近日，一项题为《转录组与激素代谢组联合分析揭示甘薯贮藏根萌芽的关键分子机制》（“Transcriptome and hormones metabolome joint analyses reveal the key molecular mechanism of sweetpotato storage roots sprouting”）的研究成果发表在《BMC Plant Biology》期刊上（2025年，第25卷，文章编号1076）。该研究由来自江苏师范大学生命科学学院的丁凡、孙健*、李强*以及四川省绵阳市农业科学院的邹雪、樊和林、饶丽平等多位研究者合作完成。这项研究旨在从分子和生理层面深入探究不同萌芽能力甘薯品种在其贮藏根萌芽（SweetPotato Storage Roots Sprouting, SPSRS）初期的关键调控机制，为培育耐贮或易萌芽品种提供科学依据。
甘薯是一种重要的根茎类作物，被誉为“地下粮仓”。其收获后的贮藏根常需储存以延长销售期或作为种薯使用。然而，不同甘薯品种的萌芽时间差异显著，有的在收获后几天即可萌芽，有的则需一个月以上。萌芽能力是评价甘薯生产性能的重要指标。尽管已有研究关注SPSRS的生理学变化，但对于萌芽过程中关键代谢通路和调控基因的系统性研究仍较为缺乏。植物激素（如脱落酸ABA、生长素IAA、赤霉素GAs、细胞分裂素CKs）在芽的萌发与发育中扮演核心角色，但其在甘薯贮藏根这一特殊器官萌芽过程中的具体作用和协同调控网络尚不清楚。因此，本研究选取了两个萌芽能力截然不同的甘薯品种——强萌芽品种‘绵安薯17号’（MNS17）和晚萌芽品种‘南薯88号’（NS88），在收获后0天和3天（25°C诱导条件下）这两个关键时间点，联合运用转录组测序和靶向激素代谢组学（LC-MS/MS）技术，旨在：(1) 比较两个品种萌芽关键期的激素代谢物差异；(2) 鉴定与萌芽过程相关的差异表达基因（Differentially Expressed Genes, DEGs）；(3) 通过联合分析，揭示调控甘薯贮藏根萌芽的关键激素和核心基因，阐明其分子机制。
本研究流程设计严谨，包含材料培养与表型观察、样品制备、激素代谢物检测、转录组测序、生物信息学分析以及关键结果的qPCR验证等多个环节，形成了一个从表型到分子机制的完整证据链。
1. 研究材料与表型观察流程： 研究选用强萌芽品种MNS17和晚萌芽品种NS88。在生长季结束后收获贮藏根，置于25°C、60-80%相对湿度、漫射光的受控条件下培养。为了精确量化萌芽初期的差异，研究人员在收获当天（0天）和培养3天后（3天），分别从每个品种的20个健康贮藏根上，选取靠近根头端的6个根痕部位进行详细观察。利用体视显微镜，他们将萌芽过程划分为四个阶段（S0-S3）：S0（无可见分化）、S1（出现明显的皮下簇状结构）、S2（皮下形成清晰可辨的芽结构）、S3（芽突破表皮）。记录每个部位所处的阶段，并计算各阶段所占的比例。这种精细的形态学量化方法，为后续在准确时间点取样进行分子分析奠定了坚实基础。观察结果显示，MNS17在0天时已有61.67%的部位处于S1阶段，到3天时大部分进展到S2阶段，部分甚至达到S3。而NS88在3天内几乎没有变化，无可见芽突破，萌芽需要60天以上。这证实了MNS17的萌芽启动发生很早，因此选择0天和3天作为比较分析的时间点是合理的。
2. 样品制备与分组： 在培养的第3天，观察到MNS17已萌芽，而NS88未萌芽。取样时，使用直径为7毫米的打孔器，以贮藏根痕萌芽部位为中心，获取包含根痕外层、高5毫米的圆柱状组织。每个品种在每个时间点（0天和3天）设置三个生物学重复，每个重复来自三个不同的甘薯块根，共九个圆柱体样本。最终形成四个处理组：MNS17-0d、MNS17-3d、NS88-0d、NS88-3d。样品经液氮速冻后，分两组送至不同公司，分别用于激素含量测定和转录组测序。
3. 激素代谢物检测流程： 本研究采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术进行靶向代谢组学分析，共检测80种物质，最终在甘薯贮藏根中定量了36种物质，涵盖四大类激素：赤霉素GAs（16种）、脱落酸ABA（2种）、生长素Auxins（26种）和细胞分裂素CKs（36种）。 * 样品前处理： 针对不同激素的理化性质，采用了不同的提取方法。GAs使用乙腈/水提取，并经过衍生化反应（与三乙胺和BPTAB在90°C反应1小时）以提高检测灵敏度。ABA、生长素和CKs则使用甲醇/水/甲酸提取。所有提取物均经过离心、浓缩、复溶和过滤步骤，并加入了相应的同位素内标以进行准确定量。 * 仪器分析： 使用Waters Acquity UPLC系统耦合SCIEX Qtrap 6500+质谱仪进行分析。色谱分离在Acquity HSS T3色谱柱上完成，采用含0.04%乙酸的超纯水和乙腈作为流动相进行梯度洗脱。质谱采用电喷雾离子源（ESI），正负离子模式切换，使用多反应监测（MRM）模式对目标激素进行定性和定量分析。 * 数据分析： 使用Analyst和MultiQuant软件处理数据，依据标准品的保留时间和峰信息对样品峰进行积分和校正，确保定性定量准确性。随后对标准化后的数据进行热图、主成分分析（PCA）和相关分析，以可视化不同品种和时间点间的激素差异及关联性。
4. 转录组测序与分析流程： * RNA提取与建库测序： 使用RNAprep Pure Plant Kit提取总RNA，经Nanodrop和Agilent 2100评估纯度与完整性。合格样品使用Hieff NGS Ultima Dual-mode mRNA Library Prep Kit构建文库，包括Oligo(dT)富集mRNA、片段化、双链cDNA合成、末端修复加A、连接接头、片段筛选和PCR富集等步骤。构建好的文库在Illumina NovaSeq 6000平台上进行PE150测序。 * 数据处理与比对： 下机数据首先使用fastp进行质控，去除含接头、N比例过高或低质量的读段。获得的高质量干净数据（Clean Data）上传至NCBI数据库（登录号PRJNA1073987）。使用HISAT2软件将干净读段比对到甘薯参考基因组（Ipomoea batatas Beauregard v1）。然后使用StringTie进行转录本组装。 * 差异表达与功能分析： 转录本定量、差异表达分析、功能注释和富集分析均在BMKCloud平台上进行。使用DESeq2进行差异表达基因（DEG）鉴定，筛选标准为表达倍数变化≥4且错误发现率FDR<0.01。对鉴定出的DEGs进行Nr、Pfam、SwissProt等多数据库注释。使用R包clusterProfiler进行基因本体论（Gene Ontology, GO）富集分析，使用R包topGO和clusterProfiler进行京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG）通路富集分析和基因集富集分析（GSEA）。
5. qPCR验证： 为了验证转录组数据的可靠性，针对在MNS17中变化显著的14个与激素合成和萌芽相关的DEGs，利用qPCR进行了验证。以稳定表达的ADP核糖基化因子1基因（IbARF1）作为内参，使用2−ΔΔCt法计算相对表达量，并将结果与RNA-seq数据进行了线性回归分析。
1. 激素代谢组学结果： 热图、PCA和相关分析清晰地揭示了两个品种间激素谱的显著差异。 * 脱落酸（ABA）： MNS17中ABA及其葡萄糖酯（ABA-GE）的含量在0天和3天均显著低于NS88。例如，MNS17-0d的ABA含量仅为NS88-0d的32.19%，ABA-GE仅为14.92%。这表明低水平的ABA是甘薯贮藏根萌芽的关键前提条件之一。相关分析也显示，ABA和ABA-GE与其他多数激素呈负相关。 * 生长素（IAA）： 在MNS17中，IAA及其前体物质（如IAA-丙氨酸、色胺TRA等）的含量在萌芽3天后显著上升，其中IAA增加了2.25倍。这些物质在MNS17-3d的含量也显著高于NS88-3d。值得注意的是，IAA的前体TRA在MNS17中被检测到，而在NS88中未检出。尽管生长素总体水平较低，但其在萌芽品种中的上升趋势表明，较高的IAA水平对SPSRS起促进作用，而非决定性作用。 * 赤霉素（GAs）： 出乎意料的是，常见的活性GAs（如GA1, GA3, GA4, GA7）均未检出。只检测到6种活性较弱（GA15, GA24, GA53）或失活形式（GA8, GA29）的GAs。尽管在MNS17萌芽过程中GA15和GA8含量显著上升，且GA29水平始终高于NS88，但总体活性GA水平极低。因此，研究认为GAs并非SPSRS的关键激素，推测其可能是在萌芽后参与茎的生长发育。 * 细胞分裂素（CKs）： 检测到的主要是结合态的非活性形式（如cZ9G, cZROG, tZR），活性CKs含量极低。虽然MNS17中部分CKs水平高于NS88，但研究认为CKs也不是SPSRS的关键因子，其高水平的结合态形式可能在芽生长后期释放，参与萌芽后的幼苗发育。 PCA结果进一步支持了以上结论：NS88的0天和3天样本聚在一起，而MNS17的0天和3天样本则分布在不同的象限，表明MNS17在3天内发生了剧烈的激素变化。
2. 转录组学结果： 基因表达分析揭示了两个品种在转录层面的巨大差异。 * 差异表达基因数量： 在MNS17的0天 vs 3天比较中，共鉴定出2902个DEGs，其中2411个上调，491个下调，变化非常剧烈。而在NS88的0天 vs 3天比较中，仅发现171个DEGs（45上，126下）。这表明强萌芽品种在萌芽启动阶段发生了大规模的转录重编程。 * GO和KEGG富集分析： 对MNS17的DEGs进行功能富集发现，它们显著富集在与光合作用相关的通路上。GO分析中，DEGs主要涉及“光合作用、光捕获”、“光系统II”、“光系统I”和“叶绿素结合”等条目。KEGG分析中，最显著富集的通路是“光合作用-天线蛋白”，其富集因子远高于其他通路。此外，还富集到“玉米素生物合成”、“角质、木栓质和蜡质生物合成”等通路。这些结果强烈提示，在甘薯贮藏根萌芽早期，光合作用相关基因被大量激活，这可能为萌芽过程提供能量，形成一个能量供应与萌芽相互促进的正反馈循环。
3. 关键激素与基因的联合分析： 研究人员结合KEGG通路图，深入分析了与ABA、IAA和GAs代谢相关的基因表达模式。 * ABA代谢： ABA可通过CYP707A1编码的ABA 8‘-羟化酶进行不可逆失活，也可通过UGT73B2编码的ABA葡萄糖基转移酶形成可逆失活的ABA-GE。在MNS17中，*IbCYP707A1*的表达量在3天时比0天增加了798.39%，而*IbUGT73B2*也呈上升趋势。这与MNS17中极低的ABA水平相符。相反，在NS88中，*IbCYP707A1*表达下降66.48%。因此，IbCYP707A1被确定为调控ABA水平、影响萌芽的关键基因。 * IAA代谢： 在色氨酸代谢通路中，AMI基因编码的酰胺酶可将吲哚-3-乙酰胺（IAM）转化为IAA。在MNS17中，*IbAMI1.1*和*IbAMI1.2*的表达在3天时分别大幅上调了15.18倍和25.02倍，与IAA含量的上升趋势一致。而NS88中无显著变化。 * GAs代谢： 在二萜生物合成通路中，多个GA代谢基因（IbGA20ox, IbGA3ox, *IbGA2ox*）在MNS17中显著上调，这与GA15、GA8等代谢物含量的上升相对应。但由于检测到的多为低活性或失活形式，进一步支持了GAs并非萌芽关键激素的结论。 * qPCR验证： 对14个选定的DEGs进行qPCR验证，结果显示RNA-seq与qPCR数据的线性回归决定系数R²高达0.804（p<0.001），充分证明了转录组数据的可靠性。
本研究通过多组学联合分析，系统阐明了甘薯贮藏根萌芽早期的关键分子生理机制，并得出以下核心结论： 1. 低浓度的脱落酸（ABA）是甘薯贮藏根萌芽的关键限制因子，而高浓度的生长素（IAA）对萌芽起促进作用。 2. 赤霉素（GAs）和细胞分裂素（CKs）在本研究的萌芽早期并非关键激素，它们可能主要在萌芽后的生长阶段发挥作用。 3. 在萌芽过程中，赤霉素的代谢受*IbGA2ox*、*IbGA20ox*和*IbGA3ox*基因调控；生长素的合成受*IbAMI1*基因调控；而脱落酸的失活则受*IbCYP707A1*和*IbUGT73B2*基因调控。 4. IbCYP707A1是调控SPSRS的一个关键基因，它通过促进ABA的不可逆降解，降低块根内ABA水平，从而解除ABA对萌芽的抑制。
本研究的科学价值在于，首次从转录组和激素代谢组联合的角度，全面描绘了甘薯贮藏根萌芽启动阶段的动态调控网络，明确了不同激素的作用主次和相互关系，并鉴定出如*IbCYP707A1*等关键调控基因。这为深入理解块茎类作物休眠与萌芽的分子机制提供了新的见解。其应用价值在于，研究结果为通过分子标记辅助选择或基因工程手段，定向培育萌芽特性符合需求（如耐贮藏延迟萌芽，或作为种薯需要快速整齐萌芽）的甘薯新品种提供了重要的候选基因和理论依据。
本研究在讨论部分，还将自己的发现置于更广阔的学术背景中，与拟南芥、水稻等其他作物中关于种子休眠与萌芽的激素和转录因子（如WRKY、ARF）调控研究进行了对比和关联，指出了共性与特殊性，提升了研究的深度和广度。此外，研究者也提出了未来需要利用转基因甘薯植株来进一步验证*IbCYP707A1*等功能基因的必要性，体现了科学的严谨性和前瞻性。