甘蔗(Saccharum spp.)是我国乃至全世界最主要的糖料作物之一,糖分含量是甘蔗最重要的品质指标。甘蔗热带种(Saccharum officinarum)和割手密种(Saccharum spontaneum)是甘蔗最主要的两个原始种,它们的杂交产生了现代栽培甘蔗。其中热带种具有高糖的特性,而割手密则含糖量低但抗逆性强。课题组对割手密和热带种全基因组破译工作的完成,为甘蔗的组学研究提供了基础。在课题组鉴定的割手密糖转运蛋白基因超家族研究基础上,本研究利用比较基因组学,对甘蔗热带种中的糖转运蛋白基因进行了鉴定及分析,并进一步通过功能互补实验验证了其主要亚家族关键成员的转运功能,以及通过酵母单杂实验分析了其可能的调控蛋白基因。主要研究结果如下:(1)运用比较基因组学等生物信息学的手段,从甘蔗热带种基因组中共鉴定到189个糖转运蛋白基因(Sugar transporters,STs),包含等位基因在内共有414个。根据基因结构和转运底物的不同将它们分为8个亚家族,其中SUT(蔗糖转运蛋白)亚家族有18个成员,INT(肌醇转运蛋白)、TMT(液泡膜单糖转运蛋白)、VGT(液泡葡萄糖转运蛋白)、p Glc T(质体葡萄糖转运蛋白)以及SFT(早期干旱胁迫应答蛋白)亚家族分别有13、15、7、4和15个成员,而PMT(多元醇/单糖转运蛋白)和STP(己糖转运蛋白)亚家族较大,分别具有55和62个家族成员。与甘蔗割手密种相比,甘蔗热带种糖转运蛋白基因在总数和所有亚家族成员数目上都有明显的扩张现象,且这种扩张现象也出现在甘蔗与高粱、水稻等其他植物之间。热带种中鉴定到的糖转运蛋白基因在序列上与甘蔗割手密和高粱的糖转运蛋白基因具有较高的相似性,且同源基因之间的序列和结构域都具有高度的保守性。蔗糖转运蛋白都具有一个GPH＿sucrose family保守结构域,而单糖转运蛋白都具有MFS superfamily保守结构域,其中TMT亚家族具有两个较短的MFS superfamily保守结构域。(2)通过分析转录组数据发现,在叶片发育梯度中,So SUT1、So VGT3、So STP13等基因在叶片成熟部位的表达量高于幼嫩部位,它们可能与叶片成熟部位光合作用产生的糖分的转运有关;而So STP4及其6个旁系同源基因除了在叶片成熟部位具有高表达量外,在叶片基部同样高表达,它们可能与叶片中的糖分向茎部转运有关。而在不同生长时期叶片和茎部的转录组数据表明,So VGT3等基因在叶片中的表达量明显高于茎部,且随着植株的成熟程度呈下降趋势,表明这些基因可能主要负责叶片中糖分的转运,且与植株的生长时期有关。相反地,So TMT3等基因在茎部的表达量高于叶片,它们可能更多的是进行甘蔗茎部的糖分转运。此外,在昼夜节律转录组数据的分析结果中,So SUT1、So INT2等基因在夜间的表达量显著高于白天,表明它们参与夜间糖分从叶绿体输出的过程,可能与甘蔗夜间糖分的储存或消耗有关。相反地,So SUT4＿T1、So TMT4等基因则在白天的表达量高于夜间,表明它们更多的是参与白天糖分在甘蔗体内的运输,可能与甘蔗呼吸作用消耗的糖分有关。转录组数据的分析表明,甘蔗热带种中各个糖转运蛋白在不同部位、不同时期具有不同的表达情况,它们共同完成甘蔗各时期、各部位的糖分转运、利用及储存工作。此外,甘蔗热带种8个糖转运蛋白基因亚家族的9个高表达基因中,有7个基因在叶片中的表达量高于割手密中的高表达同源基因,表明多数热带种糖转运蛋白基因可能比割手密具有更高的表达丰度,与其数量上的扩张一同形成了种间糖分含量的差异。(3)应用己糖吸收缺陷型酵母EBY.VW4000对甘蔗热带种和割手密种糖转运蛋白基因主要亚家族的高表达成员进行功能互补实验,结果表明:STP、VGT、p Glc T等单糖转运类蛋白具有转运葡萄糖和果糖等单糖的能力,而同为单糖转运蛋白的TMT基因除了能转运葡萄糖和果糖外,还具有一定的转蔗糖能力。此外,SUT亚家族成员只表现出对蔗糖的特异性转运能力。然而,两个原始种间糖转运蛋白同源基因在转运底物方面似乎没有明显差异。(4)利用酵母单杂系统筛选到一个割手密高表达蔗糖转运蛋白基因Ss SUT1＿T1的33个互作蛋白基因,进一步比对到割手密基因组上的15个基因。其中出现最多的是kafirin PSKR2-like和histone H3.3,还有一些天冬酰胺蛋白酶AED3、ru Bis CO大亚基结合蛋白、α辅酶7等。将这15个割手密基因在北大植物转录因子数据库中进行比对,比对到3个其他物种的转录因子,表明它们可能为甘蔗割手密中与Ss SUT1＿T1诱饵糖转运蛋白基因发生互作的转录因子。Ss SUT1＿T1的3个假定互作转录因子分别为热胁迫转录因子(HSF)、Trihelix转录因子(GT转录因子)和CO-like转录因子。进一步分析这15个基因的转录组数据发现,包括假定的Trihelix转录因子在内的多数基因与诱饵基因Ss SUT1＿T1在叶段中具有相反的表达趋势,只有HSF转录因子具有相近的表达趋势。此外,对它们昼夜节律转录组的分析结果表明,HSF、Trihelix、CO-like转录因子等多数基因都与诱饵基因Ss SUT1＿T1在昼夜节律上具有明显的相反趋势,表明这些转录因子可能与光照具有相关性,并会对Ss SUT1＿T1进行负调控,且HSF转录因子(热胁迫转录因子)在昼夜节律上的趋势可能与温度有关。Ss SUT1＿T1及Trihelix、CO-like转录因子在各叶段和茎段都具有类似的蛋白质含量,然而HSF转录因子则未检测到蛋白质含量。