莲在中国具有悠久的栽培历史，是集观赏、食用、药用于一身的重要水生经济作物。莲子淀粉属于天然高直链淀粉，在开发降血糖功能食品和低血糖生成指数食品上具有良好的前景。目前，莲子淀粉含量仍有待提高，解析莲子淀粉合成机制对于提高莲子淀粉含量和改良莲子品质具有重要意义。此外，随着莲全基因组测序工作的完成和现代分子生物学技术的快速发展，莲的基因功能基因组学研究水平也在不断提升。然而，莲中高效稳定的遗传转化体系尚未构建，严重制约了莲中基因功能组学的开展。通过优化影响莲愈伤组织形成的关键因素，有利于开发出高效稳定的的莲愈伤组织诱导体系。武汉植物园莲种质资源与遗传育种学科组科研人员针对以上两个科学问题分别开展了相关研究并取得一些重要进展。
进展一：研究者分别对30个子莲栽培种的莲子营养成分进行分析，发现授粉后15天（15DAP）的青鲜莲子和成熟莲子中的淀粉平均含量分别为28.20%和47.12%。通过莲子比较转录组分析，揭示淀粉和蔗糖代谢途径参与莲子发育进程，多个参与淀粉合成途径的酶编码基因在9DAP - 12DAP发育进程中诱导上调表达，包括ADP葡萄糖焦磷酸化酶（AGPase）。结合莲前期已公布基因组数据，分别鉴定到3个和4个基因编码AGPase大亚基和小亚基，且进化分析表明大小亚基分化明确。通过表达分析发现NnAGPL2a和NnAGPS1a为参与莲子发育优势表达基因，其与多个参与淀粉和蔗糖代谢途径基因存在共表达关系。此外，研究者发现NnAGPL2a和NnAGPS1a基因的表达模式AGPase酶活性变化和莲子中淀粉含量的积累三者之间的变化模式趋于一致。以上研究结果拓展了对莲子淀粉合成的分子机制的认识，为高淀粉子莲新品种的改良和选育提供理论依据。该研究成果以“Comprehensive analysis of AGPase genes uncovers their potential roles in starch biosynthesis in lotus seed” 为题，发表于国际学术期刊BMC Plant Biology。武汉植物园莲种质资源与遗传育种学科组助理研究员孙恒和湖北工程学院李娟娟为论文共同第一作者，杨美研究员为论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目和中国科学院青年创新促进会项目的资助。
论文链接：https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-020-02666-z
进展二：研究者通过优化一系列影响愈伤组织形成的关键因素，开发了一套高效的荷花愈伤组织诱导系统。研究发现在含有3 mg/L 2,4-D和0.5 mg/L 6-BA的MS培养基中，以未成熟莲子子叶和胚作为外植体诱导出的愈伤组织效率最高。此外，莲的基因型、光照条件、外植体发育阶段和取样时间对诱导愈伤组织也有一定的影响。以‘十里荷1号’授粉后9天的莲子子叶为外植体，在弱光条件下培养，被认为是莲愈伤组织诱导的最佳条件。利用未成熟种子的莲心培育出的无菌苗，也是诱导优质愈伤组织的优良外植体。此外，研究者在莲的愈伤组织中发现了莲生物碱的累积和生物碱合成相关基因的表达。以上研究结果为建立莲体细胞胚胎发生转化体系提供了重要的理论指导，同时对建立利用体细胞培养技术生产生物碱体系方面具有重要的价值。该研究成果以“The Establishment of an Efficient Callus Induction System for Lotus (Nelumbo nucifera)”为题，发表在国际学术期刊Plants。武汉植物园莲种质资源与遗传育种学科组副研究员邓显豹和硕士研究生熊雅倩为论文共同第一作者，杨美研究员为论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院青年创新促进会项目和中央高校基本科研业务费专项资金的资助。
论文链接：https://res.mdpi.com/d_attachment/plants/plants-09-01436/article_deploy/plants-09-01436.pdf
图1. 莲AGPase基因参与莲子淀粉合成
图2. 莲愈伤组织诱导流程示意图
