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高粱是世界第五大禾谷类作物,广泛用作食物、酿酒、制糖和饲料。甜高粱是粒用高粱的一个变种,以茎秆含糖量高而成为潜在生物能源作物之一。因此,开展甜高粱茎秆糖如何积累的分子机制研究,对甜高粱高糖含量品种的选育、茎秆糖运输和积累的分子机制具有重要意义。但有关控制甜高粱茎秆糖含量的QTL位点报道结果不一致,茎秆糖如何积累的分子机制至今仍然不清楚。为了探究甜高粱茎秆糖积累过程中基因和microRNA表达的变化特点,鉴定茎秆糖积累可能涉及的特异表达的基因和microRNA。本研究通过比较甜高粱(Rio)和粒用高粱(BTx623)茎秆糖积累数据确定取样时期和组织部位,取抽穗期和蜡熟期的上数第四节茎秆和第二叶片提取总RNA,通过高通量测序技术分析甜高粱Rio在糖积累时期茎秆和叶片中基因和microRNA的表达,并以粒用高粱BTx623相应时期的材料作为对照,鉴定可能与甜高粱糖积累有关的基因和microRNA。本研究从表达谱水平上分析甜高粱糖积累的分子机制,鉴定的特异表达的基因和microRNA也为甜高粱茎秆糖积累研究提供了依据。1、数字基因表达谱分析的主要结果如下：(1)8个样品总计检测到25405个基因。差异表达基因(FDR<0.001且存在1og2 Ratio |>1)分析表明：BTx623叶片中(BL1-VS-BL2)差异表达基因6285个(上调基因4224,下调基因2061),茎秆中(BS1-VS-BS2)差异表达基因5216个(上调基因1744、下调基因3472个)；Rio叶片中(RL1-VS-RL2)差异表达基因6245个(上调基因4239个,下调基因2006个)；茎秆中(RS1-VS-RS2)差异表达基因5424个(上调基因2338个,下调基因3086个)。在茎秆的调控中以下调的基因为主,而在叶片的调控中以上调的为主。(2) KEGG代谢途径分析表明：在RS1-VS-RS2、RL1-VS-RL2、BS1-VS-BS2、 BL1-VS-BL2中分别富集了25、13、17、15条显著的代谢途径。其中RS1-VS-RS2差异基因主要是参与糖和淀粉代谢、次生代谢等途径,这些路径可能在高粱茎秆糖积累中起重要作用。(3)差异基因MapMan分析表明淀粉和蔗糖的代谢在甜高粱和粒用高粱茎秆糖积累过程中基因差异最为显著。在Rio茎秆中,与淀粉合成和降解、蔗糖合成有关的基因表达均大量被上调,而蔗糖分解相关的基因几乎被抑制。淀粉水解为蔗糖,蔗糖较少被降解,所以最终在茎秆中大量积累蔗糖。而BTx623茎秆中,淀粉合成和降解有关的基因表达被下调,因此减少了淀粉水解为蔗糖,然后蔗糖被水解,因此在茎秆不能积累蔗糖。(4)对高粱中蔗糖转运体的表达分析表明,SUT1(被认为是在叶片中参与韧皮部运输蔗糖到茎秆中)在成熟叶片丰度较高,且其表达在甜高粱糖积累后期叶片中被诱导,加快了蔗糖从叶片运输到茎秆中。SUT2(被认为是在茎秆中参与光合同化物存储)主要在茎秆中表达,其表达在甜高粱糖积累后期被诱导,使蔗糖存储到薄壁细胞中起作用,从而在茎秆中积累了大量的糖分。2、microRNA分析的主要研究结果如下：(1)如上所述的8个miRNA文库,鉴定出来自于56个miRNA家族的185个known miRNA,共预测获得634个未知miRNA。(2)对miRNA进行差异表达分析,miRNA表达变化大于2倍或小于1/2,P<0.05选作差异表达的miRNA。在已知miRNA中,61个miRNA在BTx623叶片(BL1-VS-BL2)中显著差异表达,42个miRNA在BTx623茎秆中(BS1-VS-BS2)显著差异表达。64个miRNA在Rio叶片中(RL1-VS-RL2)显著差异表达,40个miRNA在Rio茎秆中(RS1-VS-RS2)显著差异表达。在未知niRNA中,60个miRNA在BTx623叶片中(BL1-VS-BL2)显著差异表达,30个miRNA在BTx623茎秆中(BS1-VS-BS2)显著差异表达。58个miRNA在Rio叶片中(RL1-VS-RL2)显著差异表达,33个miRNA在Rio茎秆中(RS1-VS-RS2)显著差异表达。(3)169个known miRNA预测的靶基因有442个,264个novel miRNA预测有3771个靶基因。12个novel miRNA口9个known miRNA在RS1-VS-RS2特异表达,差异表达的known miRNA的靶基因包括NAC转录因子和Homeddomain zipper protein,除此之外,其他预测的靶基因参与多种生理和代谢过程。差异表达的novel miRNA的靶基因包括转录因子、葡糖基转移酶、蛋白激酶、细胞色素P450、转运基因等。(4)我们筛选了一个Rio茎秆糖积累后期特异诱导表达的novel miRNA和一个叶片特异诱导表达的novel miRNA,并且用实时荧光定量PCR验证miRNA的表达。为进一步研究参与糖积累的miRNA潜在作用提供基础。