甜菜块根与糖分增长的生理和分子机理的研究

Beet root weight and sugar content, two of the most important agronomic traits of sugar beet, were taken as the research object in the study. Starting with resolving the problem with sugar beet production and academic dispute, through using materials of the sugar beet cultivars that have been selected have significant difference in beet root weight and sugar content, we analyze changes among selected cultivars about their several aspects relating to physiology、 biochemistry、molecular biology、transcription and protein level. For example, the difference of beet root growth rate、 photosynthetic production distribution、endogenous hormones regulation、beet root respiratory metabolism and weight increasing、 physiological and molecular mechanism of genes expression relating to sucrose metabolism、 root growth and sugar accumulation. We are trying to illustrate the relationship between beet root and sugar increasing, and establish mathematical model for them by finding out related physiological indices and key genes. These results of research will provide theory and practical basis for breeding high-yielding and high sugar content new sugar beet varieties and formulating reasonable regulation measure, which have important real significance and far-reaching sense not only on the discipline development but also on strengthening scientific and technical independent innovation、getting rid of currently foreign seed monopoly、ensuring sugar beet production safety and sustainable development、enriching famers and enlarging enterprise benefits.

以甜菜最重要性状（块根重量和含糖率）为研究对象，从解决甜菜生产中存在的问题和学术上的争议出发，应用植物生理生化和分子生物学、转录组、蛋白组差异分析的研究手段，利用已筛选出的根重和含糖差异显著的甜菜品种（品系）为材料，研究不同基因型甜菜块根增长，光合产物运输分配、内源激素调控、块根呼吸代谢与增长，蔗糖代谢和与根增长、糖分积累相关基因表达的生理和分子机理，阐明甜菜块根与含糖增长的机理及其相互关系，找出相关生理指标和发掘关键基因，建立根重和含糖关系的数学模型。研究结果为培育高产高糖甜菜新品种和制定合理调控措施提供理论基础和实践依据，这不仅对学科发展有重要意义，而且对加强我国甜菜科技自主创新能力，摆脱目前国外种子垄断、保障我国甜菜生产安全、持续发展，使农民增收、企业增效具有重要的现实和深远意义。

甜菜是以收获块根榨取糖分为目的的经济作物，块根重量和含糖率是其主要经济性状。本课题利用已筛选出的根重和含糖差异显著的甜菜品种为材料，通过比较不同基因型甜菜生育期生理代谢和转录、翻译水平的基因表达差异，研究甜菜块根重量和糖分增长的生理和分子机理。研究结果表明：（1）甜菜光合性能、同化物运输与分配、内源激素含量与分布、呼吸代谢关键酶活性及其基因表达和营养代谢均与甜菜块根和糖分增长有关。生育期叶片SPAD值、生育中期块根生长速率、叶柄比集转运速率、根冠比、ATP酶、G-6-PD活性、块根与糖分增长期块根ABA和iPA、IAA含量、N、Fe、Zn吸收性能与根重呈正相关，叶柄韧皮部横截面积、生育后期叶柄比集转运速率、PDH活性、ABA含量、P、Cu吸收性能与块根含糖呈正相关。其中叶片SPAD值、ATP酶活性、ABA含量可作为甜菜高产高糖的生理指标。（2）转录组分析发现多个与块根发育有关的GO条目和KEGG代谢通路。其中“细胞壁”、“细胞骨架”和“酶联受体信号途径”这三个GO 条目和植物激素信号转导途径可能与块根快速生长有关。差异表达基因的表达模式分析发现CYP90A1、YUCAA、IPT、GA3-ox、GA20-ox、TCH4、CYCD3、ARF、 AUX/IAA、GH3、SUAR、B-ARR、EREBP、BRI1 、BAK1和脱落酸8`-羟化酶基因基因与甜菜生长速率有关。丰产型品种块根膨大侧重于依靠细胞扩展，高糖型品种块根膨大侧重于依靠次生形成层的细胞分裂。（3）蛋白组分析显示甜菜块根发育相关的蛋白质主要是参与碳代谢，激素合成，氨基糖与核苷糖代谢和谷胱甘肽代谢，细胞壁合成，脂类代谢、能量代谢等途径。（4）甜菜不同生育时期、不同部位的蔗糖代谢相关酶活性影响着根重和含糖增长。根和叶柄中SPS、SS（合成）活性与含糖率呈显著正相关，两种酶基因的表达水平与酶活性一致，根重INV活性与根重呈正相关，但其酶活性提高不依赖于基因表达量的增加。（5）分别建立了叶丛快速生长期、块根与糖分增长期、糖分积累期和收获期根重和含糖关系的数学模型，并提出了产糖量最大化的根重和含糖的参数。以上研究成果填补了甜菜块根生长发育的生理学和分子生物学研究领域空白，为培育高产高糖甜菜新品种和制定合理调控措施提供了理论依据和参考指标，对进一步挖掘甜菜生产潜力具有重要的理论意义和应用价值。