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在植物生长过程中，冷胁迫严重影响马铃薯产量。研究人员围绕转基因马铃薯中 StDREB30（A - 6）基因展开研究。结果发现，该基因能提升马铃薯冷胁迫耐受性。这为培育抗寒作物、保障粮食安全提供了理论依据。
在植物的生长历程中，它们总是面临着各种各样的挑战，其中冷胁迫对许多植物的生长、发育、地理分布和产量有着极大的影响。就拿马铃薯来说，作为全球重要的粮食作物，它在保障粮食供应方面发挥着关键作用。然而，马铃薯对低温环境极为敏感，寒冷的气候常常导致其产量大幅下降。在温带和高海拔地区，冷胁迫成为限制马铃薯种植和产量提升的主要因素。当温度低于 7°C 时，马铃薯幼苗的生长就会受到影响；在 - 0.8°C 时会遭受冷害；-2°C 时会遭遇霜冻；到了 - 3°C，植株甚至会死亡。近年来，全球气候变化使得寒冷天气的出现愈发频繁，这让马铃薯的种植面临着更大的挑战。
为了应对这些问题，来自巴基斯坦国立科技大学阿塔 - 乌尔 - 拉赫曼应用生物科学学院（Atta - ur - Rahman School of Applied Biosciences, National University of Sciences and Technology）的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在脱水响应元件结合（DREB）转录因子上，这类转录因子在植物抵御非生物胁迫中起着核心作用。而此次研究的关键靶点是 StDREB30（A - 6）基因，它属于 DREB 基因家族的 A - 6 亚组成员。研究人员想弄清楚这个基因在转基因马铃薯应对冷胁迫时发挥着怎样的作用。最终，他们发现 StDREB30 基因是马铃薯应对冷胁迫的正向调节因子，能够显著提高转基因马铃薯的耐寒性。这一研究成果发表在《Scientific Reports》上，为马铃薯的抗寒育种和农业生产提供了重要的理论支持，有望通过基因工程手段培育出更耐寒的马铃薯品种，保障全球粮食安全。
在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先是基因表达分析技术，利用定量逆转录聚合酶链反应（qRT - PCR）来检测 StDREB30 基因及下游相关基因在不同时间点和组织中的表达水平变化；其次是生理指标测定技术，对转基因和非转基因马铃薯在冷胁迫下的相对含水量（RWC）、叶绿素含量、电解质渗漏（EL）、丙二醛（MDA）含量、脯氨酸含量等生理指标进行测定；还运用了抗氧化酶活性检测技术，分析超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性变化；另外，通过扫描电子显微镜（SEM）观察叶片气孔的开闭情况，以及采用组织化学染色法检测活性氧（ROS）的积累情况。
1. StDREB30 基因在冷胁迫下的差异表达模式
研究人员通过 qRT - PCR 技术，对转基因（T）和非转基因（NT）马铃薯在冷胁迫（4°C）下不同时间点（0 h、3 h、6 h、12 h、24 h、48 h 以及恢复阶段 25°C）的 StDREB30 基因表达情况进行分析。结果发现，冷处理使 T 和 NT 马铃薯的叶、茎、根中该基因表达均上调，且 T 植株各组织中的表达量高于 NT 植株。所有组织在冷胁迫 24 h 时表达上调最为显著，48 h 时表达下降，其中根在 24 h 时上调幅度最大（27 倍变化）。恢复阶段，所有组织的基因表达均恢复到正常水平。GUS 染色结果也显示，冷胁迫下转基因马铃薯中 StDREB30 基因表达增加，这表明低温处理能够激活马铃薯中 StDREB30 基因的转录。
2. StDREB30 过表达提高转基因马铃薯在冷胁迫下的耐受性
在 48 h 冷胁迫处理后，研究人员观察到 T 和 NT 马铃薯在表型和生理参数上存在显著差异。与 NT 植株相比，转基因植株在体外和土壤驯化条件下均表现出更好的表型特征。冷胁迫降低了 T 和 NT 马铃薯叶片的 RWC，但转基因马铃薯叶片在冷胁迫期间保持了较高的含水量，恢复阶段植株含水量有所改善。冷胁迫使马铃薯叶绿素 a、b 和类胡萝卜素含量下降，但转基因植株的这些光合色素含量始终高于 NT 植株，且在恢复到适宜温度后略有增加。利用 PHOTOSYNQ 设备测量发现，冷胁迫显著降低了 NT 植株的叶片厚度（LT），而转基因植株受影响较小。叶绿素荧光参数 Fv’/Fm’和 qL 在冷胁迫后，NT 植株显著降低，而转基因植株维持较高水平，表明转基因植株的光合机构受损较小。此外，转基因植株的电解质渗漏和 MDA 含量显著低于 NT 植株，说明其细胞膜损伤程度较轻。冷胁迫下，T 和 NT 植株的脯氨酸含量均显著增加，但转基因植株积累的脯氨酸更多，恢复阶段脯氨酸含量下降到正常水平。通过 SEM 观察发现，冷胁迫 24 h 后，NT 植株气孔完全关闭，而转基因植株气孔仍保持微开状态。这些结果表明，StDREB30 过表达的转基因马铃薯具有更强的渗透调节能力，能够维持较高的光合色素含量，保护光合机构，积累更多脯氨酸，减少 MDA 含量，从而显著提高对冷胁迫的耐受性。
3. StDREB30 过表达提高转基因马铃薯的抗氧化能力
研究人员对 T 和 NT 马铃薯在冷胁迫下的抗氧化酶活性进行检测，包括 SOD、POD、CAT 和 APX。结果显示，低温处理使 T 和 NT 马铃薯的这些抗氧化酶活性均升高，但转基因植株中酶活性的增加幅度显著大于 NT 植株。在叶片中，SOD 和 POD 活性在冷处理后逐渐上升，恢复阶段 SOD 活性恢复到初始水平，POD 活性低于初始值；茎和根中，SOD 和 POD 活性在 24 h 时达到最高，48 h 时下降。CAT 和 APX 活性在所有组织中呈现相似的变化趋势，CAT 活性在冷胁迫期间逐渐升高，48 h 时达到峰值，APX 活性在 24 h 时达到峰值，随后略有下降，恢复阶段二者活性均下降。这表明转基因马铃薯在冷胁迫下具有更强的抗氧化酶活性，能够更有效地清除 ROS，减轻氧化应激损伤。
4. StDREB30 过表达增强转基因马铃薯的 ROS 清除能力
冷胁迫会导致植物体内 ROS 积累，对细胞造成损伤。研究人员通过 DAB 和 NBT 染色检测转基因和非转基因马铃薯在冷胁迫下 ROS 的积累情况。结果发现，4 周龄的转基因植株在冷胁迫 24 h 后，H2O2和 O2-的积累明显低于 NT 植株，表现为染色颜色较浅；而在正常生长条件下，二者 ROS 积累无明显差异。这表明 StDREB30 过表达能够增强转基因马铃薯对 ROS 的清除能力，减少冷胁迫对细胞的损伤。
5. StDREB30 过表达增加转基因马铃薯多个下游防御基因的表达
为了探究 StDREB30 提高马铃薯耐寒性的内在机制，研究人员检测了冷胁迫下随机选择的下游防御基因的表达情况。结果发现，在冷处理（4°C）24 h 后，转基因植株中 StDREB1、StDREB2、StNAC、StDHN1、StSAP 和 StGT3 基因的表达显著上调，与 NT 植株相比，分别有 3.7 倍、3.1 倍、1.9 倍、3.2 倍、2.8 倍和 1.9 倍的变化。这表明 StDREB30 可能通过调控这些下游防御基因的表达，增强马铃薯对冷胁迫的耐受性。
在讨论部分，研究人员指出，植物在生长过程中会面临多种非生物胁迫，冷胁迫是影响作物生长和产量的重要环境因素之一。DREB 转录因子在植物应对非生物胁迫中发挥着关键作用，但目前对 DREB A - 6 亚组基因在非生物胁迫下的功能研究还比较有限。他们的研究首次揭示了 StDREB30（A - 6）在转基因马铃薯冷胁迫耐受性中的重要作用，其表达受冷胁迫诱导，且在不同组织中存在差异调节。StDREB30 过表达能够提高马铃薯的耐寒性，这主要通过改善植物的生理状态，如维持较高的 RWC、叶绿素和类胡萝卜素含量，保护光合机构；增强抗氧化系统，提高抗氧化酶活性，清除 ROS；促进脯氨酸积累，调节渗透平衡；以及上调下游防御基因的表达等多种途径实现。
综上所述，本研究表明 StDREB30（A - 6）是马铃薯中的一个胁迫诱导型转录因子，在冷胁迫下显著上调表达。过表达该基因能够通过调节植物的生理、生化和分子状态，提高转基因马铃薯的冷胁迫耐受性。这一研究为深入理解植物应对冷胁迫的分子机制提供了重要依据，也为通过基因工程手段培育耐寒作物品种提供了有价值的参考，对保障全球粮食安全具有重要意义。
