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JIA | 云南师范大学和中国农业科学院农业基因组研究所联合揭示马铃薯块茎膨大阶段代谢与转录动态调控机制

已有 199 次阅读 2026-9-7 10:24 |个人分类:论文|系统分类:论文交流

马铃薯是全球重要的粮食作物，其块茎富含碳水化合物及多种次生代谢产物，如甾体糖苷生物碱（SGAs）和苯丙烷类物质（包括类黄酮和酚酸）。其中，SGAs赋予植物抗病抗虫能力，但高含量会导致苦味；而类黄酮和酚酸则具有抗氧化、抗炎等健康益处。尽管这些代谢物的合成途径已有一定研究，但其在块茎发育过程中的动态变化规律及转录调控网络仍不清晰。

近期，云南师范大学与中国农业科学院农业基因组研究所的联合研究团队完成的题为“Multi-omics analysis reveals dynamic metabolic and transcriptomic changes during potato tuber swelling”的研究在Journal of Integrative Agriculture（《农业科学学报（英文）》，JIA）2026年8期正式发表。

该研究通过整合代谢组学和转录组学分析，系统描绘了马铃薯块茎发育过程中的代谢与转录动态图谱，揭示了栽培种马铃薯低苦味、高营养品质形成的分子基础，并发现了一个新的调控块茎薯肉酚酸生物合成的转录因子StMYB113，为马铃薯品质遗传改良提供了重要的基因资源。

研究团队各选取了一个野生种和一个栽培种材料，对其块茎发育的三个关键阶段进行了广泛靶向代谢组和转录组测序。研究共鉴定到849种代谢物，并解析出10种不同的时序积累模式，包括6种在两个基因型中共享的模式和4种基因型特异性模式（图1）。

图1 马铃薯块茎膨大过程中的代谢组动态变化特征

研究发现，野生种和栽培种呈现了不同的代谢调控与积累模式：野生种在发育早期脂质代谢活跃，后期转向积累酚酸；而栽培种则在早期就大量积累酚酸，随后部分酚酸和氨基酸、类黄酮水平下降（图2）。尤为显著的是，与野生种相比，栽培种在所有发育阶段均表现出显著降低的苦味SGAs水平和显著升高的类黄酮水平，这与驯化过程中对风味品质的选择密切相关。

图2 块茎膨大过程中野生和栽培种质的代谢物动态积累差异

栽培种中SGAs合成途径的多个关键结构基因（如GAME1, GAME2, GAME6等）以及核心转录因子StGAME9均被协同下调，这直接导致了栽培种SGAs含量的降低（图3）。同时，栽培种中负责花青素合成的结构基因（如PAL9, CHS1/2/3, DFR, ANS等）持续高表达，促进了其块茎薯肉中天竺葵素衍生物的积累，形成了特异的红色薯肉（图4）。

图3 块茎膨大过程中SGA生物合成途径相关基因表达

图4 块茎膨大过程中苯丙烷途径相关基因表达

通过加权基因共表达网络分析（WGCNA），研究团队构建了代谢物与基因的关联网络，锁定了与SGAs和苯丙烷类物质合成密切相关的基因模块（图5）。功能验证试验表明，在马铃薯中过表达StMYB113，能够显著激活苯丙烷通路中的关键基因（如PAL1, HCT, C3H-like），从而正向调控块茎薯肉中酚酸类物质的生物合成（图6）。

图5 WGCNA分析鉴别SGA和类黄酮代谢物调控模块

云南师范大学生命科学学院已毕业硕士研究生龙江月和谭薇为论文的共同第一作者，祝光涛教授和中国农业科学院农业基因组研究所张钟博士为论文共同通讯作者。

该研究得到了广东省基础与应用基础研究重大项目 (2021B03 01030004)、国家自然科学基金 (32272725, 32488302)，以及中国博士后科学基金 (2022M723463) 等项目的资助。

Cite the article: Jiangyue Long, Wei Tan, Chunzhi Zhang, Guangtao Zhu, Zhong Zhang. 2026. Multi-omics analysis reveals dynamic metabolic and transcriptomic changes during potato tuber swelling. Journal of Integrative Agriculture, 25(8): 3282-3294.

https://doi.org/10.1016/j.jia.2025.12.070

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