山药不定根形成障碍的转录组解析：激素与糖代谢协同调控新机制

《BMC Plant Biology》：Transcriptomic profiling analysis provides new insights into molecular mechanisms of adventitious rooting recalcitrance in yam vine cuttings

本研究针对山药蔓插繁殖中不定根(AR)形成难易性差异的机制问题，通过整合表型观察、解剖结构分析、内源激素测定和转录组测序，系统揭示了易生根品种与难生根品种在AR形成关键阶段的分子调控网络。研究发现，生长素(IAA)水平、淀粉与蔗糖代谢通路(涉及SUS7、HXK1、FRK2等31个DEGs)以及植物激素信号转导通路(涉及IAA16、ARF9、RR9等18个DEGs)是调控AR形成的关键因素。外源NAA处理可显著提高难生根品种RCSY的生根率，且蔗糖与淀粉积累与AR形成能力呈正相关。该研究为解析木本植物扦插繁殖的分子机制提供了新见解，对优化山药无性繁殖技术具有重要指导意义。

　　

山药作为全球第四大淀粉类块茎作物，在保障粮食安全方面具有重要经济价值。传统上，山药依赖块茎进行繁殖，但这种方式存在繁殖系数低（每季节低于1:10）、种薯消耗占总产量近30%、成本高昂（占生产成本的60%），以及易导致病毒病、炭疽病和线虫等病原体积累，造成产量下降超过25%等问题。近年来，蔓插繁殖作为一种替代传统块茎繁殖的方法受到关注，它能够实现1:900的高繁殖系数，并使收获的块茎完全用于消费，同时避免土传病原体污染。然而，不同山药品种的不定根形成能力存在显著差异，这种生根难易性（rooting recalcitrance）严重限制了该技术在难生根品种中的应用。因此，解析山药蔓插不定根形成的调控机制，对于克服繁殖障碍、优化克隆繁殖策略至关重要。

为开展本研究，研究人员主要应用了以下关键技术方法：对八个山药品种进行表型生根率统计和解剖结构观察；通过酶联免疫吸附测定(ELISA)定量分析内源植物生长调节剂(PGRs)含量；对易生根品种GBY和GZY在0、2、4、8天扦插后(DAC)进行RNA测序(RNA-Seq)和生物信息学分析；利用加权基因共表达网络分析(WGCNA)整合激素数据和生根率数据，识别与AR形成相关的基因模块；通过京都基因与基因组百科全书(KEGG)进行通路富集分析；使用蒽酮比色法测定蔗糖、淀粉和纤维素含量；并通过外源NAA处理验证关键通路在难生根品种RCSY中的作用。

表型分析和不定根形成阶段分类

研究发现，Dioscorea alata的六个品种生根率均超过70%，而D. polystachya品种RuiChang Shan Yao (RCSY)则表现出难生根特性，生根率低于5%。动态观察将0至12 DAC定义为AR形成阶段，12至50 DAC为微块茎形成阶段。GBY的AR形成速率最快，而RCSY的生根率最低且变化微小。

AR形成的显微结构观察

解剖学观察显示，在易生根品种GBY中，AR起源于韧皮部组织，在2 DAC时出现圆顶状根原基，到4 DAC时根原基完全穿透皮层和表皮组织。而在难生根品种RCSY中，在整个观察期间均未发现根原基诱导的迹象。

蔓插不定根形成过程中的激素分析

内源激素动态变化分析表明，在AR形成过程中，易生根品种GBY和GZY的生长素(IAA和IPA)含量显著高于难生根品种RCSY。特别是IAA，GBY中的含量是RCSY的两倍以上。其他激素如ABA、GA₃、GA₄和ZR在不同品种间也表现出不同的变化趋势，揭示了复杂的激素调控网络。

转录组数据分析概览

RNA测序分析在GBY和GZY中共鉴定出9680个差异表达基因(DEGs)。主成分分析(PCA)和Pearson相关性分析显示，不同发育阶段的基因表达谱存在明显分离，且与表型观察相互印证。时序比较显示，B0 vs. B8 (GBY的0 DAC vs. 8 DAC)的DEGs数量最多(4612个上调/1643个下调)。

识别与AR形成相关的WGCNA模块

WGCNA分析确定了20个不同的基因模块。其中，saddlebrown模块(1132个DEGs)、magenta模块(1028个DEGs)和orange模块(239个DEGs)与AR相关性状（生根率）和PGRs（包括IAA、IPA、ZR、DH-ZR、GA₃、GA₄）呈强且稳定的正相关(r > 0.55)。

山药中可能参与调控AR形成的通路

KEGG富集分析强调，淀粉和蔗糖代谢通路（富集到31个DEGs，如SUS, HXK1, FRK2, SS2, TPPs, GLUs, BGLUs等）和植物激素信号转导通路（富集到18个DEGs）是AR形成中的核心通路。这些DEGs在AR形成过程中大多上调，表明AR形成是一个耗能过程。

在植物激素信号转导通路中，生长素相关基因（如IAA16, ARF9, SAUR50等）和细胞分裂素相关基因（如RR9）在AR形成过程中普遍上调，而脱落酸(ABA)相关基因表达模式多样，部分PYL/PYR受体基因在8 DAC高表达。

可能参与调控RCSY中AR形成的相关分析

在难生根品种RCSY中的验证表明，易生根品种（GBY, GZY）的蔓插中蔗糖和淀粉含量显著高于RCSY。单节两叶插条的生根率高于单节一叶插条，且其蔗糖和淀粉含量也更高，说明碳水化合物积累与生根能力正相关。外源NAA处理使RCSY的生根率提高了约6倍（从5.78%至31.78%），并改变了其关键生根时期。对RCSY的交叉物种分析进一步鉴定出39个在易生根和难生根品种间保守的DEGs，包括6个生长素响应基因、2个细胞分裂素响应基因、1个赤霉素相关基因、6个ABA相关基因和24个淀粉蔗糖代谢相关基因。NAA处理显著上调了其中29个基因的表达，包括生长素相关基因(IAA16, ARF9等)、细胞分裂素相关基因(RR9)、ABA相关基因(PYL10, ABF等)以及大部分淀粉蔗糖代谢相关基因(SUS7, HXK1, FRK2等)。

本研究通过多组学整合分析，系统揭示了山药蔓插不定根形成的分子调控机制。研究结论指出，D. alata品种GBY和GZY的高生根能力（>80%）与D. polystachya品种RCSY的低生根能力（<5%）存在显著差异，这种差异在解剖结构上表现为AR原基能否成功启动和突破。内源生长素水平的高低是决定生根能力的关键内在因素。转录组分析鉴定的关键基因模块（saddlebrown, magenta, orange）及其富集的通路（淀粉蔗糖代谢、植物激素信号转导）是AR形成的核心调控网络。外源NAA处理能够有效克服RCSY的生根障碍，并伴随关键基因表达的上调，证明了生长素信号的中心调控作用。同时，蔗糖和淀粉作为能量物质，其积累量与AR形成能力呈正相关。交叉物种验证发现的39个保守DEGs，为理解不同物种间AR形成难易性的分子基础提供了重要线索。这些发现不仅深化了对木本植物扦插繁殖过程中不定根形成分子机制的理解，特别是激素与碳水化合物代谢之间的协同调控关系，而且为通过遗传改良或栽培措施（如外源激素处理和优化插条营养状态）提高难生根作物品种的克隆繁殖效率提供了具体的靶基因和理论依据，对优化山药乃至其他具有重要经济价值的块茎类作物的无性繁殖技术、降低生产成本、保障粮食安全具有重要意义。该研究发表于《BMC Plant Biology》，为植物繁殖生物学领域贡献了新的见解。