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甘蔗是一个原产于热带或亚热带地区，大型的多年生植物。每年世界上总产量80%和40%的蔗糖和乙醇原料均来自于甘蔗。能源蔗也被视为第一代可替代生产乙醇燃料的能源作物。因此提高甘蔗糖分的研究是甘蔗育种的核心方向。甘蔗现代栽培品种基因组巨大，是异源非整倍体，为迄今人类驯化作物中最为复杂的基因组。甘蔗基因组的复杂性使这一世界最重要的糖能作物的基因组测序依然无法在短期内开始启动。因此，长期以来，甘蔗中最基本的生产功能糖分代谢基因与糖转运蛋白一直是人们重点的研究方向，但未知的全基因组信息使前期研究只限探讨个别相关基因成员。近年，与甘蔗近缘的高粱完成了全基因组测序，为甘蔗的精确比较基因组研究提供了可能；与此同时，以Illumina和罗氏公司为代表的高能量二代测序技术也为复杂基因组植物测序提供平台。本研究是基于比较基因组学和二代测序技术平台上，对甘蔗糖分代谢与转运相关的基因进行甘蔗主要品种间基因进化关系的比较和表达分析，旨在揭示不同甘蔗品种中糖分代谢与积累的机制以及为甘蔗高糖基因工程育种奠定最基础性的分子生物学工作。主要研究内容如下：1）本研究通过与拟南芥、高梁、水稻等植物的比较基因组研究分析，结合基于RNA-seq的EST测序和实验验证，通过同源克隆的方法，鉴定得到甘蔗的糖分代谢重要家族PFK和FRK分别含有10个和4个基因，以及糖分转运蛋白中分布在8个家族的共52个基因成员。2）对获得的甘蔗中糖分代谢关键基因和糖转运蛋白在品种进化以及推演产物的分子特征方面进行探讨。结果发现，单子叶与双子叶植物中所含有的FRK、PFK和糖转运蛋白基因的数量存在明显差异。对PFK家族基因在单、双子叶进化分析中得知，基因共分为三个亚家族，subfamilyⅠ、 subfamilyⅡ和subfamilyⅢ。其中，subfamilyⅡ是一个活跃的多基因亚家族，包含4个甘蔗基因成员，ScPFK7、ScPFK8、ScPFK9和ScPFK10。3）进一步分析这些基因在甘蔗的热带种、割手密种以及大茎野生种三个主要的父母本种的不同组织中的表达模型，以期探讨这些基因与甘蔗糖分积累关系。其中ScPFK7、ScPFK8和ScPFK9在甘蔗三个被测品种的不同组织中的表达也都表现出明显的差异性，值得注意的是，它们同属于一个亚家族，同源性高达85%以上。曾有研究报道PFK家族在植物的蔗糖合成过程中，能够引起蔗糖含量的下降。但是ScPFK8在高糖品种中的含量明显低于其它两个种。我们对这一具有潜在功能的基因进行了高糖种BAC的全基因测序，并进行了基因注释。在我们所得到的31个糖转运蛋白在甘蔗被测品种不同组织的表达谱中，5个基因表现明显的种间表达差异，有6个基因显示了丰富的组织间表达差异。4）对于甘蔗中FRK成员，我们进一步探讨了这4个基因在上述三个甘蔗被测品种的单核苷酸多态性(SNPs)和单倍型(Haplotype)。结果显示，4个ScFRK基因在热带种、大茎野生种和割手密种的SNP频率分别是73bp、38bp和45bp；在热带种和大茎野生种之间有22个相同的SNP，15个SNP存在于热带种和割手密种中，以及割手密种和大茎野生种有31个相同的SNP。同时我们鉴定得到4个FRK基因分别含有27、27和24个haplotype在热带种、大茎野生种和割手密种中。