竹胚性愈伤组织形成过程中淀粉体合成与代谢的RNA-seq解析及其在遗传转化体系构建中的意义

本研究针对竹类植物营养生长期长、种子稀缺导致的分子育种瓶颈，以长宁竹(Bambusa changningensis)芽为外植体，通过转录组测序(RNA-seq)揭示了2,4-D和脯氨酸诱导胚性愈伤组织(EC)形成的关键机制。研究发现EC中淀粉合成基因(SS1/SBE1/STP-1)显著上调，淀粉体代谢通路激活，为建立竹类高效遗传转化体系提供了新靶点。论文发表于《BMC Plant Biology》。

　　

竹类植物以其惊人的生长速度被誉为"植物界的奇迹"，但其漫长的营养生长期（可达数十年）和罕见的开花特性，使得传统育种面临巨大挑战。更棘手的是，大多数竹种不产生种子，导致难以通过种子胚胎诱导愈伤组织——这一植物基因工程的关键起点。长宁竹(Bambusa changningensis)作为具有特殊再生能力的造纸用竹，为破解这一困境提供了理想材料。研究人员迫切需要揭示其胚性愈伤组织(Embryogenic Callus, EC)形成的分子机制，为建立高效的遗传转化系统铺路。

为解开这个科学谜题，西南科技大学胡尚连团队在《BMC Plant Biology》发表重要成果。研究采用三步走策略：首先优化培养基配方，发现添加椰子粉、2,4-D和脯氨酸的XMS培养基最有利EC形成；继而通过激素检测发现非胚性愈伤组织(Non-embryogenic Callus, NE)中生长素和赤霉素(GA)含量显著高于EC；最后运用RNA-seq技术锁定795个差异表达基因(DEGs)，结合淀粉染色和qRT-PCR验证，构建出淀粉体代谢调控EC形成的分子网络。关键技术包括：扫描电镜观察愈伤组织形态、Illumina NovaSeq平台转录组测序、加权基因共表达网络分析(WGCNA)以及淀粉含量测定。

培养基优化揭示关键诱导因子

研究比较MS2、CMS2（含椰子粉）和PMS2（含脯氨酸）培养基效果，发现CMS2使愈伤组织增量提升118%（6.86 g vs 3.14 g/30天）。XMS培养基（含2,4-D+脯氨酸+谷氨酰胺+水解酪蛋白）表现最优，EC增量达1.67 g/单位重量。激素检测显示NE中生长素和GA含量显著高于EC，且随2,4-D浓度增加呈下降趋势。

形态学与淀粉代谢特征

扫描电镜显示EC细胞排列紧密，出现球形胚结构，而NE细胞大而松散。关键发现是EC淀粉含量较NE提高76%（86.31 vs 49.11 mg/g），并观察到淀粉体动态变化：从无淀粉体细胞（阶段1）→淀粉体积累（阶段2-4）→淀粉体降解（阶段5）的完整转化过程。

转录组解析分子机制

RNA-seq鉴定出795个核心DEGs，GO分析显示其富集于淀粉合成酶活性（starch synthase activity）和淀粉粒生物合成。WGCNA分析锁定SS1（可溶性淀粉合成酶1）、SBE1（淀粉分支酶1）、STP-1（淀粉磷酸化酶1）等关键基因，qRT-PCR证实其在EC中表达量显著提升。特别值得注意的是STP-1可能介导阶段4→5的淀粉体降解过程。

这项研究首次系统揭示了竹类EC形成与淀粉体代谢的关联机制：2,4-D通过下调内源生长素和GA，激活SS1/SBE1介导的淀粉合成，而STP-1调控的淀粉降解可能是胚胎发育的"分子开关"。该发现不仅为竹类遗传转化体系优化提供了XMS培养基配方（专利潜力），更鉴定出SS1/SBE1/STP-1等关键靶点，为通过基因编辑提升竹类再生能力奠定基础。未来研究可探索这些基因在其它竹种的保守性，推动竹类分子育种进入精准调控新时代。