深黄木薯贮藏根类胡萝卜素积累抑制采后生理腐烂的机理研究

Cassava is an important food crop in the world; however, postharvest physiological deterioration (PPD) in storage roots is an important factor to limit the value chain of cassava. When its carotenoid content is accumulated to a certain extent, its ability to resist PPD would be strengthened. However, it is poorly to understand how the accumulation of carotenoids in storage roots can affect the ability of cassava to PPD tolerate. In the present study, 10 biofortified yellow cassava varieties and 20 yellow cassava varieties will be selected as the research materials. The relationship between beta-carotene content and the resistance to PPD in cassava storage roots will be analyzed. The types of carotenoids and their thresholds for delaying PPD in cassava storage roots will be determined by the technique of metabonomics. The proteins involved in the regulation of the metabolites will be analyzed at the global protein level using iTRAQ technique. The upstream/downstream key proteins and their regulatory genes to affect the metabolites associated with PPD in the storage roots will be identified. Overexpression of the key genes and obtaining modified plants will be implemented using cassava genetic transformation platform to determine their function against PPD in the storage roots. To construct the metabolite-protein biological interaction network to indicate the mechanism regarding carotenoid accumulation in the storage roots of biofortified yellow cassava varieties depressing PPD. It will be helpful to provide a new clue for breeding new cassava varieties against PPD.

木薯是世界重要粮食作物，但其贮藏根采后生理腐烂(PPD)是限制木薯价值链提升的重要因素；而深黄木薯贮藏根富含-胡萝卜素等其它类胡萝卜素，当其类胡萝卜素含量积累达到一定程度，其耐PPD能力就会加强。然而，深黄木薯贮藏根类胡萝卜素积累如何影响木薯耐PPD能力？关于这方面尚未有过报道。本研究选择类胡萝卜素含量不同的10种深黄木薯和20种蛋黄木薯作为研究材料，分析它们beta-胡萝卜素含量与木薯贮藏根耐PPD的关联性。利用代谢组学技术确定延缓木薯贮藏根PPD的类胡萝卜素种类及其阈值，通过iTRAQ技术从全蛋白质水平分析调控该代谢物的相关蛋白质，确定影响贮藏根PPD代谢物上/下游关键蛋白质及其调控基因。过表达该基因，利用遗传转化平台获得转基因植株，验证其耐PPD能力。构建代谢物-蛋白质生物调控互作网络，揭示深黄木薯贮藏根类胡萝卜素积累抑制木薯PPD的机理，为选育耐PPD木薯新品种提供新思路。

木薯是世界热带亚和热带地区近10亿人的主要粮食作物，在我国南方木薯主要作为淀粉工业、生物质能源和畜禽的重要原料；然而，木薯贮藏根采后24-72小时容易发生采后生理腐烂（Postharvest physiological deterioration, PPD），致使贮藏根迅速变质，影响食用、加工及产品性能，给农民和淀粉及燃料乙醇加工企业等造成严重的经济损失，因此，PPD是限制木薯价值链提升的重要因素。而黄心木薯贮藏根富含b-胡萝卜素，占其类胡萝卜素总含量的90%以上。当其b-胡萝卜素积累达到一定程度，其耐PPD能力就会加强。然而，黄心木薯贮藏根b-胡萝卜素积累如何影响木薯耐PPD能力？关于这方面尚未有过报道。本研究选择b-胡萝卜素含量不同的10种深黄木薯和20种蛋黄木薯作为研究材料，利用液相色谱分析木薯贮藏根b-胡萝卜素含量，解析黄心木薯贮藏根b-胡萝卜素含量与PPD的关联性，发现b-胡萝卜素含量较高的品系，其贮藏根耐PPD能力较强。推测影响黄心木薯贮藏根PPD的b-胡萝卜素含量阈值为1.0 ug/g左右。开展黄心木薯贮藏根采后生理腐烂的代谢组学研究，分析发现木薯贮藏根PPD变化过程中均涉及到的代谢物有13个，主要富集在11条代谢途径中，在贮藏根PPD过程中发挥着重要作用，可通过调控这些关键代谢途径及其中影响关键代谢物的基因来延缓PPD进程，其中Epicatechin、Scopoletin表现最为显著，推测它们可作为木薯贮藏根PPD过程的标记代谢物。发现参与类黄酮途径的17个差异基因对PPD敏感，构建木薯贮藏根类黄酮通路对损伤胁迫的响应机制模型。结合300份种质贮藏根PPD的表型数据与木薯重测序数据，进行全基因组关联分析，前期蛋白质组数据，推测调控木薯贮藏根PPD关联的候选关键基因15个，确定影响贮藏根PPD代谢物上/下游调控基因。VIGS诱导MeCHS3、MeANR、MeMTs和MePPO基因沉默结果表明，贮藏根对PPD的耐受性发生了变化,揭示黄心木薯贮藏根类胡萝卜素积累抑制木薯PPD的机理，为选育耐PPD木薯新品种提供新思路。