甘薯(Ipomoea batatas (L.) Lam.)为世界第六大粮食作物，在发展中国家为第五大粮食作物，全球每年产量超过1.05×10¹¹ kg，其中95%生长在发展中国家(CIP 2010)。中国甘薯的种植面积和产量在世界上分别占70%和85% (Zhang et al., 2009)。甘薯在发展中国家是保证粮食安全的作物，而在发达国家是具有重要价值的蔬菜作物。另外，甘薯还是重要的饲料、工业原料和良好的先锋作物。

甘薯生产的目标是收获高产优质块根。块根一般是从栽插茎段的地下部分的根原基发育而来。首先，根原基发育成白色的不定根，一部分不定根发育成吸收营养和水分的纤维根(fibrous root)，或者进行次生生长和中柱木质化形成粗的非贮藏根，即柴根(也叫牛蒡根, thick, nonstorage root)，一部分不定根形成异常形成层，细胞增殖膨大形成积累淀粉的薄壁细胞，发育成块根(tuberous root, storage root) (Tanaka et al., 2008, Tanaka et al., 2005, Wilson and Lowe, 1973)。块根形成和发育是一个复杂的生物学过程，它既涉及到形态发生，又涉及到淀粉积累。本文将就这一过程的分子机制研究进展进行综述。

1块根形成
甘薯块根是从叶片基部附近的4-10个成簇的根原基形成的不定根发育而来。这些根原基从叶隙两侧的原形成层产生，并形成具有五原型、六原型和九原型中柱的不定根。正常情况下，块根从幼嫩藤蔓节上的根原基形成的粗根发育而来，或者从茎叶切段的切面上形成的根发育而来。侧根由受伤的根原基发育而来或者直接从纤维根上形成，具有四原型中柱并发育成纤维根，而不会发育成块根(Belehu et al., 2004)。从解剖学上看，形成块根的不定根先在原生韧皮部和原生木质部之间发育出初生形成层；在原生韧皮部和原生木质部之间的薄壁细胞区发育的维管形成层抑制中柱的木质化；在中央细胞和初生木质部元件周围发育出异常的形成层，在维管形成层衍生出的次生木质部元件周围形成次生形成层；在这些形成层中细胞分裂膨大导致根的快速增粗形成块根。因此，异常形成层的出现标志着块根形成阶段的起始(Wilson and Lowe, 1973)。而木质化抑制块根形成，五原型与六原型的不定根就是由于中柱木质化而不能发育成块根(Belehu et al., 2004, Wilson and Lowe, 1973)。Wilson和Lowe认为块根的特化依赖于块根发生过程中木质素合成和细胞分裂与膨大这两个相互矛盾的过程。他们还发现块根组织在近端和远端是特化的，即近端的薯柄组织通过分化出大量的次生韧皮部和韧皮维管束而发育出运输器官的特征，块根的远端负责在块根发生早期的纵向膨大(Wilson and Lowe, 1973)。

2碳水化合物与块根形成和发育
淀粉是块根中最主要的贮藏成份，蔗糖在叶片中合成，运输到块根后转化为淀粉。蔗糖还作为信号分子诱导块根的形成。Eguchi和Yoshida通过直接给甘薯幼根施加蔗糖研究其对块根形成的作用，结果表明每毫克鲜重的根中含有接近9 μg内源蔗糖时施加细胞分裂素(Cytokinins, CTK)总是能诱导块根形成，再增加蔗糖浓度，诱导效果提高不明显。当根中蔗糖水平低至约2 μg•mg^-1FW时CTK不能诱导块根发生。这说明高水平的蔗糖是块根形成所必需的条件(Eguchi and Yoshida, 2008)。这和块根作为甘薯的贮藏器官是一致的。Tsubone等也发现注射外源蔗糖能促进块根形成并提高块根占总根重的比例(Tsubone et al., 2000)。

Li和Zhang通过蔗糖合酶(sucrose synthase, SuSy)、ADP葡萄糖焦磷酸化酶(ADP-glucose pyrophosphorylase, AGPase)和转化酶(invertase)的表达分析，证明蔗糖合酶途径是甘薯蔗糖代谢的主要途径(Li and Zhang, 2003)，这个途径也是马铃薯块茎中主要的蔗糖代谢途径(Geigenberger, 2003)。McGregor后来又分析了蔗糖合酶途径的另外2个基因，即己糖激酶(hexokinase)和果糖激酶(fructokinase)，发现与纤维根相比，块根中果糖激酶表达增加，而己糖激酶不增加，转化酶抑制剂类似蛋白(invertase inhibitor-like protein)在块根中也比纤维根表达量高(McGregor, 2006)，进一步证明甘薯蔗糖代谢的主要途径是蔗糖合酶途径。

在块根中，颗粒结合的淀粉合成酶(granule-bound starch synthase I, GBSS I)转录本在块根膨大的同时增加，然而，不管块根大小，GBSS I蛋白在淀粉粒中的积累速率保持稳定，说明这个蛋白存在转录后调控(Wang et al., 1999)。GBSS和β-淀粉酶(β-amylase)的表达、淀粉与蔗糖含量和块根大小之间高度相关，说明发育过程中蔗糖浓度的增加对淀粉积累起着重要的作用，蔗糖不仅作为淀粉合成的底物而且还促进颗粒结合淀粉酶基因的表达(Wang et al., 2006)。

最近通过转录组测序发现在块根发育起始时GBSS、葡萄糖磷酸变位酶(phosphoglucomutase)和淀粉酶与纤维根中相比都表现为高水平表达(Firon et al., 2013)。Tao等也通过数字基因表达谱分析发现：UDP葡萄糖焦磷酸化酶(UDP-glucose pyrophosphorylase, UGPase)在起始块根和膨大期块根中的表达最高；SuSy在块根形成时表达最高，而在纤维根、膨大期块根和收获期块根中表达都较低；蔗糖磷酸合酶(sucrose phosphate synthase)在块根膨大期和起始期表达较高；AGPase在膨大期和收获期块根中表达最高；转化酶抑制剂类似蛋白和果糖激酶在块根中都比纤维根中的表达水平高；GBSSI在快速膨大期都上调表达(Tao et al., 2012)。我们也通过高通量转录组测序发现与纤维根和柴根相比，在膨大期块根中AGPase小亚基、SUSy、淀粉合酶(starch synthase)、UGPase、GBSS1等与淀粉积累相关的酶上调表达(待发表)。

3影响块根形成和发育的内源生长调节物质
研究发现甘薯生长和块根产量受内源生长调节物质的影响。植物内源生长调节物质包括生长素(Auxin)、细胞分裂素(Cytokinin, CTK)、赤霉素(Gibberellin, GA)、脱落酸(Abscisic Acid, ABA)、乙烯(Ethylene)、茉莉酸(Jasmonic Acid, JA)、油菜素内酯(Brassinolide, BR)、水杨酸(Salicylates, SA)、多胺(Polyamine)和独脚金内酯(Strigolactone, SL)等。现有的研究认为甘薯块根形成和发育主要受CTK、IAA和ABA的调控，也有证据表明JA和乙烯可能也参与这一过程的调控。

3.1细胞分裂素(Cytokinins, CTK)
CTK和甘薯块根形成有关，内源玉米素核苷(zeatin riboside, ZR)、反式玉米素核苷(trans-zeatin riboside, t-ZR)和9-葡糖基-N-6-异戊烯基腺苷(9-glucosyl-N-6 (Δ²-isopentenyl adenosine))是块根形成过程中参与初生形成层发育和活化的主要的细胞分裂素(McDavid and Alamu, 1980; Nakatani and Komeichi, 1991; Nakatani et al., 2002)。块根发育早期内源ZR快速增加，并主要集中在根的初生形成层，显著促进细胞分裂(McDavid and Alamu, 1980, Nakatani, 1994, Spence and Humphries, 1972)。Matsuo等发现栽插后30-90 d，随着块根形成，t-ZR水平增加。他们认为t-ZR可能通过促进细胞分裂和随后的细胞膨大而在块根发育过程中起着重要的作用。纵向上t-ZR在靠近茎的近端水平较高,暗示着t-ZR定位在维管束中，因为在近端薄壁细胞很少(Matsuo et al., 1988)。在形成块根较晚的甘薯突变体中，ZR水平增加的起始也延迟(Nakatani et al., 2002)。另外，外源施加人工合成的CTK可以有效促进块根形成(Eguchi and Yoshida, 2008, Nakatani, 1994, Spence and Humphries, 1972)。但当根中内源蔗糖水平过低时，外源CTK不能诱导块根形成(Eguchi and Yoshida, 2008)。这说明在高浓度蔗糖条件下，CTK才可以促进块根形成。

3.2吲哚乙酸(Indole Acetic Acid, IAA)
甘薯块根生长的早期，内源IAA在逐渐增加，随后在次生生长时下降(Noh et al., 2010)。低水平IAA和高IAA氧化酶活性促进块根木质化，高水平IAA及低IAA氧化酶活性则有利于细胞分裂、扩增和块根生长(Ravi et al., 2014)。另外，外源施加人工合成的IAA类似物萘乙酸(naphthylacetic acid, NAA)可以使块根数量增加(McDavid and Alamu, 1980)。这些研究结果说明块根形成早期是一个生长素依赖的过程。编码Aux/IAA和GH3家族的蛋白基因在块根中上调，也说明生长素在块根发育中起作用(McGregor, 2006)。

3.3脱落酸(Abscisic Acid, ABA)
在甘薯栽培品种的块根中ABA含量显著高于近缘野生种Ipomoea trifida中的非贮藏根(王庆美等, 2005)；栽培种中异常形成层活性高的粗根中ABA含量高，而近缘野生种粗根中异常形成层活性低，ABA含量也低(Nakatani and Komeichi, 1991)。ABA含量在维管形成层区高于外围韧皮部和中央木质部(Nakatani and Komeichi, 1991)。在块根生长后期ABA含量减少，而在纤维根中ABA含量一直比较稳定(Nakatani and Komeichi, 1991)。这说明ABA可能激活次生分生组织的细胞分裂，从而促进块根膨大。

植物激素的内部平衡可能对于甘薯块根的形成和发育也很重要，王庆美等发现块根膨大和ABA与CTK含量正相关(王庆美等, 2005)，Noh等发现内源IAA的含量在块根形成时增加，之后随着块根膨大逐渐降低(Noh et al., 2010)。这些结果说明CTK、IAA和ABA可能在块根形成和发育过程中具有不同的作用，即IAA参与块根形成，ABA参与调控块根形成之后的膨大，而CTK可能在块根形成和膨大过程都起作用。

3.4其它植物激素和块根形成与发育的关系
其它激素调控块根形成与发育的报道较少。由于甘薯块根发育过程中涉及根伸长的停止，而JA抑制根的伸长，所以推测JA可能也参与甘薯块根早期发育(Ravi et al., 2014)。JA在甘薯块根中含量很高，而在I. trifida的非贮藏性粗根中，JA或其相关化合物含量很低(Nakatani and Koda, 1992)。外源施加JA可以使离体培养的甘薯形成的块根直径增加，但主要是促进了皮层细胞膨大，而不是促进中柱增粗(Nakatani, 1994)。Firon等通过转录组测序发现甘薯块根形成过程中一些乙烯反应因子表达上调，说明乙烯可能也参与块根发育(Firon et al., 2013)。赤霉素调控细胞伸长，GA3处理生根叶片可以延迟块根发育(McDavid and Alamu, 1980)，而与纤维根相比，2个GA反应的GASA蛋白基因在块根中上调(McGregor, 2006)。油菜素内酯在根发育过程中起着非常重要的作用，抑制块根发育的IbEXP1 (下详)在甘薯根中受BR诱导表达，而且3个BR反应基因，包括脂肪酸延长酶3-酮脂酰辅酶A合酶1 (fatty acid elongase 3-ketoacyl-CoA synthase 1)、HAIKU1和MINISEED3 在过表达IbEXP1的拟南芥中表达增加，说明IbEXP1在转基因拟南芥中至少参与了一条BR信号途径(Bae et al., 2014)。因此推测油菜素内酯在块根发育过程中也有调控作用。

4调控块根形成和发育的基因
甘薯块根形成的诱导及随后的发育是复杂的生物学过程，涉及到CTK、IAA、ABA和糖等信号途径，其调控网络目前还很不清楚，随着分子生物学的发展，近些年来发现了一些和块根形成和发育相关的基因。

4.1 MADS盒基因
MADS盒基因可能是甘薯块根发育的重要的调控因子。You等从甘薯块根形成早期的cDNA文库中鉴定出了22个块根与纤维根中表达有差异的基因，其中有一个MADS盒蛋白编码基因在块根中下调(You et al., 2003)。Kim等也发现MADS盒基因(IbMADS3和4)在甘薯块根中高度表达(Kim et al., 2005a; 2005b; Kim et al., 2002)。McGregor鉴定了另一个高度相似的MADS盒基因(McGregor, 2006)。Ku等分离出了一个MADS盒基因，命名为IbMADS1。IbMADS1在块根发育过程中表达，并受JA和CTK诱导。组织原位表达分析表明IbMADS1主要在中柱和侧根原基的未成熟的分生组织细胞中表达，而在不形成块根的甘薯近缘物种中基本检测不到。IbMADS1转基因马铃薯离体植株的纤维根出现了块茎形态发生现象。由此可以推测IbMADS1是甘薯块根发育的一个重要调控基因，可能参与JA和CTK调控的信号网络(Ku et al., 2008)。Nol等从一个甘薯块根发育早期的cDNA文库中分离出一个MADS蛋白的cDNA(SRD1)。SRD1和IbMADS1的序列相似度达到99%，二者同时存在于甘薯基因组中。SRD1的转录本只在根中表达，在块根中表达水平较高，而在纤维根中较低。SRD1的mRNA主要在活跃分裂的细胞中。根发育早期，SRD1转录水平和内源IAA含量同时增加，过表达SRD1的甘薯植株的纤维根比野生型的粗而短，主要是由于其后生木质部和形成层细胞分裂显著增强，导致纤维根较早增粗。这说明SRD1以生长素依赖的方式通过激活形成层和后生木质部细胞分裂来诱导块根的最初增粗(Noh et al., 2010)。最终导致过表达SRD1的转基因甘薯块根数量增加1倍，薯柄变短(Bae et al., 2011)。

4.2 KNOXI基因
knotted1-like homeobox (KNOX)基因在绿色植物中普遍存在，调控不同的营养和繁殖发育过程。根据其表达模式和内含子位置的不同，KNOX基因被分成I类和II类。KNOXI蛋白正调控CTK合成，并负调控GA合成(Hay and Tsiantis, 2010)。Tanaka等分离出3个甘薯块根中表达的class I knotted1-like homeobox (KNOXI)基因，分别命名为Ibkn1、Ibkn2和Ibkn3。Ibkn1是拟南芥SHOOT MERISTEMLESS (STM)的同源基因，Ibkn2和Ibkn3是BREVIPEDICELLUS (BP)基因的同源基因。BP基因在拟南芥中调控木质素途径，抑制未成熟细胞的分化。Ibkn1和 Ibkn2在发育块根和成熟块根中的表达量比纤维根中高，Ibkn1主要在近端原生维管形成层周围表达，Ibkn2在块根加粗部位表达最高，而在近端和远端均较低。Ibkn3在不同的甘薯品种中表达模式不同，推测其可能是一个假基因。在甘薯块根中内源t-ZR的分布和KNOXI基因的表达模式相似，说明KNOXI可能在块根中控制CTK水平(Tanaka et al., 2008)。Firon等也通过高通量转录组测序发现块根发育过程中Ibkn2、Ibkn3和其它KNOXI基因的同源基因表达很高，在起始块根中至少是在纤维根中表达量的2倍以上，最高的达到60倍；有趣的是，KNOXII的表达恰好相反(Firon et al., 2013)。要进一步阐明KNOX基因在块根发育中的作用，还需要深入研究。

4.3木质素合成途径相关基因
解剖学研究认为中柱木质化抑制不定根发育成块根(Belehu et al., 2004, Wilson and Lowe, 1973)。转录组测序研究发现初始块根中参与木质素合成的基因，包括香豆酰辅酶A合酶(coumaroyl-CoA synthase)、咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶(caffeoyl-CoA O-methyltransferase)和肉桂醇脱氢酶(cinnamyl alcohol dehydrogenase, CAD)等基因都比中柱木质化的纤维根中表达低7倍多(Firon et al., 2013)。