https://mp.weixin.qq.com/s/xyl4rATkbZtPSbSmGyoQ7Q

甘蔗是一种高产的热带经济作物，同时还是多功能的能源作物。世界总产量80%的蔗糖和40%的乙醇均来源于甘蔗。而随着全球对低成本生物燃料的需求，甘蔗高蔗糖积累的特性显得尤为重要。研究表明，蔗糖是甘蔗中储存碳水化合物的主要形式，成熟茎节的蔗糖含量约达到其干重的20%^[1]。蔗糖是一种可移动的碳水化合物，在光合叶片中合成，一部分细胞利用，一部分被转运到非光合组织（如：甘蔗的茎秆）得到储存。因此，蔗糖代谢的研究在甘蔗中得到广泛的关注，是甘蔗遗传育种的理论基础，同时具有重要的生产意义。

蔗糖磷酸合酶（sucrose phosphate synthase, SPS）是蔗糖代谢的关键酶，也是蔗糖合成的限速酶。SPS可以催化磷酸果糖和UDP葡糖糖合成磷酸蔗糖，从而为下一步蔗糖的合成提供底物。植物体内蔗糖的合成和讲解过程同时进行，而蔗糖池的变化受到SPS磷酸化的显著影响。研究表明，SPS基因家族分为三个亚家族（A, B, C），且在双子叶和单子叶中存在不同的演化史^[3]。甘蔗是异源多倍体，其基因组巨大而复杂。复杂的基因组为甘蔗领域的研究，带来了很大的难度，很多研究很难开展。目前，对甘蔗SPS基因的研究仍存在很多不足。而近年来，随着测序技术的发展，课题组合作完成甘蔗的基因组的测序组装^[2]，这为我们进行精确的功能研究提供了可能。

图1 文章在线截图

课题组于2020年9月16日在国际学术期刊 BMC Plant Biology上发表题为“Comparative analysis of sucrose phosphate synthase (SPS) gene family between Saccharum officinarum and Saccharum spontaneum”的文章。该研究选择了甘蔗的两个原始种，利用比较基因组学的方法，详细分析了甘蔗SPS基因家族的遗传演化；然后基于转录组、代谢组、蛋白质组数据，分析了SPS基因的功能特征。

本研究中，我们选择的实验材料是现代栽培甘蔗的两个祖先种，高贵种和割手密种。通过构建高贵种和割手密种的BAC文库，我们分别鉴定到8个和6个SPS基因序列。进化树发现，SPS基因家族存在五个分支，SPSA，SPSB，SPSC，SPSD1 和SPSD2。多个物种的进化树表明，SPSD分支是禾本科植物所特有的基因分支。结合多重序列比对和结构分析，我们猜测SPSD是经历了较近的全基因组复制事件，从SPS亚家族中产生的新分支。进一步计算SPS基因的Ka/Ks，数据表明SPS基因家族在演化过程中受到了强烈的选择压力。

图2  Evolutionary analysis of SPS family. a The distribution of SPS subfamilies in different plants. b Phylogenetic analysis of SPS gene family in different plants including S. bicolor, S. officinarum, S. spontaneum, Zea mays, Oryza sativa, Arabidopsis thaliana, Vitis vinifera, Brachypodium distachyon, Ananas comosus and Amborella trichopoda. c Ka/Ks values of the SPS subfamilies.

在此基础上，我们进一步开展了转录组、蛋白质组和代谢组的实验。我们构建了两大转录组数据库：甘蔗三个不同发育阶段的叶片和茎组织样本，甘蔗光合发育梯度叶段样本。多组织转录组数据显示，SPSA，SPSB呈现相对较高的表达水平，表明这两个基因为SPS家族的主效基因。而且，SPS基因家族的表达存在明显的组织差异性：SPSA主要在茎组织中表达，SPSB则是在叶组织中表达。这表明在遗传过程中，SPS基因的功能分化出现一定的组织偏好性。进一步分析两个物种间SPS基因的表达差异，我们发现割手密种SPS基因的表达高于高贵种，关键基因SPSA和SPSB的表达存在明显的种间差异，因此，我们推测SPSA和SPSB基因与两个甘蔗种的糖代谢以及糖积累的差异息息相关。叶段转录组数据表明，所有的SPS基因成员的表达均响应叶段光合梯度的发育，其表达趋势随叶段的成熟而规律性变化。

图3 Expression profiles of SPS genes in various samples in two Saccharum species. Seedling, preM and M represent three developmental states: seedling, pre-mature and mature. In each stage, samples include leaves and internodes.

为了更好的探究SPS基因的表达与糖含量的关系，我们分别开展了叶段和茎节的代谢组和蛋白质组分析。SPSB在SPS基因家族中表达量最高，且与茎秆糖含量的变化呈现正相关，这说明相对其他亚家族，SPSB亚家族发挥更为重要的作用。蛋白质组学数据，我们发现虽然新分支的SPSD基因表达量不高，但相对蛋白含量在SPS基因家族中最高，我们猜测，SPSD的新功能化是为SPSA基因功能的发挥产生辅助效果。当然，这有待进一步的实验验证。

综上所述，甘蔗SPS基因家族的研究，对进一步理解甘蔗糖代谢提供了新的思路，对破解甘蔗高糖生物性状具有重要的参考意义。