马铃薯块茎发育的四大调控途径

陈玉珍 唐广彬 马宪新 田贵云 于宏心 骆璎珞 樊明寿 贾立国

（1呼和浩特民族学院化学与环境学院，010051，内蒙古呼和浩特；2呼伦贝尔农垦谢尔塔拉农牧场有限公司，021012，内蒙古呼伦贝尔；3内蒙古农业大学农学院，010019，内蒙古呼和浩特）

马铃薯是世界重要的粮食、蔬菜兼经济作物，在粮食安全和社会经济发展中发挥着重要的作用。不同于玉米、小麦和水稻三大粮食作物，马铃薯的收获器官是地下的块茎，属于特化的营养器官，其发育过程及机制具有特殊性。随着对其重要性认知程度和研究水平的提升，关于马铃薯块茎发育的研究在过去十几年取得了许多突破性进展。

物质积累是产量形成的基础，作为马铃薯的收获器官——块茎的起始和膨大的基础就是碳水化合物的积累。现有研究[1-2]证明，碳水化合物的种类、数量和运输等均与块茎的发育密切相关。碳水化合物的积累和运输形式受到光、热、水分和养分等环境因素的调控，内部又有成花素、激素和小RNA等信号调控途径，复杂调控网络决定块茎起始时间和数量[3-5]。马铃薯植株持续不断地感应周边环境的变化，决定块茎在适宜的时间形成和膨大。总体来看，马铃薯块茎发育的调控可归结为以下4条主要途径。

1 块茎发育的蔗糖代谢（信号）调控

虽然源库关系在马铃薯的一生中并不是固定的，但是从块茎起始，块茎就是马铃薯主要的库器官，而成熟的叶片是主要的源器官。源端通过光合作用累积同化产物，以碳水化合物作为主要形式运输到库器官，为库器官的正常发育提供保障。正常生长条件下，削弱地上部的生长会减少库器官对同化物的获取，进而限制库的建成；相反，当库的接纳能力被削弱时，源端的光合作用被反馈抑制。基于这些考量，块茎在合适的时间形成对于整个植株的发育进程至关重要。

蔗糖是调控块茎形成的主要碳水化合物。组培条件下，通过添加高浓度的蔗糖可诱导试管薯的形成，蔗糖抑制剂阻断块茎的起始[6]。蔗糖诱导块茎形成的原因除了作为营养物质外，还有2种可能的作用机制：一是高浓度的蔗糖产生的渗透势变化诱导了块茎的形成，有研究[2,7-8]证明，一定浓度的甘露醇和山梨醇也会诱导提前结薯，9%葡萄糖或10%海藻糖也能达到最佳诱导结薯的效果，对此也有一些不同的观点；二是蔗糖作为信号物质调控块茎的形成，对此已有大量报道并且被广泛接受。但是，蔗糖在植物体内参与了其他多种糖类分子的代谢过程，目前报道的有葡萄糖信号途径、海藻糖-6-磷酸（Tre6P）信号途径和不依赖Tre6P的蔗糖信号途径，蔗糖调控马铃薯块茎发育的途径还不是很明确[9]。

蔗糖作为同化产物的主要运输形式，其在叶片和块茎之间的转运对源库协调扮演核心角色。蔗糖在叶肉细胞的胞质中合成后，通过胞间连丝以共质体的方式在细胞间运输，直至到达韧皮部薄壁细胞与伴胞的边界，通过蔗糖外运载体SWEET家族蛋白转运到质外体[10]。然后，通过蔗糖/H+协同转运蛋白（SUC）跨膜主动装载进入伴胞，这样就产生了一个蔗糖浓度梯度，驱动蔗糖沿着筛管以集流的方式通过长距离运输到达库器官（块茎）。StSUT1是一个高亲和性的SUC，主要在成熟叶片的韧皮部中表达，对蔗糖长距离运输发挥着重要作用[11]。

蔗糖在库器官中的卸载也有质外体和共质体2种途径，卸载方式在块茎形成过程中发生转变。未经诱导的匍匐茎优先采用质外体卸载（apoplasmic unloading，AU）的方式进行，需要依靠转运蛋白把同化物从韧皮部主动输出到细胞间隙，其中StSUT4蛋白发挥着重要作用[12]。在块茎形成的初期，蔗糖的卸载由质外体卸载转变为共质体卸载（symplasmic unloading，SU），不再依赖专门的载体蛋白，而是通过胞间连丝进行被动扩散[13]。

伴随着卸载方式的转变，蔗糖分解的代谢途径也发生了改变，由蔗糖转化酶（invertase）途径转变为更加高效的蔗糖合酶（SuSy）途径，促进蔗糖分解为淀粉合成的前体物质。块茎淀粉积累量与SuSy活性密切相关，SuSy活性是植株库容增强的重要特征[14]。转录组分析结果[15]表明，淀粉合成相关的基因显示出昼夜节律的变化，与叶片蔗糖供应高度相关。块茎淀粉合成能力的增加有利于库容扩增，使更多的光合同化产物运输和积累在块茎中[2]。

2 块茎发育的光周期调控

60多年前，结薯刺激素（tuberigen）被首次报道在叶片中诱导产生，诱导产生的结薯刺激素运输到块茎形成的位点调控块茎形成[16]。这个发现促使科学家推测块茎形成可能与花发育有着同样的机制，都受到光周期的调控[17]。关于光周期调控开花的机制在拟南芥中已有深入研究，其中CO/FT（CONSTANS/FLOWERING LOCUS T）被认为是植物响应日长成花的核心模块，FT也被认为是植物的成花素（florigen）[18]。CO是一个转录因子，可以整合来自于光照和光周期的信号，从而激活成花素FT的表达。

FT的同源基因StSP6A（SELF PRUNING6A）是马铃薯块茎形成的关键信号，短日照诱导条件下StSP6A蛋白在叶片的维管束中被强烈地诱导表达，并可通过韧皮部运输至匍匐茎诱导结薯[19-20]。另外，研究[21]证明，StSP6A和FT家族的其他蛋白可以调控源库平衡，过量表达StSP6A会削弱茎的生长、加速块茎的形成，表明StSP6A具有强大的库容扩增功能。StSP6A的表达和运输受源强严格控制并根据源强调整，从而决定发育“开关”的最佳时间[21]。块茎形成信号StSP6A还受蔗糖直接调控，进一步的研究[22]证明，FT处于蔗糖信号途径的下游，FT又可通过调控蔗糖进入库器官而影响蔗糖的分配。

BEL5（BELLRINGER-1 like）转录因子是另外一个块茎形成调控通路中的信号分子。叶片中BEL5的转录本在短日照条件下表达上升，且会沿着韧皮部长距离运输进入匍匐茎[23]。BEL5过量表达会增加马铃薯的块茎产量，而表达下调则会减少块茎数量[24]。另外，与BEL5互作的转录因子POTH1（POTATO HOMEBOX1）可以在韧皮部细胞表达和移动，其mRNA的运输与匍匐茎转变为块茎密切相关[25]。

另外，小RNA也可以作为移动信号调控块茎的形成。miR172是最早报道调控植物花发育的小RNA，进一步研究[26-27]发现还是马铃薯的结薯信号，过量表达miR172的株系可在长日照非诱导条件下结薯，在短日照诱导条件下加快块茎的形成。另一个和块茎发育相关的miRNA是miR156，与miR172一样都可以在韧皮部移动。在拟南芥上的研究[28]表明，miR156调控植株从幼年期向成熟期过渡，过量表达miR156会导致马铃薯形态上的巨大改变，使地下部不能形成块茎。叶片中，在短日照条件下miR172表达上升，而在短日照条件和随发育进程推进miR156表达量下降，但是它们都在结薯诱导后的匍匐茎中积累[27-28]。因此，推测叶片中miR156作为块茎形成的负调控因子抑制miR172的表达，但是在匍匐茎中2种miRNA却呈现出叠加效应。

3 块茎发育的激素调控

植物生长发育的过程均会受到激素的调控，马铃薯块茎的发育也不例外。赤霉素（GA）是马铃薯块茎形成的关键调控因子，1960年就有关于GA刺激匍匐茎伸长的报道[29]。外源GA刺激匍匐茎的伸长，而对块茎的形成产生抑制作用，这种效应会被外源高浓度的蔗糖逆转，表明激素信号和糖信号在调控块茎形成方面具有互作效应[30]。GA生物合成酶基因StGA20ox1的过量表达会使植株茎节间伸长和块茎起始延迟，而StGA20ox1的减少表达会使植株节间缩短和块茎提早形成，进一步证明外源GA抑制块茎形成[31]。马铃薯中最具活性的GA是GA1，GA的降解基因StGA2ox1在膨大前的匍匐茎亚顶端和发育中的块茎优势表达，通过降低GA1含量阻止匍匐茎的伸长，改变细胞分裂的方向而导致亚顶端膨大[32]。

组织培养条件下添加生长素（IAA）诱导块茎提前起始发育，同时添加IAA和GA可延迟匍匐茎的生长，说明IAA参与了块茎发育早期阶段由纵向伸长到横向扩展的转变[30]。当把马铃薯转移到诱导条件下时，从植株顶端运输到匍匐茎的IAA急剧减少，而匍匐茎顶端分生组织自身启动IAA的合成，导致匍匐茎顶端IAA的积累。随后，负责IAA转运的PIN蛋白被激活，介导IAA在匍匐茎膨大区积累，诱导新器官的建成[33]。研究[33]表明，IAA含量在块茎形成前的匍匐茎中迅速升高，随着块茎的形成及膨大，IAA的含量有所下降，但是仍然保持一个较高的水平。进一步的研究[33]证明，IAA的浓度和极性转运与茎分枝相关的第2激素——独脚金内酯协同调控匍匐茎的结构和块茎的起始。

细胞分裂素（cytokinin，CTK）和IAA均可以刺激细胞分裂和调控分生组织活性，IAA主要是促进块茎的生长，而CTK主要是起始新的块茎，从而增加块茎的数量[34]。过量表达CTK生物合成基因IPT能诱导气生匍匐茎形成，促进地下匍匐茎的生长，增加块茎的数量，但是降低了块茎重量[35]。研究[33]发现，低浓度的CTK促进块茎的形成，而高浓度的CK对块茎的形成产生抑制。

与GA的功能不同，组织培养条件下施加外源脱落酸（ABA）抑制匍匐茎的伸长、刺激块茎的形成，内源ABA含量在匍匐茎和块茎的发育过程中是逐渐下降的[30]。蒙美莲等[36]的研究结果显示，马铃薯块茎形成期ABA含量显著增加，外源喷施ABA促进块茎的提早形成，并指出GA与ABA比值下降到一定水平是块茎形成的重要条件。ABA对块茎的促进主要表现在诱发块茎的起始和增加块茎的数量等方面[30]。而促进作用很可能是由于ABA对GAs活性的抑制，因有研究[37]认为，GAs能够抑制块茎的形成，ABA对块茎的形成也起抑制作用，而抑制的效果取决于品种、浓度以及与CTK的相互作用。

4 块茎发育的水肥调控

诸多环境因素都会影响块茎的起始和膨大，在明确调控过程和机理的基础上，理论上采取技术措施均可以调控块茎发育和产量形成。但是在大田生产中，许多的环境因素难以控制（如温度和光周期等），目前可以进行人为控制的因素主要是水分和养分。

水分是植物生长发育和代谢过程赖以生存的物质基础，干旱和缺水会显著降低马铃薯块茎的数量和产量[38-39]。早期的研究[40]报道，干旱会极大地减少匍匐茎的数量，一旦匍匐茎形成（不管是否经历干旱）都会产生块茎。近些年的研究[41-42]结果表明，苗期适度的水分胁迫有利于结薯数和结薯率的增加，并且不会降低马铃薯单株结薯数，能显著地提高大薯比例，在后期复水后还可以实现增产。适度干旱胁迫提高了马铃薯植株各器官ABA含量，且外源高浓度ABA也可促进马铃薯结薯数和薯重的增加，推测ABA可能介导了干旱胁迫对马铃薯块茎形成的调控[43]。马铃薯非结构性碳水化合物种类和含量对苗期水分胁迫产生不同响应，说明水分通过源库关系调控块茎的发育[44]。

各种养分都会不同程度地影响块茎的发育，其中研究最多最深入的是氮素对马铃薯块茎发育的调控。马铃薯田土壤矿质氮（Nmin）含量对块茎形成时间、数量以及重量均有重要影响，土壤Nmin在18.6～19.9mg/kg可促进块茎较早形成，当Nmin超过50.6mg/kg时块茎的形成被完全抑制[45]。在雾培条件下，低浓度的氮素供应块茎形成时间明显早于高氮供应，进一步证实了低氮诱导而高氮抑制块茎的起始[46]。氮素对块茎发育的影响可能通过C:N的调控实现[47]。块茎的形成不仅受氮素供应数量的影响，还受氮素形态的调控。研究[48-49]发现，硝态氮（NO3--N）促进形成更多的块茎，而铵态氮（NH4+-N）更有利于块茎提前形成；块茎形成后施用NH4+-N比NO3--N更有利于块茎的膨大和产量的形成。最新报道[50]表明，NH4+-N和NO3--N比值为3:7时对块茎形成及其内部葡萄糖、蔗糖和淀粉积累有促进作用，说明糖代谢或糖信号途径介导了氮素形态对马铃薯块茎形成的调控。

5 展望

马铃薯块茎形成与发育过程有多条调控途径，但是各途径间不是完全独立的，而是环境因子与内部信号综合作用的结果，虽然存在核心的调控网络，但是它们之间存在复杂的互作关系。关于块茎调控的研究取得了很多进展，但是许多过程和机制还不清楚，未来还需从以下几个方面进一步开展研究：

（1）许多移动信号（包括蛋白质、mRNA和miRNA）被认为是块茎发育的调控因子，但是在块茎起始和膨大过程中各移动信号如何分工，是否存在互作，互作的调控机制和网络等还不是很清楚，需要进一步研究加以解释。

（2）块茎起始和膨大是组织结构和细胞学过程发生剧烈改变的过程，同时代谢过程（特别是碳水化合物代谢）也发生了根本性的调整，结构的改变和代谢的变化如何协调统一而完成块茎的发育过程还有待继续研究。

（3）水分和养分等环境因素如何通过内部信号（激素、糖信号和基因等）调控块茎发育，即水肥等环境刺激和内部信号的互作机制是什么，现在也不是很清楚，这部分的研究结果对于指导马铃薯生产实践具有重要应用价值。