马铃薯低温贮藏期糖代谢物质的亚细胞转运机制研究

Low temperature storage promotes cold-induced sweetening (CIS), which leads to the produce of a cancerogenic substance- acrylamide during frying processing. The sugar metabolism, involved in multi-enzymes and regulation factors, has been well studied in potato, however, the transport mechanism of key metabolites related to CIS was rarely reported. This project will focus on clarifying the transport activity of sugar metabolism related substances among organelles. Based on this, the iTRAQ-based proteomics will be practiced to observe the significantly different expressed membrane transport proteins in potatoes during different temperature storage, and to select the key transport proteins which are involved in CIS. The project will clarify the transport mechanism of metabolites related to CIS of potato during storage, and will further our understanding in regulation of CIS in potato.

低温贮藏过程中马铃薯细胞内积累还原糖（低温糖化），导致其在油炸加工时产生致癌物质丙烯酰胺。马铃薯糖代谢涉及的关键酶和调节因子已经明确，而马铃薯贮藏期间糖代谢关键物质在亚细胞水平的转运机制不清楚。本项目拟围绕马铃薯低温糖化这一核心问题，研究不同温度贮藏马铃薯中糖醇、糖、有机酸等物质在细胞器间的转运模式和机制。在此基础上，结合iTRAQ蛋白质组学分析不同温度贮藏条件下马铃薯细胞中膜蛋白表达差异，筛选低温诱导马铃薯还原糖积累相关的膜蛋白，并利用真核表达进行功能验证，阐明低温贮藏期间马铃薯糖代谢关键物质在细胞器间的转运机制，为马铃薯低温糖化机制的解析提供理论基础。

本项目探讨了不同温度处理对马铃薯淀粉粒形态、还原糖积累速率及糖代谢模式的影响，研究了UV-C、赤霉素和S-香芹酮处理等对马铃薯低温糖化的调控作用。具体结果如下：低温通过调控马铃薯腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）、淀粉合成酶（GBSS）、β-淀粉酶（BAM1）、蔗糖磷酸合成酶（SPS）、酸性转化酶（INV1）以及酸性转化酶抑制子（INH1）等基因的表达，引起低温糖化现象的发生，以此增加机体对冷胁迫的响应应答。UV-C处理显著延缓马铃薯块茎中葡萄糖和果糖的积累，贮藏28天后，抑糖率达到39%。在此过程中，SPS和INV1的表达被UV-C处理显著抑制。由此推测，UV-C通过降低蔗糖合成速率，同时抑制蔗糖进一步分解，最终减缓了马铃薯低温糖化现象的发生。赤霉素处理可促进马铃薯块茎中BAM1、脲苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（UGPase）和INV1的表达，抑制马铃薯AGPase和GBSS的表达，降低淀粉合成速率，同时加快淀粉及蔗糖水解，加剧低温糖化现象的发生。而S-香芹酮处理通过上调GBSS和INH1/2，导致淀粉合成速率加快，蔗糖分解速率减慢，最终减轻了低温糖化现象的发生。由此可见，马铃薯低温糖化现象受到BAM1、AGPase、GBSS、SPS、INV1和INH等多个基因的共同调控，UV-C、赤霉素和S-香芹酮处理通过调控糖代谢相关基因表达，从而调控马铃薯低温糖化现象。此外，UV-C和S-香芹酮均可作为潜在的控糖技术在马铃薯加工业中进行应用。