王超，白如仟，管俊梅，罗稷林，何雪姣，迟绍轶，马玲
DOI: 10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2024-0514
马铃薯（Solanum tuberosum L.）是继小麦（Triticum aestivum）、水稻（Oryza sativa）之后的全球第三大主粮作物。目前关于马铃薯的采后研究相对薄弱，然而马铃薯在贮藏及运输过程中易发生受光“变绿”现象，不仅影响商品外观，更易伴随产生有毒的甾体糖生物碱（steroid glucoside alkaloid, SGAs），严重威胁食品安全与消费者健康。因此，深入解析块茎绿变过程中SGAs积累的分子机制，对于指导马铃薯采后处理、延长贮藏期、保障食品安全等方面具有重要意义。近年来，关于马铃薯中SGAs的生物合成过程研究取得了显著进展。
光作为重要的环境信号，不仅驱动植物光合作用，还广泛调控植物生长发育及次生代谢产物的合成。在拟南芥中，光信号通过激活包括bZIP家族成员HY5在内的多种转录因子，调控大量基因的转录，进而影响植物色素及其他次生代谢产物的积累。在番茄中，HY5被证实直接调控类黄酮和花青素的生物合成，且通过病毒诱导的基因沉默技术发现HY5还参与调控甾体糖苷生物碱的合成。这些发现为探索光调控马铃薯SGAs积累的机制提供了重要线索。
尽管前人在SGAs生物合成及HY5转录调控方面取得了显著成就，但关于光信号如何通过HY5调控马铃薯块茎中SGAs积累的分子机制尚不清楚。特别是，针对马铃薯这一重要作物的研究相对匮乏，亟须填补这一空白。
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本文主要包括以下几部分内容：
2.1 StHY5的系统发育分析及同源序列比对
2.2 StHY5的表达模式和亚细胞定位
2.3 StHY5的顺式作用元件分析
2.4 块茎变绿过程中StHY5的作用
2.5 StHY5调控SGAs含量的分子机制
3 讨论
本研究阐明了StHY5在块茎变绿过程中对SGAs含量升高的积极作用。经茄科StHY5蛋白的系统发育树和同源序列比对后发现，StHY5是碱性亮氨酸拉链（bZIP）家族的成员。HY5启动子中含有多个G-Box的顺式作用元件，核心识别序列为ACGT，能对光、ABA、水杨酸等反应过程产生反应。利用RT-qPCR进行StHY5基因的时空表达分析，结果发现，StHY5在块茎薯皮和薯肉中特异表达，同时，原位杂交结果显示，StHY5在马铃薯薯皮和薯肉中表达，表明StHY5可能在块茎中起作用。同时，本研究证明了StHY5在块茎变绿过程中促进SGAs生物合成的假设。首先，对块茎绿变前后的DEGs进行GO和KEGG富集分析，结果表明，最显著的变化发生在代谢途径和次级代谢途径。SGAs是变绿块茎中最丰富的次生代谢产物。
本研究中，在块茎变绿过程中，StHY5的表达显著上调，其表达模式与SGAs合成趋势一致。但是大部分SGAs生物合成相关基因在块茎变绿过程中表达均下调，而StSGT1/GAME1和StGAME4表达上调，与StHY5表达趋势一致。有报道称，在番茄中，HY5可以结合SGT1/GAME1和GAME4的启动子序列，在转录水平上激活这两个基因的表达，猜测马铃薯中StHY5可能直接或间接上调StSGT1/GAME1和StGAME4基因的表达，从而调控龙葵素的合成。酵母单杂交试验和双荧光素酶报告试验均证明了StHY5蛋白激活StSGT1/GAME1和StGAME4的转录。但为什么包括St7-DR2、StGAME7、StGAME8a、StGAME8b、StGAME12和StSGT3等在内的龙葵素合成基因在薯块绿变过程中表达量均下调，目前却仍未可知。这些合成基因表达量下调可能是直接受到了光抑制，但也可能受到了相关转录因子的调控，具体原因还需要进一步研究。
目前，已发现的一种AP2/ERF家族转录因子SIGAME9，能直接结合胆固醇合成途径中的C5-SD（D（7）-STEROL-C5（6）-DESATURASE）的启动子并增强该基因的表达从而促进龙葵素的合成，并且在SIMYC2的协同作用下，这种促进作用得以增强。在薯块绿变过程中，GAME9是否也参与了对龙葵素合成的促进作用，HY5对龙葵素合成的调控作用与GAME9的功能是相对独立还是有一定的相关性，还需要进一步研究。
克隆了马铃薯StHY5基因，其在马铃薯的薯皮和薯肉中特异性表达；StHY5蛋白定位于细胞核；绿变处理中，薯肉中StHY5的表达水平和SGAs含量的变化一致，StHY5通过直接上调StSGT1/GAME1和StGAME4的表达，从而促进SGAs的积累。
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