糖酵解途径在马铃薯低温糖化过程中的应答及其对低温糖化调控机制研究

马铃薯块茎低温下还原糖的积累是一个十分复杂的生理学过程，涉及到淀粉合成与降解、蔗糖分解与再合成、糖酵解、有氧呼吸和无氧代谢等途径。我们前期研究表明，糖酵解途径过程中相关基因的表达差异与块茎抗低温糖化密切相关。本研究拟利用一组不同遗传背景、不同低温糖化抗性的材料，研究低温贮藏不同时段糖酵解过程中相关代谢产物含量、酶活性和基因表达变化，将代谢组（代谢产物）、蛋白组（酶活性）、转录组（基因表达）有机结合，阐明糖酵解对马铃薯低温糖化的应答机制，获得糖酵解途径中与块茎抗低温糖化密切相关的基因。同时利用反向遗传学手段，调节抗性或敏感材料中相关基因表达，分析转基因植株后代基因表达变化对代谢产物和酶活性的影响，明确糖酵解途径在马铃薯抗低温糖化中的作用，进一步揭示马铃薯抗低温糖化机制，为通过调节相关酶的活性控制低温糖化提供理论支持和物质基础，从而推动马铃薯加工品质育种进程。

马铃薯块茎低温下还原糖的积累是一个十分复杂的生理学过程，涉及到淀粉合成与降解、蔗糖分解与再合成、糖酵解、有氧呼吸和无氧代谢等途径。为了研究糖酵解在低温糖化过程中的作用，本研究通过正向遗传学的方法，通过低温糖化相关性状的QTL定位，候选基因和还原糖含量共定位分析发现，糖酵解途径上的丙酮酸激酶（Pk）和果糖激酶（Fk）被定位到相应的QTLs区间，说明这些基因可能在块茎低温糖化起到了调控作用。通过反向遗传学的方法，研究了与块茎抗低温糖化密切相关差异表达EST，克隆了这3条EST所对应的基因，分别为糖酵解过程中的两个关键酶细胞质甘油醛-3-磷酸脱氢酶（StGAPC）、烯醇化酶（StEnolase）和Sb14-3-3，并研究了它们功能。表达模式分析表明StGAPC、StEnolase和Sb14-3-3在不具有器官特异性，但在块茎贮藏期间，它们均能受到低温诱导而上调表达，说明这3个基因都参与了马铃薯块茎对低温胁迫的响应。干涉或超量StGAPC 的表达对植株的田间生长表型无明显影响，但StGAPC 干涉株系块茎萌发时的顶端优势消失，通过共定位GST-pull down及TUNEL染色，表明StGAPC能与StATG3互作从而影响顶芽分生组织的细胞程序性死亡，从而影响块茎萌发时的顶端优势。StGAPC干涉株系块茎中，低温贮藏时还原糖高于对照，GAPDH 酶下游产物3-PGA 的含量明显降低，糖酵解和TCA 过程中相关代谢物质发生明显变化；而StGAPC超量株系块茎在低温贮藏时还原糖含量则低于对照。Sb14-3-3干涉株系马铃薯块茎4℃贮藏过程中，块茎中还原糖含量极显著低于非转基因的E3块茎；0d的块茎氨基酸含量显著高于对照。代谢组和互作蛋白组分析表明，氨基酸的累计可能是由于Shikimate及aKG等的累计及PRS5、PUR4以及氨基酸代谢过程中的ARD1等参与到氨基酸代谢过程中的酶共同作用的结果。StEnolase超量转基因株系生长发育正常，而干涉转基因株系出现叶片发黄、植株生长缓慢和植株产量明显下降现象，说明对StEnolase的抑制表达能够减弱植株光合作用进而影响植株生长发育。StEnolase干涉株系块茎中，Enolase 酶活性明显下降，低温贮藏时累积的葡萄糖、果糖和蔗糖含量均显著高于对照，说明它一定程度上调控了块茎低温糖化，而且能够影响转基因株系芳香族氨基酸的合成。