甘蔗是最重要的糖料和生物质燃料作物，生产了全球80%的糖和40%的生物质燃料，是国际性的大宗农作物，其全球农业直接产值与玉米相当，排名第五（联合国粮农组织，2013）。我国是世界第三大食糖生产国和第二大消费国，90%以上的食糖来源于甘蔗，糖料作物一直是国家中央强调要重点保障的农产品。但由于甘蔗遗传背景复杂，且甘蔗的主要生产国都是发展中国家，其基础研究一直相对大宗作物而言比较滞后。
甘蔗蔗糖积累是复杂性状的遗传调控过程，是以光合作用为核心的碳同化网络结合由糖分合成降解为主的碳水化合物代谢网络以及糖分转运网络，在调控分子介导下组成一个功能单元整体。近十年来，福建农林大学张积森团队一直聚焦于甘蔗的糖分积累等相关分子机制进行较系统的研究，研究内容围绕着甘蔗的糖分代谢、糖分转运以及相关分子调控。蔗糖转运蛋白是糖份运输与积累的核心功能基因。张积森团队前期发现甘蔗蔗糖转运蛋白（Sucrose Transporter, SUT）的4个成员为单叶子特有，等位基因单倍型十分保守，并揭示SUT1和SUT4为SUT的主要成员（Zhang et al., 2016)；发现蔗糖转运蛋白SWEET1a/2a/4a/4b/13a/16b是导致甘蔗高贵种与割手密种糖分差异的候选基因，并进一步发现SsSWEET1、SsSWEET4a以及SoSWEET4a、SoSWEET4能够转运葡萄糖、果糖及蔗糖；而SsSWEET11a和SoSWEET13a对葡萄糖、果糖和蔗糖没有转运活性(Hu et al., 2018)；发现尽管割手密具有较低的糖含量，但是液泡单糖转运蛋白、己糖转运蛋白和多醇转运蛋白基因家族的串联复制和扩张为甘蔗属高糖含量的高贵种的演化奠定了基础（Zhang et al., 2018b)。
图1. 基于基因表达谱的甘蔗SWEET蛋白在韧皮部装载和卸载过程的示意图模型。
注：在叶片组织中， SWEET13a / 13 b / 13 c主要在发育梯度叶片的正在成熟区和成熟区的叶段中表达，SWEET1b主要在成熟区表达，SWEET2b在过渡区和成熟区表达，SWEET1a / 2a在叶片的基部（库组织），过渡区和成熟区表达，SWEET4b / 11a在基部表达。这些结果表明，SWEET1b/2b/13a/13b/13c与光合组织中蔗糖的外排有关，而SWEET1a/4b/11a与蔗糖从叶向茎的外排有关。蔗糖是由叶肉细胞中的二氧化碳和水通过卡尔文循环合成的。SWEET13a/13b/13c是叶片正在成熟区和成熟区中表达量最高的基因，根据拟南芥(Arabidopsis thaliana)中同源基因AtSWEET11和AtSWEET12的功能，推测其参与了由光合作用产生的蔗糖向叶片外质体（由细胞壁及细胞间隙组成等空间组成的体系称质外体）的流出的过程。SWEET1b/13a/13b的呈现出昼夜节律的表达模式，说明这三个基因受到光的调控。在茎组织中，SWEET1a / 4 a / 4b在茎组织中都有表达，SWEET2a主要是在未成熟的茎中表达，SWEET13c在正在成熟和成熟的茎中表达，这表明SWEET1a / 4 a / 4b参与蔗糖卸载和库组织中蔗糖的积累，而SWEET2a参与蔗糖从源到库组织流出的过程，和SWEET13c可能是参与成熟的茎细胞中蔗糖积累。合成的蔗糖通过筛管从甘蔗叶片中运输出来，积累在甘蔗茎的薄壁细胞中。因此，SoSWEET2a可能参与了薄壁细胞中糖的积累和厚壁组织细胞中糖的运输。SoSWEET4a、SoSWEET4b、SoSWEET13c可能参与了厚壁组织细胞中糖的转运。SoSWEET16a在薄壁组织细胞中的表达量高于在厚壁组织细胞中的表达量，表明这些基因可能参与了薄壁组织中糖的积累。
近日，张积森教授团队在The Plant Journal上发表了题为Evolutionary Expansion and Functional Divergence of Sugar Transporters in Saccharum (S. spontaneum and S. officinarum)的研究论文，报道了该团队在甘蔗糖分代谢领域取得的最新进展。该研究利用比较基因组学手段在甘蔗割手密基因组中鉴定到了105个糖分转运蛋白基因（ST），这些糖分转运蛋白基因可以分为8个亚家族，通过与近缘物种比较，发现PLT亚家族和STP亚家族基因在甘蔗割手密种中发生了成员扩张，并发现这种扩张现象是由串联复制导致的，揭示了甘蔗属糖分积累的早期演化规律。研究团队进一步利用来自高糖的热带种和低糖的割手密种的226个样本的转录组进行表达谱分析，发现有50个STs在两个甘蔗种的叶片组织中呈现不同的时空表达模式，有10个STs分别在茎中特异表达和响应昼夜节律。部分基因的缺陷型酵母功能互补实验表明，转运蛋白STP13、pGlcT2、VGT3、和TMT4对葡糖糖和果糖具有较高的亲和力，而SUT1_T1则对蔗糖具有较高的亲和力。并综合代谢数据推测STP7可能是一个糖饥饿诱导的基因；STP13可能在衰老组织中介导糖分的回收；PLT11, PLT11_T1, TMT3 和TMT4可能对突破库组织的存储糖分能力的极限具有重要作用。SUT1, SUT1_T1, PLT11, TMT4, pGlcT2和VGT3在两个甘蔗种中行使不同的功能。
图2. 糖分转运蛋白基因在甘蔗热带种和割手密种中潜在的功能
注：（a）热带种和割手密种成熟期的茎和叶片中糖分含量的测定。（b）热带种和割手密种部分糖分转运蛋白基因cDNA的克隆。M：marker; 1：酵母的HXT5; 2：SsSTP13; 3: SoSTP13; 4: SspGlcT2; 5: SopGlcT2; 6: SsTMT4; 7:SoTMT4; 8: SsVGT3; 9: SoVGT3; 10: AtSUC2; 11: SoSUT1_T1; 12: SsSUT1_T1。（c）己糖缺陷型酵母异源表达代表性的糖分转运蛋白基因进行功能互补验证。（d）基于甘蔗226个转录组表达谱、糖分测定和己糖缺陷型酵母功能互补实验等数据建立的糖分转运蛋白基因在甘蔗库源代谢中的功能示意图。红色标注的基因表示其在热带种和割手密种中存在显著的表达差异。
该研究是张积森课题组在甘蔗糖分积累分子生物学领域研究的又一新的进展，是在之前的研究基础上结合比较基因组学、转录组以及异源表达等手段揭示了糖分转运蛋白在甘蔗碳水化合物的分配和代谢中的作用。这为下一步围绕遗传学的基本原理并综合应用现代生物学手段，解析甘蔗糖分代谢的分子遗传网络的研究提供重要基础。福建农林大学海峡联合研究院基因组中心博士生张清、华秀婷和已毕业的硕士生刘洪为论文共同第一作者，福建农林大学海峡联合研究院基因组中心张积森教授为论文的通讯作者。明瑞光教授、广西大学张木清教授、广西大学博士研究生袁渊和福建农林大学博士生石岩参与了该工作。该研究得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金和广东省科技基金等项目资助。值得一提的是，张积森团队近年在以糖分代谢网络方面也取得系列进展。以糖分积累为核心的碳水化合物形成是甘蔗研究中最重要的生物学问题，糖分代谢过程蔗糖磷酸合成酶＼蔗糖合成酶＼蔗糖转化酶是核心开催化酶。蔗糖磷酸合成酶(sucrose phosphate synthase, SPS)是高等植物体内控制蔗糖合成的关键酶之一,它主要通过异构调节和磷酸化修饰在酶水平调节蔗糖合成。张积森等最初通过应用模式植物拟南芥基因的敲除，揭示了蔗糖磷酸合成酶A1(sucrose phosphate synthase, SPS)的缺失可以提高叶片淀粉的转化，进而降低蔗糖的含量（Sun et al., 2011）；随着组学技术的发展，团队利用甘蔗BAC文库。结合转录组数据和酵母单杂实验，鉴定了一系列糖代谢相关的基因，并对比分析了这些基因在甘蔗高、低糖品种中的功能。在甘蔗热带种和割手密种中，分别鉴定到了8个和6个SPS基因，并发现SPSA和SPSB可能参与到了这两个甘蔗种的碳水化合物代谢的差异中（Ma et al., 2020）。基于比较基因组学和分子生物学，揭示了甘蔗主要原始种的蔗糖合成酶(sucrose synthase, SUSY)的单倍体特征（Zhang et al., 2013），并发现SUSY2在两个甘蔗原始种受不同的昼夜节律控制（Shi et al., 2019）。发现甘蔗属内果糖激酶（fructokinase）是一个古老的基因家族，并揭示FRK1是果糖激酶主效成员（Chen et al., 2016）。从甘蔗中克隆了14个蔗糖转化酶（invertase）成员，并揭示中性/碱性转化酶在响应非生物胁迫时比酸性转化酶起更大作用（Wang et al., 2017)。光合作用与甘蔗的糖分代谢紧密相关。镁作为络合分子的中心元素，是叶绿素正常执行功能的必要条件，是光合的核心元素。张积森团队在甘蔗中鉴定出10个镁离子转运蛋白（MGT），其中SsMGT6/9/10是甘蔗细胞镁平衡主效基因，且SsMGT6与MGT9/10存在昼夜节律功能分工；镁饥饿能诱导甘蔗叶片碳固定，植物激素传导基因上调，而淀粉代谢、叶绿素合成基因被抑制（Wang et al., 2019)。通过系统的WRKY转录因子鉴定分析，推测21个WRKY成员与甘蔗的光合作用存在相关性（Li et al., 2020）。该团队在甘蔗的光合机制上取得重要进展，发现甘蔗割手密相比高粱和玉米，新增了一个有C4类型的NADP-ME基因，少了一个C4类型PEPCK基因，且其NADP-ME的酶活、净光合水平显著比高粱和玉米高（Zhang et al, 2018b）。
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