Physiological and Transcriptomic Analysis of Sprouting Variation in Two Sweetpotato Cultivars with Different Sprouting Times = 맹아 시기가 다른 두 고구마 품종의 맹아 변이에 대한 생리학적 및 전사체 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Sprouting of storage roots is a critical determinant of seedling productivity in sweetpotato (Ipomoea batatas (L.) Lam.). This study investigated the physiological and transcriptomic mechanisms underlying the variation in sprouting between two sweetpotato cultivars with different sprouting times. Physiological analysis revealed that ‘Sodammi’, the cultivar with late sprouting, maintained consistently higher levels of abscisic acid (ABA) and exhibited late starch degradation compared to the early-sprouting cultivar ‘Jinyulmi’ during the planting period. These results suggest that sustained ABA accumulation acts as a primary constraint on sprouting. Transcriptomic analysis suggests that the differential expression of specific transcription factors (TCP14 and TCP15) may play a pivotal role in modulating sprouting speed variations between the two cultivars. In ‘Jinyulmi’, the high expression of these transcription factors appears to modulate genes related to ABA and gibberellin (GA) biosynthesis, thereby shifting the hormonal balance toward a growth state. Additionally, sugar signaling via T6P, characterized by the downregulation of TPS1 and transient induction of TPPJ. is suggested as a key component of this metabolic transition. Concurrently, the upregulation of starch- degrading enzymes and sugar transporters facilitates the energy metabolism required for growth, while the activation of signaling pathways involved in cell division and growth leads to rapid sprouting. These findings are expected to not only deepen the understanding of sweetpotato sprouting mechanisms but also contribute significantly to improving seedling production efficiency.

국문 초록 (Abstract)

고구마(Ipomoea batatas (L.) Lam.) 괴근의 맹아는 묘 생산성을 결정짓는 핵심 요인이다. 본 연구는 맹아 시기가 다른 두 고구마 품종을 대상으로 생리학적 특성과 전사체 분석을 수행하여 맹아 변이의 기저에 있는 분자적 메커니즘을 규명하고자 하였다. 생리학적 분석 결과, 상대적으로 맹아가 늦은 품종인 ‘소담미’는 맹아가 빠른 품종 ‘진율미’에 비해 파종 기간 동안 높은 수준의 ABA 함량을 유지하고 전분 분해가 지연되는 특성을 보였으며, 이는 지속적인 ABA 축적이 맹아를 제한하는 주요 요인임을 시사한다. 전사체 분석에서는 TCP14나 TCP15와 같은 특정 전사인자들의 발현 차이가 두 품종 간의 맹아 속도를 조절하는 핵심 기제로 작용하는 것으로 추정되었다. '진율미'에서는 이들 전사인자의 높은 발현이 ABA 및 GA 생합성 관련 유전자들을 조절하여 호르몬 균형을 생장 상태로 전환하는데 관여하는 것으로 추정된다. 또한 TPS1의 하향 조절과 TPPJ의 일시적 유도를 통한 T6P 당 신호 전달이 대사적 전환 과정에 영향을 미칠 것으로 여겨진다. 이와 동시에, 전분 분해 효소와 당 수송체의 발현 증가는 생장에 필요한 에너지 대사를 촉진하고, 세포 분열과 생장에 관련된 신호 전달 경로가 활성화되어 빠른 맹아를 이끄는 것으로 여겨진다. 본 연구 결과는 고구마 맹아 기작에 대한 기초적인 이해를 제공하며, 향후 육묘 효율 증진을 위한 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. INTRODUCTION 1
• 2. MATERIALS AND METHODS 4
• A. Plant materials 4
• B. Investigation of sprouting characteristics 4
• C. Analysis of physiological changes during the planting period 5
• 1) Determination of starch content 5
• 2) Determination of soluble sugar content 6
• 3) Determination of ABA content 6
• D. Transcriptome analysis 7
• 1) RNA extraction 7
• 2) Library preparation and sequencing 8
• 3) Differentially expressed genes (DEGs) analysis 8
• 4) Gene Ontology(GO) enrichment analysis 10
• 5) Functional annotation and pathway classification of DEGs 10
• E. Statistical analysis 11
• 3. RESULTS 13
• A. Sprouting characteristics of the two cultivars 13
• B. Changes in carbohydrate and ABA contents in storage roots during the planting period 15
• C. Transcriptome sequencing and read mapping 19
• D. Sample-level variation and global expression patterns 21
• E. Differential Expression and Genotype Time Interaction Analysis 24
• F. Identification of Genotype-Specific Expression Patterns 29
• G. Expression Patterns of Starch and Sucrose Metabolism Genes after planting 32
• H. Expression patterns of hormone biosynthesis and signaling pathway genes after planting 35
• 4. DISCUSSION 39
• 5. CONCLUSION 46
• References 48
• Abstract in Korean 58