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2022 , Vol. 43 >Issue 8: 1535 - 1544

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2022.08.002

Omics & Biotechnology

Identification of Key Sucrose-degrading Enzymes and the Relevant Gene Family Members in the Development of Sweetpotato Storage Roots

  • ZHANG Wenjie 1 ,
  • XIN Shuli 2 ,
  • HUANG Zherui 1 ,
  • ZHU Zhixin 1 ,
  • SI Chengcheng 1 ,
  • CHEN Yanli 1 ,
  • ZHU Guopeng 1 ,
  • LIU Yonghua , 1, *
Expand
  • 1. School of Horticulture, Hainan University / Key Laboratory for Quality Regulation of Tropical Horticultural Crops of Hainan Province, Haikou, Hainan 570228, China
  • 2. Agricultural Service Center of Baoting, Baoting, Hainan 572316, China
* LIU Yonghua,E-mail： 。

Received date: 2021-12-20

  Revised date: 2022-03-07

  Online published: 2022-09-09

Fold

Abstract

Sucrose catabolism plays important roles in the development of potato tuberous roots and carrot taproots, but the roles of sucrose catabolism in the development of sweetpotato storage roots remain elusive. In this paper, two sweetpotato lines ‘Kokei 14' and the mutant were employed in the research, which have significant differences in the storage root number per plant and fresh weight per storage root. In order to identify the key sucrose-degrading enzymes and the relevant gene family members that regulate the number and size of storage roots, the content of soluble sugar (sucrose, glucose and fructose) and starch, the activities of four sucrose-degrading enzymes and the expression level of the genes were measured at different development stages (30 d, 60 d, 90 d and 120 d) of the storage roots of the two sweet potato lines. The results are as follows: (1) The dynamic changes of the activities of four sucrose-degrading enzymes during the development of storage roots were clarified. The overall change trend of cytoplasmic invertase (CIN) and vacuolar invertase (VIN) activities showed a ‘u' curve, i.e. the activities were relatively higher in the early and late stages of development, but the lowest in the middle stage of development; The overall change trend of cell wall invertase (CWIN) and sucrose synthase (Sus) were just reverse and showed an ‘n' curve, i.e. the activities were relative lower in the early and late stage of storage root development, and were the highest in the middle stage of development. (2) As compared with the mutant, ‘Kokei 14' with higher number and fresh weight of storage roots had higher Sus and CIN activities in the early stage of storage root development (30 d), and higher Sus and CIN activities could promote the transport of sucrose from leaves to storage roots, and consequently increase the content of starch, sucrose and glucose in storage roots, which finally provided energy and carbon skeleton for the development of root tubers to increase the number and fresh weight of storage roots. (3) Nine Sus gene family members and twelve CIN gene family members were identified from the sweet potato genome. Among them, the expression levels of one Sus gene (IbSus6) and five CIN genes (IbCIN4, IbCIN6, IbCIN8, IbCIN10 and IbCIN11) were significantly higher in 30 d of storage roots of ‘Kokei 14' than in that of the mutant. Furthermore, IbSus6 and IbCIN4, IbCIN8, IbCIN10, IbCIN11were the main members of Sus and CIN gene family expressed in 30 d storage roots, respectively. Therefore, the Sus gene and four CIN genes may be the key genes regulating the development of sweet potato storage roost. In conclusion, Sus and CIN play important roles in the early developmental stage of of sweet potato storage roots and identification of the key gene family members can provide a theoretical basis for the breeding of excellent new sweetpotato varieties.

Key words： sweetpotato; invertase; sucrose synthase; tuberous root development; gene family

Cite this article

ZHANG Wenjie , XIN Shuli , HUANG Zherui , ZHU Zhixin , SI Chengcheng , CHEN Yanli , ZHU Guopeng , LIU Yonghua . Identification of Key Sucrose-degrading Enzymes and the Relevant Gene Family Members in the Development of Sweetpotato Storage Roots[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2022 , 43(8) : 1535 -1544 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.08.002

甘薯（Ipomoea batatas）属旋花科一年生或多年生草本块根植物,其膨大的块根富含淀粉和可溶性糖,不仅可以作为主粮和饲料,而且可以用于鲜食和食品加工[1]。同时,其块根和茎叶还具有一定的抗癌作用,被医学界称为抗癌蔬菜之一[2-3]。因此,甘薯既有粮食作物的特点,也有经济作物的特点。我国是甘薯种植大国,根据联合国粮农组织（FAO）统计显示,目前我国甘薯种植面积和产量为237万hm2和5200万t,分别占全世界种植面积和产量的32%和57%,稳居世界第一[4]。但目前我国甘薯生产上仍有一些问题亟待解决。首先,与发达国家相比中国的甘薯单产偏低。目前中国的甘薯单产为21.0 t/hm2,而日本和以色列的单产分别为24.7、33.3 t/hm2[5]。其次,甘薯的品质仍较差。特别是与美国、日本等发达国家相比,我国加工专用品种的淀粉含量相对较低,仍有很大的提升空间[6]。
甘薯块根富含淀粉和可溶性糖,蔗糖分解代谢不仅影响其正常的生长发育,而且可能在其块根的产量和品质形成中发挥着重要的调控作用。植物体内有两大类蔗糖分解酶,即蔗糖合成酶（sucrose synthase,Sus）和转化酶（invertase,INV）。根据INV的亚细胞定位可进一步细分为细胞壁转化酶（cell wall invertase,CWIN）、液泡转化酶（vacuolar invertase,VIN）和细胞质转化酶（cytoplasmic invertase,CIN）[7]。研究表明,蔗糖分解酶在植物块根/块茎的发育中发挥着不可或缺的重要作用。例如,利用反义RNA技术分别下调胡萝卜中CWIN、VIN以及Sus的表达都会导致胡萝卜肉质根的生长发育受到显著抑制[8-9]。在马铃薯中下调Sus表达则导致块茎数量减少,同时淀粉含量也下降[10-11]。然而,这并不意味着上调蔗糖分解酶一定会促进块根/块茎的生长发育和增加最终产量。例如,酵母转化酶在马铃薯细胞质中的超表达虽然增加了块茎数量,但块茎却同时变小;与此类似,酵母转化酶在细胞壁上的超表达虽然增加了块茎的大小,但块茎数量却下降[12]。上述研究表明,蔗糖分解酶活性可能受到严格的调控,其活性过高或过低都不利于块根/块茎的生长发育和最终产量的提升。
甘薯块根富含淀粉和可溶性糖,其含量分别可高达块根鲜重的26.0%和5.5%[6,13]。淀粉和可溶性糖的含量和组成是影响甘薯品质的重要因素。一方面,淀粉含量及其组成（直链和支链淀粉的相对含量）会影响到甘薯的质地和口感[14]。另一方面,可溶性糖含量和组成不仅会直接影响到甘薯的甜度,而且还会影响到其食品加工属性。研究表明,除了调控块根/块茎的数量和大小,蔗糖分解酶还会通过调节淀粉和可溶性糖含量从而影响其品质和食品加工属性。如利用反义RNA技术下调马铃薯中Sus的表达会导致块茎中淀粉含量的下降[10-11]。另外,高含量的还原性己糖（如葡萄糖）会导致甘薯在加工过程中产生“褐变”现象,影响加工食品的外观品质[14-15]。在马铃薯上,下调VIN的活性会抑制低温储藏过程中发生的块茎“变甜”现象,有效阻止食品加工过程中的“褐变”现象[16]。此外,通过转基因手段下调胡萝卜中VIN的表达会降低肉质根中己糖含量[8,17]。在甘薯上也存在类似的现象,例如对不同甘薯品种的研究发现,VIN活性和块根中己糖含量显著正相关[18-19]。甘薯SRF1基因编码一个Dof转录因子,SRF1在甘薯中的超表达可通过抑制VIN的表达来降低块根中的己糖含量[20]。
综上所述,蔗糖分解酶在块根/块茎发育中发挥着重要的作用,不仅会影响到块根/块茎的产量（包括数量和大小）,还会影响其品质。然而,上述转基因研究均来自马铃薯块茎和胡萝卜肉质根等作物,而有关甘薯块根方面的研究仍处于空白状态。这在很大程度上是由于甘薯属于高度杂合的异源六倍体（B1B1B2B2B2B2）作物,从而导致相关的研究存在较大困难[20-21]。到目前为止,国内外的研究大多集中于对甘薯块根发育过程中淀粉和糖分含量变化的研究,为数不多的对蔗糖代谢酶的研究也仅仅局限于对甘薯块根发育中蔗糖分解酶表达和活性动态变化规律的研究。目前仍不清楚调控甘薯块根产量和品质的关键蔗糖分解酶及其基因家族成员。
在海南主栽甘薯品种‘高系14'的栽培过程中发现一个突变体,通过扦插方式扩繁后,发现该突变体在地上部主要性状和薯肉颜色等方面无显著变化,但其单株块根数量和大小含显著下降,同时薯皮颜色、可溶性糖和淀粉含量也发生了显著变化。因此,本研究以海南主栽甘薯品种‘高系14'及其突变体为材料,通过对2个甘薯品种的不同发育时期（定植后30、60、90、120 d）块根中的淀粉和可溶性糖含量、蔗糖分解酶活性以及基因表达水平进行测定,通过对上述指标的基因型差异和动态变化规律进行研究,以期初步鉴定出调控甘薯块根生长发育的关键蔗糖分解酶及主要基因家族成员,为下一步通过转基因和分子育种等现代生物技术选育优异甘薯新品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究于2020年11月至2021年3月在海南大学试验基地进行。选取海南主栽甘薯品种‘高系14'及其突变体为实验材料进行露地栽培试验,试验田采用完全随机区组设计,按照甘薯的4个取样时期设计为4个处理,共4个生物学重复（即4个小区）。定植前施用史丹利复合肥450 kg/hm2（N∶P∶K=15∶15∶15）和有机肥12 t/hm2作为基肥,然后翻土并平整土地,按株行距30 cm× 50 cm进行定植,定植时打孔深度为15 cm。用75%的酒精对剪刀进行消毒,用剪刀剪取25 cm长含茎尖的甘薯茎段进行扦插,茎段切口为平切口。取样时期为定植后30、60、90、120 d,取样部位为薯肉。每个样品的取样重量为0.2 g,在液氮中速冻之后置于-80℃超低温冰箱中保存备用。

1.2 方法

1.2.1 甘薯块根淀粉、可溶性糖测定

甘薯块根内蔗糖、葡萄糖和果糖含量的测定参照KING等[22]的方法;淀粉含量的测定参照SMITH等[23]的方法;转化酶和蔗糖合成酶活性的测定采用分光光度计方法,具体参照TOMLINSON等[24]的方法。

1.2.2 CIN和Sus基因家族成员鉴定

甘薯CIN（IbCIN）和Sus（IbSus）基因家族序列的鉴定参照CHEN等[25]的方法,通过查阅文献获得拟南芥、水稻、木薯、马铃薯和胡萝卜的CWIN、VIN、CIN和Sus基因家族的氨基酸序列。用上述植物的氨基酸序列在甘薯基因数据库进行Blast(https://ipomoea-genome.org/)以获得甘薯的CIN和Sus基因家族成员的序列。
在获得IbCIN和IbSus基因序列的基础上,使用Primer 5.0软件设计实时定量PCR所需的引物（表1）。对甘薯块根的4个生长时期（30、60、90、120 d）的薯肉进行取样,并利用总RNA提取试剂盒[康为世纪OmniPlant RNA Kit（Dnase I）全能型植物RNA提取试剂盒]从薯肉中提取总RNA;然后使用逆转录试剂盒（诺唯赞HiScript III 1st Strand cDNA Synthesis Kit）将总RNA逆转录为cDNA;最后使用诺唯赞ChamQ Universal SYBR qPCR Master Mix试剂盒,在德国耶拿qTOWER3G定量PCR仪上进行基因表达水平的测定。具体反应条件如下：95℃预变性5 min;95℃变性5 s,60℃褪火30 s,72℃延伸30 s,40个循环。最终采用2-ΔΔCT法对qRT-PCR的测定结果进行计算。
表1 本研究所用引物序列

Tab. 1 Primer sequences used in this study

基因名称
Gene name		 登录号
Accession No.		 正向引物（5'-3'）
Forward primer (5'-3')		 反向引物（5'-3'）
Reverse Primer (5'-3')		 产物大小
Product size/bp
IbCIN1 g4072.t1 GGATAATCAAGAACATGGGCTG TCCTGGTAGATGAAAGAGGGGT 236
IbCIN2 g5893.t1 GGAGTAAAGAGGGAGGAACCCA CAAGTCACCAACAAACACCGAG 252
IbCIN3 g8522.t1 GGAGAATCGTGACTGGCTGTG CTTCCGAGTTTCCCGTCATAG 199
IbCIN4 g13714.t1 ACTGAGTGAAATGTCCGTTGG GAGTTGCGGGTGGAAGAAA 108
IbCIN5 g18829.t1 GAGGATGGATTTCCGTTGGT CTTGATGCCGCAGTGAGTAG 270
IbCIN6 g19034.t1 TCTCCCGCCTTCCATACC CTCCCAAGCATCAGCAAACA 151
IbCIN7 g23246.t1 TCTCTGAATAGGGAGGAGGGGA CCAACTGGGCTGTCACAATACC 140
IbCIN8 g25759.t1 GAATGGATGCCGAATAAAGGA CCGTGGCAAGACTGCTGACTA 115
IbCIN9 g34021.t1 CGTCCTTAGCAACTCCTGAAC CACCCTGTTACAATACGCCAC 139
IbCIN10 g41626.t1 CTCACATGGATTTTCGGTTTTTC CCAGTTATTATTCGCCAGTCTTC 187
IbCIN11 g41717.t1 AGCACGACGAAGAAAGTAGGG TCGAGTTGGCATGAAATCAAA 215
IbCIN12 g44130.t1 ATTCCACAGAGGCAACAAACAA GACTCCAAAGCCGGATAACATA 274
IbSus1 g505.t1 GCAGACCAATCTATCTATTTCCCC CCTTTTGTTCTTCCCATACCACTC 216
IbSus2 g5497.t1 CATACCTCTTTCACCTTGCCAG TCAGTGTACCGATGTGCTCATC 208
IbSus3 g29617.t1 TCTGGTTGTGGTTGGAGGTTC AGTGCGGTAGAGTTCGCTGTT 169
IbSus4 g30039.t1 TCTGGTTGTGGTTGGAGGTTC AGTGCGGTAGAGTTCGCTGTT 169
IbSus5 g31210.t1 TTATCATCACCAGCACTTTCCA GTCAGCCTCTTCTCCTTCTCAG 202
IbSus6 g55056.t1 ATGTTGTCATTCTTTCCCCCC CGCTTAATCATCTCACGCTCC 127
IbSus7 g55074.t1 GTTCACCAATACAAGGGCAAG GGGTTGGAGGGTCGTTAGATA 111
IbSus8 g55342.t1 TGTAGGAGTAGAGGAGGGGCG TAAGTTGGGCTGTGGTTTTGG 121
IbSus9 g60893.t1 ATAGCCTCCGTGAGCGTCTT ATCCCCGAGTTTTTCCTTGT 164

1.3 数据处理

利用Excel 2003软件对数据进行作图,使用SPSS 22.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同甘薯品种在块根数量和鲜重上的差异

和我国其他省区不同,海南岛甘薯的生长期一般较短,大约在定植后120 d即进行采收。因此,本研究对‘高系14'及其突变体在定植后120 d的块根数量和鲜重进行测定。结果表明,和‘高系14'相比,突变体在单株块根数量方面下降幅度高达33%,同时其单个块根鲜重的下降幅度也高达26%（图1A、图1B）。除了块根鲜重和数量,2个品种在其他方面也存在差异。突变体薯块在切开后10 min即出现明显的褐变现象,而‘高系14'则未见明显的褐变。此外,突变体的薯肉和薯皮之间易分离,可轻易将薯皮完整地从薯块剥离,而‘高系14'的薯肉和薯皮则很难分离,而且突变体薯皮颜色变得更为亮红。上述数据表明,虽然2个甘薯品种在遗传上高度相似,特别是在地上部主要性状和薯肉颜色等方面无显著差异,但在块根产量和品质方面则存在较大的差异。
图1 ‘高系14'及其突变体在块根数量和鲜重上的差异

*表示品种间差异显著（P<0.05）,**表示品种间差异极显著（P<0.01）。

Fig. 1 Differences between ‘Kokei 14' and its mutant in the number of storage root per plant and fresh weight per storage root

* indicates significant difference between varieties (P<0.05), ** indicates extremely significant difference between varieties (P<0.01).

2.2 不同甘薯品种块根在淀粉和可溶性糖含量上的差异

为进一步研究2个甘薯品种在品质方面的差异,对扦插后30、60、90、120 d薯肉中的淀粉和主要可溶性糖（葡萄糖、果糖和蔗糖）含量进行动态测定。淀粉含量的测定表明,‘高系14'薯肉中的淀粉含量在所有时期均呈现总体高于突变体的趋势,特别是在扦插后30 d,‘高系14'显著高于突变体（图2A）。此外,2个甘薯品种薯肉中淀粉含量呈现不断上升的趋势。值得注意的是,薯肉中的淀粉含量在30~60 d期间快速上升,在60~90 d之间上升速度减缓,而在90~120 d之间再次快速上升。
图2 ‘高系14'及其突变体在块根淀粉和可溶性糖含量上的差异

*表示品种间差异显著（P<0.05）,**表示品种间差异极显著（P<0.01）。

Fig. 2 Differences between the storage roots of ‘Kokei 14' and its mutant in the content of starch and soluble sugar

* indicates significant difference between varieties (P<0.05), ** indicates extremely significant difference between varieties (P<0.01).

对可溶性糖含量的测定表明,‘高系14'及其突变体之间在可溶性糖含量上也存在较大差异。在薯肉中,果糖含量在30 d时为突变体显著高于‘高系14',而在90 d时为‘高系14'显著高于突变体,在120 d又再次表现为突变体显著高于‘高系14'（图2B）;在发育早期,薯肉的葡萄糖（30 d和60 d）和蔗糖（30 d和90 d）含量为‘高系14'显著高于突变体,而在后期则为突变体显著高于‘高系14'（图2C、图2D）。总体来讲,‘高系14'在前期具有较高的葡萄糖和蔗糖含量,而突变体具有较高的果糖。
此外,薯肉中各个时期含量最高的可溶性糖种类均为蔗糖,其次是葡萄糖和果糖,且葡萄糖和果糖的含量差异不大（图2）。随着块根的发育,薯肉中蔗糖含量呈现先下降再上升的趋势,而薯肉己糖（葡萄糖和果糖）含量的变化趋势正好相反,呈现先上升后下降的趋势。综上所述,薯肉中的己糖含量和蔗糖含量之间呈负相关。

2.3 不同甘薯品种块根在蔗糖分解酶活性上的差异

可溶性糖含量的测定表明,2个品种甘薯在可溶性糖含量上存在显著差异,特别是在发育早期,同时薯肉中的己糖（葡萄糖和果糖）含量和蔗糖含量之间均呈现负相关关系,推测这可能是蔗糖分解酶活性的基因型差异以及随着发育的动态变化所导致。对不同发育时期块根中Sus和3种INV活性的测定表明,2个品种甘薯块根在蔗糖分解酶活性上确实存在较大差异。
‘高系14'和突变体的CIN活性均呈现出先大幅下降随后小幅升高的趋势（图3A）。在发育早期（30 d）,‘高系14'薯肉的CIN活性极显著高于突变体,在其他时期则无显著差异（图3A）。与CIN相反,2个品种薯肉中的CWIN活性均呈现出先上升后下降的趋势（图3B）。值得注意的是,2个甘薯品种之间在CWIN活性上也存在差异,特别是突变体块根发育早期（30 d和60 d）的CWIN活性显著高于‘高系14',但在其他发育时期则无显著差异（图3B）。和CIN类似,2个品种薯肉中的VIN活性也呈现出先大幅下降而后略微升高的趋势（图3C）。此外,在发育早期,突变体的VIN活性显著高于‘高系14',在其他时期则无显著差异,即薯肉在30 d和60 d显著高于‘高系14'（图3C）。
图3 ‘高系14'及其突变体在块根转化酶和蔗糖合成酶活性上的差异

*表示品种间差异显著（P<0.05）,**表示品种间差异极显著（P<0.01）。

Fig. 3 Differences between the storage roots of ‘Kokei 14' and its mutant in the activities of invertases and sucrose synthase

* indicates significant difference between varieties (P<0.05), ** indicates extremely significant difference between varieties (P<0.01).

对Sus活性的测定表明,在所调查的4个时期中,2个品种薯肉的Sus活性均呈现先升高后下降的趋势（图3D）。‘高系14'的Sus活性在30 d时显著高于突变体,而在其他时期2个品种薯肉之间没有显著差异（图3D）。总体来看,2个品种薯肉在蔗糖分解酶活性上的差异主要存在于发育早期（30d和60d）,而在发育后期（90 d和120 d）则均无显著差异。虽然2个品种甘薯在4种蔗糖分解酶活性上存在较大差异,但是其活性的变化趋势在2个品种之间均保持一致,没有明显差异。其中CIN和VIN活性的变化趋势为先大幅下降而后略微升高的趋势,总体变化呈现‘u'形曲线,而CWIN和Sus的变化趋势则为先上升后下降的趋势,总体呈现为‘n'形曲线。

2.4 不同甘薯品种块根在CIN和Sus基因表达上的差异

上述酶活性的测定数据表明,‘高系14'在发育早期（30 d）的薯肉CIN和Sus活性显著高于突变体薯肉,而块根发育早期是决定块根数量和潜在大小的关键时期,因此推测这可能是导致‘高系14'具有较高块根数量和鲜重以及较高的薯肉淀粉、葡萄糖和蔗糖含量的重要原因。本研究对CIN和Sus的基因表达水平进行了测定,以期鉴定出调控甘薯块根产量和品质的关键CIN和Sus基因家族成员。在甘薯基因组网站(https://ipomoea-genome.org/)中共检索到12个CIN基因家族成员（IbCIN1~IbCIN112）和9个Sus基因家族成员（IbSus1~IbSus9）,同时通过设计引物对其在薯肉中的表达水平进行测定（表1）。
测定结果表明,12个CIN基因家族成员在薯肉中均有所表达,其中IbCIN4、IbCIN6、IbCIN8、IbCIN10和IbCIN11等5个基因成员的表达水平在定植30 d时均表现为‘高系14'显著高于突变体,且其他3个生长发育时期在2个品种薯肉间均不存在显著差异（图4A~图4E）。和CIN基因类似,9个Sus基因也均在薯肉中有所表达,但只有IbSus6的表达水平在30 d薯肉中表现为‘高系14'显著高于突变体,而其他3个时期在2个品种薯肉间均无显著差异（图4F）。
图4 ‘高系14'及其突变体在薯肉CIN和Sus基因表达水平上的差异

*表示品种间差异显著（P<0.05）,**表示品种间差异极显著（P<0.01）。

Fig. 4 Differences between the storage roots of ‘Kokei 14' and its mutant in the expression levels of CIN and Sus genes

* indicates significant difference between varieties (P<0.05), ** indicates extremely significant difference between varieties (P<0.01).

为进一步确定上述差异表达的CIN和Sus基因是否是调控块根生长发育的关键基因,对12个CIN基因家族成员和9个Sus基因家族成员在30 d薯肉中的相对表达水平进行测定。结果表明,在5个差异表达CIN基因中有4个（IbCIN4、IbCIN8、IbCIN10和IbCIN11）是薯肉中相对表达量较高的CIN基因（图5A）。此外,在2个品种间差异表达的IbSus6是30 d薯肉中表达水平最高的Sus基因（图5B）。上述数据表明,在30 d薯肉中高表达的4个CIN基因和1个Sus基因很可能是调控块根生长发育的重要蔗糖分解酶基因。
图5 CIN和Sus基因家族成员在‘高系14'薯肉（30 d）中的相对表达水平

Fig. 5 Relative expression levels of CIN and Sus gene family members in 30 d of storage root of ‘Kokei 14'

3 讨论

如前言所述,目前大量的研究表明蔗糖分解酶在块根/块茎的产量和品质形成中发挥着重要的作用,然而相关的研究主要集中在胡萝卜[8-9]和马铃薯[10⇓-12]等作物上,有关蔗糖代谢调控甘薯块根发育方面的研究则很少见到。随着甘薯及其近缘种基因组测序的完成[26],目前已具备条件对甘薯蔗糖代谢进行系统地研究。例如,甘薯中共鉴定出10个CWIN基因家族成员（IbCWIN1~ IbCWIN10）,对其组织特异性表达模式的研究表明,其中IbCWIN2和IbCWIN9在块根中表达量显著高于其他组织部位[27]。此外,在甘薯中共鉴定出5个液泡转化酶基因（IbVIN1~IbVIN5）和2个VIN抑制蛋白基因（IbVIF1~IbVIF2）,其中IbVIN1是影响甘薯块根采收后甜度的关键基因[28]。相关研究还揭示甘薯块根中蔗糖转运途径的动态变化规律,即甘薯块根中蔗糖转运途径在早期（30 d）为质外体途径,而在后期（50~140 d）转变为共质体途径[29]。
目前国内外为数不多的对蔗糖代谢酶的研究仅局限于对甘薯块根发育中蔗糖分解酶表达和活性动态变化规律的研究,且相关结论仍存在争议。例如,对基因表达的研究表明,VIN的表达水平在甘薯块根膨大早期较高,后期较低[30-31]。然而,最近对酶活性的测定表明,随着甘薯块根的膨大过程中（30~140 d）VIN活性整体呈现不断上升的趋势,而非下降趋势[29]。更为重要的是,目前仍不清楚调控甘薯块根产量和品质的关键蔗糖分解酶及其基因家族成员。
本研究对海南主栽甘薯品种‘高系14'及其突变体的单株块根数量、块根大小以及块根不同发育时期的淀粉和可溶性糖含量、蔗糖分解酶活性及其基因表达水平等指标进行了测定。结果表明,和突变体相比,‘高系14'具有更高的单株块根数量和单个块根鲜重。同时,‘高系14'及其突变体在块根淀粉和可溶性糖含量上也存在较大差异。值得注意的是,‘高系14'在块根发育早期的淀粉（30 d）和葡萄糖（30 d和60 d）含量均显著高于突变体,同时30 d的蔗糖含量也显著高于突变体。唯一例外的是,‘高系14'的果糖含量在30 d显著低于突变体。块根发育早期组织分化活性高且细胞分裂旺盛,是决定块根数量和潜在大小的关键时期[32]。因此,‘高系14'在块根发育早期高含量的淀粉、葡萄糖和蔗糖可为块根的早期形成提供足够的能量和碳骨架,从而导致‘高系14'的块根数量要显著高于突变体。除作为能量和碳骨架外,己糖（主要是葡萄糖）还可作为信号分子促进细胞分裂[33-34]。‘高系14'在发育早期（30 d和60 d）时高含量的葡萄糖含量可以促进块根中的细胞分裂活性,从而增加块根中细胞数量,而这些细胞在块根发育后期通过膨大最终导致块根体积增加。
对多种作物如蚕豆种子和马铃薯块茎的研究表明,INV活性在器官发育早期较高,而后期较低;同时Sus活性在发育早期较低,而在发育后期较高,即存在INV和Sus活性峰值的交替现象[35-36]。早期高活性INV分解蔗糖产生的葡萄糖可促进器官中的细胞分裂;随着INV活性下降,器官中的蔗糖含量和Sus活性则上升,此时Sus分解蔗糖产生的UDP-葡萄糖则主要用于淀粉合成并促进细胞膨大[35-36]。本研究表明,在甘薯CIN和VIN活性整体变化趋势呈现‘u'形曲线,即块根发育早期活性最高,发育中期下降至最低,至发育后期又小幅回升;与此相反,CWIN和Sus的活性变化趋势整体呈‘n'形曲线,即在块根发育早期较低,发育中期升至最高,发育后期出现下降。值得注意的是,CWIN的活性变化趋势和其他两种转化酶（CIN和VIN）的正好相反。
总体来看,2个品种薯肉在蔗糖分解酶活性上的差异主要存在于发育早期（30 d和60 d）,而在发育后期（90 d和120 d）则均无显著差异。在块根发育最为关键的早期（30 d）,4种蔗糖分解酶中Sus和CIN的活性显著高于VIN和CWIN,是块根中分解蔗糖产生己糖（特别是葡萄糖）的主要酶类,这和前人的研究结果[37]相同。更为重要的是,30 d时,‘高系14'的Sus和CIN活性显著高于突变体。这可以很好解释为何‘高系14'在块根发育早期（30 d）具有相对较高的葡萄糖、蔗糖和淀粉含量。一方面,块根中高活性的Sus和CIN可增加块根的“库强”[7],从而促进蔗糖由叶片向块根的转运,从而增加块根中的蔗糖浓度,促进淀粉合成;另一方面,块根中的一部分蔗糖可由CIN分解产生葡萄糖,从而导致‘高系14'块根中的葡萄糖浓度显著高于突变体。因此,Sus和CIN可能是影响甘薯块根数量和大小的关键蔗糖分解酶类。此结论已经在胡萝卜上得到部分验证。例如,利用反义RNA技术下调Sus的表达可导致肉质根变小[9]。
为进一步确定影响甘薯块根生长发育的关键CIN和Sus基因家族成员,在甘薯基因组网站(https://ipomoea-genome.org/)进行比对检索,共检索到12个CIN基因家族成员（IbCIN1-12）和9个Sus基因家族成员（IbSus1-9）。对这12个CIN基因和9个Sus基因在不同发育时期块根中的表达水平进行测定,结果表明只有5个CIN基因（IbCIN4、IbCIN6、IbCIN8、IbCIN10和IbCIN11）和1个Sus基因（IbSus6）的表达水平在定植30 d时表现为‘高系14'显著高于突变体,且其他3个生长发育时期（60 d、90 d和120 d）上述基因的表达水平在2个品种薯肉间不存在显著差异。同时,对12个CIN基因和9个Sus基因在30 d块根中表达水平的测定表明,在5个差异表达的CIN基因中有4个（IbCIN4、IbCIN8、IbCIN10和IbCIN11）是薯肉中相对表达量较高的CIN基因,同时差异表达的IbSus6是30 d块根中表达水平最高的Sus基因。因此,推测在30 d薯肉中高表达的上述4个CIN基因和1个Sus基因很可能是调控块根生长发育的重要蔗糖分解酶基因。
总之,本研究首先阐明了4种蔗糖分解酶在甘薯块根发育过程中的动态变化规律,即CIN和VIN活性在块根发育过程中整体变化趋势呈现‘u'形曲线,即块根发育早期活性最高,发育中期下降至最低,至发育后期又小幅回升;CWIN和Sus的活性变化趋势整体呈‘n'形曲线,即在块根发育早期较低,发育中期升至最高,发育后期出现下降。其次,明确了甘薯块根发育早期主要的蔗糖分解酶Sus和CIN可能是调控甘薯块根发育的关键蔗糖分解酶。最后,鉴定出Sus和CIN基因家族中影响块根发育的关键基因家族成员。本研究结果可为下一步通过转基因和分子育种等现代生物技术选育优异甘薯新品种提供理论依据。

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