综述：马铃薯种薯生理衰老：机制、评估挑战及新兴组学解决方案

《Potato Research》：Physiological Ageing of Potato Seed Tubers: Mechanisms, Assessment Challenges, and Emerging Omics-Based Solutions

　　

马铃薯（Solanum tuberosum L.）种薯的生理年龄（physiological age, p-age）是一种复杂且动态的生化过程，对植株活力、冠层发育及最终产量具有显著调控作用。因此，p-age是种薯生产者与种植者共同关注的核心指标，其直接决定种薯品质及后续作物表现。现有研究已系统解析了块茎衰老的生理、生化及激素调控机制，并开发了多种p-age估算方法。然而，当前主流技术普遍存在操作繁琐、耗时较长、稳健性不足等问题，难以满足商业化生产场景下的快速决策需求，亟需开发可靠、高效且实用的播种前p-age检测工具。与此同时，以蛋白质组学和代谢组学为代表的组学技术已成为研究种子衰老的有力手段，可在马铃薯及其他作物中鉴定与病害、胁迫响应及块茎品质性状相关的生物标志物。本综述系统梳理了块茎衰老的生理与分子基础研究进展，批判性分析了现有p-age评估方法的优势与局限，并探讨了组学技术在实现p-age快速精准检测中的应用潜力。深入解析上述机制与方法学缺口，将为开发稳健的诊断工具提供理论支撑，进而优化种薯管理与作物生产性能。

引言

马铃薯是全球广泛种植的第四大粮食作物，仅次于玉米、小麦和水稻，具有高产的农业特性。联合国粮农组织2022年数据显示，全球马铃薯平均单产为21.07 t/ha，种植面积达1800万公顷，总产量近3.74亿吨，除提供碳水化合物外，还富含维生素C、维生素B₆、钾、镁等矿物质及膳食纤维，对人类营养贡献显著，全球人均年消费量约34 kg。马铃薯块茎是由缩短的侧枝（匍匐茎）顶端经细胞膨大与分裂形成的特化地下茎，成熟后形成包含分生组织芽的芽眼，经历休眠解除后萌发并产生下一代植株。马铃薯采用无性繁殖，通常使用50–75 g的完整小薯或切块薯作为种薯，在正规种薯体系中，种薯由脱毒原种经2–3代田间扩繁以保持品种纯度与健康状况。收获后种薯仍保持代谢活性，贮藏期间的呼吸作用与水分流失会导致品质与重量随衰老进程逐渐下降，从休眠期经发芽期（少至多个芽，偶见过度萌发）最终进入衰老期或微型块茎形成期。上述阶段统称为生理年龄（p-age），其在不同生产环境中调控发芽、地上部生长及产量形成。p-age是决定发芽行为、种子活力及作物产量的关键因子：休眠期抑制可见芽生长，但强烈影响休眠解除后的芽数量与活力；而 chronological age（c-age，实足年龄，即收获后 elapsed 时间）无法完全反映调控种薯表现的复杂生化与生理动态。相比之下，p-age整合了环境历史与内部生理变化，是更可靠的播种适宜性指标。当p-age超过最适窗口后，植株活力、叶生物量、结薯数、块茎大小及产量均会下降。播种前明确p-age可优化播种时间、作物成熟期及病害管理决策，改善产量构成与块茎大小分布。然而，现有实用评估工具十分有限，不同种批因贮藏条件、生长历史及品种差异而呈现异质性衰老进程，亟需快速播种前检测技术以避免出苗不良与经济损耗。Scopus数据库文献计量分析显示，马铃薯p-age相关研究自20世纪80年代中期后逐渐增多，反映出学界对其在产量建模、块茎表现及胁迫响应生理中作用的日益重视，而休眠/发芽研究产出相对稳定，贮藏生物学则呈现与技术革新及产业需求相关的间歇性峰值，整体表明p-age与采后贮藏生物学已成为该领域的研究热点。本综述系统总结了马铃薯种薯p-age的现有认知、其对作物表现的影响及现有评估方法的局限性，阐明了商业化场景下快速、稳健、可靠播种前诊断技术的迫切需求，并论证了现有方法的适用性短板；同时评述了蛋白质组学、代谢组学等前沿组学技术在种子衰老研究中的应用潜力，结合马铃薯及其他作物的研究进展，评估了基于组学及多组学整合策略实现p-age快速、精准、规模化检测的可行性。尽管本综述聚焦种薯衰老，马铃薯贮藏研究的进展也为休眠调控、发芽行为及块茎对贮藏条件的响应提供了重要参考，这些发现均与种薯衰老密切相关。

块茎衰老对作物表现的意义

种薯衰老通过调控休眠与发芽进程，深刻影响作物出苗、茎数、冠层发育及最终产量潜力。

休眠与发芽

休眠块茎即使在适宜条件下也不萌发，休眠时长因品种与贮藏环境而异（通常为5–19周），受环境、生理及激素因子的共同调控。马铃薯块茎休眠通常分为内休眠（endodormancy）、副休眠（paradormancy）及生态休眠（ecodormancy），依据生长抑制的来源划分。收获后立即进入内休眠，此时块茎分生组织生长受内源信号抑制，伴随高浓度脱落酸（abscisic acid, ABA）；休眠解除与ABA水平下降、细胞分裂素响应增强及芽维管连接重建同步。内休眠结束后，顶芽优势导致的副休眠仍可能限制侧芽活化；生态休眠则指具备萌发能力的芽因环境条件不适宜（尤其是低温贮藏）而维持休眠状态。因此，贮藏温度是调控休眠与p-age进程的核心因子：低温延迟发芽并减缓衰老，高温则加速二者进程。休眠解除后，生理年幼块茎通常仅单个主芽活化；随着p-age增加，顶芽优势减弱，更多侧芽活化，单株茎数上升。p-age可通过块茎内在特征（如顶芽优势、芽活化及发芽行为）与植株表现性状（如单株茎数）共同表征，前者直接反映种薯生理状态，后者为播种后植株对块茎生理状态的响应。不同p-age阶段对应特征性发芽表型：低p-age幼龄块茎表现为少量短壮芽；中等p-age块茎表现为多芽且常伴随分枝；极老龄块茎则表现为细长脆弱（“毛发状”）芽，指示衰老状态。

生理年龄对作物表现的影响

p-age通过调控发芽行为、植株建植及产量形成显著影响作物表现。发芽构型直接决定田间表现：幼龄种薯因顶芽优势产生较少茎数，出苗较慢，但冠层发育健壮，块茎膨大期长，衰老延迟，最终形成数量较少但个体较大的子块茎；老龄种薯出苗较早，顶芽优势减弱导致多茎发生，结薯数增加（常因植株内竞争导致平均块茎变小），且结薯时间提前，有利于早熟，但在长生育期系统中可能限制最终产量。p-age过高常伴随贮藏期早衰，碳水化合物储备渐进消耗，建植潜力下降，脆弱芽的出现反映生理完整性丧失与播种品质降低。种薯p-age需匹配生产者目标：幼龄种薯适合生产大块茎以满足加工市场需求，老龄种薯则适用于早熟市场与种薯扩繁，中等p-age种薯可平衡出苗、茎数及块茎大小分布，实现最优生产性能。

影响块茎衰老的因素

种薯p-age由遗传、农艺及环境层面的多因子互作调控，这些因子决定休眠进程、发芽行为及整体种子活力，最终影响作物建植与产量。图2展示了p-age调控的概念框架。

内部因素

基因型强烈影响休眠时长、发芽行为及p-age进展速率。最适p-age具有情境依赖性：老龄种薯利于早熟，幼龄种薯适配长生育期与加工用途。由于基因型对环境与管理条件的响应存在差异，不存在普适的最适p-age，需根据市场目标、生育期长度及当地生长条件匹配p-age，并相应调整贮藏与处理方式。

农艺因素

播种日期、病虫害管理、灌溉、养分供应、地上部刈割、收获时间及采后处理均显著影响p-age轨迹。均衡施肥、适宜温度、及时植保、优化灌溉、合理密植及轻柔操作可减少胁迫与块茎衰老。马铃薯最适生长温度为15–20°C，超适高温会降低产量；块茎膨大期的水分亏缺会限制生长并加速衰老相关衰退。

环境因素

作物生长期间

作物生长期的环境条件显著影响收获时种薯的p-age。温度是决定作物发育的首要驱动因子，最适块茎形成温度为15–20°C，极端高温加速发育进程并促进p-age提前。持续昼夜间高温会延迟块茎起始，降低膨大效率，导致块茎偏小且生理年龄偏老。生长季降水决定的水分有效性通过加速发育与限制块茎膨大影响p-age，高温与水分胁迫协同作用会较单一胁迫更显著地推进块茎p-age。光周期与温度互作调控作物发育时序：长日照促进营养生长并延迟块茎化，短日照则促进早结薯与成熟，进而影响块茎生理状态。作物生育期整合了上述环境因子，非最适播期的作物常遭受温湿度胁迫，加速种薯p-age进展。

贮藏期间

贮藏温度、湿度、氧气浓度、光照及持续时间是决定p-age的关键因子。种薯通常在2–4°C、相对湿度约95%的条件下长期贮藏（>6个月），此类条件可最小化代谢活动并延缓衰老，维持块茎相对年轻的生理状态，避免早衰并保持发芽潜力。然而，当贮藏温度高于2–4°C基准范围时，呼吸速率上升，休眠期缩短，生理衰老加速，表现为发芽提前、衰老阶段进程加快及高龄阶段芽活力下降。研究证实，17°C高温贮藏较低温条件显著加速发芽行为与生理衰老，且该响应具有品种特异性。p-age与温度的关系常以高于基准温度（2–4°C）的积温描述，但温度暴露的时序与持续时间同样关键：贮藏早/晚期的高温暴露对后续发芽行为与作物表现的影响存在差异。此外，温度对生理衰老的效应因农业生态区而异：热带亚热带地区常无法避免常温贮藏，块茎易快速衰老与早衰，需采取抑芽或缩短贮藏期等替代策略；温带地区的低温贮藏虽延长休眠，但贮藏时长也会影响芽活力与后续作物表现。上述差异表明，p-age并非单纯的时间函数，而是温度依赖的代谢过程的综合体现。

p-age评估方法

现有p-age估算方法主要包括发芽试验、积温计算及生理年龄指数（physiological age index, PAI），各类方法虽能提供有用信息，但在快速播种前决策中存在明显局限。

发芽试验

最常用的方法是将种薯置于黑暗、常温条件下培养，连续数周视觉监测发芽行为，量化指标包括最大芽长、发芽速率、总体发芽能力、首芽可见时间及顶芽优势。总芽干重被报道为具有品种特异性的稳健p-age指标。尽管应用广泛，发芽试验耗时较长（通常需2–3周），结果受基因型、产地及贮藏历史的强烈影响，贮藏温湿度与光周期的微小差异即可导致发芽率、生长速率及分枝行为的显著变异；生态休眠可能掩盖内部衰老状态，难以作为商业化p-age测定的标准化诊断工具。

积温计算

积温法是基于温度的估算模型，以高于基准温度（通常为4°C）的热时间量化衰老。经典公式定义为p = t(T-4)，其中p为p-age，t为休眠解除后的天数，T为日均贮藏温度。后续研究将4°C基准温度概念扩展至全贮藏期，通过控温创建不同p-age种批，证实高于4°C的贮藏温度通过提升呼吸速率加速衰老。该方法的核心优势是简便性与操作可行性，但大量研究表明，积温并非p-age的普适性估算指标：相同积温的种批可能呈现不同的休眠时长与发芽模式，且该方法忽略了≤4°C条件下的衰老效应，也未考虑贮藏不同阶段温度的差异化影响及品种特异性响应。

生理年龄指数（PAI）

PAI由Caldiz等人提出，计算公式为PAI = T₁/T₂，其中T₁为地上部刈割日期（T₀）至潜在播种日期的天数，T₂为T₀至培养期结束的天数。培养期指在标准条件（黑暗、17°C、90–95%湿度）下块茎发芽并在芽上形成新块茎所需时间。PAI取值范围为0（生理年幼）至1（极老龄），其优势在于简单、生物学基础扎实，较单纯贮藏时间更具信息量，通过整合刈割日期与培养期长度提升了一致性。但PAI仍需长时间监测（通常>1个月），操作繁琐，不适用于快速决策场景。

为何需要更优方法

尽管p-age对发芽行为、种子活力及作物表现的重要性已被长期认知，但其实操性评估仍主要依赖间接指标（如休眠时长、培养期、发芽性状或PAI等复合指数）。这些方法虽有助于描述衰老进程，但需重复观测贮藏与发芽过程，且表型表达受品种、生产环境及贮藏条件的强烈干扰，难以满足商业化种薯体系所需的快速常规播种前决策需求。这提示需从表型方法向生化与分子指标转变。p-age并非单一形态性状，而是由休眠状态、顶芽优势、碳水化合物代谢、激素平衡及胁迫相关调控共同塑造的动态生理状态，衰老伴随蛋白质、抗氧化系统及与发芽行为相关代谢活性的可测量变化，表明生化特征可能较形态指标更早、更机制性地反映p-age。技术进步使生物标志物成为植物生理状态诊断的有力工具，植物可产生包括植物激素、蛋白质及核酸在内的多种可测量分子，反映细胞稳态与胁迫响应，适用于生物标志物开发。蛋白质调控大多数细胞过程，鉴定年龄相关标记可实现种薯全生命周期p-age测定，优化播种与贮藏决策。蛋白质组学与代谢组学是植物生物标志物鉴定的主流平台。鉴于p-age对产量与品质的显著影响，开发可靠、快速、可扩展的检测方法一直是马铃薯研究的重要目标。现有方法虽深化了对块茎衰老的理解，但仍无法满足种薯p-age常规检测的需求。其他作物的研究证实，组学驱动的衰老诊断具有广阔前景，分子谱分析可鉴定与衰老及种子活力相关的化合物，进而转化为靶向检测方法，表明组学驱动的生物标志物发现是实现马铃薯块茎p-age快速、精准、实用化评估的可行路径。

利用组学技术测定马铃薯p-age

尽管研究众多，马铃薯块茎p-age调控机制的发现仍存在不一致性，主要源于p-age是前茬环境（pre-harvest environment）与采后贮藏条件互作的结果。例如，PAI在挪威三个品种中未能准确反映生理状态；肯尼亚47个基因型在不同海拔与季节的试验显示，休眠时长存在显著基因型差异（54–136天），且发芽性状与贮藏失重存在强烈的基因型×环境互作。这些结果凸显了开发普适性、表型p-age指标的难度。为此，学界提出从表型代理指标转向与p-age相关的生化与分子指标。现代组学平台（尤其是蛋白质组学与代谢组学）为鉴定与休眠状态、发芽能力及年龄相关生理变化关联的生物标志物提供了工具，已在马铃薯改良与采后生理研究中得到应用，并在相关作物的胁迫响应解析中发挥重要作用。单一或整合的组学特征结合实用检测技术，有望实现商业化种薯体系适用的快速、稳健、可扩展的p-age诊断。

识别p-age生物标志物的概念框架

组学方法应用于生理衰老的核心挑战是明确定义年龄相关变化，即与p-age进展一致、独立于实足时间的渐进性代谢或蛋白质谱改变，且必须反映块茎内在衰老过程（如休眠进展与发芽能力提升），而非贮藏温度、品种差异或生长期环境等外部因子的瞬时响应。区分p-age效应与混杂因子是实验设计的主要难点，需通过同品种同贮藏条件下的不同p-age块茎比较，或控制p-age为唯一变量的实验设计，最小化非年龄相关变异；也可采用多因子实验设计解析基因型、环境与贮藏条件对生化变异的相对贡献，从而清晰识别年龄相关信号。识别流程包括：①在严格控制的明确条件下收集覆盖p-age梯度范围的块茎样本；②利用蛋白质组学或代谢组学等高通量平台解析衰老相关的全局生化变化；③基于跨独立实验的一致重现性筛选候选标记；④在多品种、多贮藏条件及多生产环境中验证候选标记，确保稳健性与普适性；⑤将验证后的标记转化为适用于种薯体系的简化实用检测方法。

蛋白质组学

蛋白质组学通过定量分析给定时间点蛋白质组的丰度、异构体、翻译后修饰及相互作用，解析蛋白质网络如何编码生理状态与胁迫响应，是理解生理状态与胁迫响应的核心手段。蛋白质组学已广泛应用于植物生物与非生物胁迫、生长发育及生理过程研究。

在马铃薯中的应用

马铃薯蛋白质组学研究已鉴定出与休眠调控、发芽及胁迫耐受相关的蛋白质。例如，氮亏缺与干旱胁迫下，耐逆品种‘Tomba’蛋白酶抑制剂丰度低于敏感品种‘Kiebitz’，表明蛋白水解酶响应差异与胁迫敏感性相关；抗冷物种Solanum commersonii在低温胁迫下高表达细胞生长相关蛋白，而栽培种Solanum tuberosum表达水平较低，揭示物种水平的冷响应差异；细胞分裂素诱导的块茎形成伴随显著的生理与蛋白质组变化。

与p-age相关的蛋白质

尽管种薯p-age具有重要农艺意义，但直接针对该性状的蛋白质组研究仍十分有限。目前仅有Delaplace等人2009年的研究专门关联采后生理衰老与块茎蛋白质组及抗氧化系统的变化，该研究采用二维差异凝胶电泳（2D-DIGE）结合串联质谱（MS/MS）分析贮藏270天的块茎，鉴定出43个差异表达斑点对应的31种衰老相关蛋白，首次证实p-age进展伴随与发芽模式一致的重复性蛋白质组变化。此后蛋白质组学研究多聚焦于休眠解除等相关过程，而非衰老本身，凸显了该领域的研究空白。近年来高通量质谱、数据非依赖采集（data-independent acquisition, DIA）及计算蛋白质组学的进步，大幅提升了分析灵敏度、蛋白质组覆盖度与定量重现性，为以更高分辨率解析p-age与休眠调控提供了机遇，有望发现稳健生物标志物，减少对冗长发芽试验的依赖。

代谢组学

代谢组学通过分析小分子丰度揭示通路活性及其对遗传与环境变异的响应，其中代谢谱分析靶向特定通路或化合物类别（如糖类、脂质、氨基酸）以量化关键代谢物，广泛用于植物胁迫生物标志物鉴定与抗逆策略开发。鉴于p-age反映代谢与储备利用的渐进性变化，代谢物特征为早期、机制关联的p-age诊断提供了逻辑路径。

马铃薯代谢谱分析

衰老与发芽伴随碳水化合物代谢与块茎生化的显著变化：发芽起始阶段淀粉降解为葡萄糖与果糖；贮藏期间蔗糖水平下降，能量消耗增加，糖酵解活性增强，氨基酸浓度升高；芽早期生长依赖共质体连接与蔗糖供应，己糖向蔗糖的大量转化以满足代谢需求；糖含量受品种、生产环境及贮藏条件的共同影响，温度尤为关键。这些生化过程虽多在普通块茎贮藏背景下开展，但构成了种薯p-age进程中休眠进展与发芽能力的生化基础。其他代谢物变化也伴随贮藏过程：绿原酸作为块茎主要酚类化合物，影响抗病性与加工品质，但其与p-age的关系尚未明确；游离氨基酸（天冬酰胺、谷氨酰胺）在贮藏初期可能升高，长期低温贮藏则伴随氨基酸与总蛋白含量下降。

代谢谱分析在植物器官衰老研究中的应用

靶向代谢谱分析可在明确条件下通过量化年龄响应代谢物对种薯批进行p-age分类。早期研究曾提出2-甲基-1-丁醇的播种前浓度可预测主茎数与生产力，但后续澳大利亚试验未证实其预测价值，相关研究未进一步推进。尽管如此，代谢物谱分析在其他物种器官衰老研究中已取得成功：拟南芥中活性氧（reactive oxygen species, ROS）、受损蛋白质、核酸及脂质的年龄相关积累与种子寿命相关；杂交水稻研究中，人工与自然衰老处理后，半乳糖、葡萄糖酸、果糖及甘油等代谢物随衰老持续积累，其中半乳糖与葡萄糖酸与发芽能力的负相关最为显著，证实其可作为水稻种子衰老的生物化学指标。这些发现虽非针对马铃薯，但支持了代谢物标记可指示衰老状态的假说，为种薯p-age研究提供了可检验的生化假设。

整合组学

由于p-age是转录、蛋白质与代谢物协同变化的结果，多组学策略非常适合发现稳健、通用的生物标志物。深度定量蛋白质组学可解析调控休眠与发芽的通路，为优化贮藏、种薯管理及品种选择提供依据；联合蛋白质组学、代谢组学及（必要时）转录组学可提供生物系统的全景视角，提升诊断效能。主成分分析（principal component analysis, PCA）、偏最小二乘判别分析（partial least squares discriminant analysis, PLS-DA）及MaxQuant等成熟蛋白质组学流程，可实现高维数据的严谨分析，并将蛋白质变化与代谢及激素谱关联，应用于马铃薯研究后可鉴定出用于p-age精准分类的精简标记组合，避免冗长的培养与发芽试验。需指出的是，蛋白质组与代谢组方法本身并非用于田间常规检测，其核心价值在于鉴定与p-age关联的稳健生化标记。验证后的标记可转化为简化检测形式（如靶向检测或实验室筛查工具），适配种薯认证项目或商业种薯检测实验室需求，为种薯管理决策提供快速、可扩展的技术支撑。

生物标志物发现与验证

生物标志物是可测量的衰老状态、细胞健康及胁迫响应指标。植物候选生物标志物包括代谢物、蛋白质及核酸，其浓度或酶活性随衰老或胁迫条件发生改变，可用于生理状态诊断，指导抗逆育种或生物技术干预。对于马铃薯种薯体系，可靠的p-age生物标志物可实现当前受限于耗时试验的快速播种前决策。种薯p-age生物标志物研究由来已久，但由于转录、蛋白质与代谢物的变化常不一致，发现与验证需跨分子层面评估。有效生物标志物应具备可靠性、灵敏度与特异性，且检测方法可及、成本可控，同时能捕捉与农事管理 timeline 相关的早期衰老变化。验证需在多基因型、多生产环境及多贮藏体系中证实候选标记与p-age的一致性关系，量化灵敏度与特异性等分析性能，确保其反映p-age而非病害或非相关环境胁迫等混杂因子。由于强基因型×环境互作与贮藏条件变异，单一生物标志物难以实现普适性，多生化指标组合有望提供更稳健的p-age估计。

结论

马铃薯对全球粮食安全至关重要，高品质种薯是保障稳定建植、均匀冠层及符合市场预期产量的基础。p-age是决定发芽行为、早期生长、块茎大小分布及最终产量的核心因子。现有p-age评估方法（发芽试验、积温计算、PAI）虽能提供有用信息，但普遍存在耗时长、环境依赖性强、稳健性与快速性不足等问题，难以满足播种前决策需求。因此，建议从表型诊断向生化诊断转型：蛋白质组学可捕获年龄相关的蛋白质丰度与修饰变化，代谢组学可揭示随衰老变化的丰度小分子，整合多组学有望获得精简、可靠的标记集，实现p-age的快速、可重复分类，而跨品种与贮藏条件的验证是确保其广泛应用的关键。基于生物标志物的实用工具可通过精准调控播种与贮藏时机，减少损失、提升整齐度与品质、增加经济效益，从而强化马铃薯生产系统的可持续性与韧性，同时为种薯衰老的机制解析提供坚实支撑。