淀粉品质影响甘薯产量的机理研究

Sweet potato (Ipomoea batatas [L.] Lam.) is a starchy storage root bearing species. As starch is a major component of sweet potato storage roots, both superior quality of starch and higher yield are main objectives of traditional or molecular breeding. Unfortunately, it's tough task to achieve these two objectives in one cultivar when mechanism of yield response to starch quality has remained obscure. But integration of functional genomics, metabolisms and bioengineering sheds new light on demonstration how starch quality could impact on yield in sweet potato. This study will carry on field trials for reliable yield measurements using transgenic sweet potato lines with superior quality starch, to reveal the relationship between starch quality and yield, to build molecular network in there representative lines using Illumina sequencing, to verify key genes' expression level by large-scale real-time PCR, to improve starch quality and yield in transgenic sweet potato via genetic engineering. These works will promote the breeding process of sweet potato and ensure global food security, especially improve starch quality and yield simultaneously, and this important crop will play a greater role in long-term planning for the development of bioenergy.

甘薯作为富含淀粉的薯类作物，改良淀粉品质和提高产量是其育种的两个主要方向，但也是两个很难同时实现的目标。因此，整合功能基因组学、代谢组学、生物技术育种等多个研究手段，阐明淀粉品质对甘薯产量的影响及其调控分子机制，对培育高产且淀粉品质优良的甘薯新品种具有理论指导意义和应用潜力。本项目拟以不同直链淀粉含量（0-80%）的转基因甘薯材料为研究对象，对典型株系进行可靠的田间产量测定，进而分析淀粉品质与甘薯产量的内在关联性，利用高通量表达谱深入分析代表性株系的基因及代谢途径的变化，构建品质与产量相关性的分子调控网络原型，在此基础上运用大规模实时定量PCR验证和筛选关键基因，并修正分子调控网络模型，发现重要节点或起决定地位的多效功能基因。结合甘薯遗传转化平台，验证多个基因的功能，为实现淀粉品质和产量的偶联改良提供理论基础和应用探索，推进甘薯分子育种的发展。

甘薯是全球重要的作物，尤其对亚洲和非洲而言更为突出。传统杂交育种在亚洲取得了巨大的成功。但是，其六倍体的特点制约了分子生物学和功能基因组学在甘薯品种改良中发挥应有的作用，造成其固有的缺陷很难通过应用现代植物基因工程的手段加以克服。在本研究中，一项长期的甘薯转基因实验得以完成，进而使得探讨甘薯储藏根中直链淀粉含量与产量之间的相关性成为可能。糯性和高直链甘薯株系中表观直链淀粉含量拓展到0~100%之间。与原有众多野生型相比，转基因株系中淀粉的理化性质得以显著改变，其中决定淀粉利用价值的峰值粘度和最终粘度分别达到野生型的1.5和2.0倍。更有意思的是，直链淀粉含量与产量之间的高度负相关性被发现。.依据前期研究，我们知道ADPG焦磷酸化酶、淀粉分支酶和淀粉磷酸化酶在储藏根发育进程中的上调可以加速碳流从葡萄糖向淀粉的积累。本研究证明在甘薯中人为干扰淀粉分支酶的表达，尤其是淀粉分支酶II的表达，会造成淀粉合成效率的急剧下降。同时引发了淀粉生物合成途径的大范围反馈和抑制。这里淀粉合成效率急剧下降的生化基础在于：单个葡聚糖或直链淀粉分子只具有一个可以接受葡糖残基的还原端；因此，只在淀粉合成酶（GBSS和SSS）作用下ADPG向淀粉转化的速率很低；然而，淀粉分支酶催化的每一次反应会额外生成一个新的还原端，从而引发了链式反应加速了淀粉积累，同时限制了自然淀粉粒中直链淀粉的比例。淀粉分支酶的核心功能是为淀粉合成酶（GBSS和SSS）提供更多的还原端。.为进一步研究这一现象，通过181个株系的产量测定、三个代表性株系的表达谱学研究和114个样本的实时定量PCR检测；并利用获得的基因表达量信息、直链淀粉含量和甘薯产量数据开发出了相关性分析方法，成功鉴定出关键的功能基因。在所有已经鉴定出的关键基因中，淀粉磷酸化酶已被优先制备转基因甘薯。此外，叶柄中的C13583 (SRPBCC超家族未知功能蛋白)，茎中的β-葡萄糖苷酶，根中的外多聚半乳糖醛酸酶(exopolygalacturonase) 和β-淀粉酶需要利用组织特异性启动子分别加以调控。相关性分析在叶柄、茎和储藏根中成功鉴定出淀粉分支酶，这一造成直链淀粉含量与产量之间的高度负相关的主效基因，从另一角度证明了新方法的有效性。这些结果也加快了甘薯功能基因的鉴定和农艺性状的遗传改良，并有望应用于其他储藏根类作物。.