《Planta》：Scion-based drought stress memory affects potato response to water deficit
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主要结论：来源于干旱预印马铃薯植株的基于接穗的胁迫记忆信号，通过营养繁殖传递给新产生的马铃薯植株，影响了马铃薯块茎产量。
摘要：干旱是全球农业生产力的最大威胁之一。栽培马铃薯（Solanum tuberosum L.）是一种对干旱胁迫敏感的作物物种。本研究探
主要结论：来源于干旱预印马铃薯植株的基于接穗的胁迫记忆信号，通过营养繁殖传递给新产生的马铃薯植株，影响了马铃薯块茎产量。
摘要：干旱是全球农业生产力的最大威胁之一。栽培马铃薯（Solanum tuberosum L.）是一种对干旱胁迫敏感的作物物种。本研究探讨了基于接穗的干旱胁迫记忆对嫁接植株营养后代块茎产量、生理参数、基因表达及DNA甲基化的影响。块茎后代植株记住了从干旱预印接穗传递来的干旱胁迫信号。研究人员观察到基因表达发生显著变化，主要涉及光合代谢途径相关的基因，以及与染色质重塑、DNA修复和植物非生物胁迫响应相关的基因。基因表达谱与叶绿素荧光参数的变异性相对应。在第一代和第二代营养繁殖植株中，基于接穗的记忆对块茎产量产生了积极影响，这是通过缓冲干旱引起的产量下降（与对照条件下生长的植株相比）而实现的。全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）分析显示，DNA甲基化变化与基因表达之间无相关性。干旱诱导的DNA甲基化改变在第二代后代中被清除。研究人员提出，基于接穗的干旱胁迫记忆与光合效率及马铃薯块茎生产力之间存在直接的因果关系。
**基于接穗的干旱胁迫记忆对马铃薯营养后代块茎产量、光合性能及表观遗传调控的影响——发表于《Planta》的论文解读**
**一、研究背景与科学问题**
全球变暖所引发的干旱胁迫是对植物影响最为显著的逆境因子之一，由此导致的作物产量损失预计将在全球范围内持续加剧。栽培马铃薯（Solanum tuberosum L.）作为对干旱敏感的模型作物，其地上与地下器官对水分亏缺的响应存在差异，产量下降幅度是评估其耐旱性的主要农艺指标。Katahdin是北美古老的马铃薯品种，具有相对较强的耐旱性，被广泛用作育种亲本。研究人员此前在以Katahdin衍生品种为材料的系列研究中发现，干旱预印可诱导品种特异性的差异甲基化区域（DMRs）谱，且这些甲基化变化可传递给第一代营养繁殖后代，但在后续世代中基本消失。嫁接作为一种重要的园艺技术，可在接穗与砧木间进行双向移动信号的传递，包括可移动蛋白、mRNA及植物激素等，微RNA也被鉴定为影响马铃薯株型与块茎形成的潜在嫁接传递信号。然而，基于接穗的干旱胁迫记忆能否通过嫁接传递给营养繁殖后代并对块茎产量产生影响，其生理与分子机制尚不清楚。为此，研究人员设计了本项研究，系统考察干旱预印Katahdin接穗来源的胁迫记忆对嫁接植株营养后代块茎产量、光合参数、基因表达及DNA甲基化的影响。
**二、研究内容与总体结论**
研究人员通过为期三年的连续实验，利用嫁接技术构建了干旱预印接穗/非胁迫砧木（P/C）与非胁迫自嫁接对照（C/C）两个组合体系，对第一代（2023年）及第二代（2024年）块茎后代在干旱胁迫（D）与正常浇水（W）条件下的响应进行了系统评价。结果表明，在干旱胁迫下，C/C后代植株块茎产量显著下降（2023年下降23.3%，P=0.004；2024年下降显著，P=0.011），而P/C后代植株的产量下降幅度较小且未达到统计显著水平（2023年下降12.1%，P=0.074；2024年P=0.074）。这说明基于接穗的干旱胁迫记忆对块茎产量具有正向缓冲效应。在生理层面，P/C_W与C/C_W植株间有15个JIP-test参数存在显著差异，涉及荧光可变性（Fm、Fv、Vi）、光能吸收（ABS）、能量捕获（Tr）、电子传递通量（Et）、耗散能量通量（Dl）、电子还原通量（Re）、反应中心（RC）及荧光瞬态上方面积（Area）等指标。转录组分析在P/C_W与C/C_W间鉴定出297个差异表达基因（DEGs），其中252个在P/C_W中表达上调，主要富集于光合作用相关通路，同时也涉及染色质重塑、DNA修复及非生物胁迫响应基因。全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）分析显示，DNA甲基化变化与基因表达改变之间无相关性，且干旱诱导的DMRs在第二代后代中被清除。研究人员提出，基于接穗的干旱胁迫记忆与光合效率及马铃薯块茎生产力之间存在直接的因果关系。该研究首次证明从接穗传递到块茎的干旱记忆信号可影响马铃薯营养后代，为理解嫁接介导的胁迫记忆跨代传递机制及马铃薯耐旱性分子育种提供了新的视角。论文发表在《Planta》。
**三、主要关键技术方法**
研究人员采用了以下主要技术方法：（1）嫁接技术：以非胁迫Katahdin植株为砧木，分别以干旱预印和非预印Katahdin植株为接穗构建P/C和C/C嫁接组合；（2）叶绿素a荧光JIP-test测定：使用Handy-PEA荧光计测量42个JIP-test参数，并通过主成分分析（PCA）评估组间差异；（3）转录组测序（RNA-seq）：利用Illumina NovaSeq 6000平台对叶片进行测序，通过三个R软件包（DESeq2、EBSeq、edgeR）联合鉴定DEGs，并结合基因本体论（GO）和京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析；（4）全基因组重亚硫酸盐测序（WGBS）：对24个DNA样本进行定向WGBS，利用Bismark流程比对到马铃薯参考基因组dAg1_v1.0，并在CpG、CHG和CHH三种序列环境下鉴定1kb长度的DMRs。样本均来自波兰国家研究所Bonin的马铃薯种质资源圃及温室实验材料。
**四、研究结果**
**（一）基于接穗的干旱胁迫记忆对块茎产量的影响**
2023年实验对第一代块茎后代进行比较，双因素方差分析（two-way ANOVA）显示干旱处理因子对块茎产量有显著效应（P=0.003），而预印因子及预印×处理互作效应不显著。计划比较表明，干旱使C/C后代产量显著降低23.3%（P=0.004），而P/C后代仅降低12.1%（P=0.074），未达显著水平。2024年实验针对第二代后代，获得一致的结果模式：干旱显著降低C/C衍生植株产量（P=0.011），而P/C衍生植株产量下降不显著（P=0.074）。两个独立年份实验的一致性趋势支持该结果的稳健性。
**（二）基于接穗的干旱胁迫记忆对生理参数的影响**
2023年对四组植株（C/C_W、P/C_W、C/C_D、P/C_D）测定了42个JIP-test参数。P/C_D与C/C_D相比，所有参数变化不显著；而P/C_W与C/C_W之间存在15个参数的显著差异（P<0.05），涉及光系统能量吸收、捕获、电子传递及耗散等多个环节。其中PItotal在P/C植株中较C/C植株增加170%，而Dlo/RC降低20%。这表明基于接穗的干旱胁迫记忆在非胁迫条件下即对光合机构的能量流分配产生系统性的调控效应。
**（三）转录组分析与候选基因鉴定**
在正常浇水条件下，P/C_W与C/C_W间鉴定出297个DEGs，其中252个在P/C_W中上调，显著富集于光合作用相关基因，包括编码叶绿素a/b结合蛋白（CAB13、CAB2R、LHCII、LHCA2、LHCA3、LHCA4、LHCB2.1等）及捕光天线蛋白（CAP10A、AP10B）的基因。光系统I（PSI）核心组件和捕光天线蛋白编码基因的表达水平高于其他同组基因拷贝。此外，参与棉子糖生物合成的关键基因半乳糖醇合酶1（GOLS1）和半乳糖醇-蔗糖半乳糖基转移酶1（RFS1）也显著上调。与DNA复制和修复相关的基因（MCM7、CDKF-1、CDT1A、MCM3、MCM6、RPA1B、RPA2A）、编码H2AX组蛋白变体的基因以及RecQ解旋酶家族成员RECQL5均呈现上调表达。染色质重塑与甲基化相关基因DDM1、CMT1、MET1、MSI2也表现出上调。干旱条件下P/C_D与C/C_D间仅鉴定出38个DEGs。C/C_D与C/C_W比较显示1,203个DEGs，反映强烈的干旱响应；而P/C_D与P/C_W比较仅48个DEGs，响应急剧减弱。PCA分析显示P/C_W植株在基因表达谱和JIP参数上均与C/C_D和P/C_D更为接近，表明预印记忆使后代植株处于一种类似干旱预适应的转录状态。
**（四）基于接穗的干旱胁迫记忆对DNA甲基化的影响**
全球DNA甲基化水平在CG序列环境下最高（57–66%），其次为CHG（32–36%）和CHH（9–10%）。在正常浇水条件下P/C_W与C/C_W共鉴定出1,139个DMRs（17% CpG、16% CHG、67% CHH）；干旱条件下P/C_D与C/C_D间检测到913个DMRs（14% CpG、13% CHG、73% CHH）。多数DMRs位于基因间区和基因体区域。但绝大多数存在差异甲基化的基因未表现出表达水平的显著变化，仅9个DMRs位于基因或其侧翼区。世代间传递分析显示，绝大多数DMRs为各实验组所特有，仅一个位于dAg1_00002385基因体内的CHH环境高甲基化DMRs在亲本及后代中共同存在，但该甲基化差异未影响基因表达。2024年数据显示干旱诱导的DNA甲基化改变在第二代后代中被清除。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，本研究中P/C后代在干旱条件下块茎产量下降幅度未达显著水平，而C/C后代产量显著下降，表明基于接穗的干旱胁迫记忆对产量损失具有缓冲作用，这一模式在两个独立年份实验中保持一致。基因表达分析揭示P/C_W植株中光合作用相关基因的转录记忆激活，同时棉子糖合成、DNA复制与修复、染色质重塑相关基因的上调暗示了多种协同的适应性机制。值得关注的是，WGBS分析未发现DNA甲基化变化与基因表达之间的相关性，且DMRs未能跨代传递。研究人员认为，组蛋白修饰或染色质可及性变化等非DNA甲基化机制可能构成胁迫记忆的分子基础，来自接穗的信号可能驱动表观遗传活性染色质状态的建立，但其具体机制仍需进一步阐明。
结论部分明确指出：研究人员首次证明了从接穗传递到块茎的干旱记忆信号能够影响马铃薯的营养繁殖后代。基因表达显著增加主要涉及光合代谢途径，以及与染色质重塑和非生物胁迫响应相关的基因。马铃薯块茎的产量受到基于接穗的干旱胁迫记忆的正向影响。块茎作为强库器官，其生产力高度依赖地上器官的功能。未来需深入研究马铃薯干旱胁迫记忆的分子机制、记忆向块茎的传递途径及向非胁迫后代传递的方式，这些知识有助于评估基于接穗的干旱记忆在马铃薯育种实践中的分子育种潜力。
