單建偉,柳俊,索海翠,王麗,安康,劉計(jì)濤,景晟林,李成晨,宋波濤,李小波

1.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430070； 3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院，武漢 430070

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)糧菜兼用、營(yíng)養(yǎng)全面、適應(yīng)性廣，是全球最大的非谷類(lèi)(non-grain)糧食作物，在全球經(jīng)濟(jì)和糧食安全中發(fā)揮重要作用。塊莖(tuber)是馬鈴薯作物的主要經(jīng)濟(jì)器官以及生產(chǎn)上的繁殖器官，由地下匍匐莖(stolon)在適宜的誘導(dǎo)條件下停止縱向伸長(zhǎng)生長(zhǎng)并發(fā)生橫向膨大形成的變態(tài)器官。馬鈴薯塊莖發(fā)育包括塊莖形態(tài)建成以及與淀粉積累相關(guān)的生化變化2個(gè)同步進(jìn)行但又相互獨(dú)立的生物學(xué)過(guò)程。

馬鈴薯塊莖發(fā)育受自身生理(植物激素、糖)和外部環(huán)境(光周期、溫度、氮營(yíng)養(yǎng))等因素協(xié)同調(diào)控。糖是調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的重要信號(hào)，同時(shí)調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成以及庫(kù)源(淀粉積累)關(guān)系，并與調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的光周期、激素等途徑存在協(xié)同互作。1989年，國(guó)內(nèi)外2個(gè)研究團(tuán)隊(duì)幾乎同時(shí)利用高濃度的糖在不添加任何植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的培養(yǎng)基上誘導(dǎo)形成了馬鈴薯試管塊莖[1-2]，從而確定了糖在調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育中的作用，拉開(kāi)了糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育研究的序幕。經(jīng)過(guò)幾十年的不懈努力，糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育機(jī)制的研究取得了突出進(jìn)展。本文概述了植物糖信號(hào)的葡萄糖(glucose)、蔗糖(sucrose)和海藻糖-6-磷酸(trehalose-6-phosphate,Tre6P)等途徑在馬鈴薯塊莖形態(tài)建成、庫(kù)源關(guān)系等方面的調(diào)控作用，并討論了在調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中糖信號(hào)與光周期、植物激素等途徑間的關(guān)系，旨在為進(jìn)一步深入解析糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的機(jī)制提供借鑒。

1 植物糖信號(hào)途徑

糖不但為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供碳源和能源，而且調(diào)控植物從胚胎發(fā)生到衰老的整個(gè)生命周期內(nèi)的眾多生物學(xué)過(guò)程[3]。綠色植物通過(guò)光合作用利用太陽(yáng)能促使水和大氣中的CO2合成碳水化合物并釋放O2。作為光合作用的主要產(chǎn)物，糖的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)、代謝、儲(chǔ)存必須與植物生存壞境以及生長(zhǎng)發(fā)育相適應(yīng)。糖在韌皮部的轉(zhuǎn)運(yùn)使源、庫(kù)器官之間建立了聯(lián)系，在器官之間的通信和協(xié)調(diào)中充當(dāng)通信工具，調(diào)控植物種子萌發(fā)、細(xì)胞周期、光合作用、組織分化、形態(tài)建成、開(kāi)花結(jié)實(shí)、次生代謝以及衰老等生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程。植物體內(nèi)，各種糖分子及糖的衍生物間可以相互轉(zhuǎn)化，并為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供碳源和能源，因此，研究植物糖信號(hào)的調(diào)控機(jī)制存在較大困難。糖受體的分離鑒定及糖的不易代謝類(lèi)似物的利用為研究植物糖信號(hào)提供了便利。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，植物進(jìn)化出了復(fù)雜的系統(tǒng)機(jī)制感知糖信號(hào)并做出響應(yīng)。植物中糖信號(hào)途徑主要包括葡萄糖信號(hào)途徑、海藻糖-6-磷酸信號(hào)途徑、以及不依賴Tre6P的蔗糖信號(hào)途徑(Tre6P-independent sucrose signalling)。

1.1 葡萄糖信號(hào)途徑

葡萄糖是最古老、最保守的糖類(lèi)信號(hào)分子，從單細(xì)胞原核生物到多細(xì)胞真核動(dòng)植物的生命活動(dòng)中均發(fā)揮調(diào)控作用。己糖激酶(hexokinases，HXKs)在大腸桿菌、果蠅、哺乳動(dòng)物中均能發(fā)揮葡萄糖受體功能。擬南芥己糖激酶基因AtHXK1能恢復(fù)glucose insensitive (gin) 突變體表型。破壞AtHXK1蛋白催化己糖磷酸化的功能并不影響其在基因表達(dá)、細(xì)胞增殖、根和花序生長(zhǎng)及衰老等過(guò)程中發(fā)揮作用；葡萄糖與AtHXK1蛋白結(jié)合能誘導(dǎo)AtHXK1蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)域重排，表明AtHXK1蛋白可以同時(shí)發(fā)揮己糖激酶和葡萄糖受體雙重功能[4-5]。在馬鈴薯葉片保衛(wèi)細(xì)胞表達(dá)擬南芥AtHXK1基因可以降低轉(zhuǎn)基因株系氣孔導(dǎo)度，提高轉(zhuǎn)基因株系水分利用效率，進(jìn)而提高轉(zhuǎn)基因株系的抗旱和耐熱性[6]。馬鈴薯己糖激酶1(StHXK1)和馬鈴薯己糖激酶2(StHXK2)均具有催化葡萄糖磷酸化活性，可以恢復(fù)AtHXK1-antisence擬南芥對(duì)葡萄糖的敏感性[7-8]，說(shuō)明馬鈴薯StHXK1和StHXK2均具有葡萄糖受體功能。

葡萄糖還可以通過(guò)Glucose-TOR信號(hào)途徑調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育。所有真核生物中，TOR激酶在進(jìn)化上高度保守，作為一個(gè)主調(diào)節(jié)器整合能量、營(yíng)養(yǎng)、激素、脅迫信號(hào)并調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育[9]。植物光合同化產(chǎn)物可以轉(zhuǎn)化為葡萄糖，葡萄糖通過(guò)糖酵解或線粒體能量代謝產(chǎn)生生物能驅(qū)動(dòng)TOR激酶磷酸化下游PIN2、E2Fa、S6激酶等一系列底物，促進(jìn)細(xì)胞分裂、mRNA轉(zhuǎn)錄、合成代謝等耗能生物學(xué)過(guò)程(energy-consuming processes)，促進(jìn)植物快速生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)植物體內(nèi)碳源內(nèi)平衡，Glucose-TOR信號(hào)途徑不依賴于葡萄糖受體HXK1，并獨(dú)立于植物激素信號(hào)途徑[9-11]。

1.2 蔗糖信號(hào)途徑

蔗糖是植物通過(guò)韌皮部從源器官向異養(yǎng)型庫(kù)器官運(yùn)輸光合同化產(chǎn)物的主要形式，蔗糖具有能源和信號(hào)分子雙重功能。轉(zhuǎn)化酶(invertase)催化蔗糖分解為葡萄糖和果糖。蔗糖和葡萄糖可以誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化酶基因轉(zhuǎn)錄、翻譯以及酶活性。3-氧-甲基葡萄糖(3-O-methylglucose，3-OMG)和2-脫氧葡萄糖(2-deoxyglucose，2-DOG)等不能代謝或轉(zhuǎn)化為蔗糖的葡萄糖類(lèi)似物均對(duì)轉(zhuǎn)化酶基因表達(dá)和酶活性沒(méi)有誘導(dǎo)作用[12]。異麥芽酮糖(isomaltulose or palatinose)是一種蔗糖類(lèi)似物，馬鈴薯蔗糖合酶(sucrose synthase，Susy)和轉(zhuǎn)化酶均不能代謝異麥芽酮糖，異麥芽酮糖可以增強(qiáng)馬鈴薯蔗糖轉(zhuǎn)化酶活性，并促進(jìn)蔗糖分解和淀粉合成[13]。這些結(jié)果均暗示蔗糖對(duì)轉(zhuǎn)化酶基因表達(dá)和酶活性具有特異性調(diào)控作用，而葡萄糖通過(guò)轉(zhuǎn)化為蔗糖發(fā)揮作用。另外，蔗糖對(duì)馬鈴薯patatin基因表達(dá)、馬鈴薯和甘薯淀粉合成、擬南芥花青素合成、油菜開(kāi)花等均具有特異性調(diào)控作用[14-17]。Barker等[18]基于蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SUT2(sucrose transporter)與酵母糖受體SNF3 和 RGT2的結(jié)構(gòu)相似性推測(cè)SUT2 可能具有蔗糖受體功能，但仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明。

1.3 海藻糖-6-磷酸信號(hào)途徑

Tre6P是海藻糖合成的中間產(chǎn)物。植物體內(nèi)Tre6P含量與蔗糖含量呈顯著正相關(guān)，Tre6P含量是反映植物營(yíng)養(yǎng)、能量供給狀態(tài)的指標(biāo)[19]。植物體內(nèi)Tre6P/sucrose保持動(dòng)態(tài)平衡，該平衡通過(guò)調(diào)控蔗糖合成或(以及)生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)蔗糖的消耗保證植物體內(nèi)蔗糖含量處于適宜植物生長(zhǎng)發(fā)育的范圍內(nèi)。Sucrose-non-fermenting 1-related kinase 1(SnRK1)受Tre6P抑制，通過(guò)Tre6P間接感知蔗糖供給狀態(tài)，并抑制植物胚胎發(fā)生、開(kāi)花、細(xì)胞分化等耗能生物學(xué)過(guò)程[20]。體外試驗(yàn)表明Tre6P抑制馬鈴薯StSnRK1活性；利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)降低塊莖中Tre6P的含量，StSnRK1靶基因中促進(jìn)細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)發(fā)育的基因表達(dá)量下降，而抑制細(xì)胞周期的基因表達(dá)量增強(qiáng)，同時(shí)單株塊莖形成數(shù)顯著增加，但是單株塊莖生物量顯著降低[21]。

2 糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育

馬鈴薯塊莖發(fā)育包括塊莖形態(tài)建成以及淀粉積累(源-庫(kù)關(guān)系)2個(gè)同步進(jìn)行但又相互獨(dú)立的生物學(xué)過(guò)程。形態(tài)建成影響塊莖形成與否、形成早晚以及塊莖數(shù)量；而淀粉積累與庫(kù)源關(guān)系調(diào)節(jié)相關(guān)，影響塊莖膨大以及產(chǎn)量形成。

2.1 糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成

1)糖誘導(dǎo)馬鈴薯離體塊莖形成。馬鈴薯試管塊莖是組織培養(yǎng)條件下試管苗經(jīng)誘導(dǎo)形成的微型塊莖，與大田條件下自然形成的常規(guī)塊莖在組織結(jié)構(gòu)和生理生化特征等方面基本相同[22]，是研究馬鈴薯塊莖發(fā)育的可靠實(shí)驗(yàn)體系。研究表明，高濃度蔗糖可誘導(dǎo)馬鈴薯試管苗在不添加任何植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的培養(yǎng)基上形成試管塊莖；甘露醇是植物組織培養(yǎng)過(guò)程中常用的滲透壓調(diào)節(jié)劑，相同濃度的甘露醇不能誘導(dǎo)試管塊莖形成；蔗糖吸收抑制劑能夠阻斷蔗糖對(duì)試管塊莖形成的誘導(dǎo)作用[1-2,23]，暗示蔗糖對(duì)馬鈴薯試管塊莖形成有誘導(dǎo)作用，且蔗糖誘導(dǎo)試管塊莖形成與滲透壓無(wú)關(guān)。其他糖分子是否對(duì)試管塊莖形成有誘導(dǎo)作用？目前，果糖或麥芽糖能否誘導(dǎo)試管塊莖形成觀點(diǎn)并不一致；但可以確定的是高濃度的葡萄糖能夠誘導(dǎo)鈴薯試管塊莖形成，盡管其誘導(dǎo)效果不如蔗糖，葡萄糖吸收抑制劑同樣可以阻斷葡萄糖的誘導(dǎo)作用[23-24]。

植物體內(nèi)蔗糖能夠與其他糖類(lèi)分子或糖的磷酸化衍生物相互轉(zhuǎn)化，因此，難以確定糖信號(hào)通過(guò)葡萄糖信號(hào)途徑(分為Glucose-HXKs途徑和依賴能量的Glucose-TOR途徑)、海藻糖-6-磷酸信號(hào)途徑、不依賴Tre6P的蔗糖信號(hào)途徑等3種信號(hào)途徑中的哪種途徑調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成。葡萄糖胺(glucosamine)和N-乙酰-D-氨基葡萄糖(N-acetyl-beta-d-glucosanine,NAG)等己糖激酶制劑不能阻斷糖信號(hào)對(duì)馬鈴薯試管塊莖形成的誘導(dǎo)作用，同時(shí)2-DOG(可以被植物吸收并能被己糖激酶磷酸化)、3-OMG(可以被植物吸收但不能被磷酸化)以及L-glucose等不易代謝的葡萄糖類(lèi)似物均不能誘導(dǎo)試管塊莖形成，說(shuō)明糖信號(hào)不是通過(guò)glucose-HXKs途徑調(diào)控馬鈴薯試管塊莖形成[23-24]。

植物Tre6P含量與蔗糖含量正相關(guān)，是體內(nèi)蔗糖含量的指標(biāo)。離體條件下，Tre6P抑制馬鈴薯塊莖SnRK1活性，而外施蔗糖或者海藻糖4 h內(nèi)即可顯著提升塊莖Tre6P含量，同時(shí)SnRK1的標(biāo)記基因表達(dá)量顯著下降，而外施葡萄糖、果糖或者異麥芽酮糖(palatinose，蔗糖異構(gòu)體，不能代謝)對(duì)塊莖Tre6P含量無(wú)顯著影響；海藻糖-6-磷酸磷酸酶(trehalose-6-phosphate phosphatase，TPP)催化Tre6P水解為海藻糖，在馬鈴薯塊莖中特異表達(dá)大腸桿菌編碼TPP的基因OtsB，導(dǎo)致塊莖Tre6P含量顯著下降，SnRK1基因表達(dá)量顯著增強(qiáng)，StSnRK1靶基因中促進(jìn)細(xì)胞增殖和生長(zhǎng)發(fā)育的基因表達(dá)量下降，而抑制細(xì)胞周期的基因表達(dá)量增強(qiáng)，同時(shí)單株塊莖形成數(shù)顯著增加，但單株塊莖生物量顯著降低[21]。這一結(jié)果表明糖信號(hào)可能通過(guò)Tre6P信號(hào)途徑參與調(diào)控馬鈴薯塊莖形成。

目前，可以確定糖信號(hào)參與調(diào)控馬鈴薯試管塊莖形成，該調(diào)控過(guò)程可能與Tre6P信號(hào)途徑相關(guān)，而與滲透壓調(diào)節(jié)和Glucose-HXKs途徑無(wú)關(guān)；Glucose-TOR信號(hào)途徑以及不依賴Tre6P的蔗糖信號(hào)途徑是否在調(diào)控馬鈴薯塊莖形成過(guò)程中發(fā)揮作用還需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明。

2)糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成相關(guān)基因表達(dá)。StSP6A是調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成最核心的信號(hào)分子，其表達(dá)受光周期和糖信號(hào)協(xié)同調(diào)控。光周期調(diào)控植物從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)向生殖生長(zhǎng)過(guò)渡，CO (CONSTANS)-FT (FLOWERING LOCUS T)途徑在光周期調(diào)控植物開(kāi)花過(guò)程中的分子機(jī)制已逐漸明朗。塊莖作為馬鈴薯的營(yíng)養(yǎng)繁殖器官，其發(fā)育過(guò)程同樣受光周期調(diào)控，越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明StCOL1-StSP6A途徑(StCOL1和StSP6A分別是CO和FT的同源基因)調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成。其中StCOL1的轉(zhuǎn)錄受生物鐘調(diào)控，其蛋白穩(wěn)定性受StPHYB-StPHYF異源二聚體調(diào)控；StCOL1抑制StSP6A表達(dá)，短日照(short-day，SD)條件下，StCOL1降解，StSP6A在葉片轉(zhuǎn)錄并翻譯成蛋白質(zhì)后通過(guò)維管束轉(zhuǎn)運(yùn)至匍匐莖誘導(dǎo)塊莖形成[25-27]。因此，StSP6A在光周期調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著“承上啟下”的核心作用。StSP6A的表達(dá)受高濃度蔗糖誘導(dǎo)，而StSP6A-RNAi植株在高濃度蔗糖培養(yǎng)基上不能形成塊莖，說(shuō)明StSP6A是馬鈴薯塊莖形成的核心調(diào)控單元，是塊莖形成所必需的，而蔗糖是誘導(dǎo)StSP6A表達(dá)的重要刺激因子[28]。

StSUT4編碼蔗糖-H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其表達(dá)受光周期調(diào)控，參與蔗糖運(yùn)輸。馬鈴薯subsp.andigena是短日照型馬鈴薯，僅能在短日照條件下形成塊莖。通過(guò)RNA干涉技術(shù)抑制StSUT4在subsp.andigena中表達(dá)，可以增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因株系對(duì)糖濃度的敏感性，StSUT4 RNAi 株系可以在含5%蔗糖的培養(yǎng)基上形成試管塊莖，而野生型對(duì)照株系在含10%蔗糖的培養(yǎng)基上才能形成試管塊莖；且StSUT4 RNAi株系中StSP6A、StSOC1、StCO等調(diào)控塊莖形成的基因表達(dá)量均發(fā)生變化，在LD條件下也能形成塊莖，且開(kāi)花提前；StSUT4還通過(guò)調(diào)控葉片蔗糖輸出影響馬鈴薯生物鐘[29-30]，說(shuō)明蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程影響馬鈴薯塊莖形態(tài)建成。

第二信使分子Ca2+和鈣調(diào)蛋白調(diào)控馬鈴薯塊莖早期形態(tài)建成[31]。鈣依賴蛋白激酶(calcium dependent protein kinases,CDPKs)是Ca2+信號(hào)的特異受體，負(fù)責(zé)Ca2+信號(hào)的識(shí)別和傳導(dǎo)。馬鈴薯StCDPK1在開(kāi)始膨大的匍匐莖亞頂端特異表達(dá)，受高濃度蔗糖誘導(dǎo)，StCDPK1蛋白可能是馬鈴薯塊莖形態(tài)建成的抑制信號(hào)與促進(jìn)信號(hào)的匯聚點(diǎn)，調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成[32-34]。

2.2 糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯庫(kù)源關(guān)系

塊莖是馬鈴薯植株的經(jīng)濟(jì)器官，存儲(chǔ)了大量淀粉，其產(chǎn)量與源葉光合作用效率、蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)、塊莖庫(kù)強(qiáng)密切相關(guān)，是研究植物庫(kù)-源關(guān)系最合適的模式系統(tǒng)。庫(kù)源關(guān)系協(xié)調(diào)是馬鈴薯塊莖膨大和產(chǎn)量形成的保障[35]。糖的轉(zhuǎn)運(yùn)使源、庫(kù)器官之間建立了聯(lián)系。一方面，糖信號(hào)對(duì)源葉光合作用有抑制作用；另一方面，糖信號(hào)對(duì)塊莖淀粉合成有促進(jìn)作用。馬鈴薯植株通過(guò)糖信號(hào)調(diào)控葉片光合作用和塊莖糖代謝相關(guān)基因表達(dá)，進(jìn)行葉片和塊莖間的雙向通信，以保證馬鈴薯源-庫(kù)關(guān)系協(xié)調(diào)。

1)源葉糖代謝與馬鈴薯塊莖發(fā)育。植物光合作用暗反應(yīng)通過(guò)卡爾文-本森循環(huán)固定CO2生產(chǎn)磷酸丙糖(triose phosphate)。大部分磷酸丙糖通過(guò)葉綠體內(nèi)膜上的磷酸丙糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(triose phosphate translocator,TPT)復(fù)合體轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)用于蔗糖合成，TPT-antisense馬鈴薯植株光合作用效率降低40%～60%，而葉片淀粉含量增加近3倍[36]；多余的磷酸丙糖在葉綠體內(nèi)合成過(guò)渡性淀粉(transitory starch)暫時(shí)儲(chǔ)存在葉綠體內(nèi)供給植物夜間生長(zhǎng)發(fā)育，StHK1-antisense馬鈴薯植株塊莖產(chǎn)量和淀粉含量無(wú)顯著變化，但葉片夜間過(guò)渡性淀粉含量比對(duì)照株系高3倍，同時(shí)轉(zhuǎn)基因株系葉片葡萄糖含量比對(duì)照株系高2倍，而蔗糖含量降低，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株早期生長(zhǎng)發(fā)育遲滯[7]。

磷酸丙糖在細(xì)胞質(zhì)醛縮酶(aldolase)的催化作用下生成果糖-1,6-二磷酸(fructose-1,6-bisphosphate)，該反應(yīng)為可逆反應(yīng)，受反應(yīng)底物和反應(yīng)產(chǎn)物的相對(duì)濃度影響。抑制醛縮酶基因表達(dá)，轉(zhuǎn)基因株系葉片丙糖磷酸積累量增加，而光合作用效率、淀粉含量和果糖-1,6-二磷酸酶(fructose-1,6-bisphosphatase，F(xiàn)BP)活性等均明顯降低，并導(dǎo)致植株生長(zhǎng)發(fā)育受限[37]。FBP催化果糖-1,6-二磷酸生成果糖-6-磷酸(fructose 6-phosphate，F(xiàn)6P)，F(xiàn)6P在磷酸己糖異構(gòu)酶和磷酸葡萄糖變位酶的催化作用下與葡萄糖-6-磷酸(glucose 6-phosphate，G6P)、葡萄糖-1-磷酸(glucose 1-phosphate，G1P)相互轉(zhuǎn)化，F(xiàn)6P、G6P、G1P構(gòu)成磷酸己糖庫(kù)，植物生長(zhǎng)代謝對(duì)碳源和能量的需求引導(dǎo)磷酸己糖庫(kù)中碳的流向。增強(qiáng)或抑制馬鈴薯FBP基因表達(dá)除影響源葉蔗糖合成外，并不影響轉(zhuǎn)基因株系生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量以及塊莖淀粉含量[38-39]。

UDP-葡萄糖焦磷酸化酶(UDP-glucose pyrophosphorylase)、蔗糖-6F磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase，SPS)、蔗糖-6F-磷酸酶(sucrose phosphatase，SPP)共同催化磷酸己糖合成蔗糖。其中SPS是調(diào)控蔗糖合成的關(guān)鍵步驟，其活性受SnRK1調(diào)控，在煙草中異源表達(dá)馬鈴薯StSnRK1基因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因煙草淀粉合成相關(guān)基因的表達(dá)和酶活性增強(qiáng)，而蔗糖磷酸合成酶表達(dá)和活性降低，同時(shí)轉(zhuǎn)基因煙草株系淀粉、葡萄糖、蔗糖、果糖含量均顯著增加[40]。因此，糖信號(hào)可能通過(guò)SnRK1調(diào)控馬鈴薯源葉光合作用及糖代謝。

2)糖信號(hào)調(diào)控蔗糖在源與庫(kù)之間轉(zhuǎn)運(yùn)。蔗糖從源葉到庫(kù)器官的轉(zhuǎn)運(yùn)包括蔗糖的裝載(phloem loading)、韌皮部運(yùn)輸以及卸載(phloem unloading)過(guò)程。蔗糖在馬鈴薯韌皮部的運(yùn)輸是被動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程，符合韌皮部運(yùn)輸?shù)膲毫α髂Ｐ?，其?dòng)力來(lái)源于源器官與庫(kù)器官之間由于糖的滲透作用造成的壓力差。蔗糖在源葉的裝載及在庫(kù)端的卸載、分解、淀粉合成使源庫(kù)之間產(chǎn)生膨脹壓差(turgor pressure difference)，驅(qū)動(dòng)蔗糖源源不斷地從源葉運(yùn)輸至庫(kù)器官(塊莖)[41-42]。

蔗糖在源端可以通過(guò)共質(zhì)體(symplastic loading)和質(zhì)外體(apoplastic loading)途徑裝載。SWEET(sugar will eventually be exported transporters，SWEET)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白定位于韌皮部細(xì)胞膜，其結(jié)構(gòu)在植物中異常保守，在蔗糖質(zhì)外體裝載過(guò)程中協(xié)助蔗糖從葉肉細(xì)胞進(jìn)入質(zhì)外體，sweet突變體表現(xiàn)為韌皮部裝載缺陷；異位表達(dá)StSWEET11改變蔗糖在馬鈴薯植株的轉(zhuǎn)運(yùn)和積累[28,43]。蔗糖-H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(SUT)復(fù)合體幫助進(jìn)入質(zhì)外體的蔗糖跨越細(xì)胞膜進(jìn)入韌皮部篩分子伴胞復(fù)合體，活性受蔗糖和H+共同調(diào)控[44-45]。其中SUT2與酵母糖受體SNF3和RGT2具有相似的結(jié)構(gòu)，可能在植物中發(fā)揮蔗糖受體功能[18]。StSUT1主要在成熟葉片的篩分子伴胞復(fù)合體表達(dá)，其他組織或器官表達(dá)量較低，通過(guò)伴胞特異啟動(dòng)子rolC反義抑制StSUT1表達(dá)，轉(zhuǎn)基因株系葉片糖含量升高，而光合作用受到抑制[46]。Kuhn等[47]的進(jìn)一步研究認(rèn)為StSUT1在塊莖韌皮部也有表達(dá)，利用塊莖特異啟動(dòng)子class Ⅰ patatin promoter B33反義表達(dá)StSUT1，轉(zhuǎn)基因株系地上部分不受影響，塊莖發(fā)育早期鮮質(zhì)量降低，說(shuō)明StSUT1在塊莖發(fā)育早期蔗糖卸載過(guò)程中發(fā)揮作用，同時(shí)暗示StSUT1可能在源端蔗糖裝載和庫(kù)端蔗糖卸載過(guò)程中均發(fā)揮作用。與StSUT1不同，subsp.andigena的StSUT4 RNAi株系塊莖形成、開(kāi)花均提前，葉片蔗糖輸出量增加，塊莖產(chǎn)量、蔗糖、淀粉含量增加，且能在長(zhǎng)日照條件下形成塊莖[29-30]，因此,StSUT4不但參與蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)，而且調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成。

蔗糖在庫(kù)器官同樣可以通過(guò)質(zhì)外體和共質(zhì)體2種途徑卸載。匍匐莖膨大前主要通過(guò)質(zhì)外體途徑卸載，StSUT4在蔗糖質(zhì)外體卸載中發(fā)揮作用[30]；匍匐莖開(kāi)始膨大后，StSP6A調(diào)控蔗糖卸載由質(zhì)外體途徑為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐怨操|(zhì)體途徑卸載為主[48]，短日照與韌皮部蔗糖濃度的升高共同誘導(dǎo)StSP6A在葉片韌皮部轉(zhuǎn)錄并翻譯，隨后StSP6A蛋白與蔗糖一起通過(guò)韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)至匍匐莖，在匍匐莖頂端StSP6A與StSWEET11結(jié)合阻止蔗糖通過(guò)StSWEET11蛋白進(jìn)入質(zhì)外體，從而使蔗糖卸載轉(zhuǎn)變?yōu)楣操|(zhì)體途徑[28]。

3)糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖淀粉合成及庫(kù)強(qiáng)。塊莖中，蔗糖通過(guò)轉(zhuǎn)化酶或蔗糖合酶(sucrose synthase，Susy)分解并為淀粉合成提供前體。Susy與invertase活性的相對(duì)變化調(diào)控馬鈴薯塊莖庫(kù)強(qiáng)及持續(xù)膨大。如前文所述塊莖形態(tài)建成過(guò)程中，蔗糖卸載由質(zhì)外體卸載為主轉(zhuǎn)換為共質(zhì)體卸載為主，同時(shí)蔗糖分解途徑也由invertase途徑轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У腟uSy途徑，塊莖淀粉積累量與SuSy活性密切相關(guān)，SuSy活性決定馬鈴薯塊莖庫(kù)強(qiáng)[49-50]。糖信號(hào)通過(guò)SnRK1調(diào)控SuSy與invertase的表達(dá)和活性[40,51-52]。

增強(qiáng)塊莖淀粉合成可以增加塊莖庫(kù)強(qiáng)，使更多光合同化產(chǎn)物存儲(chǔ)在塊莖中。ADP-葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase，AGPase)催化G1P合成ADP-葡萄糖，是淀粉合成的限速酶。StAGPase-antisense植株塊莖形成數(shù)增加，質(zhì)量變小，淀粉含量降低96%，而葡萄糖、蔗糖含量增加，說(shuō)明AGPase影響馬鈴薯塊莖庫(kù)強(qiáng)[53]。蔗糖和葡萄糖均能調(diào)控AGPase基因表達(dá)和酶活性，其中蔗糖通過(guò)SnRK1調(diào)控AGPase基因表達(dá)和AGPase酶氧化還原狀態(tài)，而葡萄糖通過(guò)己糖激酶途徑調(diào)控AGPase酶磷酸化[54]。

3 馬鈴薯塊莖發(fā)育調(diào)控的糖信號(hào)與其他信號(hào)途徑的關(guān)系

馬鈴薯塊莖發(fā)育受糖信號(hào)、光周期以及植物激素等因素調(diào)控，糖信號(hào)途徑與其他途徑存在協(xié)同互作。

3.1 糖信號(hào)途徑與光周期途徑

如上文所述，StSP6A是光周期調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成最核心的信號(hào)分子，其表達(dá)受高濃度蔗糖誘導(dǎo)，說(shuō)明糖信號(hào)能夠增強(qiáng)光周期信號(hào)。StSWEET11-RNAi株系葉片StSP6A表達(dá)和塊莖產(chǎn)量均下降，說(shuō)明StSWEET11可能通過(guò)StSP6A調(diào)控塊莖發(fā)育； StSP6A還通過(guò)與StSWEET11結(jié)合調(diào)控塊莖形態(tài)建成前后匍匐莖中蔗糖卸載途徑的轉(zhuǎn)變[28]，StSUT1、StSUT2和StSUT4均呈現(xiàn)節(jié)律性表達(dá)，受光周期調(diào)控，說(shuō)明光周期調(diào)控馬鈴薯蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程[30]。StSUT4 RNAi除表現(xiàn)塊莖形成、開(kāi)花均提前，葉片蔗糖輸出量增加，塊莖產(chǎn)量、蔗糖、淀粉含量增加外，還通過(guò)葉片蔗糖輸出量的改變能夠影響轉(zhuǎn)基因株系對(duì)日照長(zhǎng)度的敏感性，使其在長(zhǎng)日照條件下也能形成塊莖，StFT、StSOC1以及StCO等基因的表達(dá)量也發(fā)生變化[29]，說(shuō)明蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程反過(guò)來(lái)也影響光周期對(duì)塊莖發(fā)育的調(diào)控。這些結(jié)果均表明在調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中糖信號(hào)與光周期信號(hào)存在雙向協(xié)同互作，一方面光周期途徑調(diào)控糖信號(hào)途徑，另一方面糖信號(hào)途徑也對(duì)光周期信號(hào)途徑存在促進(jìn)作用。

3.2 糖信號(hào)途徑與植物激素途徑

赤霉素(gibberellin，GA)、脫落酸(abscisic acid，ABA)、茉莉酸(jasmonic acid，JA)及細(xì)胞分裂素(cytokinin)等植物激素均參與調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育。其中，GA促進(jìn)匍匐莖伸長(zhǎng)生長(zhǎng)、抑制匍匐莖膨大形成塊莖，ABA和JA對(duì)塊莖發(fā)育有促進(jìn)作用，cytokinin通過(guò)調(diào)節(jié)庫(kù)源關(guān)系增加塊莖產(chǎn)量和數(shù)量，在調(diào)控塊莖發(fā)育過(guò)程中GA發(fā)揮主導(dǎo)作用，而ABA通過(guò)拮抗GA誘導(dǎo)塊莖形成[55-56]。組織培養(yǎng)條件下，匍匐莖內(nèi)源GA1含量與培養(yǎng)基蔗糖濃度呈負(fù)相關(guān)，低濃度蔗糖培養(yǎng)基中，匍匐莖內(nèi)源GA1含量升高，匍匐莖維持伸長(zhǎng)生長(zhǎng)；而高濃度蔗糖培養(yǎng)基中，匍匐莖內(nèi)源GA1含量降低，匍匐莖停止伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，亞頂端膨大形成塊莖[56]。StSUT4 RNAi植株除表現(xiàn)上文所述的表型外，還表現(xiàn)出節(jié)間伸長(zhǎng)、莖高增加等與GA20ox1-antisense植株相似的性狀，且轉(zhuǎn)基因株系赤霉素、乙烯合成受到影響，說(shuō)明糖信號(hào)影響GA信號(hào)途徑[29]。

ABF (ABRE-binding factor)在植物ABA信號(hào)途徑和非生物脅迫響應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵調(diào)控作用，其表達(dá)受ABA、干旱、鹽脅迫、冷害誘導(dǎo)，其蛋白活性受SnRK2和CDPK調(diào)控。馬鈴薯StABF1在塊莖發(fā)育過(guò)程中表達(dá)量升高，其表達(dá)受高濃度蔗糖誘導(dǎo)，而被GA抑制；在馬鈴薯中異源表達(dá)擬南芥ABF4導(dǎo)致匍匐莖ABA含量升高而GA含量降低，塊莖形成數(shù)和塊莖質(zhì)量均顯著增加[57-58]。因此，ABF在蔗糖、ABA以及GA協(xié)同調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

4 展 望

糖信號(hào)同時(shí)調(diào)控馬鈴薯塊莖形態(tài)建成以及庫(kù)源關(guān)系，是調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的重要信號(hào)途徑，并與調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的光周期以及激素等信號(hào)途徑存在協(xié)同互作(圖1)。盡管糖信號(hào)調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的研究已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，但其調(diào)控機(jī)制有待從以下幾個(gè)方面進(jìn)行更深入系統(tǒng)的研究：

StSP6A：馬鈴薯自我修剪6A基因 Solanum tuberosum self pruning 6A； TOR:雷帕霉素靶蛋白 Target of rapamycin； 耗能生物學(xué)過(guò)程 Consumption； SnRK1:蔗糖非發(fā)酵-1相關(guān)蛋白激酶 Sucrose non-fermenting-1-related protein kinase 1； 海藻糖 Trehalose; TPP:海藻糖-6-磷酸磷酸酶 Sucrose non-fermenting-1-related protein kinase 1； Tre6P:海藻糖-6-磷酸 Trehalose-6-phosphate； TPS:海藻糖-6-磷酸合成酶 Trehalose-6-phosphate synthase； 己糖磷酸 Hexose-P； GA:赤霉素 Gibberellin； 塊莖形成 Tuberization.

1)明確糖信號(hào)以何種途徑調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程。由于植物體內(nèi)各類(lèi)糖組分可以相互轉(zhuǎn)化，目前還未能明確糖信號(hào)通過(guò)葡萄糖信號(hào)途徑(分為Glucose-HXKs途徑和依賴能量的Glucose-TOR途徑)、海藻糖-6-磷酸信號(hào)途徑、不依賴Tre6P的蔗糖信號(hào)途徑中的何種途徑或多種途徑調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育，抑或存在其他未知途徑。

2)馬鈴薯植株如何感知糖信號(hào)。作為信號(hào)分子，糖首先需要與受體結(jié)合才能引發(fā)細(xì)胞內(nèi)一系列生物化學(xué)反應(yīng)，信號(hào)分子與相應(yīng)受體的結(jié)合具有特異性，但目前除HXKs(可能與馬鈴薯塊莖誘導(dǎo)無(wú)關(guān))外還未分離到其他糖受體，分離參與馬鈴薯塊莖發(fā)育調(diào)節(jié)的糖受體，既有助于明確糖信號(hào)以何種方式調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育，又有助于解析糖信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。

3)闡明在調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中糖信號(hào)與其他信號(hào)途徑的關(guān)系。目前針對(duì)光周期調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的StCOL1-StSP6A途徑的研究最為深入，StCOL1-StSP6A途徑是調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育的核心途徑；Abelenda等[28]的研究表明在調(diào)控馬鈴薯塊莖發(fā)育過(guò)程中糖信號(hào)與StCOL1-StSP6A途徑存在互作，但其互作機(jī)制還有待進(jìn)一步揭示。