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作为重要糖料作物和能源作物的甘蔗（Saccharum spp.）因其高光合特征和强大的能量收益系统，使其成为生物燃料的理想原料，具有极高的农业经济价值。甘蔗现代栽培种主要是由割手密种（S.spontaneum）和高贵种（S.officinarum）杂交产生的，两者在光合效率及糖分代谢等方面存在差异，具有比较研究的价值。此前甘蔗基因组背景的复杂性制约了其研究进展，随着甘蔗割手密种高质量基因组的破译，使得甘蔗相关研究以及甘蔗种之间的比较分析具有了可行性。单子叶植物的叶片连续且规则的梯度发育特征，是研究植物叶片代谢活动和光合形态建成的模型材料，同时分析基因对不同时间点的光热响应是研究植物生长发育调控的重要手段，但目前对甘蔗叶片发育梯度的代谢活动及基因在昼夜节律中的响应模式尚未清晰。本研究以比较基因组学为核心手段，主要利用转录组学的方法，对甘蔗割手密种和高贵种进行梯度发育叶片和昼夜节律转录组动力学相关分析，深度解析空间和时间的表达数据，并剖析两个甘蔗种之间的差异。本研究主要研究结果如下：
（1）割手密种和高贵种转录组数据特征
本研究设计了两个转录组实验：1）为研究甘蔗梯度发育叶片的代谢机制，取生长11天割手密种和15天高贵种苗期的正2叶各15个叶段，每个叶段三个生物学重复，共90个样本。2）为探讨甘蔗昼夜响应的分子机制，取割手密种和高贵种两个昼夜循环中共18个时间点，每个时间点三个生物学重复，共108个样本。应用二代高通量测序并比对到割手密种AP85-441单倍体基因组中。转录组重复样本相关性较高，高贵种样本相关性大于割手密种。割手密种和高贵种基因表达饱和点都为FPKM>0.001，割手密种的基因整体饱和度高于高贵种，甘蔗叶片基部的基因饱和度高于尖部，昼夜节律转录组饱和度无规则起伏。割手密种和高贵种梯度发育叶片转录组分别含有13842和14598个差异表达基因，昼夜节律转录组分别含有13842和14598个差异表达基因。甘蔗叶片发育的种内差异在C4光合向尖端发育阶段，种间差异在库-源转化区域。昼夜节律差异主要集中在晚8点至次日中午12点的时间段上。
（2）甘蔗梯度发育叶片的代谢活动及共表达调节
对割手密种和高贵种叶片基部、中部和尖部三个发育分成区进行转录组动态重编程深度研究，解析了光合分化过程中发生的转录变化，证实了甘蔗叶片从基部到尖部是一个连续且规则的动态发育过程。叶片基部富集了细胞基本功能的活动；库到源组织过渡区域主要控制光合作用机制的形成；在叶片尖部，细胞致力于光合作用反应。割手密种和高贵种的差异共表达网络表明甘蔗叶片基部向中部发育时，基本细胞功能的基因与建立光合作用机制的基因共表达，叶片中部向尖部发育时，建立光合作用机制的基因与光合作用反应的基因共表达。
（3）割手密种和高贵种梯度发育叶片的时序基因共表达网络
对两个甘蔗种进行时序基因共表达网络的构建，揭示了两个甘蔗种梯度发育叶片的基因表达时间序列，证实了基因在割手密种和高贵种叶片发育过程中存在不同的转录重编程机制。分别有29597、22422个共表达基因调节割手密种和高贵种的梯度发育叶片，并且割手密种的基因表达时间序列跨度大于高贵种。S.spon-dependent TO-GCN、S.offfic-dependent TO-GCN和S.spon&S.offfic-dependent TO-GCN中的基因表达时序揭示了割手密种和高贵种差异调节主要发生在叶片库-源过渡区域之后，割手密种在叶片的光合作用区段表达量较高，这可能与割手密种比高贵种净光合更高相关。借助时序基因共表达网络推断并实验验证了关键C4类型基因（PEPCK和NADP-MDH2）的上游调节级联，发现两个甘蔗种对PEPCK存在差异调节，PEPCK影响植物的无机碳固定，这可能与割手密种和高贵种糖产量差异有关。
（4）割手密种和高贵种昼夜节律响应机制
昼夜节律与基因表达相耦合，从而根据生物体自身生长发育的需求，协调生理代谢过程。本研究对割手密种和高贵种进行基因昼夜节律性检测和相位富集，25.28%的基因表现出独特的昼夜循环模式，24610个基因的最高表达量发生时间点的转移，而在光合相关基因中则有117个发生了相位转移。两个甘蔗种昼夜节律转录机制存在不同的时间重新布线，高贵种基因在白天时段高表达，增强了同化能力，促进了对光合产物的固定。
（5）割手密种和高贵种光合相关基因调控差异
在割手密种和高贵种中分别鉴定到141和146个差异表达的光合相关基因，主要分布在光呼吸、光反应和卡尔文循环三个途径中。结合代谢组学，绘制光合作用代谢通路示意图。在光呼吸途径上，割手密种的基因表达高于高贵种，而在叶片的成熟区域，丝氨酸含量在高贵种中高于割手密种。在乙醇酸循环和氮代谢途径中，割手密种的甘氨酸、谷氨酸等代谢物含量较高。构建割手密种和高贵种光合相关基因基因相互作用网络，割手密种和高贵种分别含有31和32种代谢途径的作用关系，与糖分代谢相关的基因分别含有32和55个。高贵种中存在5个特殊基因（Sspon.002A0021300、Sspon.008B0010590、Sspon.004A0001350、Sspon.008A0021570和Sspon.004A0001350）参与PEPCK、PPCK、PEPC代谢，在多种酶的作用下促进非糖物质转变成葡萄糖或糖原，这可能是高贵种高糖分含量形成的原因。
解析甘蔗梯度发育叶片代谢过程和昼夜节律响应机制可以阐明光合作用和碳水化合物代谢的基本生物学过程。同时借助这两组转录组研究光合作用，分析甘蔗种间差异，为进一步研究甘蔗种光合作用和碳水化合物代谢的差异提供了重要且有价值的基础。
（1）割手密种和高贵种转录组数据特征
本研究设计了两个转录组实验：1）为研究甘蔗梯度发育叶片的代谢机制，取生长11天割手密种和15天高贵种苗期的正2叶各15个叶段，每个叶段三个生物学重复，共90个样本。2）为探讨甘蔗昼夜响应的分子机制，取割手密种和高贵种两个昼夜循环中共18个时间点，每个时间点三个生物学重复，共108个样本。应用二代高通量测序并比对到割手密种AP85-441单倍体基因组中。转录组重复样本相关性较高，高贵种样本相关性大于割手密种。割手密种和高贵种基因表达饱和点都为FPKM>0.001，割手密种的基因整体饱和度高于高贵种，甘蔗叶片基部的基因饱和度高于尖部，昼夜节律转录组饱和度无规则起伏。割手密种和高贵种梯度发育叶片转录组分别含有13842和14598个差异表达基因，昼夜节律转录组分别含有13842和14598个差异表达基因。甘蔗叶片发育的种内差异在C4光合向尖端发育阶段，种间差异在库-源转化区域。昼夜节律差异主要集中在晚8点至次日中午12点的时间段上。
（2）甘蔗梯度发育叶片的代谢活动及共表达调节
对割手密种和高贵种叶片基部、中部和尖部三个发育分成区进行转录组动态重编程深度研究，解析了光合分化过程中发生的转录变化，证实了甘蔗叶片从基部到尖部是一个连续且规则的动态发育过程。叶片基部富集了细胞基本功能的活动；库到源组织过渡区域主要控制光合作用机制的形成；在叶片尖部，细胞致力于光合作用反应。割手密种和高贵种的差异共表达网络表明甘蔗叶片基部向中部发育时，基本细胞功能的基因与建立光合作用机制的基因共表达，叶片中部向尖部发育时，建立光合作用机制的基因与光合作用反应的基因共表达。
（3）割手密种和高贵种梯度发育叶片的时序基因共表达网络
对两个甘蔗种进行时序基因共表达网络的构建，揭示了两个甘蔗种梯度发育叶片的基因表达时间序列，证实了基因在割手密种和高贵种叶片发育过程中存在不同的转录重编程机制。分别有29597、22422个共表达基因调节割手密种和高贵种的梯度发育叶片，并且割手密种的基因表达时间序列跨度大于高贵种。S.spon-dependent TO-GCN、S.offfic-dependent TO-GCN和S.spon&S.offfic-dependent TO-GCN中的基因表达时序揭示了割手密种和高贵种差异调节主要发生在叶片库-源过渡区域之后，割手密种在叶片的光合作用区段表达量较高，这可能与割手密种比高贵种净光合更高相关。借助时序基因共表达网络推断并实验验证了关键C4类型基因（PEPCK和NADP-MDH2）的上游调节级联，发现两个甘蔗种对PEPCK存在差异调节，PEPCK影响植物的无机碳固定，这可能与割手密种和高贵种糖产量差异有关。
（4）割手密种和高贵种昼夜节律响应机制
昼夜节律与基因表达相耦合，从而根据生物体自身生长发育的需求，协调生理代谢过程。本研究对割手密种和高贵种进行基因昼夜节律性检测和相位富集，25.28%的基因表现出独特的昼夜循环模式，24610个基因的最高表达量发生时间点的转移，而在光合相关基因中则有117个发生了相位转移。两个甘蔗种昼夜节律转录机制存在不同的时间重新布线，高贵种基因在白天时段高表达，增强了同化能力，促进了对光合产物的固定。
（5）割手密种和高贵种光合相关基因调控差异
在割手密种和高贵种中分别鉴定到141和146个差异表达的光合相关基因，主要分布在光呼吸、光反应和卡尔文循环三个途径中。结合代谢组学，绘制光合作用代谢通路示意图。在光呼吸途径上，割手密种的基因表达高于高贵种，而在叶片的成熟区域，丝氨酸含量在高贵种中高于割手密种。在乙醇酸循环和氮代谢途径中，割手密种的甘氨酸、谷氨酸等代谢物含量较高。构建割手密种和高贵种光合相关基因基因相互作用网络，割手密种和高贵种分别含有31和32种代谢途径的作用关系，与糖分代谢相关的基因分别含有32和55个。高贵种中存在5个特殊基因（Sspon.002A0021300、Sspon.008B0010590、Sspon.004A0001350、Sspon.008A0021570和Sspon.004A0001350）参与PEPCK、PPCK、PEPC代谢，在多种酶的作用下促进非糖物质转变成葡萄糖或糖原，这可能是高贵种高糖分含量形成的原因。
解析甘蔗梯度发育叶片代谢过程和昼夜节律响应机制可以阐明光合作用和碳水化合物代谢的基本生物学过程。同时借助这两组转录组研究光合作用，分析甘蔗种间差异，为进一步研究甘蔗种光合作用和碳水化合物代谢的差异提供了重要且有价值的基础。