Altering Trehalose-6-Phosphate Content in Transgenic Potato Tubers Affects Tuber Growth and Alters Responsiveness to Hormones during Sprouting
- 作者
- Stefan De bast, Adriano Nunes-Nesi, Mohammad R. Hajirezaei, Jörg Hofmann, Uwe Sonnewald, Alisdair R. Fernie, Frederik Börnke
- 单位
- Friedrich-Alexander-Universität, Department of Biology, Division of Biochemistry; Max-Planck-Institute for Molecular Plant Physiology; Leibniz Institut für Pflanzenentwicklung und Kulturpflanzenforschung; ECROPS Erlangen, Center of Plant Sciences
- 杂志
- Plant Physiology（2011）
- DOI
- 10.1104/pp.111.179903
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
T6P信号在异养淀粉储存器官（马铃薯块茎）中的功能及其对生长和激素响应的调控机制。
研究策略
利用块茎特异性启动子B33驱动大肠杆菌otsA/otsB基因表达，分别升高/降低块茎T6P含量，结合生理生化、转录组、酶活性和激素分析，解析T6P信号通路。
核心内容
本研究利用块茎特异性启动子B33驱动大肠杆菌otsA或otsB基因，在马铃薯块茎中分别实现海藻糖-6-磷酸（T6P）水平的上调与下调，以解析T6P信号在异养储存器官中的功能。结果表明，B33-TPS株系块茎T6P含量升高5–30倍，导致淀粉含量降低约50%、ATP水平下降、CO2释放增加，发芽显著延迟；而B33-TPP株系T6P降低约50%，可溶性糖增加3.6–5.2倍，己糖磷酸和UDP-Glc上调约2倍，产量大幅下降（最低53.4 g/株，野生型289.8 g/株），发芽提前，ABA含量降低约70%且ABA-8‘-羟化酶转录诱导30倍。体外实验证实T6P在10 μM即可抑制SnRK1活性，100 μM达最大抑制约30%，且外源蔗糖而非己糖可升高T6P并抑制SnRK1标记基因表达。研究首次在作物储存器官中实现T6P的组织特异性操控，揭示T6P经抑制SnRK1整合碳代谢与发育信号，调控块茎休眠、激素响应及产量，为改善储存器官碳分配提供了新靶点。
创新点
首次在作物储存器官中实现对T6P水平的组织特异性操控，揭示了T6P通过抑制SnRK1整合碳代谢与发育信号，并调控块茎休眠和激素响应。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯（Solanum tuberosum）块茎 | 海藻糖代谢 | OtsA | 海藻糖-6-磷酸合酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，块茎特异性表达提高T6P含量 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum）块茎 | 海藻糖代谢 | OtsB | 海藻糖-6-磷酸磷酸酶 | 催化 | 来自大肠杆菌，块茎特异性表达降低T6P含量 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum）块茎 | 能量与碳代谢信号 | KIN10 | SnRK1催化亚基 | 调控 | T6P在体外抑制其活性，低T6P时激活SnRK1信号 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum）块茎 | 能量与碳代谢信号 | KINγ | SnRK1调节亚基 | 调控 | B33-TPP块茎中转录水平上调 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum）块茎 | ABA代谢 | ABA-8'-hydroxylase | ABA-8'-羟化酶 | 催化 | B33-TPP块茎中转录诱导30倍，导致ABA降低和早发芽 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum）块茎 | 糖代谢 | SuSy2 | 蔗糖合酶2 | 催化 | SnRK1靶基因，在B33-TPP块茎中上调 |
关键发现
B33-TPS块茎T6P含量升高5-30倍（野生型1.21 nmol/g FW，B33-TPS17达41.24 nmol/g FW），淀粉含量降低约50%（野生型624.7 μmol/g FW，B33-TPS16为300.0 μmol/g FW），ATP含量下降（野生型21.2 nmol/g FW，B33-TPS29仅4.9 nmol/g FW），CO2释放增加（B33-TPS释放CO2百分比从野生型2.7%升至3.6-4.0%），发芽显著延迟（B33-TPS17和29在40周内未达100%发芽）。B33-TPP块茎T6P降低约50%（最低0.63 nmol/g FW），可溶性糖增加3.6-5.2倍（B33-TPP34可溶性糖为野生型5.2倍），己糖磷酸和UDP-Glc约上调2倍，ATP在部分株系升高（B33-TPP34为46.9 nmol/g FW）但ATP/ADP比下降50%-90%，块茎产量显著降低（B33-TPP26仅53.4 g/株 vs 野生型289.8 g/株），发芽提前（B33-TPP11在11-12周全发芽，野生型需19周），ABA含量降低约70%，ABA-8'-羟化酶转录诱导30倍。体外实验显示1 mM T6P抑制块茎SnRK1活性约30%，10 μM T6P即可抑制，100 μM达最大抑制。外源Suc而非己糖可升高块茎T6P并抑制SnRK1标记基因表达。
研究结论
T6P通过抑制SnRK1活性调控马铃薯块茎碳利用、生长和发芽；低T6P激活SnRK1，导致可溶性糖积累、产量降低和早发芽，部分通过降低ABA含量实现；高T6P则抑制SnRK1，导致淀粉减少、呼吸增强和发芽延迟。