甘薯块根发育过程中关键蔗糖分解酶及其基因家族成员的鉴定

摘要

蔗糖分解酶在马铃薯和胡萝卜等块根/块茎的生长发育中发挥着重要作用,但在甘薯块根发育中的作用机制尚不清楚。本研究以2个在块根数量和鲜重上存在显著差异的甘薯品种‘高系14’及其突变体为材料,对其不同发育时期(30、60、90、120 d)块根中的可溶性糖(蔗糖、葡萄糖和果糖)、淀粉含量、蔗糖分解酶活性以及相关基因家族成员的表达水平进行测定,以明确调控块根数量和大小的关键蔗糖分解酶及主要基因家族成员。结果表明:(1)阐明了4种蔗糖分解酶活性在薯块根发育过程中的变化规律,细胞质转化酶(CIN)和液泡转化酶(VIN)活性的整体变化趋势呈现‘u’形曲线,即块根发育早期、晚期活性相对较高,发育中期最低;细胞壁转化酶(CWIN)和蔗糖合成酶(Sus)活性整体变化趋势呈‘n’形曲线,与前者正好相反,即在块根发育早期、晚期较低,发育中期最高。(2)和突变体相比,具有较高块根数量和鲜重的‘高系14’在块根发育早期(30 d)具有较高的Sus和CIN活性,而高Sus和CIN活性可以促进蔗糖由叶片向块根转运,从而提高块根中的淀粉、蔗糖和葡萄糖含量,最终为块根的生长发育提供能量和碳骨架以增加块根数量和鲜重。(3)从甘薯基因组中共鉴定出9个Sus基因家族成员和12个CIN基因家族成员,其中有1个Sus基因(IbSus6)和5个CIN基因(IbCIN4、IbCIN6、IbCIN8、IbCIN10和IbCIN11)的表达水平在30 d时表现为‘高系14’显著高于突变体,同时IbSus6和IbCIN4、IbCIN8、IbCIN10、IbCIN11分别为30 d块根中表达的主要Sus和CIN基因家族成员,因此上述1个Sus基因家族成员和4个CIN基因家族成员可能是调控甘薯块根发育的主要蔗糖分解酶基因。总之,Sus和CIN在甘薯块根早期发育中发挥着重要作用,其关键基因家族成员的阐明可为优异甘薯新品种的选育提供理论依据。