Current Biology｜瑞典科学家揭示白杨的生长不受淀粉储量的限制

2022年7月11日，瑞典农业科学大学Totte Niittyla等科研学者在国际著名期刊Current Biology发表题为“Aspen growth is not limited by starch reserves”的研究论文。研究表明，白杨树（Aspen）在生长过程中采用被动的淀粉储存机制，并且淀粉储量的不足不会影响白杨的生长。

光合生物能够将CO2以有机碳源形式储存在体内。在夜间或者生物生长需求增多时，生物会使用储存的碳源。植物中的碳主要以淀粉形式储存。多项研究表明，当光合作用或糖转运受到限制时，例如休眠、子叶打开或应对胁迫，淀粉通过提供碳和能量发挥作用。但是当树木生长不受环境因素限制时，淀粉的作用仍然不太清楚。除此之外，目前许多研究记录了树木淀粉水平，但淀粉与树木生长之间的关系尚不清楚。

为了探究淀粉在树木生长过程中的碳储存机制和作用，研究者使用CRISPR-Cas9技术对白杨中编码磷酸葡糖变位酶(PGM)的基因进行了编辑，并生成了突变体植株。光照结束后，对pgm1 pgm2突变体的叶片、韧皮部、组织根尖等部位进行碘染色，显示染色强度明显降低（图1）。定量实验进行再次验证，说明pgm1 pgm2突变体中淀粉含量明显降低。

通过对pgm1 pgm2突变体表型进行观察，发现突变体植株的高度、生长速率、茎粗度、木材密度等与野生型相比较都没有明显差异。这表明淀粉在白杨的生长过程中并不是关键的碳源。相比之下，拟南芥pgm突变体表现出严重的生长缺陷，并且拟南芥和烟草pgm突变体在夜间生长表现出生长速率降低。为了进一步研究pgm1 pgm2中碳水化合物状态，研究者量化了在18 /6小时昼夜循环下生长的叶片中的蔗糖、葡萄糖和果糖水平。结果显示，淀粉的缺乏对叶子中可溶性糖的影响不大。

为了探究pgm1 pgm2中淀粉合成的缺失是否会导致更多的碳用于生长，研究者分析了WT 和突变体的碳同化速率。在高强度辐照度下，突变体显示出CO2吸收减少（图2A）。叶片蒸腾没有明显差异，表明CO2同化的减少不是由气孔导度降低引起的（图2B）。同样对叶绿素含量进行测定，显示突变体中叶绿素含量略有增加，而所有光合参数无明显变化。以上说明CO2同化率降低更可能是由于碳循环减少所引起的。

树的根、茎和枝中的淀粉储量在一年中有所不同。在生长季节开始时，淀粉主要储备在新叶中。为了检测淀粉在这个过程中的作用，研究者比较了突变体和野生型植株的发芽时间。通过调整光照时间以诱导树木生长停止、萌芽和休眠。在休眠和发芽过程中均没有观察到pgm1pgm2和 WT之间的差异。说明白杨中的休眠和出芽不需要淀粉合成。以上结果表明杨树不会主动地将碳转化为淀粉，即白杨的淀粉储存机制是被动的。

综上所述，本研究表明白杨pgm1 pgm2中的CO2同化减少，对树木生长速率和生物量积累没有明显影响，这表明碳的可用性不会限制树木生长。白杨中淀粉碳通量的控制为被动淀粉储存方式，以支持树木在整个生命周期中的生长和生存。

原文链接：

https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(22)01018-1#%20

本文转载自Mol Plant植物科学

转自：植物生物技术Pbj

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