甘薯淀粉含量与代谢关键酶基因表达差异性研究

摘要

甘薯是世界上重要的粮食、饲料和工业原料作物之一，具有高的光、热、水资源利用效率和单位面积生物量大、淀粉产量高等特性。甘薯在其块根中积累和储存大量淀粉，因此淀粉代谢的研究对淀粉含量的提高和品质的改善有着重要的意义。本文对6个甘薯品种鲜薯的淀粉含量和块根淀粉代谢中的8个关键酶基因表达量在大田移栽后4个时间点的变化进行了研究，以期找出与淀粉合成与降解更为直接的关键酶基因，为甘薯块根淀粉积累的分子机理进一步研究奠定一定的理论基础，推进淀粉型甘薯品种育种工作的进一步深入。 主要研究结果如下： 1、方差分析表明，供试材料块根的淀粉含量在品种之间、生长期之间存在显著差异。大田生长期间，鲜薯淀粉含量总体上呈现出生长前期增加、后期降低的趋势，6个品种4个时间点的鲜薯淀粉含量在6.21%～29.02%之间变化。同一品种全生长期平均值，以渝薯27最高，为24.70%；同一生长期6个品种间平均值，以120d最高，为21.39%；6个品种鲜薯淀粉含量生长期间的变化程度最大的阶段是60-90d，所有品种的鲜薯淀粉含量都表现为增加趋势，平均增加58.23%。渝薯27、渝薯1号属于高淀粉含量品种，渝苏8号、渝薯99和渝苏303属于中等淀粉含量的品种，潮薯1号属于低淀粉含量品种。 2、实时荧光定量PCR分析表明，块根中淀粉代谢关键酶基因相对表达量生长期间的变化模式在基因之间和品种之间存在差异。块根中淀粉代谢关键酶基因相对表达量在生长期间的变化模式有前期高表达型、后期高表达型、稳定表达型和大波动表达型4种类型，其中属于前期高表达型的关键酶基因占比最高，如渝薯1号等的GBSSI、SS，渝薯27等的α-amylase、β-amylase的基因表达属于前期高表达型。同一关键酶基因的相对表达量变化模式在不同品种中存在差异，其中渝薯1号、渝薯27、渝苏8号的前期高表达型的关键酶基因较多，淀粉合成酶与分解酶基因前期同时高表达有利于淀粉的积累和含量的提高，α-amylase与β-amylase的前期高表达而合成酶基因前期表达水平较低淀粉含量降低的重要因素。 3、相关性分析表明，淀粉代谢关键酶基因相对表达量之间存在差异性协同效应。代谢关键酶基因在淀粉合成与分解过程中具有协同作用，这种协同作用要经历时间代价，并在一些品种中存在关键时期效应。AGPa、AGPb、GBSSI、SBEII、SS5个与淀粉合成关键酶基因的相对表达量相互之间在生长期间存在较为显著的相关性，协同作用较为明显。AGPa和AGPb作为重要的上游表达基因，与众多下游合成基因（如GBSSI、SBEII和SS等）具有较多的协同效应，影响这些下游基因的表达，对淀粉起始合成起重要作用。GBSSI与AGPa在中、高淀粉品种中正向协同最为明显，SBEII与AGPb、GBSSI和SBEI在中、低淀粉品种中的正协同作用表现最为明显，而SS在高淀粉品种的植株中与相应的AGPb、GBSSI表现极显著的正协同作用。淀粉分解酶α-amylase表达相对不活跃，β-amylase与GBSSI的相关系数在低淀粉品种中最大，β-amylase后期较为活跃的表达可能是降低淀粉含量的重要因素之一。每个生长点间，具有显著相关的基因对较少，在165d最少，表明基因之间的协同要真正有效，需要时间代价。渝薯99在60d和高淀粉品种渝薯27在90d时，具有显著相关的基因对较多，表明基因之间的相关性具有关键时期效应。 4、8个淀粉代谢关键酶基因相对表达量与相应时期的鲜薯淀粉含量的相关性不明显。60d时，6个淀粉合成关键酶基因的相对表达量与鲜薯淀粉含量成正相关，在90d和120d时，6个淀粉合成关键酶基因的相对表达量与鲜薯淀粉含量成负相关，主要原因甘薯生长期间淀粉含量总体趋势是前期低、后期高。 结论：无论是品种之间还是生长期之间，甘薯鲜薯的淀粉含量存在显著性差异，AGPa和AGPb作为重要的上游表达基因，对淀粉起始合成起重要作用，GBSSI、SBEII和SS是重要的淀粉合成基因，淀粉代谢关键酶基因在甘薯生长期间相对表达量的变化模式在基因之间、品种之间存在差异，淀粉代谢关键酶基因生长期间和关键时期存在协同作用对于淀粉含量的增加更加重要，代谢关键酶基因生长期间和关键时期存在协同作用对于淀粉含量的增加更加重要，如淀粉合成酶与分解酶基因前期同时高表达有利于淀粉的积累和含量的提高，而α-amylase与β-amylase的前期高表达而合成酶基因前期表达水平较低淀粉含量降低的重要因素。

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