蓮在中國具有悠久的栽培歷史，是集觀賞、食用、藥用于一身的重要水生經濟作物。蓮子淀粉屬于天然高直鏈淀粉，在開發降血糖功能食品和低血糖生成指數食品上具有良好的前景。目前，蓮子淀粉含量仍有待提高，解析蓮子淀粉合成機制對于提高蓮子淀粉含量和改良蓮子品質具有重要意義。此外，隨著蓮全基因組測序工作的完成和現代分子生物學技術的快速發展，蓮的基因功能基因組學研究水平也在不斷提升。然而，蓮中高效穩定的遺傳轉化體系尚未構建，嚴重制約了蓮中基因功能組學的開展。通過優化影響蓮愈傷組織形成的關鍵因素，有利于開發出高效穩定的的蓮愈傷組織誘導體系。武漢植物園蓮種質資源與遺傳育種學科組科研人員針對以上兩個科學問題分別開展了相關研究并取得一些重要進展。
進展一：研究者分別對30個子蓮栽培種的蓮子營養成分進行分析，發現授粉后15天（15DAP）的青鮮蓮子和成熟蓮子中的淀粉平均含量分別為28.20%和47.12%。通過蓮子比較轉錄組分析，揭示淀粉和蔗糖代謝途徑參與蓮子發育進程，多個參與淀粉合成途徑的酶編碼基因在9DAP - 12DAP發育進程中誘導上調表達，包括ADP葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）。結合蓮前期已公布基因組數據，分別鑒定到3個和4個基因編碼AGPase大亞基和小亞基，且進化分析表明大小亞基分化明確。通過表達分析發現NnAGPL2a和NnAGPS1a為參與蓮子發育優勢表達基因，其與多個參與淀粉和蔗糖代謝途徑基因存在共表達關系。此外，研究者發現NnAGPL2a和NnAGPS1a基因的表達模式AGPase酶活性變化和蓮子中淀粉含量的積累三者之間的變化模式趨于一致。以上研究結果拓展了對蓮子淀粉合成的分子機制的認識，為高淀粉子蓮新品種的改良和選育提供理論依據。該研究成果以“Comprehensive analysis of AGPase genes uncovers their potential roles in starch biosynthesis in lotus seed” 為題，發表于國際學術期刊BMC Plant Biology。武漢植物園蓮種質資源與遺傳育種學科組助理研究員孫恒和湖北工程學院李娟娟為論文共同第一作者，楊美研究員為論文通訊作者。本研究得到國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目和中國科學院青年創新促進會項目的資助。
論文鏈接：https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-020-02666-z
進展二：研究者通過優化一系列影響愈傷組織形成的關鍵因素，開發了一套高效的荷花愈傷組織誘導系統。研究發現在含有3 mg/L 2,4-D和0.5 mg/L 6-BA的MS培養基中，以未成熟蓮子子葉和胚作為外植體誘導出的愈傷組織效率最高。此外，蓮的基因型、光照條件、外植體發育階段和取樣時間對誘導愈傷組織也有一定的影響。以‘十里荷1號’授粉后9天的蓮子子葉為外植體，在弱光條件下培養，被認為是蓮愈傷組織誘導的最佳條件。利用未成熟種子的蓮心培育出的無菌苗，也是誘導優質愈傷組織的優良外植體。此外，研究者在蓮的愈傷組織中發現了蓮生物堿的累積和生物堿合成相關基因的表達。以上研究結果為建立蓮體細胞胚胎發生轉化體系提供了重要的理論指導，同時對建立利用體細胞培養技術生產生物堿體系方面具有重要的價值。該研究成果以“The Establishment of an Efficient Callus Induction System for Lotus (Nelumbo nucifera)”為題，發表在國際學術期刊Plants。武漢植物園蓮種質資源與遺傳育種學科組副研究員鄧顯豹和碩士研究生熊雅倩為論文共同第一作者，楊美研究員為論文通訊作者。本研究得到國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院青年創新促進會項目和中央高校基本科研業務費專項資金的資助。
論文鏈接：https://res.mdpi.com/d_attachment/plants/plants-09-01436/article_deploy/plants-09-01436.pdf
圖1. 蓮AGPase基因參與蓮子淀粉合成
圖2. 蓮愈傷組織誘導流程示意圖
