旱区马铃薯块茎淀粉形成对高温胁迫的响应机制研究

Potato is one of the main crops in the mountains of southern Ningxia. In recent years, climate change causes frequent disasters such as high temperature and drought, and has a significant influence on the production of potato. Starch is the major accumulation substance of potato tubers. It is important to study the physiological and biochemical mechanism of the starch formation in potato tuber under warming condition in order to realize the production of potato highly and safely in arid area. Based on the staple food-based potato, the project is objective to (i) study the physiological mechanism and gene expression of potato tuber starch under elevated temperature by using cytology, enzymology and transcriptome analysis, (ii) classify the effects of high temperature stress on the photosynthetic characteristics, active oxygen metabolism, root vigor, key enzyme of carbon metabolism and the law of yield formation were clarified, (iii) understand the regulation mechanism of the starch formation of potato tubers under warming condition,and the rational operation of nitrogen to relieve high temperature . Eventually, these results will provide a theoretical guidance for achieving the high quality and efficient resistance production of potato in arid area.

马铃薯是宁南山区的主要作物之一，近年来，气候变化引起高温干旱等灾害频发，对喜凉作物马铃薯的生产产生了巨大影响；淀粉是马铃薯块茎的主要积累物质，研究高温对旱作区马铃薯块茎淀粉形成影响的生理生化机理，对实现马铃薯高产安全生产具有重大意义。本项目以主粮化马铃薯为材料，人工模拟高温，设置三个温度处理，采用细胞学、酶学、转录组分析等方法，（1）研究高温胁迫条件下马铃薯块茎淀粉形成的生理机理和基因表达差异；（2）明确高温胁迫对植株叶片的光合特性、活性氧代谢、根系活力、碳代谢关键酶的影响规律及产量形成规律；（3）阐明高温胁迫对马铃薯块茎淀粉形成调控的分子机理，明确高温条件下氮素的合理运筹，为旱区马铃薯优质高效抗逆栽培提供理论依据。

马铃薯是宁夏旱区的主要作物之一，近年来，气候变化引起高温干旱等灾害频发，对喜凉作物马铃薯的生产产生了巨大影响；淀粉是马铃薯块茎的主要积累物质，研究高温对旱作区马铃薯块茎淀粉形成影响的生理生化机理，对实现马铃薯高产安全生产具有重大意义。本项目“青薯9号”为材料，人工模拟高温，设置三个温度处理，研究高温胁迫条件下马铃薯块茎淀粉形成的生理机理和基因表达差异，明确高温胁迫对植株叶片的光合特性、活性氧代谢、根系活力、碳代谢关键酶的影响规律及产量形成规律，阐明高温对马铃薯块茎淀粉形成的调控的分子机理，为旱区马铃薯优质高效抗逆栽培提供理论依据。结果表明，块茎形成期高温使马铃薯淀粉形成关键酶(ADPG酶活性、UDPG酶活性、SSS酶活性和SBE酶活性等)活性显著下降，显著影响淀粉形成和产量；与常温相比，高温胁迫使块茎总淀粉、直链和支链淀粉含量分别降低33.70%，7.85%和35.88%，淀粉形成关键酶ADPG-PPase、GBSSase、SSSase、SBEase活性分别降低32.24%、27.90%、16.11%和42.74%；转录组分析，找到与淀粉代谢相关的基因10个，其中3个上调表达基因，主要参与淀粉和蔗糖代谢，促进淀粉的积累。高温降低了马铃薯功能叶片的净光合速率( Pn ) 、荧光综合指标( PI ) 、光能供应化学反应的最大效率( Fv /Fm ) 及潜在光化学活性( Fv /Fo )，使根系活力、超氧化物歧化酶( SOD) 及过氧化物酶( POD) 活性降低，而丙二醛( MDA) 、脯氨酸( Pro) 和过氧化氢酶( CAT) 升高；因此，马铃薯块茎形成中期高温天气不利于马铃薯功能叶片的光合作用，使功能叶片的抗氧化系统遭到一定的破坏，导致产量下降。合理施氮（150-225kg·hm-2）可以延缓高温为害，使马铃薯保持较高的淀粉合成能力，减少产量的损失，保证经济效益。