脱落酸响应转录因子 NnABI4 通过 NnSUS3 和 NnSBEII 正向调控莲藕淀粉代谢及产量

《Horticulture Research》：ABA-responsive NnABI4 coordinates transitory and storage starch accumulation by activating NnSUS3 and NnSBEII in lotus

　　

摘要

瞬时淀粉的日合成和降解对光合作用产生的碳的固定及其向储藏器官的分配至关重要。尽管已知脱落酸（ABA）会影响碳的分配，但其在莲藕中的淀粉代谢和产量形成中的调控作用仍不清楚。在这里，我们发现ABA responsive transcription factor（ABA响应性转录因子）NnABI4能够正向调节莲藕中的瞬时淀粉和储存淀粉的生物合成。通过过表达和沉默实验证实，NnABI4可促进淀粉积累，并降低直链淀粉与支链淀粉的比例。为了验证这些发现，我们培育了九个转基因马铃薯品系。这些品系表现出叶片生长增强、叶片中瞬时淀粉含量增加、块茎产量显著提高、淀粉颗粒数量增加、支链淀粉含量增加，以及块茎的物理化学性质发生改变。从机制上讲，NnABI4受到ABA的转录诱导，并直接结合到sucrose synthase 3（NnSUS3）和starch-branching enzyme II（NnSBEII）基因启动子中的CACCG序列上，从而激活它们的表达。互补实验表明，过表达NnSUS3或NnSBEII可以在NnABI4被沉默的根茎中部分恢复淀粉缺乏的表型。然而，在叶片中，NnSUS3的过表达增加了蔗糖含量但未能恢复淀粉含量，而NnSBEII的过表达则提高了总淀粉和支链淀粉含量，同时降低了蔗糖含量，这表明这两个下游基因具有不同的组织特异性功能。总体而言，我们的结果揭示了一种双重分子机制，通过这种机制，ABA-NnABI4信号通路能够以特定于分支和组织的方式直接调节NnSUS3和NnSBEII的表达。这项工作为通过分子育种改善莲藕及其他根茎作物的产量和品质性状提供了理论基础，并确定了潜在的遗传靶点。