时间分辨转录组揭示甜玉米常温贮藏中品种依赖性蔗糖损失的转录响应与候选基因

《Plants》：Time-Resolved Transcriptomics Provides Insights into Cultivar-Dependent Sucrose Loss During Ambient Storage of Sweet Corn

　　

采后蔗糖耗竭严重限制甜玉米常温贮藏期间的感官品质和商业价值。为表征与品种依赖性糖损失相关的时间转录响应，将两个超甜玉米（supersweet corn）杂交种‘Shenketian 811’（SKT）和‘Overland’（AFL）的果穗在监测的常温条件（24–26 °C）下贮藏7 d。在五个时间点评估籽粒糖分、总可溶性固形物（total soluble solids，TSSs）、整穗呼吸速率和转录组谱。SKT的蔗糖浓度从77.9降至30.9 μg mg^?1鲜重，AFL则从80.3降至20.3 μg mg^?1鲜重。加权基因共表达网络分析（weighted gene co-expression network analysis，WGCNA）及其后的品种内模块–性状分析，在两个品种中均鉴定到1个与蔗糖浓度正相关和1个负相关的模块。随后对这些模块中1071个基因进行基因水平相关分析，鉴定出571个非冗余蔗糖相关基因，这些基因富集于碳代谢、糖酵解/糖异生、柠檬酸循环以及淀粉和蔗糖代谢。成对差异表达分析进一步鉴定出194个表现为重复性贮藏响应或品种依赖性表达的基因，其中优先关注5个参与蔗糖裂解或蔗糖–淀粉相互转化的基因。值得注意的是，细胞壁转化酶（cell-wall invertase，INVCW）基因ZmINVCW1表现出持续的AFL偏好性表达模式，并经逆转录定量PCR（RT-qPCR）验证；同时，AFL的总细胞壁转化酶活性在多个采样点也显著更高。该时间分辨分析刻画了与品种依赖性蔗糖损失相关的重复性转录响应，并为采后蔗糖保持的进一步功能研究提供了聚焦框架。

研究背景与问题：甜玉米（Zea mays L. var. saccharata）在乳熟期采收，籽粒柔嫩且可溶性糖含量高，蔗糖（sucrose）是甜味和食用品质的重要决定因素。采后穗仍具代谢活性，常温流通中快速糖损失及质地、香气变化会降低商品性；贮藏温度和品种背景均影响糖损失速率。已有研究涉及品种变异、贮藏处理、转录组和遗传定位，但较全面地解析不同遗传背景如何在常温暴露期间调控复杂碳代谢网络的时间分辨转录组分析仍有限，品种依赖性转录响应及其与蔗糖损失的关系值得进一步研究。研究人员比较了‘Shenketian 811’（SKT）与‘Overland’（AFL）两个超甜玉米杂交种在常温贮藏7 d内的采后糖动态和转录响应，整合时间分辨糖测定、转录组谱和WGCNA，以鉴定与品种依赖性蔗糖损失相关的共表达模块、碳代谢通路和候选基因。研究得出SKT蔗糖从77.9降至30.9 μg mg^?1鲜重、AFL从80.3降至20.3 μg mg^?1鲜重，SKT后期TSS较高且籽粒皱缩较轻；鉴定出571个非冗余蔗糖相关基因、194个重复贮藏响应或品种依赖性基因，并优先关注5个基因，其中ZmINVCW1呈持续AFL偏好表达并经RT-qPCR验证，AFL总INVCW活性在多个采样点更高。该研究为采后蔗糖保持的功能研究提供了候选框架。

关键技术方法（≤250字）：样本队列为上海农业科学院庄行试验站2025年春季种植的‘Shenketian 811’（SKT）与‘Overland’（AFL）两个商业超甜玉米杂交种，授粉后20 d采收，完整果穗在24–26 °C、60–70%相对湿度下贮藏，于0、1、2、4、7 d取样，每品种每时间点3个生物学重复。关键技术包括籽粒可溶性糖、总可溶性固形物（TSSs）和整穗呼吸速率测定；30个文库RNA测序（RNA-seq）及B73 RefGen_v5比对；DESeq2差异表达分析；加权基因共表达网络分析（WGCNA）与基因–蔗糖相关分析；RT-qPCR验证和细胞壁转化酶（INVCW）活性测定。

研究结果：
2.1 常温贮藏期间可溶性糖含量和生理性状的变化：通过表型观察和生理生化测定发现，两个品种果穗均逐渐劣变，AFL第7天籽粒皱缩更明显；蔗糖是含量最高且绝对变化最大的可溶性糖，SKT与AFL在第2、4天差异显著；葡萄糖和果糖一般低于蔗糖，SKT在多个时间点较高；TSS在贮藏中下降，第0天AFL较高，第4、7天SKT较高；整穗呼吸速率差异主要见于贮藏开始和结束，第0天AFL较高，第7天SKT较高。
2.2 转录组质量与加权基因共表达网络分析：对30个文库进行RNA测序，获得198 Gb clean bases，Q30为96.2%–96.8%，GC含量52.4%–55.6%，89.0%–91.9% clean reads比对至玉米B73参考基因组版本5；主成分分析（PCA）主要沿PC1区分品种（解释34.5%方差），PC2解释13.1%并部分区分贮藏时间；WGCNA获得23个模块，品种内模块–性状分析显示MEpurple与蔗糖正相关、MEmagenta负相关，且在两品种中同向、|r|>0.65、p<0.01，二者分别含434和637个基因，共1071个基因进入后续分析。
2.3 蔗糖相关基因鉴定与功能富集：对1071个基因分别在各品种15个样本中计算表达量与蔗糖浓度的Pearson相关，保留|r|>0.65者；正相关基因在AFL和SKT分别为235和68个、共享42个，负相关基因分别为225和138个、共享53个；去重后得到571个非冗余蔗糖相关基因；KEGG富集分析鉴定出8条显著通路，包括氨基酸生物合成、2-氧代羧酸代谢、碳代谢、柠檬酸循环、糖酵解/糖异生、脂肪酸降解、α-亚麻酸代谢以及淀粉和蔗糖代谢。
2.4 贮藏响应和品种依赖性碳代谢候选基因鉴定：对571个基因进行成对差异表达分析，以|log₂(fold change)|≥1且错误发现率（FDR）≤0.05为阈值，发现贮藏响应差异表达基因（DEGs）数量随时间增加；AFL在第1、2、4、7天分别为23、39、127、315个，SKT为15、63、112、228个；品种间比较在第0、1、2、4、7天分别为24、20、29、14、59个；保留至少两次同向差异者，得到AFL贮藏响应基因139个、SKT 107个、品种依赖性基因22个，去重后194个；其中优先关注5个参与蔗糖裂解或蔗糖–淀粉相互转化的基因，包括两个胞质磷酸葡萄糖变位酶基因、UTP–葡萄糖-1-磷酸尿苷酰转移酶基因、1,4-α-葡聚糖分支酶基因和ZmINVCW1。
2.5 ZmINVCW1与蔗糖耗竭的品种差异相关：通过RT-qPCR和酶活测定发现，ZmINVCW1在AFL第0、1、2、7天显著更高，30个匹配样本的RNA-seq FPKM与RT-qPCR相对表达量高度相关（Pearson’s r=0.93，p<0.001）；AFL总INVCW活性在第0、2、4、7天显著高于SKT；SKT中INVCW活性第1天升高后下降，而ZmINVCW1转录随贮藏增加，二者不完全同步；8个INVCW基因中仅ZmINVCW1在全部五个时间点的AFL均值持续较高，支持其作为候选，但其对总INVCW活性和蔗糖损失的贡献仍需功能验证。

讨论部分总结：PCA主要按品种分离，说明遗传背景是转录变异的主要来源；每品种15个文库限制了统计效力，故模块优先依据两品种同向强相关。整合WGCNA、基因–蔗糖相关和差异表达分析识别出重复响应的碳水化合物代谢基因。ZmINVCW1在AFL通常更高，RT-qPCR在多个时间点确认；AFL总INVCW活性在第0、2、4、7天更高，且第2、4天其蔗糖显著低于SKT。但ZmINVCW1转录与总INVCW活性时间曲线不完全一致，SKT中其表达与蔗糖负相关显著而AFL不显著，提示关系强度依赖品种背景；总INVCW活性为多个同工酶合并测定，不能量化ZmINVCW1的具体贡献，转录后调控、蛋白周转、其他INVCW成员和其他蔗糖裂解酶可能参与。Taliercio et al.识别Incw1和Incw2，Cheng et al.确立Miniature1（Mn1）编码INCW2；INCW2在早期籽粒发育基端胚乳转移细胞优势表达，参与蔗糖卸载、库强和正常籽粒发育，mn1突变体残留INVCW活性归因于Incw1。Chen et al.、Liu et al.、Li et al.等采后研究将糖保持与转化酶等协同变化联系；‘Hetianyu 818’数据集显示25 °C贮藏时ZmINVCW1表达升高、5 °C减弱，跨温度与蔗糖负相关。葡萄糖和果糖未紧密平行蔗糖下降，蔗糖衍生碳去向未明；需测定蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶、其他转化酶和淀粉，并用同工酶特异蛋白定量、酶活、可变剪接、组织特异表达、亚细胞定位及敲除、过表达和遗传互补验证ZmINVCW1。

研究结论（译）：综上所述，这些发现将ZmINVCW1优先列为与品种依赖性采后蔗糖损失相关的候选基因，并为研究其功能作用提供了基础。