马铃薯早熟与晚熟品种块茎形成关键基因的转录组比较分析揭示调控网络新机制

本研究针对马铃薯成熟期调控机制不清的科学问题，通过比较早熟品种KX23与晚熟品种DN310的块茎形成过程，结合RNA-seq和WGCNA分析，首次在田间条件下鉴定出28个与块茎诱导相关的候选基因，发现碳水化合物代谢通路是调控成熟期差异的关键。研究成果为培育早熟高产马铃薯品种提供了分子靶点，发表于《Scientific Reports》。

　　

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马铃薯作为全球第三大粮食作物，其成熟期直接影响产量和经济效益。然而，这个复杂农艺性状的分子调控网络仍不清晰。早熟品种能实现冷凉地区复种、延长加工周期，但现有研究多关注地上部衰老，对地下块茎形成的关键阶段——从匍匐茎弯曲到块茎膨大的分子机制知之甚少。更棘手的是，四倍体马铃薯的高度杂合性给基因定位带来挑战。

黑龙江省农业科学院经济作物研究所的研究团队选择典型早熟品种克新23号（KX23）和晚熟品种东农310（DN310），通过田间实验发现：尽管两者开花时间无差异，但KX23的生命周期比DN310短36天，且产量更高、淀粉含量更低。进一步追踪发现，KX23的匍匐茎钩状弯曲、膨大及块茎启动时间均比DN310提前2天，表明块茎形成速度是成熟期差异的关键。为解析其分子机制，研究人员对三个关键组织（钩状匍匐茎、膨大匍匐茎和初始块茎）进行RNA-seq，结合WGCNA共表达网络分析和qRT-PCR验证，最终锁定28个持续参与块茎形成的候选基因。

研究主要采用转录组测序（RNA-seq）技术对两种品种的三个发育阶段进行基因表达谱分析，通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）筛选核心模块，并利用qRT-PCR对候选基因进行验证。田间试验在哈尔滨进行，包含产量测定、淀粉含量分析和形态学观察。

KX23 exhibits faster tuberization
通过系统比较发现，KX23在种植后36-46天期间，钩状匍匐茎、膨大组织和初始块茎数量均显著多于DN310（图1）。这表明早熟品种能更快完成从匍匐茎形态改变到块茎启动的过程。

High-throughput RNA-seq analysis
RNA-seq鉴定出506-656个差异表达基因（DEGs），KEGG分析显示这些基因主要富集在次级代谢物合成途径（图3）。引人注目的是，钩状匍匐茎和膨大匍匐茎中的DEGs显著富集于黄酮合成通路，这可能与KX23黄色薯肉的表型相关。

Significant overlap of DEGs
675个共有的DEGs中，碳水化合物代谢通路最为突出（图4）。这暗示两种品种的块茎形成差异可能源于糖代谢调控，与块茎作为"库"器官的能量需求特性高度吻合。

WGCNA identifies key gene clusters
共表达网络将基因划分为13个模块，其中midnight-blue模块（3,272个基因）在KX23中高表达，而brown模块（2,907个基因）在DN310中活跃（图5）。这两个模块均与碳水化合物代谢、蛋白质加工等通路相关。

Screening and identification of tuberization-related genes
通过重叠共表达模块与共有DEGs，结合qRT-PCR验证，最终确定17个在KX23中持续高表达的基因（如编码iPGAM的XM_006358970.2）和12个在DN310中高表达的基因（如LOB基因XM_006366350.2）（图6-7）。其中，iPGAM（2,3-二磷酸甘油酸依赖性磷酸甘油酸变位酶）作为糖酵解关键酶，可能通过加速蔗糖代谢促进早熟。

研究创新性提出调控模型（图8）：在KX23中，StiPGAM1、StE2Fa和StQKY的协同上调促进径向生长和糖酵解流，而StSBP和StLOB的下调抑制纵向伸长，共同加速块茎形成。这解释了为何KX23能更早完成库器官转换，缩短成熟周期而不牺牲产量。

该研究首次在田间条件下系统比较早、晚熟马铃薯的块茎形成分子机制，突破以往依赖实验室条件的局限。发现的28个候选基因不仅丰富了块茎形成的调控网络，更为分子设计育种提供了新靶点——通过精准调控iPGAM等基因的表达，有望培育出适应不同生态区的早熟高产新品种。研究还揭示了一个有趣现象：虽然已知的块茎促进基因StBEL5在DN310中表达更高，但KX23仍表现出更快的块茎形成，这说明存在新的调控路径有待挖掘。未来对这些基因的功能验证，将进一步完善我们对马铃薯源-库转换和成熟期调控的认知。