StBEL11转录因子在栽培马铃薯碳分配和块茎形成中的新角色：与安第斯模型基因型的差异解析

《Journal of Experimental Botany》：The role of transcription factor StBEL11 in carbon allocation and tuberization in cultivated potato differs from that known for the model Andean genotype

本研究针对马铃薯栽培种（Solanum tuberosum ssp. tuberosum）中StBEL11的功能展开研究。传统观点基于安第斯模型基因型（ssp. andigena）认为StBEL11是块茎形成的负调控因子。然而，研究人员通过RNAi技术下调栽培马铃薯品种Kamyk中StBEL11的表达，发现在离体条件下块茎形成增强，但在接近自然环境的整株栽培条件下，块茎形成反而显著延迟且产量下降。研究揭示了StBEL11下调导致光合作用增强、光合产物分配偏向根系而非匍匐茎，从而抑制块茎形成。这一结果表明，马铃薯块茎形成的调控网络存在显著的种间差异，强调了将模型系统知识直接应用于栽培作物的局限性，对马铃薯育种具有重要启示意义。

　　

马铃薯是全球第四大重要粮食作物，其地下块茎富含碳水化合物、膳食纤维、维生素和矿物质，对全球粮食安全至关重要。然而，气候变化预测到2085年全球马铃薯产量可能下降高达26%，这对未来的粮食供应提出了严峻挑战。马铃薯的产量核心在于其块茎的形成，这一过程受到遗传、代谢和环境因素复杂的协同调控。长期以来，科学家们对马铃薯块茎形成分子机制的理解，很大程度上依赖于一个特殊的模型基因型——安第斯马铃薯（Solanum tuberosum ssp. andigena）。这种基因型只能在短日照条件下形成块茎，而现代广泛栽培的马铃薯（ssp. tuberosum）则能在长日照下结薯，显示出巨大的适应性差异。此前在安第斯模型中的研究表明，一个名为StBEL11的BEL1-like转录因子是块茎形成的负调控因子，即其活性会抑制块茎的产生。那么，这个在“模型”中扮演“刹车”角色的基因，在现代栽培马铃薯中是否依然履行着相同的职责？直接将从古老模型中获得的知识应用于现代作物育种，是否是一条坦途？这正是本研究旨在回答的核心问题。

为了探究StBEL11在现代栽培马铃薯中的作用，研究人员选择栽培品种Kamyk（ssp. tuberosum）为材料，利用RNA干扰（RNAi）技术构建了StBEL11表达下调的转基因株系。他们随后在不同栽培体系下（离体培养、水培、土壤栽培）对这些转基因株系的块茎形成、基因表达、光合特性、碳水化合物代谢及生物量分配进行了系统全面的分析。

本研究主要采用了以下关键技术方法：利用农杆菌介导的遗传转化技术获得StBEL11 RNAi转基因马铃薯株系；通过实时定量PCR（RT-qPCR）精确测定不同组织器官中关键基因（如StBEL11, StBEL5, StSP6A等）的转录水平；使用气体交换测量系统和叶绿素荧光技术评估叶片的光合性能；通过高效液相色谱（HPLC）分析叶片、匍匐茎、块茎、根系以及韧皮部汁液中的碳水化合物含量；并通过精确测量植株各部分的生物量来研究光合产物的分配格局。研究材料为栽培马铃薯品种Kamyk。

研究结果

StBEL11 RNAi转基因株系的筛选与离体条件下块茎形成的促进

研究人员从10个独立的转基因株系中筛选出4个（1, 10, 12, 19号），这些株系叶片中StBEL11的转录水平显著降低。在离体培养条件下，将茎段接种于高蔗糖的块茎诱导培养基上，所有RNAi株系均表现出块茎形成提前，特别是在10和12号株系中尤为明显。虽然35天后块茎形成效率与野生型（WT）无显著差异，但所有转基因株系的总块茎重量显著高于WT，并且分配到块茎的生物量比例更高，同时匍匐茎的生长受到抑制。这表明在离体、碳源充足且无竞争库器官的条件下，抑制StBEL11确实能促进块茎形成，与之前在安第斯模型中的报道一致。

BEL11下调在接近自然条件下对块茎形成的抑制作用

当研究转向更接近自然环境的整株水培和土壤栽培系统时，结果发生了戏剧性反转。在水培系统中，野生型植株在28天时已有67%形成块茎，而转基因株系的块茎诱导率仅为9%至50%，且最终总块茎重量显著降低。在温室土壤中，由块茎繁殖的植株表现出的表型更为强烈，所有RNAi株系的块茎产量急剧下降至野生型的15%-32%，块茎数量减少，最大块茎重量也显著降低。尤为值得注意的是，在离体实验中块茎形成最强的10和12号株系，在整株栽培条件下却表现出最严重的块茎形成抑制。这清晰地表明，StBEL11的功能高度依赖于栽培环境，其在栽培马铃薯整株水平上的作用与离体片段及安第斯模型中的结果截然不同。

BEL11下调导致块茎形成相关基因表达模式的意外改变

为了解释上述矛盾现象，研究人员检测了块茎形成调控网络中其他关键基因的表达。正如预期，所有RNAi株系叶片中StBEL11的转录本水平均显著降低。出乎意料的是，作为块茎形成正调控因子的StBEL5的转录水平在叶片中也显著下降。另一个负调控因子StBEL29和共同的互作伙伴POTH1的转录水平则无显著变化。最令人惊讶的是，尽管块茎形成被抑制，关键的正调控信号——类成花素基因StSP6A的转录水平在叶片、匍匐茎和根系中并未降低，反而有升高趋势，甚至在转基因株系的幼嫩块茎中出现了显著上调。这表明，在栽培马铃薯中，块茎形成的抑制并非简单地由StSP6A信号减弱所致，暗示了调控网络的复杂性。

BEL11下调改善光合性能并改变生物量分配

既然整株植物依赖自身光合作用，而离体茎段依赖外源糖分，研究人员推测表型差异可能与碳同化和分配有关。研究发现，RNAi株系叶片的光合速率显著高于野生型，光合色素含量也更高。然而，各器官（叶、匍匐茎、根）的单位干重碳水化合物含量并无系统性差异，但韧皮部汁液中的碳水化合物含量有升高趋势。对生物量分配的分析揭示了关键发现：在非块茎诱导期，转基因株系，特别是10和12号株系，表现出向根系分配的显著增强，而向匍匐茎的分配减少。在块茎形成启动前后，这种分配模式在10和12号株系中依然持续，即光合产物优先流向根系而非匍匐茎和块茎。同时，这些株系根系的碳水化合物含量反而较低，表明碳水化合物被用于生长而非储存，增强了根系的库强度。

研究结论与意义

本研究得出了几个颠覆性的结论。首先，StBEL11在马铃薯块茎形成中的作用并非一成不变，而是高度依赖于基因型（亚种）和环境背景。在安第斯模型ssp. andigena中，它是明确的负调控因子；但在栽培马铃薯ssp. tuberosum中，其在整株水平上的功能更为复杂，抑制其表达反而导致块茎产量下降。其次，这种表型逆转与StBEL11下调引起的系统性变化密切相关，包括光合作用增强、StBEL5表达意外下调以及生物量分配向根系倾斜。最后，块茎形成的抑制并非由于关键信号StSP6A的缺失，提示在现代栽培种中，块茎形成调控网络的层级关系或信号强度可能发生了变化，StSP6A的中心地位可能被其他信号（如代谢状态信号）所削弱。

这项研究的重要意义在于它发出了一个强烈的警示：直接将从单一模型系统（如安第斯马铃薯）中获得的知识简单外推至遗传背景迥异的栽培作物，存在巨大风险。马铃薯在驯化过程中经历了强烈的选择压力，旨在最大化块茎产量，这可能导致其调控网络内部各元件的相对权重发生了改变。StBEL11功能的种间差异正是这种网络重排的具体体现。因此，未来的作物改良策略必须充分考虑目标作物本身的遗传和生理特性。本研究不仅深化了对马铃薯块茎形成复杂调控机制的理解，也为针对特定栽培品种进行精准育种提供了新的视角和重要的理论依据。该论文发表在《Journal of Experimental Botany》上。