鉴定出4个PtSUS成员，并发现PtSUS1在高温胁迫早期呈现短期诱导表达的特性。随后，他们克隆了PtSUS1基因，并分别构建了过表达该基因的拟南芥和半夏转基因植株。通过对转基因植株和野生型植株在正常与高温胁迫条件下的表型、生理生化指标、糖代谢产物含量以及转录组进行对比分析，深入探究了PtSUS1的功能及其作用机制。研究所用的半夏材料采集自淮北师范大学实验农场，转基因半夏的获得则参考了已发表的遗传转化方法。

3.1. 全基因组和生物信息学分析鉴定PtSUS1为早期热胁迫阶段的热诱导基因

研究人员从半夏基因组中鉴定出4个SUS基因（PtSUS1-PtSUS4）。系统进化分析显示，PtSUS1与玉米ZmSUS1和水稻OsSUS3亲缘关系较近。表达谱分析表明，PtSUS1在幼嫩、中期和成熟块茎以及珠芽和根中优势表达。在高温胁迫下，PtSUS1的表达在12小时达到峰值，但在24小时不再上调，表现出短期热诱导特性，这可能是半夏对高温敏感的原因之一。此外，PtSUS1在干旱胁迫下也表现出诱导表达。

3.2. PtSUS1蛋白的亚细胞定位

通过将PtSUS1与绿色荧光蛋白（GFP）融合并在本氏烟叶片中瞬时表达，发现PtSUS1-GFP信号定位于细胞质和细胞膜，而空载体对照的GFP信号则分布于细胞核、细胞质和膜。这表明PtSUS1是一种胞质和膜蛋白。

3.3. 过表达PtSUS1增强拟南芥种子大小和耐热性

在拟南芥中过表达PtSUS1导致种子显著增大，其长轴和短轴均大于野生型。在高温（40°C）胁迫下，转基因拟南芥幼苗的根系生长明显优于野生型，表现出更强的耐热性。这表明PtSUS1通过促进蔗糖向淀粉的转化影响种子发育，并能增强植物对高温的耐受能力。

3.4. PtSUS1催化蔗糖降解并调控半夏生长

在半夏中成功获得了三个PtSUS1过表达株系（OE6, OE13, OE24）。转基因半夏表现出更强的生长势，叶柄更粗，根数更多，珠芽和块茎出现时间提前，且其直径、单株鲜重以及块茎总生物碱含量均显著高于野生型。酶活检测证实转基因植株的SUS活性显著提高。糖含量分析显示，转基因植株叶片、叶柄和块茎中的蔗糖含量下降，而UDP-葡萄糖、ADP-葡萄糖、葡萄糖、果糖和淀粉含量显著上升，证明PtSUS1过表达加速了蔗糖的降解和利用。组织化学染色和定量分析进一步表明，转基因半夏叶柄中纤维素含量更高，推力更大，倒伏指数更低，细胞壁机械性能得到改善。

3.5. 过表达PtSUS1增强耐热性、光合作用和抗氧化反应

高温胁迫（40°C，72小时）后恢复培养一周，转基因半夏的存活率超过98%，而野生型仅为32%。光合参数测定表明，在正常和热胁迫条件下，转基因半夏的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、PSII实际量子产量（ΦPSII）和电子传递速率（ETR）均显著高于野生型。生理指标检测发现，热胁迫下转基因半夏的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性增强，丙二醛（MDA）含量积累较少，DAB和NBT染色显示活性氧（ROS）积累更少，表明其抗氧化损伤能力更强。

3.6. PtSUS1通过代谢蔗糖和维持光合稳态改善半夏生长和耐热性

转录组分析比较了野生型和转基因半夏（OE24）在常温和热胁迫下的基因表达差异。GO富集分析显示，差异表达基因（DEGs）显著富集于光合系统、甘露糖结合、淀粉生物合成等通路。MapMan分析进一步揭示，PtSUS1过表达显著上调了光反应系统中关键组分的基因表达，包括LHC-II复合体、PSII复合体、细胞色素、LHC-I复合体和铁氧还蛋白-NADP还原酶。即使在热胁迫下，转基因植株中这些基因的表达水平仍高于野生型。此外，蔗糖转运蛋白（SWEETs, SUTs, MSTs）、纤维素合成酶（CesA）以及淀粉合成相关基因（GBSS, SS, SBE）的表达在转基因植株中也普遍上调。这表明PtSUS1过表达促进了蔗糖从源到库的运输和利用，并通过反馈调节维持了光合作用的稳态。

综合以上结果，研究提出了PtSUS1的作用模型：过表达PtSUS1加速了蔗糖降解生成UDP-葡萄糖/ADP-葡萄糖，进而促进纤维素和淀粉合成，最终提高块茎产量、珠芽大小并改善细胞壁机械性能。同时，增加的蔗糖消耗需求产生反馈信号，上调光合相关基因表达，维持光合稳态，从而在高温胁迫下减少ROS积累和氧化损伤，协同增强植物的耐热性。

本研究首次在半夏中系统阐明了蔗糖合酶基因PtSUS1在协调产量形成和耐热性中的双重功能。研究不仅发现了一个关键的短期热诱导基因，还揭示了其通过调控源库关系、糖代谢、光合作用以及抗氧化系统来增强植物抗逆性的新颖机制。尤为重要的是，该研究首次报道了一个能显著促进半夏珠芽发育的基因，为理解这种重要无性繁殖器官的形成机制提供了关键线索。研究结果表明，通过基因工程手段调控PtSUS1表达，有望同步实现半夏的增产和抗逆性提升，为培育高产、稳产、优质的半夏新种质提供了强有力的候选基因和理论支撑，对保障中药材半夏的可持续供应和产业发展具有重要的科学意义和应用前景。