Nat Commun | 中国农大刘庆昌/张欢团队发现源库协同是释放甘薯淀粉产量潜力的关键

文摘   2024-08-24 07:32   广东  

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研究背景

甘薯 Ipomoea batatas (L.) Lam.是世界范围内重要的块根和块茎作物,产生大量的淀粉、碳水化合物和其他营养物质。在非洲和亚洲等许多人口密度高的地区,它已成为一种重要的主粮作物和工业资源。红薯淀粉也可用作增稠剂、纺织品、造纸、化学品、生物燃料等的理想原料。目前,全球红薯总产量的70-80%主要加工成淀粉产品。红薯淀粉价格约为每吨2100美元,高于玉米、马铃薯、木薯淀粉。甘薯淀粉市场蓬勃发展,据估计,到2020年,全球红薯淀粉市场价值将达到6.3亿美元。预计从2021年到2026年,它将以3.9%的复合年增长率增长。在加工中采用高淀粉甘薯品种,可以提高淀粉企业的经济效益。淀粉含量每增加 1%,淀粉加工效益就会提高 5%。然而,在甘薯育种中,淀粉含量高通常会导致鲜产量(贮存根)下降。为保证淀粉总产量,迫切需要识别影响鲜产量和淀粉含量的关键因素和调控要素,并利用基因工程实现高鲜得率和高淀粉含量目标。
块根作物和块茎作物具有典型的地上和地下源汇关系,但关于影响其源汇协同效应、鲜产量和淀粉含量的调控因素的报道较少。此外,六倍体栽培的甘薯(2n = 6x = 90)具有庞大且高度复杂的基因组和高度的自交不亲和性。在甘薯中,IbAATP(编码质体ATP/ADP转运蛋白)、IbSSI(编码可溶性淀粉合酶I)、IbSnRK1(编码蔗糖非发酵-1-相关蛋白激酶-1)或IbVP1(编码H+-焦磷酸酶)的个体过表达提高了淀粉含量并改变了贮藏根系淀粉的理化性质。然而,控制淀粉积累的底层调控网络在很大程度上仍然未知,天然淀粉生物合成的遗传基础和分子机制仍然研究不足。

研究结果

本文系统探讨了源汇协同介导的甘薯淀粉产量形成:叶片光合产物的产生、负载和运输,以及光合产物在贮藏根系的卸载和分配,导致甘薯品种间淀粉含量分化。此外,我们发现编码质膜 H+-ATP 酶的 IbPMA1 的六种单倍型与淀粉积累显着相关。IbPMA1在甘薯中的过表达导致淀粉和蔗糖含量显著增加,而其敲低则表现出相反的效果。此外,碱性螺旋-环-螺旋 (bHLH) 转录因子 IbbHLH49 直接靶向 IbPMA1 并激活其转录。IbbHLH49的过表达显著提高了甘薯源汇协同介导的鲜产量和淀粉积累。IbbHLH49 和 IbPMA1 都显着影响源和汇组织中的糖转运和淀粉生物合成。这些发现拓展了我们对淀粉产量形成的认识,为块根和块茎作物高淀粉育种提供了策略和候选基因。

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