馬鈴薯氮代謝對(duì)低氮脅迫的響應(yīng)及轉(zhuǎn)錄組分析

張婷婷，孟麗麗，劉曉蕊，陳有君，劉坤雨，袁昊田，蒙美蓮

(1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a農(nóng)學(xué)院，b生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3滄州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河北 滄州 061001)

氮(N)是作物生長(zhǎng)發(fā)育的必需元素,氮肥可以促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高產(chǎn)量。但無(wú)節(jié)制地追求高產(chǎn)，投入的氮肥逐漸增多，不但會(huì)造成氮效率降低、生產(chǎn)成本增加，還會(huì)引起環(huán)境污染[1]。因此迫切需要降低氮肥施用量，提高氮效率。馬鈴薯作為重要的糧食兼經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)我國(guó)糧食安全的作用不容忽視。缺氮會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、產(chǎn)量降低[2]，但由于馬鈴薯根系較淺，不易吸收根層以下的氮肥，大量施氮又極易造成硝酸鹽淋失風(fēng)險(xiǎn)[3]，因此培育氮效率高、耐低氮能力強(qiáng)的馬鈴薯品種成為研究熱點(diǎn)[4-7]。

利用馬鈴薯固有的生物學(xué)特性，深入研究植株體內(nèi)氮循環(huán)過(guò)程，挖掘其自身高效吸收利用氮素的潛力，對(duì)實(shí)現(xiàn)馬鈴薯氮素資源高效利用具有重要意義。不同品種之間的氮效率存在顯著差異，這與馬鈴薯植株對(duì)氮的吸收和利用能力不同有關(guān)[6-7]。參與馬鈴薯氮吸收、同化、再利用的關(guān)鍵酶/基因主要是硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 (NRT)、硝酸還原酶(NR)、亞硝酸還原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)等[8]。前人研究表明，氮高效品種的NR和GS活性高于氮低效品種，減少施氮量，酶活性降低，但不同品種下降的幅度不同[8-9]。低氮脅迫下，NRT表達(dá)量上調(diào)，NR、NiR、GS、GOGAT等表達(dá)量下降[8,10-12]。這些研究結(jié)果表明，植株可通過(guò)調(diào)節(jié)氮代謝相關(guān)基因的表達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)植株適應(yīng)低氮脅迫的不利環(huán)境。

此外，RNA測(cè)序技術(shù)已在多種作物中被證明可以挖掘參與氮基因網(wǎng)絡(luò)的基因及轉(zhuǎn)錄因子,前人已對(duì)水稻、玉米、小麥等作物從氮源、品種、組織器官等方面進(jìn)行了大量的研究[13-18]。與之相比，馬鈴薯的相關(guān)研究還較少，針對(duì)馬鈴薯響應(yīng)低氮脅迫相關(guān)潛在基因的知識(shí)非常有限[19]。隨著測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)序成本的降低，系統(tǒng)全面揭示與氮素相關(guān)的功能基因、了解不同氮效率品種各器官響應(yīng)低氮的分子機(jī)制成為可能。因此，本研究以氮高效馬鈴薯品種冀張薯12號(hào)和氮低效馬鈴薯品種尤佳70為材料，采用盆栽試驗(yàn)方式，研究低氮脅迫下不同氮效率品種的生物量和氮代謝生理的變化，探究不同氮效率馬鈴薯品種氮代謝對(duì)低氮脅迫的響應(yīng)及分子機(jī)制，以期進(jìn)一步挖掘馬鈴薯氮效率相關(guān)基因，為其氮高效育種及高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)馬鈴薯作物栽培研究組選出的氮高效馬鈴薯品種冀張薯12號(hào)和氮低效馬鈴薯品種尤佳70[20]，種薯分別由內(nèi)蒙古鈴田生物技術(shù)有限公司和內(nèi)蒙古坤元太和農(nóng)業(yè)科技有限公司提供。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)防雨棚進(jìn)行。將冀張薯12號(hào)和尤佳70種薯種植于裝有9 L蛭石與珍珠巖(體積比5∶1)混合物的專(zhuān)用盆(高27 cm，直徑30 cm)中，每盆播種大小均勻的微型薯3粒。出苗前每隔3 d澆1 000 mL水，出苗后澆灌改進(jìn)的MS營(yíng)養(yǎng)液，對(duì)照組營(yíng)養(yǎng)液中含純氮15 mmol/L(正常施氮，N)，處理組營(yíng)養(yǎng)液中含純氮3 mmol/L(低氮脅迫，L)，2種氮處理中氮源均為NH4NO3，其他成分相同，每3 d澆1 000 mL。試驗(yàn)共4個(gè)處理，每個(gè)處理種植30盆，共種植120盆。

1.3 馬鈴薯莖葉和根系干質(zhì)量、氮積累量及氮代謝相關(guān)酶活性的測(cè)定

馬鈴薯出苗后30 d取樣，每處理3次重復(fù)，每重復(fù)3株。將莖葉和根分開(kāi)，在105 ℃條件下殺青后，70 ℃烘干至恒質(zhì)量測(cè)定干質(zhì)量。采用凱氏定氮法測(cè)定樣品氮含量，計(jì)算氮積累量。

采集倒四葉頂小葉和根系(頂端2 cm)，用于氮代謝相關(guān)酶(NR、NiR、GS、GOGAT)活性的測(cè)定，每處理3次重復(fù)，每重復(fù)10株。NR活性測(cè)定采用活體法[21]，NiR活性測(cè)定采用索萊寶公司試劑盒，GS和GOGAT活性測(cè)定采用文獻(xiàn)[21]的方法。

1.4 馬鈴薯轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

1.4.1 cDNA文庫(kù)的構(gòu)建及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序 出苗后30 d取倒四葉頂小葉、根系(頂端2 cm)用于構(gòu)建cDNA文庫(kù)及轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。樣本共24個(gè)(2個(gè)氮水平×2個(gè)器官(葉片、根系)×2個(gè)馬鈴薯品種×3次重復(fù))，樣品編號(hào)規(guī)則為氮水平-器官-品種，其中氮水平中L代表低氮，N代表正常施氮；部位中L代表葉片，R代表根系；品種中Y代表尤佳70，J代表冀張薯12號(hào)。樣品cDNA由北京諾禾致源生物科技有限公司制備，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測(cè)序。所得原始數(shù)據(jù)(raw reads)經(jīng)過(guò)濾得到有效數(shù)據(jù)(clean reads)，利用ToPHat2軟件與已公布的馬鈴薯基因組比對(duì)得到總映射(total mapped)和唯一映射(uni-quely mapped)。

1.4.2 差異基因的篩選 利用DESeq進(jìn)行差異基因分析，篩選出樣本間的差異表達(dá)基因(differentia-lly expressed genes，DEGs)，差異表達(dá)基因的篩選條件為padj<0.05。

1.4.3 差異表達(dá)基因的功能注釋與分析 篩選到的差異表達(dá)基因利用軟件GOseq進(jìn)行GO富集分析，以Q值≤0.05為閾值，滿(mǎn)足此條件的GO術(shù)語(yǔ)定義為顯著富集的GO術(shù)語(yǔ)。利用KOBAS(2.0)將篩選到的差異基因，在KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)(kyoto encyclopedia of gene and genomes，京都基因與基因組百科全書(shū))中進(jìn)行注釋?zhuān)琍值≤0.05，表示該通路顯著富集。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖。應(yīng)用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，采用Duncan’s多重比較法檢驗(yàn)處理間的差異顯著性(P<0.05)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的均值，用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 低氮脅迫對(duì)馬鈴薯植株干質(zhì)量和氮積累量的影響

由圖1可以看出，2個(gè)施氮量下冀張薯12號(hào)莖葉和根系的干質(zhì)量、氮積累量均顯著大于尤佳70(P<0.05)。與正常施氮相比，低氮脅迫下2個(gè)馬鈴薯品種莖葉和根系的干質(zhì)量、氮積累量均顯著降低(P<0.05)，尤佳70和冀張薯12號(hào)的莖葉干質(zhì)量分別下降了67.69%和53.40%，根系干質(zhì)量分別下降了36.48%和34.21%；莖葉氮積累量分別下降了71.55%和58.88%，根系氮積累量分別下降了45.03%和41.54%。

圖柱上標(biāo)不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 低氮脅迫對(duì)馬鈴薯氮代謝相關(guān)酶活性的影響

由表1可以看出，2個(gè)施氮量下冀張薯12號(hào)葉片和根系的4個(gè)氮代謝相關(guān)酶活性均高于尤佳70。與正常施氮相比，低氮脅迫下2個(gè)馬鈴薯品種葉片和根系NR、NiR活性均表現(xiàn)出降低趨勢(shì)，其中尤佳70和冀張薯12號(hào)葉片NR活性分別顯著降低17.50%和10.98%(P<0.05)，根系NR活性分別降低17.25%和13.11%，葉片NiR活性分別顯著降低15.91%和14.07%(P<0.05)，根系NiR活性分別降低2.99%和11.05%。與正常施氮相比，低氮脅迫下尤佳70葉片GS活性顯著降低24.72%(P<0.05)，而冀張薯12號(hào)則提高了2.97%；尤佳70和冀張薯12號(hào)根系GS活性分別顯著提高了18.67%和20.67%。與正常施氮相比，低氮脅迫下尤佳70葉片GOGAT活性顯著降低36.51%(P<0.05)，冀張薯12號(hào)僅下降了2.96%；尤佳70根系GOGAT活性顯著降低46.91%(P<0.05)，而冀張薯12號(hào)根系GOGAT活性升高8.16%，但差異未達(dá)顯著水平。

表1 不同施氮量下馬鈴薯氮代謝相關(guān)酶活性

2.3 馬鈴薯轉(zhuǎn)錄組測(cè)序結(jié)果評(píng)估

由表2可知，在RNA序列中，過(guò)濾后得到的有效數(shù)據(jù)為43 859 247～51 408 264，Q30比例(測(cè)序錯(cuò)誤率<0.1%)在92.99%～93.87%，GC比例均大于42%，說(shuō)明測(cè)序結(jié)果質(zhì)量良好。將測(cè)定結(jié)果與已公布的馬鈴薯基因組數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有83.76%～86.50%的測(cè)序序列能映射到基因組，唯一映射率為81.36%～83.65%。

表2 馬鈴薯轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)

2.4 馬鈴薯氮脅迫差異表達(dá)基因分析

由圖2-A可以看出，尤佳70葉片和根系中差異表達(dá)基因數(shù)分別有6 173個(gè)和249個(gè)，冀張薯12號(hào)葉片和根系中差異表達(dá)基因數(shù)分別有3 455個(gè)和1 990個(gè)。繪制韋恩圖確定2個(gè)馬鈴薯品種響應(yīng)氮脅迫共有和特有的差異表達(dá)基因數(shù)，結(jié)果(圖2-B)表明，在尤佳70與冀張薯12號(hào)葉片和根系中共有的差異表達(dá)基因數(shù)分別為1 847個(gè)和163個(gè)，葉片中響應(yīng)低氮處理的差異表達(dá)基因數(shù)多于根系；且2個(gè)馬鈴薯品種葉片和根系對(duì)低氮處理的反應(yīng)有所不同，在葉片中尤佳70的差異表達(dá)基因數(shù)多于冀張薯12號(hào)，在根系中則是冀張薯12號(hào)的差異表達(dá)基因數(shù)多于尤佳70。

LLY vs NLY.尤佳70葉片；LLJ vs NLJ.冀張薯12號(hào)葉片；LRY vs NRY.尤佳70根系；LRJ vs NRJ.冀張薯12號(hào)根系

由圖3和圖4可以看出，在LLY vs NLY和LLJ vs NLJ 2個(gè)對(duì)比組富集最為顯著的前20個(gè)“生物過(guò)程”中，小分子代謝過(guò)程、有機(jī)酸代謝過(guò)程、單一生物代謝過(guò)程、羧酸代謝過(guò)程、氧酸代謝過(guò)程、對(duì)非生物刺激的反應(yīng)兩組均有；另外在LLY vs NLY中顯著富集的還有運(yùn)輸、光合作用等生物過(guò)程,在LLJ vs NLJ中顯著富集的還有翻譯、肽代謝過(guò)程、蛋白質(zhì)代謝過(guò)程、α-氨基酸代謝過(guò)程等生物過(guò)程。在LRY vs NRY和LRJ vs NRJ對(duì)比組中，顯著富集的生物過(guò)程相同的僅有單一生物過(guò)程。說(shuō)明尤佳70和冀張薯12號(hào)葉片和根系均產(chǎn)生了一系列相同的反應(yīng)以適應(yīng)氮脅迫，但由于品種和器官的差異性，響應(yīng)過(guò)程也有特異性。

圖3 不同馬鈴薯品種葉片中氮脅迫差異表達(dá)基因的GO富集

圖4 不同馬鈴薯品種根系中氮脅迫差異表達(dá)基因的GO富集

由圖5可知，LLY vs NLY和LLJ vs NLJ中差異表達(dá)基因顯著富集的通路分別有15條和4條，相同的有氨基酸生物合成，僅在LLY vs NLY中顯著富集的有光合生物的固碳作用、碳代謝、卟啉與葉綠素代謝等。LRY vs NRY和LRJ vs NRJ中差異表達(dá)基因顯著富集的通路分別有8條和12條，相同的有5條，包括類(lèi)胡蘿卜素生物合成、玉米素生物合成、次級(jí)代謝產(chǎn)物的生物合成、苯丙烷生物合成、類(lèi)固醇生物合成；僅在LRY vs NRY中顯著富集的有植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等，僅在LRJ vs NRJ中顯著富集的有谷胱甘肽代謝、氮代謝等。

圖5 不同馬鈴薯品種葉片和根系中氮脅迫差異表達(dá)基因顯著富集的KEGG通路

2.5 馬鈴薯葉片和根系氮代謝途徑對(duì)缺氮的響應(yīng)

由圖6可以看出，LRY vs NRY和LRJ vs NRJ 2個(gè)對(duì)比組中分別有1個(gè)和8個(gè)差異表達(dá)基因富集到氮代謝通路。LRY vs NRY中編碼高親和力NRT(PGSC0003DMG400019675)的基因顯著上調(diào)表達(dá)。LRJ vs NRJ中編碼高親和力NRT(PGSC-0003DMG400016996)、GS(PGSC0003DMG4000-13235)、Fd-谷氨酸合成酶(PGSC0003DMG40000-9698)等的基因顯著上調(diào)表達(dá)，編碼NiR(PGSC-0003DMG400008262)、谷氨酸脫氫酶(PGSC0003-DMG400008344)的基因顯著下調(diào)表達(dá)。LLY vs NLY和LLJ vs NLJ 2個(gè)對(duì)比組中分別有11個(gè)和8個(gè)差異表達(dá)基因富集到氮代謝通路，編碼高親和力NRT(PGSC0003DMG400006913、PGSC0003DMG-400016996)和GS(PGSC0003DMG400013-235)的3個(gè)基因在2個(gè)品種中均上調(diào)表達(dá)，其中PGSC-0003DMG400016996、PGSC0003DMG400013235在LLJ vs NLJ對(duì)比組中上調(diào)的倍數(shù)要大；編碼NiR(PGSC0003DMG-400025823)的基因在2個(gè)品種中均下調(diào)表達(dá)。LLY vs NLY中編碼谷氨酸脫氫酶(PGSC0003DMG-400016001)的基因顯著上調(diào)表達(dá),編碼GS(PGSC0003DMG400004355)、GO-GAT(PGSC0003DMG400009698)的基因顯著下調(diào)表達(dá)。LLJ vs NLJ中編碼谷氨酸脫氫酶(PGSC0003DMG-400008356)、GS(PGSC0003DMG-400014592)的基因顯著上調(diào)表達(dá),編碼NiR(PGSC0003DMG-400008262)的基因顯著下調(diào)表達(dá)。

圖中每一橫排都表示1個(gè)基因，橫排4個(gè)方格依次表示LRY vs NRY、LRJ vs NRJ、LLY vs NLY和LLJ vs NLJ。方格中顏色越紅，代表基因上調(diào)倍數(shù)越大，方格中顏色越綠，代表基因下調(diào)倍數(shù)越大，ns代表基因變化不顯著

2.6 馬鈴薯葉片氨基酸代謝途徑對(duì)缺氮的響應(yīng)

由表3可知，在氨基酸代謝中，LLY vs NLY對(duì)比組中半胱氨酸和蛋氨酸代謝的差異表達(dá)基因數(shù)量排在首位，有31個(gè)；LLJ vs NLJ對(duì)比組中精氨酸和脯氨酸代謝的差異表達(dá)基因數(shù)量最多，有22個(gè)。LLY vs NLY和LLJ vs NLJ 2個(gè)對(duì)比組中涉及上調(diào)差異表達(dá)基因最多的均是苯丙氨酸代謝(22個(gè)和16個(gè))，涉及下調(diào)差異表達(dá)基因最多的均是半胱氨酸和蛋氨酸代謝(16個(gè)和11個(gè))。由圖7可知，LLY vs NLY對(duì)比組苯丙氨酸代謝中，編碼苯丙氨酸解氨酶(PGSC0003DMG400019386)、肉桂酸-4-羥化酶(PGSC0003DMG401030469)、4-香豆酸-CoA連接酶(PGSC0003DMG400008122)的基因顯著上調(diào)表達(dá)；LLJ vs NLJ對(duì)比組苯丙氨酸代謝中，編碼苯丙氨酸解氨酶(PGSC0003DMG400019386、PGSC-0003DMG401021549、PGSC0003DMG40202156-4、PGSC0003DMG402021549、PGSC0003DMG40002-3458、PGSC0003DMG400031457)、肉桂酸-4-羥化酶(PGSC0003DMG402030469)、4-香豆酸-CoA連接酶(PGSC0003DMG400003155)基因顯著上調(diào)表達(dá)。PGSC0003DMG400019386的log 2(FoldChange)水平在LLJ vs NLJ對(duì)比組中較高。LLY vs NLY對(duì)比組半胱氨酸和蛋氨酸代謝中，編碼絲氨酸O-乙酰轉(zhuǎn)移酶(PGSC0003DMG400001573、PGSC0003-DMG400022181、PGSC0003DMG4000-14379)和半胱氨酸合成酶(PGSC0003DMG400-023171、Nove-l00452)的基因顯著下調(diào)表達(dá)；LLJ vs NLJ對(duì)比組半胱氨酸和蛋氨酸代謝中，編碼絲氨酸O-乙酰轉(zhuǎn)移酶(PGSC0003DMG400014379、PGSC0003DMG-400022181)的基因顯著下調(diào)表達(dá)，但編碼半胱氨酸合成酶的基因未發(fā)生顯著變化。

表3 低氮脅迫對(duì)尤佳70和冀張薯12號(hào)葉片氨基酸代謝相關(guān)KEGG通路的影響

A.半胱氨酸和蛋氨酸代謝差異表達(dá)基因;B.苯丙氨酸代謝差異表達(dá)基因。橫排2個(gè)方格依次表示LLY vs NLY、LLJ vs NLJ,方格中顏色越紅，代表基因上調(diào)倍數(shù)越大，方格中顏色越綠，代表基因下調(diào)倍數(shù)越大，ns代表基因變化不顯著

3 討 論

3.1 不同氮效率馬鈴薯品種響應(yīng)低氮脅迫的生理特性差異

馬鈴薯對(duì)缺氮非常敏感，在氮脅迫下馬鈴薯生長(zhǎng)受到抑制，生物量顯著下降[22]。本研究結(jié)果表明，低氮條件下，2個(gè)馬鈴薯品種莖葉、根系干質(zhì)量和氮積累量均顯著下降，但不同品種、不同器官的變化幅度存在差異，莖葉的下降幅度大于根系，冀張薯12號(hào)莖葉干質(zhì)量和氮積累量的降幅小于尤佳70。說(shuō)明低氮條件對(duì)馬鈴薯氮高效品種莖葉生長(zhǎng)的影響小于氮低效品種，氮高效品種莖葉能維持較穩(wěn)定的生長(zhǎng)狀態(tài)。

氮代謝是影響植物代謝和發(fā)育的基本生理過(guò)程，NR是氮還原過(guò)程中的第一個(gè)酶，其對(duì)氮含量反應(yīng)敏感[23-24]。前人研究表明,氮高效品種的NR活性高于氮低效品種，低氮脅迫下NR活性均降低[25]。本研究中，低氮脅迫下尤佳70和冀張薯12號(hào)葉片和根系的NR活性均降低，但冀張薯12號(hào)的降幅低于尤佳70。表明NR活性與馬鈴薯氮效率高低有關(guān)，氮高效品種通過(guò)減小低氮脅迫下NR活性的變化幅度，保持較高的NR活性，從而有利于馬鈴薯植株對(duì)硝態(tài)氮的利用。亞硝酸還原酶將亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化為銨，用以植物吸收利用。矯嬌嬌[12]研究發(fā)現(xiàn)，氮高效品種的NiR活性高于氮低效品種，低氮脅迫下馬鈴薯的NiR活性降低。本研究結(jié)果顯示，低氮脅迫下2個(gè)馬鈴薯品種葉片和根系的NiR活性也降低，冀張薯12號(hào)根系NiR活性降低的幅度較尤佳70大，這可能與其選擇更高效的同化部位有關(guān)。經(jīng)NiR催化后生成的銨仍需要進(jìn)一步同化，GS是其中的關(guān)鍵酶[26-27]；GS活性與作物生物量和氮效率存在顯著正相關(guān)關(guān)系[28-29]。大多數(shù)研究結(jié)果表明，氮高效品種具有較高的GS，低氮處理可以顯著降低GS活性[30]；但也有研究表明，低氮脅迫導(dǎo)致大麥根系的GS活性顯著增加[31]。本研究中，低氮脅迫下尤佳70葉片GS活性顯著降低，而冀張薯12號(hào)則提高；尤佳70和冀張薯12號(hào)根系GS活性均顯著提高，且冀張薯12號(hào)增幅較大。表明馬鈴薯氮高效品種在低氮脅迫條件下具有更強(qiáng)的氮素同化或再同化能力，有利于提高對(duì)有限氮源的利用，穩(wěn)定體內(nèi)的氮量，可見(jiàn)GS活性在一定程度上對(duì)低氮條件下提高馬鈴薯氮利用效率具有更重要的意義。催化生成的谷氨酰胺由GOGAT 繼續(xù)催化生成谷氨酸，該反應(yīng)連接了碳氮代謝。缺氮條件下棉花氮低效品種XLZ-30的GOGAT活性降低，而氮高效品種CCRI-69無(wú)顯著變化[32]。本研究中低氮脅迫下尤佳70葉片和根系的GOGAT活性顯著降低，冀張薯12號(hào)的GOGAT活性變化未達(dá)差異顯著水平。可見(jiàn)馬鈴薯氮高效品種在低氮脅迫條件下具有更強(qiáng)的氮素同化能力，可生成更多的氨基酸。

3.2 不同氮效率馬鈴薯品種響應(yīng)低氮脅迫的轉(zhuǎn)錄水平差異

在本研究中，氮脅迫條件下2個(gè)馬鈴薯品種涉及上調(diào)差異表達(dá)基因最多的均是苯丙氨酸代謝，在冀張薯12號(hào)葉片中發(fā)現(xiàn)6個(gè)編碼苯丙氨酸解氨酶的基因上調(diào)表達(dá)，尤佳70中只有1個(gè)，且上調(diào)倍數(shù)小于冀張薯12號(hào)。苯丙氨酸解氨酶是連接初級(jí)代謝和次級(jí)代謝的關(guān)鍵酶，是苯丙烷生物合成的限速酶，其在植物發(fā)育中具有重要作用，有助于植物抵抗逆境脅迫[36]。苯丙氨酸解氨酶調(diào)控介導(dǎo)的苯丙烷類(lèi)生物合成途徑，可能與低氮條件下不同品種馬鈴薯的氮效率差異有關(guān)。在類(lèi)似的研究中，棉花CCRI-69的氮高效歸因于氮缺乏條件下增強(qiáng)的苯丙烷類(lèi)生物合成[32]，所以與冀張薯12號(hào)葉片苯丙氨酸代謝途徑相關(guān)的差異表達(dá)基因的上調(diào),可能有助于提高其氮利用效率。2個(gè)馬鈴薯品種涉及下調(diào)差異表達(dá)基因最多的均是半胱氨酸和蛋氨酸代謝，編碼絲氨酸O-乙酰轉(zhuǎn)移酶的基因均顯著下調(diào)表達(dá)；尤佳70中編碼半胱氨酸合成酶的基因也顯著下調(diào)表達(dá)，但在冀張薯12號(hào)中并未觀察到顯著變化。絲氨酸O-乙酰轉(zhuǎn)移酶、半胱氨酸合成酶在半胱氨酸合成中起著關(guān)鍵作用。谷氨酸和半胱氨酸是谷胱甘肽合成的前體物質(zhì)，谷胱甘肽在植物代謝和抗逆性中發(fā)揮著重要作用。低氮脅迫下，冀張薯12號(hào)葉片中氮代謝和半胱氨酸代謝途徑受到的影響小于尤佳70，使得冀張薯12號(hào)谷胱甘肽的量能維持在較高水平，因此氧化還原能力增強(qiáng)，抗逆性提高。