《Food Chemistry: Molecular Sciences》：Tissue specific mechanisms of tuber dormancy after 1,4-dimethylnaphthalene treatment in potato
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本文推荐马铃薯采后贮藏中如何有效抑制发芽以降低损失的研究。为解决传统抑芽剂氯苯胺灵(CIPC)被禁用的问题，研究人员以“Russet Burbank”马铃薯为材料，探究了新型天然抑芽剂1,4-二甲基萘(DMN)单次与多次处理后，对块茎初级分生组织、次级分生组织及薯肉组织的特异性转录组和靶向激素谱的影响。研究发现，多次DMN处理能最有效抑制贮藏期发芽，其分子机制涉及通过组织特异性的方式，改变赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)、细胞分裂素(CK)、生长素、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)和乙烯等多种激素的生物合成与信号通路相关基因的表达丰度，并影响AP2/ERF、MYB、bHLH等转录因子家族。该研究为DMN作为CIPC替代品的商业化应用提供了关键的分子机制见解。
马铃薯是全球重要的粮食作物，但其块茎在采后长期贮藏过程中容易过早发芽，这不仅导致块茎重量和营养品质下降，还会影响加工特性，造成巨大的经济损失。长期以来，工业上常用氯苯胺灵(CIPC)作为化学抑芽剂，然而由于环境和健康风险，CIPC已在欧盟等多个国家被禁用。因此，寻找安全有效的替代抑芽剂成为马铃薯产业亟需解决的问题。1,4-二甲基萘(DMN)是一种最初从休眠马铃薯块茎中分离出的天然化合物，作为潜在的抑芽剂日益受到关注。尽管前期研究显示DMN能够通过调控细胞周期相关基因来抑制发芽，但其具体作用机制，特别是单次与多次处理对马铃薯块茎不同组织（如初级芽眼和次级芽眼）中激素调控网络的差异化影响，尚不明确。为此，研究人员在《Food Chemistry: Molecular Sciences》上发表了这项研究，旨在系统揭示DMN处理如何以组织特异性的方式调控马铃薯块茎的休眠分子机制。
本研究主要运用了以下几项关键技术方法：以“Russet Burbank”品种马铃薯块茎为材料，设置了单次、双次和三次DMN熏蒸处理（剂量为20 mg kg-1）及乙醇溶剂对照；在长达18周的贮藏期内，定期监测发芽情况并量化发芽评分；在特定时间点分别采集初级分生组织、次级分生组织和薯肉组织样本；利用RNA测序(RNA-seq)技术进行转录组分析，鉴定差异表达基因(DEGs)，并进行基因本体(GO)和京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析；采用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)进行靶向植物激素代谢组学分析，定量多种激素及其前体含量；使用酶法测定薯肉组织中的还原糖、蔗糖和淀粉含量。
3.1. DMN处理对发芽生长的抑制及还原糖、蔗糖和淀粉含量的变化
通过长达18周的观察发现，多次DMN处理对抑制初级分生组织的发芽生长最为有效，其抑制效果可持续至贮藏第18周。有趣的是，单次DMN处理在抑制初级分生组织生长的同时，却刺激了次级分生组织在6至15周期间的发芽，而双次和三次处理则能显著延迟并抑制次级分生组织的发芽。这表明DMN可能通过打破顶端优势来影响不同芽眼的生长动态。糖代谢分析显示，DMN处理降低了薯肉组织中的葡萄糖、果糖和蔗糖含量，三次处理还在第12周降低了淀粉含量，这暗示DMN可能通过改变源（薯肉）到库（分生组织）的糖分供应来影响发芽。
3.2. RNA-seq分析概述
转录组分析揭示了DMN响应的组织特异性。初级分生组织对DMN处理的转录响应最为强烈，尤其是在第12周经过双次和三次处理的样本中，差异表达基因(DEG)比例最高。次级分生组织则在第6周对单次DMN处理表现出最显著的转录变化。相比之下，薯肉组织的转录响应较弱。主成分分析(PCA)进一步将不同处理和时间的样本清晰区分开来，特别是三次DMN处理在第12周的样本自成一群，突出了重复处理的累积效应。
3.3. GO和KEGG富集分析揭示DMN对激素相关通路的调控
功能富集分析表明，DMN处理显著影响了与“激素水平调节”、“激素介导的信号通路”以及“植物激素信号转导”相关的基因。这些通路在三种组织类型中均被富集，尤其是在贮藏后期（第12周）的DMN处理样本中最为明显，这强有力地支持了DMN通过调控激素网络来抑制发芽的假设。
3.4. DMN处理下的GA和ABA通路
赤霉素(GA)是打破休眠、启动发芽的关键激素。研究发现，DMN处理降低了分生组织中生物活性GA4的含量以及GA生物合成关键基因（如GA3OX1）和信号转导基因（如GID1B）的表达，同时增加了GA信号抑制因子GAI的表达。相反，在薯肉组织中，GA信号相关基因的表达模式则相反。这表明DMN在分生组织（发芽部位）抑制了GA的促生长作用。另一方面，脱落酸(ABA)是维持休眠的主要激素。DMN处理影响了ABA生物合成（如AAO1）和分解代谢（如CCD4）相关基因的表达，并降低了分生组织中ABA分解产物Phaseic acid的含量，这有助于在分生组织中维持较高的ABA信号以延长休眠。
3.5. DMN处理下CK和生长素通路的组织特异性调控
细胞分裂素(CK)和生长素在芽的激活和生长中起核心作用。研究显示，DMN处理降低了分生组织中CK生物合成基因（如IPT1、UGT73C3）的表达以及多种活性CK形式（如反式玉米素核苷-O-葡萄糖苷）的含量。同样，生长素生物合成前体色氨酸的含量以及生长素生物合成关键基因YUC6在次级分生组织中的表达，也在多次DMN处理后下降。这些变化与观察到的发芽抑制现象相一致。转录组数据还显示，生长素信号通路中的多个组分（如AUX1, ARF）表达发生改变，进一步证实了DMN对生长素信号传导的干扰。
3.6. DMN处理对JA和油菜素内酯(BR)通路的调控
茉莉酸(JA)和油菜素内酯(BR)也参与休眠与发芽的调控。研究发现，DMN处理降低了分生组织中活性JA形式（JA-Ile）的含量，并下调了JA生物合成（如OPCL1）和信号转导（如JAR1, MYC2）相关基因的表达。对于BR，DMN处理降低了分生组织中BR生物合成基因（如CYP75B1, CYP90C1）的表达以及两种BR化合物（dolichosterone和castasterone）的含量，同时改变了BR信号通路基因（如BRI1, BZR1/2）的表达模式。这些结果表明，DMN通过抑制JA和BR相关的促生长和应激反应通路，协同抑制发芽。
3.7. DMN对乙烯和SA通路的调控
乙烯在马铃薯休眠中的作用较为复杂。本研究显示，DMN提高了乙烯生物合成基因（如ACO1-2）和部分受体基因（如ETR2）的表达，但却降低了乙烯信号通路中的关键正调控因子EIN2和EIN3在初级分生组织中的表达。这种看似矛盾的调控可能正是DMN抑制发芽的机制之一：在维持基础乙烯水平的同时，阻断其下游促发芽信号。此外，DMN还降低了分生组织中水杨酸(SA)信号基因（如NPR3）的表达。
3.8. DMN处理下的转录因子和信号通路
研究鉴定出大量受DMN调控的转录因子，其中以APETALA2/乙烯响应因子(AP2/ERF)、骨髓细胞瘤病转录因子(MYB)和碱性螺旋-环-螺旋(bHLH)家族最为显著。这些转录因子是连接激素信号与下游生长发育程序的关键枢纽，它们的差异表达进一步证实了DMN通过重塑核心转录调控网络来维持块茎休眠。
结论与意义
本研究系统阐明了DMN作为一种替代抑芽剂，通过组织特异性的、多激素网络协同作用的方式抑制马铃薯块茎发芽的分子机制。核心结论包括：1. 多次DMN处理是长期抑制发芽（尤其是次级分生组织）的必要条件；2. DMN的作用具有显著的组织特异性，对初级分生组织、次级分生组织和薯肉组织的转录及代谢响应各不相同；3. DMN通过系统性调控赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)、细胞分裂素(CK)、生长素、茉莉酸(JA)、油菜素内酯(BR)、乙烯和水杨酸(SA)这八大激素通路，改变其活性形式含量及相关基因表达，从而重塑块茎的激素平衡；4. DMN影响AP2/ERF、MYB、bHLH等关键转录因子家族，从转录层面全局调控休眠相关程序。
这项研究的意义在于，它不仅为DMN替代CIPC的商业化应用提供了坚实的理论基础和分子证据，揭示了其高效抑芽的多靶点、网络化作用机制，而且深化了对马铃薯块茎休眠这一复杂生理过程的科学理解。研究指出的组织特异性响应和多次处理的重要性，对优化DMN在马铃薯仓储中的施用策略（如处理时机、频率和剂量）具有直接指导价值，有助于减少采后损失，保障粮食安全和农业经济收益。
