StHY5基因调控马铃薯植株的形态结构，以适应UV-B辐射的影响

《Plant Physiology and Biochemistry》：StHY5 regulates potato plant morphology to accommodate UV-B radiation

马铃薯形态适应与StHY5调控的GA代谢机制研究。RNA测序及定量分析表明UV-B通过激活StHY5基因诱导GA2ox表达，抑制茎叶生长和块茎产量。基因编辑验证显示StHY5是调控植物架构的关键节点，连接UV-B信号与GA代谢通路。该研究为高海拔地区马铃薯抗逆育种提供理论依据。

　　在全球范围内，许多低纬度、高海拔的农业地区，马铃薯不仅是主要的农作物，也是重要的膳食来源。这些地区的环境特点之一是强烈的紫外线B（UV-B）辐射，其对马铃薯种植的不利影响引起了科学界的广泛关注。本研究发现，UV-B辐射会抑制马铃薯的株高和冠层面积，从而导致生物量积累减少和块茎产量下降。通过RNA测序结合生物活性赤霉素（GA）水平的定量分析，我们揭示了UV-B诱导的GA分解代谢是这些形态适应的关键机制。研究还表明，UV-B辐射增强了StHY5基因的表达水平。为了阐明该基因的功能，我们在栽培马铃薯品种中构建了StHY5过表达（OE_StHY5）和RNA干扰（StHY5_RNAi）转基因株系。功能分析显示，StHY5在调控马铃薯植株结构中起着关键作用。具体而言，OE_StHY5株系的株高和冠层面积较StHY5_RNAi株系和野生型（WT）植株显著降低。尽管OE_StHY5株系的净光合速率有所提升，但其生物量积累和产量表现仍低于WT和StHY5_RNAi株系。研究结果表明，StHY5在连接UV-B信号通路与GA代谢过程中发挥着关键的调控节点作用。这些发现揭示了马铃薯在UV-B胁迫下形态适应的分子机制，为优化低纬度、高海拔农业系统中的马铃薯种植策略提供了有价值的参考。

全球气候变暖导致温室气体排放持续增加，这对地球生态系统产生了深远的影响。特别是，温室气体浓度的升高预计会加速臭氧层的破坏，从而增加到达地表的UV-B辐射量，进而显著影响植物的生理过程和发育模式。UV-B辐射的增强会对植物的DNA、蛋白质和细胞膜造成分子层面的损伤，从而降低光合作用效率并限制植物的整体生长。面对这种环境压力，植物进化出了一系列复杂的保护机制。这些适应性反应主要通过两种方式实现：一是通过增强保护性次生代谢物的合成，如黄酮类、酚酸和花青素等，以抵御UV-B辐射的伤害；二是通过形态学上的调整，如形成紧凑的生长形态，减少植物表面积暴露于UV-B辐射之下，具体表现为叶片面积减少、叶片增厚以及节间和叶柄长度缩短。虽然UV-B诱导的代谢物积累已经受到广泛研究，但其引发的形态学变化机制仍然不够明确。

在植物中，调控UV-B诱导光信号传导的关键组分已被系统性地研究。UVR8（UV RESISTANCE LOCUS 8）是主要的UV-B光受体，其在细胞核和细胞质中具有双重定位，通常在未照射条件下维持同源二聚体结构。当受到UV-B照射时，特定的色氨酸残基作为辅基，吸收UV-B光子，促使UVR8的同源二聚体解离为具有活性的单体形式，这些单体随后聚集在细胞核中。单体形式的UVR8通过其C端β-蛋白结构域与COP1（CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1）的WD40结构域结合，而COP1是一种关键的光形态发生抑制因子。这种UV-B依赖的分子相互作用增强了基本螺旋-环-螺旋亮氨酸拉链转录因子ELONGATED HYPOCOTYL5（HY5）及其同源基因HYH的稳定性。HY5在整合UV-B与更广泛的光信号传导网络中发挥着核心调控作用。在黑暗条件下，HY5的缬氨酸-脯氨酸结构域与COP1的WD40结构域结合，通过COP1-SPA1泛素连接酶复合体将HY5靶向降解。然而，UV-B照射会促进UVR8与COP1的结合，从而干扰COP1-SPA1复合体的组装并降低COP1的E3泛素连接酶活性。同时，竞争性结构域相互作用减少了COP1与HY5的结合亲和力，从而保护HY5免受泛素介导的降解，使其保持持续的转录活性。

HY5作为转录因子，通过结合下游基因启动子中的G-Box和ACE-motif元件，调控广泛的基因网络，这些基因网络参与植物在关键发育过程中的多种细胞功能，包括伸长、增殖、叶绿素合成、色素合成和营养吸收。这些调控最终引导植物从种子萌发到光合能力的完整发育过程。此外，HY5还通过直接调控黄酮类和花青素合成途径中的转录调控因子和生物合成酶基因，增强这些保护性化合物的积累，从而提高植物对UV-B辐射的耐受性。HY5与BBX11协同调控酚酸代谢，进一步促进植物对UV-B胁迫的适应和调节。除了保护性色素对UV-B的直接吸收外，UV-B辐射还会触发光形态发生和胁迫反应，抑制子叶和茎的伸长，从而改变植物结构。这种形态学变化主要通过调节内源激素的平衡实现，特别是生长素、赤霉素和脱落酸的水平。赤霉素是调控植物形态发育的关键激素，其活性的降低会导致植物表现出矮小的形态，表现为叶片面积减少和绿色色素增加，这主要归因于GA2ox基因的过度表达和赤霉素的耗尽。在豌豆中，UV-B辐射引起的地上部分伸长和叶片扩展减少与顶部分生组织和发育叶片中GA1活性的降低相关。UV-B辐射对赤霉素活性的显著抑制作用，使得HY5在这一过程中扮演着关键的调控角色。在拟南芥中，转录组分析显示，UV-B辐射增强了HY5介导的GA分解代谢基因GA2ox2和GA2ox8的表达，从而抑制子叶伸长。此外，UV-B诱导的HY5还促进GA2ox1的表达，降低赤霉素的活性，并稳定DELLA蛋白。UV-B诱导的DELLA蛋白积累会干扰赤霉素信号传导，并降低活性GA3的水平，从而导致子叶伸长的抑制。在豌豆中，HY5的同源基因LONG1通过转录激活GA2ox2基因，负向调控赤霉素的稳态。

马铃薯（Solanum tuberosum L.）起源于南美洲的高海拔安第斯地区，并在低纬度山区成为主要的农作物和食物来源。UV-B辐射的增强对这些高海拔环境中的马铃薯种植构成了重大威胁。已有大量研究表明，马铃薯在UV-B辐射下的形态学适应，表现为株高减少、叶片面积缩小以及叶片增厚，这些变化对块茎产量和营养品质产生了显著影响。然而，尽管形态学变化和产量影响已被广泛观察，UV-B辐射如何引发这些变化的机制仍然不够明确。

本研究通过将两种栽培马铃薯品种暴露于UV-B辐射，并系统记录其形态学变化，同时定量分析叶片组织中的激素浓度，进一步揭示了UV-B辐射对马铃薯生长发育的影响。随后，我们进行了转录组分析，以阐明这些表型反应的分子机制。研究结果表明，StHY5是调控马铃薯形态学变化的主要转录因子。通过基因转化和全面的表型分析，我们验证了StHY5通过调节内源赤霉素稳态对马铃薯植株结构发挥关键的调控作用。这些发现不仅深化了我们对马铃薯在UV-B胁迫下响应机制的理解，也为培育耐UV-B的马铃薯品种和优化低纬度、高海拔农业系统中的种植策略提供了重要的科学依据。

在研究过程中，我们采用了两种栽培马铃薯品种进行实验。这些品种在云南省农业科学院的块茎与根作物研究所中被维持为组织培养幼苗或种薯。实验中，我们对已发芽的种薯进行种植，使用10厘米×14厘米的塑料花盆，填充50%的黏土和50%的育苗基质。植株在人工气候室中生长30天，光照强度为10000 Lux，光周期为14小时。在这些条件下，我们对植株进行了UV-B辐射处理，并对其生长和发育进行了系统的观察和记录。

UV-B辐射处理后，两种马铃薯品种（Q9和Atl）均表现出株高降低的现象。叶片出现表面褶皱、长度缩短以及复合叶片之间间距减少，这些变化共同导致冠层面积的减少。茎长、节间长度、叶片面积和冠层面积均较对照组显著降低，且这些形态学变化呈现出明显的趋势。通过详细观察和记录，我们发现UV-B辐射对马铃薯的生长发育具有显著的抑制作用。这种抑制作用不仅影响植物的形态结构，还对植物的生理功能和产量产生深远影响。

UV-B辐射作为一种非生物胁迫因子，能够改变植物细胞的伸长和分化过程，从而引发独特的形态学反应。这种胁迫诱导的形态学适应在多种植物物种中均有报道，例如棉花、辣椒、三叶草、豌豆以及野生马铃薯物种Solanum kurtzianum。在这些植物中，UV-B辐射的增强导致植株表现出紧凑的生长形态，这种形态变化不仅有助于减少植物表面积暴露于UV-B辐射之下，还对植物的生存和繁殖能力产生积极影响。研究还表明，UV-B辐射通过影响植物的内源激素平衡，特别是生长素、赤霉素和脱落酸的水平，进一步调控植物的形态学变化。这种调控机制使得植物能够适应不同的环境条件，并在面对胁迫时展现出较强的生存能力。

在本研究中，我们发现UV-B辐射对马铃薯的形态学变化具有显著影响。通过构建StHY5过表达和RNA干扰株系，我们进一步验证了StHY5在调控马铃薯植株结构中的关键作用。研究结果显示，StHY5的表达水平与植物的形态学变化密切相关。过表达株系表现出显著的株高和冠层面积减少，而RNA干扰株系则表现出相反的趋势。这种差异进一步表明，StHY5在植物形态学变化中起着核心的调控作用。此外，我们还发现，尽管过表达株系的净光合速率有所提升，但其生物量积累和产量表现仍低于野生型株系。这一现象提示，StHY5的调控作用不仅影响植物的形态结构，还对植物的生理功能和产量产生深远影响。

通过本研究，我们揭示了UV-B辐射如何通过激活StHY5基因，进而调控赤霉素代谢途径中的相关基因表达，最终影响马铃薯的形态学变化。这一发现不仅加深了我们对UV-B胁迫下植物形态学适应机制的理解，还为优化马铃薯种植策略提供了新的思路。未来的研究可以进一步探讨StHY5与其他基因之间的相互作用，以及其在不同环境条件下的表达调控机制。这些研究将有助于培育更具抗逆性的马铃薯品种，提高其在高海拔地区的适应能力和产量表现。此外，还可以探索UV-B辐射对马铃薯营养品质的影响，以及如何通过基因工程手段改善这一方面。这些研究不仅具有重要的科学价值，还对农业生产实践具有重要的指导意义。