水是生命之源,也是植物生命活动的基石,其在植物生长发育的各个阶段均扮演着不可或缺的角色。干旱引起的水分亏缺会对作物的生长发育产生极其不利的影响,长时间的干旱则会导致作物减产甚至完全歉收。在全球范围内,干旱已成为影响作物产量的主要非生物胁迫因素,其导致的减产幅度远超其他非生物因素的总和。马铃薯是一种需水量大的作物,其茎叶和块茎含水量分别为90%与80%,水分的正常供应对马铃薯的生长发育具有至关重要的作用。赵海超等对不同品种的马铃薯幼苗进行干旱处理,结果发现,干旱胁迫下叶片、根系及块茎的干物质积累量与正常供水相比显著下降。马铃薯块茎形成期到膨大期是需水量最多的时期,若此时缺水严重,将严重减产。此外,在干旱胁迫下,结薯总数与大中薯数也会随着干旱胁迫的增加而出现降低趋势,且部分马铃薯品种会出现结薯提前的现象,干旱对马铃薯的生长和产量均产生了严重的负面影响。为了缓解干旱的胁迫作用,植物在长期进化过程中,形成一套精细复杂的策略来应对干旱胁迫。在分子水平上,植物依靠合成特定的干旱响应蛋白以及精细调控相关基因的表达,来精细调控其内部的水分平衡和代谢活动,从而在干旱条件下维持生命活动的基本需求。鉴于此,深入发掘并解析耐旱关键基因的功能,成为提升作物耐旱能力的一个核心策略。Snakin/GASA基因家族是一类广泛分布于各种植物中的小分子抗氧化蛋白,StSN2属于GASA基因家族的成员,该家族基因除参与生物及非生物胁迫外,在氧化还原、细胞伸长、细胞分裂以及种子萌发等过程中也发挥了重要的生物学功能。在矮牵牛中过表达StSN2会减少叶片受伤后过氧化氢(H_2O_2)的积累。拟南芥AtGASA6可以参与赤霉素(Gibberellic acid,GA)与脱落酸(Abscisic acid,ABA)对干旱的调控,过表达AtGASA4和AtGASA14基因均能够抑制活性氧(Reactive oxygen species,ROS)的积累,增强种子对干旱和盐胁迫的能力。在马铃薯中,Snakin家族成员共有18个,StSN2被定义为一类抗菌肽,可以增强马铃薯的抗菌性。StSN1在氧化还原平衡中起重要作用,沉默StSN1则导致叶片中ROS和抗坏血酸积累增加。在最近的研究中发现,过表达StSN2可以减少块茎中H_2O_2含量。为了探究StSN2是否响应干旱胁迫,采用缓慢干旱法处理生长超过50 d的野生型幼苗。结果显示,随着土壤水分的减少,幼苗生长缓慢,甚至出现停滞生长的现象,第8d时,叶片开始萎缩,第12 d时,干旱损伤达到最大值。检测同期StSN2的表达水平,结果显示其表达趋势与马铃薯的生长情况相一致。在第0 d和第4 d,StSN2的表达没有变化。然而,在第8 d和第12 d,StSN2的表达迅速增加,分别达到第0 d的6.5倍和12.8倍。组织表达分析显示,干旱处理后的第12 d,StSN2在叶片中的表达尤为显著,其表达水平分别比茎和根高12.4倍和2倍。综上可知,StSN2是一个响应干旱胁迫的基因。为了探究StSN2是否能够提高马铃薯的耐旱性,通过CRISPER/Cas技术创制了StSN2的基因敲除材料g#10和g#16。随后,对获得的功能材料进行干旱处理,挑选g#10、g#16和WT(背景材料)生长一致的组培苗(株高8～10 cm)进行缺水处理,对照组正常管理。干旱胁迫处理12 d,然后复水处理3d。与对照相比,正常生长的马铃薯幼苗长势优于干旱处理,干旱胁迫下,WT、g#10和g#16的幼苗叶片均普遍卷曲,但是g#10和g#16的叶片脱水程度较WT更为严重,在复水处理后WT、g#10和g#16的马铃薯幼苗叶片均舒展开,但g#10和g#16的长势明显差于WT。复水处理后统计马铃薯幼苗的存活率时发现WT幼苗的存活率在90%以上显著高于g#10和g#16。马铃薯在遭受干旱胁迫后,其叶片的含水量会发生变化。叶片相对含水量(Relative water content,RWC)被认为是抗旱性的重要参数,在正常情况下,马铃薯幼苗的RWC普遍在80%左右,但是干旱处理下,WT、g#10和g#16的RWC普遍下降,其中g#10和g#16下降的最为明显。与RWC相似,WT株系离体叶片的失水率显著低于g#10和g#16。综上所述可知,StSN2基因可以明显提高马铃薯幼苗的干旱耐受性。为了解析StSN2耐旱的分子机制,对干旱胁迫的马铃薯幼苗进行转录组和代谢组的测定,在GO和KEGG中分析发现,富集最多的通路为植物激素信号转导、苯丙素生物合成通路,其次是淀粉和蔗糖代谢通路、酪氨酸合成通路以及色氨酸代谢通路。进一步分析发现,StSN2主要是通过促进SnRK2.2/2.3/2.4/2.6的表达来正调控ABA信号通路以此提高马铃薯对干旱胁迫的耐受性。该研究结果不仅完善了StSN2的功能,而且也为马铃薯抗旱分子机制的研究提供了新的思路和理论支撑。