莲是莲科莲属的多年生水生植物。莲属植物仅包括亚洲莲和美洲黄莲两个种。其中,亚洲莲通常称为莲、荷花,在亚洲特别是中国栽培广泛,以下统称为莲。莲花多用于水生植物造景,荷叶因其富含荷叶碱可用于茶叶制造,莲的地下茎在亚洲是常见的蔬菜,因其含有丰富的维生素和矿物质等营养元素且热量适中而常见于食品加工和人们的日常餐点中。莲根据生态型可分为热带莲和温带莲,二者具有不同的地下茎形态。热带莲地下茎不膨大,温带莲以其地下茎膨大成藕著称。随着气温降低和莲地上部分凋落,莲藕作为莲越冬的物质储藏器官,逐渐积累淀粉等物质,莲藕膨大约在3个月内完成。莲藕的膨大决定了莲的生长发育的物质基础和下一生长周期的能量来源,是一项复杂的生理过程。此外,莲藕膨大对于提高其产量,进而提高其在农业生产中的经济效益具有重要意义。然而,目前对莲藕膨大的分子机理知之甚少,对其研究尚处在初期阶段。为深入揭示其分子调控机理,本研针对这一过程中的蛋白质表达水平以及磷酸化修饰的动态变化特点展开研究工作;同时,对莲CONSTANS-like基因家族开展系统研究,并对其成员NnCOL5进行功能解析。主要研究内容及结果如下:(1)对莲藕发育的关键时期:鞭状茎时期(S1),膨大中期(S2),莲藕时期(S3),进行了定量比较蛋白质组学分析。通过质谱分析共鉴定到2712种可定量的蛋白质。其中,发育阶段特异性表达的蛋白质(SSP)302个,不同阶段差异表达的蛋白质(DEP)172个。发育阶段特异表达蛋白质的功能富集分析发现不同时期的蛋白质承担的主要功能有不同的侧重:在S1阶段主要富集到氧化和金属离子响应通路;S2阶段主要是细胞生长和分裂相关的蛋白被富集;S3阶段富集到的蛋白质多与淀粉的生物合成相关。此外,蛋白质组学研究鉴定到大量与光信号、生长素信号和钙离子信号传导相关的蛋白质的差异表达。推测莲藕膨大过程中光信号和生长素信号以及钙离子信号通路都参与其中。(2)对鞭状茎时期(S1),膨大中期(S2),莲藕时期(S3)的莲地下茎同时也开展了磷酸化蛋白质组学研究。共鉴定出2286个发生磷酸化修饰的蛋白质。其中,能进行定量分析的蛋白质835个。其中57%的蛋白质仅在磷酸化蛋白质组分析中得到鉴定,说明其表达量极低。比较分析共鉴定到发育阶段特异发生磷酸化修饰的蛋白质(SSPp)373个;不同阶段磷酸化修饰强度发生变化的蛋白质(DEPp)有230个;在莲藕膨大过程中既存在蛋白质表达水平发生变化,也存在磷酸化修饰强度发生变化的蛋白质共有133个,通过GO和KEGG富集分析,发现许多生长素等激素信号传导以及淀粉、糖代谢相关蛋白质的磷酸化修饰状态对于莲藕膨大可能具有重要作用;(3)通过对莲CONSTANS-like家族基因、蛋白结构和在莲藕发育过程中转录组数据分析,我们发现NnCOL5基因的表达随莲藕发育进程而升高,与莲藕膨大具有正相关性。NnCOL5蛋白结构由一个BBX和一个CCT功能域组成,定位于细胞核内。马铃薯中过表达NnCOL5引起了短日照条件下微型薯块茎单株薯重和淀粉的显著升高。通过转录组分析发现过表达NnCOL5影响了马铃薯内源激素信号传导尤其是生长素信号传导途径,其次富集到包括淀粉和糖代谢等基因,并影响了CO-FT通路关键因子的表达。推及莲藕膨大的生理进程,NnCOL5可能通过影响生长素信号转导和淀粉合成等途径,促进莲藕膨大。综合本研究,结合蛋白质组学、磷酸化蛋白质组学以及NnCOL5功能分析数据,我们提出了温带莲莲藕膨大的工作模型。在长日照条件下,莲通过PHYA和FYPP等感知光信号,促进地下茎伸长生长,同时可逆磷酸化修饰作用下的抑花因子FRIGIDA起到抑制开花的作用。生长素信号在莲地下茎发育前期起到促进细胞分裂的作用。随着短日照的来临,NnCOL5负作用于生长素信号途径,并且干涉CO-FT途径关键基因的表达,促进莲藕膨大。钙离子信号也参与其中,钙调素蛋白和CPK等蛋白发生可逆磷酸化修饰调控蛋白丰度,促进了莲藕膨大过程中的物质运输。研究结果对于深入认识莲藕膨大的调控机理,促进莲藕育种及产业发展具有重要意义。