馬鈴薯抗寒研究進展

劉計濤，索海翠，李成晨，王 麗，單建偉，安 康，李小波

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點實驗室，廣東 廣州 510640）

馬鈴薯是茄科茄屬一年生草本植物，原產(chǎn)于南美安第斯山脈，栽培歷史已逾7 000年，16世紀(jì)由南美傳播到歐洲，17世初開始傳播到中國。經(jīng)過不斷發(fā)展馬鈴薯已經(jīng)成為我國第四大糧食作物，2019年種植面積為490.15萬hm2，產(chǎn)量為7 033.8萬t，約占世界馬鈴薯總產(chǎn)量的1/4，連續(xù)多年穩(wěn)居世界首位（聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)）。

我國馬鈴薯種植區(qū)域目前主要分為北方一季作區(qū)、西南一二季混作區(qū)、中原二季作區(qū)和南方冬作區(qū)4個區(qū)域。馬鈴薯塊莖產(chǎn)量高，富含糖類、蛋白質(zhì)和維生素以及人體必需的全部氨基酸，是維生素種類最全的糧食作物；維生素含量相當(dāng)于胡蘿卜的2倍，其中維生素B族含量是蘋果的4倍，素有“第二面包”和“地下蘋果”的美稱，具有很高的營養(yǎng)價值。盡管我國馬鈴薯產(chǎn)量巨大，但人均年消費馬鈴薯僅為40 kg，遠(yuǎn)低于發(fā)達國家的100 kg。2015年我國啟動了馬鈴薯主食化戰(zhàn)略，以改善國民膳食結(jié)構(gòu)；此外，馬鈴薯單產(chǎn)高且不與水稻、小麥等主糧作物爭地，是調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的重要替代物，對于保障國家糧食安全具有重要意義［1］。

溫度、降水和日照等氣候條件顯著影響馬鈴薯的生長發(fā)育和產(chǎn)量［2］，隨著全球氣候變化，極端天氣頻發(fā)，低溫寒害對馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展形成巨大挑戰(zhàn)，如北方一季作區(qū)和西南一二季混作區(qū)往往在春末秋初的播種期和收獲期容易遭受低溫寒害造成減產(chǎn)，南方冬作區(qū)在生長中期（12月至次年1月）容易遭受短時間的低溫寒潮，導(dǎo)致地上部萎蔫甚至死亡，嚴(yán)重影響產(chǎn)量甚至絕收。2016年低溫寒潮導(dǎo)致廣東冬種馬鈴薯大面積減產(chǎn)，農(nóng)民損失嚴(yán)重。目前生產(chǎn)上主導(dǎo)馬鈴薯品種多為20世紀(jì)從國外引進的品種或近緣雜交種，耐寒性差，易遭受低溫寒害嚴(yán)重影響產(chǎn)量、降低經(jīng)濟效益，嚴(yán)重制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展［3］。因此，探索馬鈴薯抗寒機制、培育抗寒新品種對于馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展和保障國家糧食安全具有重要意義。本文主要對馬鈴薯抗寒資源、抗寒生理與分子機制等研究進行綜述，以期對馬鈴薯的抗寒育種和產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 低溫脅迫對馬鈴薯的影響

低溫脅迫是影響植物生長發(fā)育的一個重要因子。低溫脅迫分為冷害脅迫（0～15℃）和凍害脅迫（低于0℃）。冷害脅迫能夠抑制細(xì)胞內(nèi)光合作用、呼吸作用和生化途徑酶的活性［4］，打破植物細(xì)胞內(nèi)活性氧清除機制和激素平衡，最終導(dǎo)致細(xì)胞的死亡以及作物減產(chǎn)［5］。凍害脅迫導(dǎo)致細(xì)胞間結(jié)晶水的形成，使細(xì)胞的脫水遭受滲透脅迫，最終導(dǎo)致膜的損傷甚至細(xì)胞死亡［6］。

1.1 冷害脅迫對馬鈴薯的影響

馬鈴薯普通栽培品種喜冷涼，不耐低溫。幼苗生長最適溫為18～21℃，高于30℃或低于7℃莖葉停止生長［7］,當(dāng)馬鈴薯遭受0～15℃低溫脅迫時，主要表現(xiàn)為低溫冷害。如在馬鈴薯發(fā)芽階段，溫度低于4℃時，馬鈴薯芽萌發(fā)受抑制，溫度長期處于5～7 ℃時，幼芽會形成極短的匍匐莖，頂端膨大形成小薯，或直接從塊莖芽眼處長出夢生薯，嚴(yán)重影響出苗。在馬鈴薯苗期，溫度低于12 ℃時，馬鈴薯植株能夠形成花芽但不能開放，低于7 ℃時莖葉停止生長；低溫可使馬鈴薯塊莖提早形成，低于7 ℃時塊莖膨大緩慢［8］。此外，在南方冬作區(qū)持續(xù)的低溫往往伴隨陰雨，會造成大田栽培的馬鈴薯光合作用降低和葉片黃化萎蔫［9］。秦玉芝等［10］對9個馬鈴薯品種進行低溫處理，通過對葉片光合速率分析，發(fā)現(xiàn)10℃下所有材料的表觀量子速率、光飽和點、光補償點、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率均顯著降低。研究還表明，低溫冷害能夠促進馬鈴薯葉片葉綠素降解，導(dǎo)致光合速率降低，最終影響產(chǎn)量［11］。低溫處理（4 ℃/2 ℃，晝/夜）霜凍敏感材料中薯3號和耐霜凍材料Solanum acaule（03079-45）幼苗，發(fā)現(xiàn)兩者總?cè)~綠素含量都呈先降后升的趨勢，但變化速率存在差異［12］。冷害脅迫還能夠影響根的活性，張麗莉等［13］以克新18號、克新13號和早大白3個馬鈴薯品種為試材，進行低溫脅迫（7 ℃）處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫顯著抑制馬鈴薯根的生長，降低根系活力；脅迫解除后，根長迅速增加，根系活力顯著增強。在S. cereale中，低溫脅迫影響根對N的吸收，導(dǎo)致木質(zhì)部N含量減少60%，產(chǎn)量降低［14］。在塊莖成熟階段，低溫冷害造成韌皮損傷，導(dǎo)致塊莖橫切面出現(xiàn)布滿整個塊莖或分布于受害一側(cè)的網(wǎng)狀壞死；隨著冷害程度加深，維管束環(huán)周圍出現(xiàn)黑褐色斑點，在臍端附近表現(xiàn)更嚴(yán)重，塊莖內(nèi)部的粉紅色病變也可能是由冷害引起［8］。

1.2 凍害脅迫對馬鈴薯的影響

低溫凍害（低于0 ℃）會導(dǎo)致馬鈴薯減產(chǎn)甚至絕收［15］，我國4個馬鈴薯主要種植區(qū)都會遭受低溫凍害，如南方冬作區(qū)冬種馬鈴薯播種淺、覆蓋薄，在12月至次年2月易受低溫霜凍危害［16］。在馬鈴薯發(fā)芽階段，溫度降至-1 ℃時，馬鈴薯種薯會因凍害死亡，導(dǎo)致缺苗減產(chǎn)。在苗期，7 ℃為馬鈴薯莖葉生長的最低溫度，當(dāng)溫度降到-2℃時幼苗受凍害，表現(xiàn)為葉片迅速萎蔫、干枯，生長點受損；凍害解除后，葉片呈水浸狀，死亡后變黑萎蔫，或表現(xiàn)皺縮、畸形，葉出現(xiàn)壞死性斑點，莖桿出現(xiàn)斑駁，頂端優(yōu)勢消失，莖節(jié)及下部芽和副芽萌發(fā)，造成主莖分枝叢生，-3℃時莖葉全部凍死［17］。馬鈴薯的花在溫度低于-0.5 ℃時會受到凍害，低于-1 ℃時致死，造成花不開放，花蕾和花朵脫落、蔫枯；當(dāng)氣溫低于-2 ℃時，馬鈴薯塊莖停止生長，塊莖遭受低溫凍害解凍后，其組織由基本色變成桃紅色或火紅色，直至變?yōu)榛疑⒑稚蚝谏?，凍傷組織迅速變軟、腐爛。此外，馬鈴薯受低溫凍害后，植株整體表現(xiàn)為長勢不齊，易感染病菌，直接影響產(chǎn)量［7］。

2 馬鈴薯抗寒資源及評價指標(biāo)體系

2.1 馬鈴薯野生種抗寒資源

馬鈴薯的抗寒性主要分為抗凍害脅迫型和凍害敏感型兩類，即能夠在-4℃以下存活的品種為抗凍害脅迫型，只能在-2.5 ℃以上存活的為凍害敏感型［17］。Chen等［18］對馬鈴薯野生種和栽培種進行抗寒性評價，并根據(jù)半致死溫度和低溫馴化的程度將馬鈴薯分為五類：（I）抗凍害脅迫型且能夠被低溫馴化，主要包括S. acaule、S. commersonii、S. multidissectum和S. chomatophilum；（II）抗凍害脅迫型且不能夠被低溫馴化，主要包括S.bolviense、S. megistacroiobum和S. sanctae-rosae；（III）凍害敏感性且能夠被低溫馴化，主要包括S. oplocense和S. polytrichon；（IV）凍害敏感性且不能夠被低溫馴化，主要包括S. brachistotrichum、S. cardiophyllum和S. fendleri等，LT50范圍是-2.5～3.5℃，其中馬鈴薯普通栽培種S. tuberosum的耐受溫度為-3 ℃；（V）冷害敏感型，只有S.trifldum一個種 。國內(nèi)許多育種家也對馬鈴薯野生種進行抗寒性評價。趙喜娟等［19］通過人工冷凍法對18個野生種的97份材料進行抗寒性評價，結(jié)果表明S. acaule、S. bukasovii、S. commersonii等抗寒能力最強，S. chomatophilum、S. demissum、S.megistacrolobum和S. acaule等中也具有較強抗寒能力。李飛等［20］通過人工冷凍鑒定結(jié)合聚類分析的方法對25份S. acaule無性系材料進行抗寒評價，低溫馴化前主要分為霜凍敏感型（12份）、耐凍型（11份）、強耐凍型（2份），低溫馴化后霜凍敏感型減少9份，耐凍型和強耐凍型材料分別增加到12份和10份，且這個抗寒評價與田間自然霜凍評價結(jié)果一致。

2.2 馬鈴薯栽培種抗寒資源

馬鈴薯普通栽培種主要是S. tuberosum，被認(rèn)為是低溫敏感型且不能被低溫馴化，隨著馬鈴薯抗寒育種研究的不斷深入，育種專家們已經(jīng)篩選出許多具有一定抗寒性的材料，并作為親本進行馬鈴薯抗寒育種。丁紅映等［21］用隸屬函數(shù)法和聚類分析法對103份馬鈴薯種質(zhì)資源的耐寒性進行綜合評價，篩選出16份抗寒材料，評價結(jié)果表明，國外引入種質(zhì)資源的抗寒性最強，國內(nèi)種質(zhì)資源中北方一季作區(qū)抗寒性強于其他地區(qū)。可見，從抗寒優(yōu)勢區(qū)引進資源，有利于改善馬鈴薯抗寒性。董建科等［22］分別以 MLM266-2、Lucky和 RH89-039-16、10908-06作為抗感對照種，對140份馬鈴薯栽培種及8份種間雜種材料進行了抗寒能力和馴化抗寒能力鑒定，篩選出Alaska Frostless、Simcoe、M1、華渝5號和華薯11號等9份抗寒性較強的栽培種材料，以及14FT24-10和14FT04-25兩份種間雜種材料。劉浩等［23］采用自然霜凍法，對寧夏西吉縣14個馬鈴薯主栽品種進行抗寒性評價，結(jié)果表明，晉薯7號、新大平、內(nèi)薯7號抗寒性較強，夏波蒂、大西洋、寧薯8號、隴薯6號、隴薯3號等5個品種抗寒性中等，青薯168、中心24號、寧薯9號、寧薯4號、虎頭、云薯6號等6個品種為霜凍敏感型。黃先群等［24］對地方品種普安紫洋芋和費烏瑞它自然及輻射變異株系的抗寒性進行鑒定，獲得了費烏瑞它自然變異抗寒株系Ⅲ-25-5和輻射變異抗寒株系3-23X。此外，許多研究對馬鈴薯的栽培種進行了抗寒性評價，為未來馬鈴薯抗寒新品種的選育提供了參考［19］。

2.3 馬鈴薯抗寒評價指標(biāo)體系

2.3.1 形態(tài)及生長發(fā)育指標(biāo)評價 植物形態(tài)學(xué)相關(guān)指標(biāo)可以作為低溫脅迫損傷的直接鑒定依據(jù)［25］。關(guān)于馬鈴薯的形態(tài)學(xué)特征與抗寒性的關(guān)系已有相關(guān)研究，如Palta等［26］研究24個抗寒性不同的馬鈴薯品種生長習(xí)性、葉片形狀、氣孔指數(shù)和柵狀組織的數(shù)目，結(jié)果表明抗寒性品種有2個柵狀組織，不抗寒品種僅1個；抗寒性品種的氣孔指數(shù)是不抗寒品種的3倍，且抗寒性品種具有更多小而厚的葉片，因此，氣孔指數(shù)和柵欄組織被認(rèn)為可以作為馬鈴薯抗寒性的評價指標(biāo)。

馬鈴薯苗期抗寒性的鑒定還可以根據(jù)植株的凍害程度。對植株的器官、組織進行評價。Vega等［27］對101個不同種的2 635份馬鈴薯材料在低溫脅迫恢復(fù)后的植株狀態(tài)進行低溫?fù)p傷評級，根據(jù)葉片莖稈的表型確定了0～6級的評級標(biāo)準(zhǔn)。涂衛(wèi)等［28］在此基礎(chǔ)上通過計算植株受損傷害指數(shù)建立了馬鈴薯苗期抗寒評價體系，該評價體系與半致死溫度評價體系結(jié)果一致，可以用于大量材料的抗寒性篩選?？芩龋?9］利用該方法對137個普通栽培種雜交組合的16 068個后代進行抗寒篩選（-3 ℃），篩選出相對抗寒組合26個，包括13個抗寒母本和7個抗寒父本；對抗寒親本進行半致死溫度驗證，結(jié)果與評價結(jié)果一致。

2.3.2 電導(dǎo)率擬合Logistic方程鑒定法 大量研究結(jié)果表明，離子滲透率擬合Logistic方程進行回歸分析，以拐點溫度指示植物組織的半致死溫度（LT50）可以更準(zhǔn)確地評價植物的抗寒性［30］。電導(dǎo)率測定法配合Logistic方程鑒定馬鈴薯抗寒性已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。李飛等［12］對25份野生種和不抗寒對照種中薯3號進行低溫脅迫（-7～0 ℃）處理，通過測定離體葉片的離子滲透率并擬合Logistic方程得到了LT50，中薯3號的LT50為-2.5 ℃，野生種馬鈴薯3079-444的LT50最低為-8 ℃，與前人研究結(jié)果一致。李華偉等［31］以18份馬鈴薯資源和47份馬鈴薯后代品系為材料，采用低溫脅迫處理馬鈴薯離體葉片，測定其相應(yīng)電導(dǎo)率，擬合Logistic方程得出其半致死溫度LT50，將供試材料分為低溫敏感型、中間型、耐寒性較強3類，篩選出耐寒性強的2份資源及4份后代品系。鞏慧玲等［32］對二倍體材料H28-7和RH及其雜交后代H7R-3，-15，-175，-199以及四倍體栽培種大西洋、斯諾登、卡它丁和布爾斑克進行低溫馴化并利用電導(dǎo)率擬合Logistic方程比較LT50，發(fā)現(xiàn)未經(jīng)低溫馴化時，二倍體H28-7的最高，經(jīng)低溫馴化后，H28-7、H7R-15和H7R-175等3個材料的LT50幾乎不變，其他材料的LT50均有所降低。

2.3.3 生化指標(biāo)結(jié)合隸屬函數(shù)綜合評價法 低溫脅迫對植物的細(xì)胞膜系統(tǒng)、保護酶系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)和光合作用都會產(chǎn)生不利影響［33］，植物抗氧化性作為影響抗逆性的關(guān)鍵因子，是植物對低溫脅迫的應(yīng)激反應(yīng)。活性氧（ROS）是生物有氧代謝過程中的一類化學(xué)分子，包括氧離子、過氧化物和含氧自由基，低溫脅迫會誘導(dǎo)ROS的產(chǎn)生和積累，對蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等產(chǎn)生氧化傷害。此外，ROS通過降解不飽和脂肪酸會產(chǎn)生MDA影響細(xì)胞膜的滲透性，導(dǎo)致細(xì)胞和組織死亡［34］。楊慧菊等［35］分析了10個馬鈴薯栽培種在低溫脅迫條件下的葉片相對電導(dǎo)率、MDA含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性 、過氧化物酶（POD）活性和可溶性蛋白含量，發(fā)現(xiàn)抗寒性強的品種SOD、POD和可溶性蛋白含量高于不抗寒品種，葉片相對電導(dǎo)率和MDA含量則呈相反趨勢。

為將這些生理指標(biāo)更好地與馬鈴薯抗寒性關(guān)聯(lián)起來，采用模糊數(shù)學(xué)的隸屬函數(shù)法綜合評價馬鈴薯抗寒性是一種更為有效的方法［36］。楊慧菊等［35］以馬鈴薯葉片各項生理指標(biāo)作為抗寒性的評價指標(biāo)，采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法和聚類分析法對馬鈴薯的抗寒性進行綜合評價，結(jié)果與低溫脅迫后植株霜凍損傷評分結(jié)果相符。

3 馬鈴薯抗寒生理機制

3.1 低溫脅迫與活性氧清除機制

低溫脅迫會導(dǎo)致植物細(xì)胞ROS積累，最終引起細(xì)胞損傷，提升ROS清除系統(tǒng)被認(rèn)為是賦予植物脅迫耐性的重要途徑之一。植物活性氧清除機制關(guān)鍵酶包括抗壞血酸過氧化物酶（APX），SOD、POD和過氧化氫酶（CAT），低溫脅迫后，植物葉片POD、CAT和SOD活性顯著升高，APX和CAT能夠清除游離自由基，SOD能夠催化超氧根離子，減少氧化脅迫損傷［37］。辛翠花等［11］研究表明，低溫（5 ℃）處理48 h后，馬鈴薯品種大西洋的SOD活性先降后升，POD活性先升后降。許娟等［38］對兩類感抗寒性馬鈴薯品種進行低溫脅迫處理（5℃），發(fā)現(xiàn)低溫脅迫后葉片POD、CAT和SOD活性明顯升高，且抗寒品種活性氧清除酶活性高于不抗寒品種。外源鈣素、水楊酸（SA）處理可提高SOD、POD和CAT活性，減輕低溫脅迫對細(xì)胞的氧化損傷度，加快細(xì)胞修復(fù)速度，提高馬鈴薯植株抗寒性［39-40］，以上研究結(jié)果表明，馬鈴薯抗寒性與活性氧清除機制密切相關(guān)。

3.2 低溫脅迫與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

低溫脅迫尤其是凍害脅迫會導(dǎo)致細(xì)胞脫水，形成滲透脅迫最終造成細(xì)胞死亡。植物細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)包括可溶性蛋白、離子、糖類和脯氨酸等。研究表明，低溫脅迫條件下，抗寒品種脯氨酸含量高于不抗寒品種，脯氨酸的含量與抗寒性呈正相關(guān)［41］，且作為抗寒馬鈴薯品種鑒定的生理指標(biāo)［38］。除脯氨酸外，可溶性蛋白含量在低溫脅迫條件下也顯著降低［36,38］。糖類及糖醇、氨基酸及其衍生物在調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透脅迫耐性中也起著重要作用。在抗寒馬鈴薯品種S. commersonii中，低溫促進蔗糖、果糖、葡萄糖以及甜菜苷和棉子糖等低聚糖的積累，且抗寒品種顯著高于不抗寒品種［42］。此外，多胺類物質(zhì)也在馬鈴薯抗寒過程中發(fā)揮重要功能，研究發(fā)現(xiàn)，在凍害脅迫敏感型馬鈴薯S. phureja和Desiree中多胺的含量處于較低水平且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但在抗凍性品種S.acaule和 88-35-7中存在較高水平的可溶性多胺成分［43］。外源施加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如鈣素、脫落酸、亞精胺和油菜素內(nèi)酯等能夠顯著增強可溶性糖和蛋白以及脯氨酸等含量［39,44］。

低溫脅迫下，植物葉片的離子滲透率增加，細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA積累，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜透性的增加。許多研究表明，MDA含量與馬鈴薯植株的抗寒性呈負(fù)相關(guān)，是抗寒馬鈴薯鑒定的生理指標(biāo)［32，38］。鈣素預(yù)處理能夠顯著降低離子滲透率和MDA含量，維持膜的穩(wěn)定性降低膜損傷［39］。

4 馬鈴薯抗寒分子機制

4.1 基因組水平

許多作物包括水稻等利用基因組學(xué)分析手段對作物性狀的遺傳規(guī)律進行解析［45］。馬鈴薯普通栽培種被認(rèn)為是低溫敏感型且不能被低溫馴化。但馬鈴薯野生種S. commersonii是抗寒性最強的，通過基因組水平分析發(fā)現(xiàn)，與S. tuberosum相比，S.commersonii基因組的雜合性（僅為1.5%）顯著低于栽培種（53%～59%），且基因組較小，這種差異主要是由基因間的序列長度差異引起的。參考轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)注釋基因組預(yù)測了1 703個microRNA以及18, 882個非編碼RNA。在非編碼RNA中有20%能夠靶定到低溫脅迫響應(yīng)基因上，這些低溫響應(yīng)基因共預(yù)測到39 290個蛋白，其中有126個低溫脅迫相關(guān)基因是S. tuberosum上沒有的，進化樹分析發(fā)現(xiàn)S. commersonii與S. tuberosum的分離發(fā)生在230萬年前［46］。S. commersonii基因組測序為研究馬鈴薯的馴化以及創(chuàng)制馬鈴薯新資源提供了參考。

隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，在表觀遺傳學(xué)層面研究馬鈴薯抗寒機制也逐漸展開。在植物基因組區(qū)域存在許多激活的順式調(diào)節(jié)DNA元件，被定義為DNA超敏感位點（DHS）。Zeng等［47］繪制了馬鈴薯低溫脅迫的DHS圖譜，并發(fā)現(xiàn)在低溫脅迫條件下，染色質(zhì)可及性和二價組蛋白甲基轉(zhuǎn)移酶H3K4me3-H3K27me3修飾增強，影響低溫脅迫相關(guān)基因的表達，調(diào)節(jié)馬鈴薯植株的低溫脅迫耐性。

4.2 轉(zhuǎn)錄組水平

轉(zhuǎn)錄組分析是解析馬鈴薯脅迫響應(yīng)的重要手段。Alicia等［48］以DM1-3 516 R44為材料，通過轉(zhuǎn)錄組分析其在鹽、干旱和高溫等非生物脅迫和馬鈴薯晚疫病等非生物脅迫，通過參考擬南芥進行對比，揭示了不同的脅迫響應(yīng)調(diào)節(jié)通路和差異基因。在馬鈴薯低溫脅迫的研究中，轉(zhuǎn)錄組分析技術(shù)已得到逐步推廣。馬鈴薯野生種S. commersonii在低溫馴化和非低溫馴化條件下低溫脅迫進行轉(zhuǎn)錄組分析，表明，低溫馴化條件下差異基因為720個，非低溫馴化條件下差異基因為784個，前者特異差異基因為71個，后者為135個；GO分析兩種條件下差異的代謝通路，發(fā)現(xiàn)非低溫馴化條件下差異基因主要富集到細(xì)胞質(zhì)部分，細(xì)胞器代謝、光合作用和油菜素內(nèi)酯代謝途徑；低溫馴化條件下差異基因主要富集到金屬和鎘離子代謝、共質(zhì)體以及液泡代謝途徑［46］。利用轉(zhuǎn)錄組結(jié)合蛋白組分析馬鈴薯S.tuberosum低溫脅迫響應(yīng)，表明抗氧化相關(guān)基因和蛋白受低溫脅迫誘導(dǎo)表達明顯，光合作用相關(guān)基因受低溫脅迫抑制表達；此外，一些氨基酸和糖類代謝相關(guān)的基因和酶類受低溫脅迫影響顯著［49］。通過對馬鈴薯栽培種Bintje和其矮化突變體進行RNA-seq分析，發(fā)現(xiàn)突變體中脅迫相關(guān)的基因表達上調(diào)，包括溫度脅迫響應(yīng)蛋白COR413-PM2等［50］。

4.3 基因功能

目前，在植物響應(yīng)低溫脅迫的分子機制方面已經(jīng)開展了大量研究，主要包括植物激素、轉(zhuǎn)錄因子、激酶以及功能蛋白等［51-52］。其中ICE-CBFCOR信號傳導(dǎo)途徑被認(rèn)為在低溫馴化中起關(guān)鍵作用［53］。馬鈴薯中存在 CBF3-CBF1-CBF2-CBF-2B和CBF5-CBF4兩個基因簇，通過比較馬鈴薯S.tuberosum和S.commersonii中CBF基因家族發(fā)現(xiàn)，在S. tuberosum上存在CBF4和CBF5基因，且CBF4與CBF5是聯(lián)系在一起的，但在S.commersonii中只有CBF4［54］。馬鈴薯中只有CBF1和CBF4能夠被低溫誘導(dǎo)表達，在S. tuberosum和S.commersonii中過表達ScCBF1提升了植株的干旱脅迫耐性，與對照相比脯氨酸含量顯著升高［55］。

低溫脅迫影響細(xì)胞膜的流動性，導(dǎo)致滲透性降低，最終細(xì)胞解體死亡。馬鈴薯stearoyl-ACP desaturase（ω-9）基因在細(xì)胞膜脂質(zhì)去飽和中發(fā)揮重要功能，與不抗寒品種S. tuberosum相比，在抗寒品種S. commersonii中，低溫脅迫能夠顯著誘導(dǎo)ω-9基因的表達，在S. tuberosum中過表達ω-9改變了細(xì)胞膜脂肪酸脂質(zhì)的組成，提升了馬鈴薯植株的抗寒性［56］。在S. commersonii、S. acaule和S. cardiophyllum中ω-6脫氫酶基因（FAD2）的序列分析發(fā)現(xiàn)，核苷酸中有8個位點的差異導(dǎo)致對應(yīng)的氨基酸殘基變化，其中第11和第44位氨基酸殘基與馬鈴薯冷馴化存在一定的相關(guān)性，表達模式分析發(fā)現(xiàn)，低溫馴化后FAD2基因在3個馬鈴薯野生種中表達上調(diào)，但S. commersonii和S. acaule的FAD2基因表達水平顯著高于S. cardiophyllum［57］。

此外，植物激素作為重要的調(diào)節(jié)因子廣泛參與低溫脅迫耐性的響應(yīng)，在許多植物中已進行了較為深入的研究。在馬鈴薯中低溫脅迫通過誘導(dǎo)ABA信號途徑AREB3和ABI5的表達直接調(diào)控StADC1的表達，并介導(dǎo)腐胺合成增強CBF途徑上相關(guān)基因的表達來提高馴化抗寒性［58］。馬鈴薯ScmiR390-5p通過抑制SCLRRK1的表達參與低溫脅迫響應(yīng)的調(diào)節(jié)，且ScmiR390-5p/SCLRRK1調(diào)控模塊在鹽脅迫、滲透脅迫和6-BA響應(yīng)中也起重要作用［59］。低溫脅迫誘導(dǎo)乙烯響應(yīng)蛋白StEREBP1的表達，過表達StEREBP1提升了馬鈴薯植株的抗寒性，且與對照相比馬鈴薯產(chǎn)量提升30%［60］。過表達StGA2ox1基因，降低馬鈴薯植株體內(nèi)活性GA的含量，誘導(dǎo)脅迫響應(yīng)基因RD28、DREB1、WRKY1和SnRK2的表達，提升了脯氨酸含量，表現(xiàn)出更強的低溫脅迫耐性［61］。

馬鈴薯普通栽培種不耐低溫且不能被馴化，因此引入外源抗寒基因也是解決馬鈴薯抗寒性的選擇之一。在馬鈴薯栽培種（cv.Desiree）中異源表達擬南芥DREB1A和DREB1B顯著增強馬鈴薯植株抗寒性，與對照相比，轉(zhuǎn)基因植株的脯氨酸含量較高［62］。在馬鈴薯中利用脅迫誘導(dǎo)性啟動子rd29A異源表達AtCBF1和AtCBF3基因，能夠提升馬鈴薯植株的抗寒性，并且能夠最大限度的減少對產(chǎn)量的影響［63］。同樣地，將藍藻Δ12酰脂質(zhì)脫氫酶desA基因過表達到S. tuberosum中，轉(zhuǎn)基因植株脂肪酸含量比對照高42%，且經(jīng)過低溫脅迫表現(xiàn)出更強的脅迫耐性［64］。這些分子機制的研究為馬鈴薯抗寒分子育種提供了理論依據(jù)和基因資源。

5 展望

馬鈴薯抗寒性研究逐漸成為育種專家們關(guān)注的重點，解析馬鈴薯抗寒的分子機制，挖掘抗寒遺傳位點，最終培育抗寒馬鈴薯新品種，已經(jīng)成為新的挑戰(zhàn)。馬鈴薯普通栽培種遺傳基礎(chǔ)狹窄，抗寒育種面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，馬鈴薯抗寒性是由多基因控制，調(diào)控機制復(fù)雜。因此，亟需收集抗寒性強的資源，拓寬馬鈴薯育種親本的遺傳基礎(chǔ)；結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)手段，挖掘抗寒關(guān)鍵的遺傳位點，通過分子設(shè)計育種、倍性育種等手段更快、更高效地進行育種。隨著馬鈴薯抗寒研究的不斷深入，育種技術(shù)的不斷提高，馬鈴薯抗寒育種將會取得突破性進展。