調節基因表現：馬鈴薯（potato）在氣候變遷下的生產力之鑰

 

圖片來源：維基百科

隨著全球暖化，許多作物的產量都受到了影響。在主要糧食作物中，發源於安地斯山高地的馬鈴薯可能是影響最大的了！根據一項模擬預測，與目前的產量相比，到了 2050 年，印度 11 月中旬種植的馬鈴薯作物的產量可能會降低約 11％。同樣地，在中國半乾燥的地區，暖化實驗顯示，溫度上升可能導致馬鈴薯產量下降，當溫度上升 1.0-2.0°C 時下降 12.9-13.4%[1]。這些發現意味著，全球暖化可能會對馬鈴薯作物的生長和產量產生不利影響。

最近的一個研究[2]，可能提供了一部分的解決方案。

研究團隊發現，當他們提供馬鈴薯不同劑量的氮肥時，低氮肥（25與125 mg/L）反而可以讓馬鈴薯在第28天時形成了小型的塊莖，而使用較高氮肥（250與500 mg/L）的植株則只有莖蘇（stolons）而沒有塊莖。

當研究團隊使用高溫條件（白天攝氏30度、晚上攝氏28度）時，這些馬鈴薯形成塊莖的時間，相比於控制條件（攝氏21度和攝氏19度）就延遲了。這個現象，在高氮肥時更加惡化。所以，在全球暖化的狀況下，若想多用氮肥來提升馬鈴薯的產量，只會有揠苗助長的反效果。

那要怎樣才能提升馬鈴薯的產量呢？研究團隊發現，如果高量表現SP6A這個基因，就可以抵銷因為高溫所帶來的問題。在高溫條件下，經過基因改造以高量表現SP6A基因的馬鈴薯植物（SP6A-OE植物），即使在添加250或500 mg/L的條件下，其產量也與在正常控制條件下生長的野生型植物相當。這一發現顯示，SP6A基因的高量表現可以有效地提高馬鈴薯對高溫壓力的耐受性，並且即使在高氮肥條件下也能維持良好的產量表現。

SP6A是self-pruning 6A的簡稱，早期被發現與FT基因相關[3]，但後來發現與塊莖形成有關。其功能包括促進匍匐莖（stolons）向厚實的塊莖的發展，從而增加塊莖數量和產量；促進碳源向地下的塊莖等器官的分配，提高地下器官的碳源強度；調節碳源的分配，使得植物更有效地將碳源分配到發育中的塊莖；參與調控塊莖形成的激活過程，從而增加地下器官的強度。總而言之，SP6A是馬鈴薯塊莖形成和生長的重要調節因子，有助於提高產量並促進地下器官的發育。

所以，這篇論文發現，雖然SP6A並非熱休克基因的一員，但是高量表現SP6A基因，就可以抵銷高溫對馬鈴薯的不利影響。

想想也真是滄海桑田，十五、十六世紀時，歐洲人靠著耐寒的馬鈴薯協助他們渡過小冰河期，而率先種植馬鈴薯的德國（時為普魯士），更因此而一躍成為歐洲強國；如今，耐寒的馬鈴薯卻因為全球暖化而面臨危機，亟待人類伸出援手。

參考文獻：

[1] Saon, Banerjee., Kushal, Sarmah., Asis, Mukherjee., A., Satta., Pintoo, Bandopadhyay. (2022). Effect of projected climate scenarios on the yields of potato crop and agronomic adaptation options as evaluated by crop growth model. Mausam, doi: 10.54302/mausam.v73i1.5081

[2] Koch, L., Lehretz, G.G., Sonnewald, U. and Sonnewald, S. (2024), Yield reduction caused by elevated temperatures and high nitrogen fertilization is mitigated by SP6A overexpression in potato (Solanum tuberosum L.). Plant J. https://doi.org/10.1111/tpj.16679

[3] Enshuang, Wang., Tengfei, Liu., Xiaomeng, Sun., S., R., Jing., Tingting, Zhou., Tiantian, Liu., Botao, Song. (2022). Profiling of the Candidate Interacting Proteins of SELF-PRUNING 6A (SP6A) in Solanum tuberosum. International Journal of Molecular Sciences, doi: 10.3390/ijms23169126