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研究人员为探究氮（N）水平和种植密度（PD）对甘薯转化酶（INV）基因表达影响，鉴定出 22 个 IbINV 基因，发现合理调控 N 和 PD 可促进甘薯生长，为优化种植提供理论依据。
甘薯，作为全球第七大重要粮食作物，是许多地区人们的主食，为人体提供丰富的碳水化合物等营养物质。然而，在甘薯的种植过程中，有两个关键因素一直困扰着种植者们。那就是氮素的施加量和种植密度，它们对甘薯产量和品质的影响十分复杂。氮素不足时，甘薯的侧根数量和伸长会受到抑制，导致贮藏根的数量和重量大幅减少；而氮素过多呢，同样会适得其反，降低贮藏根的数量和重量，影响最终产量。种植密度也是个难题，不合理的密度会影响甘薯的光合作用效率，进而影响产量。更重要的是，氮素水平和种植密度究竟是如何协同调控甘薯转化酶（INV）基因的，这个问题在之前的研究中几乎无人涉足。而 INV 基因在蔗糖水解和根发育过程中起着至关重要的作用，它的调控机制不清，严重阻碍了甘薯种植技术的优化。
为了解开这些谜团，海南大学等研究机构的研究人员开展了一项深入的研究。研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。该研究为甘薯种植中氮素和种植密度的合理调控提供了重要的理论依据，有望帮助种植者提高甘薯的产量和品质，推动甘薯种植业的发展。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：首先，通过生物信息学手段，从甘薯基因组数据库中鉴定出 22 个 IbINV 基因，并对其进行结构、染色体定位、保守结构域等分析；利用转录组数据研究 IbINV 基因在不同组织中的表达模式；进行田间实验，设置不同的氮素水平和种植密度处理，测定根的农艺性状、葡萄糖（GLc）和果糖（FRc）含量、INV 酶活性以及 IbINV 基因的表达水平；运用同源性分析，将关键基因与拟南芥中的同源基因进行比对，探究其功能。
研究结果如下：
- 甘薯 INV 基因家族的鉴定与分析：研究人员从甘薯基因组中成功鉴定出 22 个 IbINV 基因，并根据其染色体位置和预测的亚细胞定位进行命名。这些基因分布在不同的染色体上，其中 IbCWINs 主要位于染色体末端，IbCINs 和 IbVINs 则均匀分布。通过对基因结构和保守基序的分析，发现 INV 家族可分为两类，CIN 为一类，CWIN 和 VIN 为另一类，且它们具有不同的保守基序和结构域。
- IbINV 基因的功能预测：对 IbINV 基因上游 2000bp 序列进行分析，发现其中包含大量与胁迫响应、光响应、激素响应以及生长发育相关的顺式作用元件。GO 功能分析表明，这些基因与碳水化合物代谢功能和生物学过程密切相关。蛋白质 - 蛋白质相互作用网络分析进一步揭示，IbINV 蛋白与己糖激酶（HKL、HXK）等多种蛋白相互作用，参与碳水化合物的代谢和储存过程。
- IbINV 基因在不同组织中的表达模式：基于转录组数据，研究人员分析了 22 个 IbINV 基因在甘薯不同组织（纤维根、潜在贮藏根和贮藏根）中的表达情况。结果显示，这些基因的表达水平在不同组织中存在显著差异。例如，IbCIN2 和 IbVIN3 在纤维根和潜在贮藏根中高表达，暗示它们在调节根数量和早期贮藏根形成中起重要作用；IbVIN4 在贮藏根中高表达，IbCWIN2 在贮藏根和纤维根中均高表达，表明它们参与了贮藏根的形成和发育过程；IbCIN4 在所有三个组织中均持续高表达，可能是 IbINV 基因中的关键调节因子。
- 氮水平和种植密度对 INV 介导的己糖代谢和贮藏根形成的影响：田间实验表明，中等氮水平（MN，120kg N ha-1）和中等种植密度（MD，62,500 plant ha-1）的组合（MDMN）显著增加了甘薯根的数量和重量，优于常规处理（LDEN）。MDMN 处理下，根中葡萄糖和果糖含量、INV 酶活性显著提高。qRT-PCR 分析发现，在 MDMN 处理下，IbCIN2、IbCWIN2、IbVIN3 和 IbVIN4 基因显著上调，且它们的表达模式与 INV 酶活性以及葡萄糖和果糖含量的变化趋势一致。相关性分析和同源性比对进一步证实，这四个基因与甘薯贮藏根的形成和发育密切相关。
研究结论和讨论部分指出，该研究全面分析了甘薯基因组中的 22 个 IbINV 基因，发现节段性重复是 IbINV 基因家族扩张的主要驱动力，而 IbCIN 家族可能在进化过程中发生了突变，导致功能多样化。功能预测表明，IbINV 基因参与多种生物学过程，与甘薯的生长发育密切相关。转录组数据和田间实验结果共同表明，IbCIN2、IbCWIN2、IbVIN3 和 IbVIN4 是参与甘薯贮藏根形成和发育的关键调节基因，尤其是 IbCIN2，可能在响应氮水平和种植密度变化中起核心作用。此外，研究还发现，合理降低氮水平并增加种植密度（MDMN 处理）可以提高甘薯贮藏根的产量，同时促进氮素的高效利用。这一研究结果为进一步研究甘薯 INV 基因家族的功能奠定了基础，也为优化甘薯种植中氮素和种植密度的交互作用提供了理论依据，对提高甘薯产量和品质具有重要的实践意义。但研究人员也指出，还需要进一步对 IbCIN2 及相关基因进行功能验证，以更深入地了解它们在甘薯生长发育中的具体作用机制。
