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木薯生长于热带和亚热带地区,其块根贮藏着大量的淀粉,是一种重要的粮食作物。木薯是CO2同化率及蔗糖合成能力最强的一种C3植物,但是木薯块根中积累的淀粉远低于理论产量。提高地上部分合成的同化物在韧皮部装载、运输、卸载及在块根中转化成淀粉的效率,将有助于提高木薯块根的淀粉含量及产量。高等植物中,蔗糖是光合同化物运输的主要形式,木薯韧皮部筛管内的糖类80%为蔗糖。源器官(叶片)光合作用合成的同化物经过韧皮部装载-运输-卸载到库器官(块根)过程中,蔗糖代谢相关酶起着非常重要的作用。转化酶不可逆地将蔗糖分解成葡萄糖和果糖,参与了蔗糖的韧皮部卸载、植物的生长发育、开花结果、信号转导、响应生物和非生物胁迫等多种生理过程。转化酶具有多种形式的同工酶,在源器官中参与光合作用的调节,在库器官中参与库的发育及库强的构建。因此研究木薯转化酶基因家族成员的进化、表达特性及功能有助于我们了解木薯块根淀粉积累过程中的“源”“库”关系。本研究根据木薯基因组数据库预测信息,从SC8木薯品种克隆获得全部木薯转化酶基因家族成员并研究了基因家族的进化；利用QPCR技术对木薯转化酶基因家族进行了表达特性的研究；测定了木薯块根发育过程中转化酶活性及蔗糖、葡萄糖和果糖的动态变化。结果如下：1、克隆获得了19个木薯转化酶新基因,并登陆NCBI数据库。根据其结构特性这19个基因被分为3类：9个酸性转化酶基因,其中6个细胞壁转化酶基因(分别命名为MeCWINV1-6, GenBank:JQ339929、JX291160、JN801147、JQ792172、JX291159、 JQ339930),3个液泡转化酶基因(分别命名为MeVINV1-3, GenBank:JX291158、 JQ792174、JQ792173);10个中性/碱性转化酶基因(分别命名为MeNINV1-10, GenBank: JN616390、JQ339931、JQ339932、JQ782220、KF533729、KF533730、JN801148、JQ339933、 KF533731、KF533732).转化酶蛋白的亚细胞定位预测表明,MeCWINV1-6定位于细胞壁；MeVINV1-3定位于液泡；中性/碱性转化酶的α组成员定位于细胞器(其中α1亚组定位于质体；α2亚组定位于线粒体或质体),β组成员定位于细胞质。2、综合进化树分析、亚细胞定位、内含子-外显子结构及基因组结构的信息,推测木薯酸性转化酶基因由一个原始基因进化而来,原始基因首先进化成三个初始基因：MeCWINV1, MeCWINV2,6和MeVINV1,2,3。MeCWINV1经过一次复制,形成了MeCWINV3,后者再经历一次复制进化成MeCWINV4。MeCWINV2,6初始基因进行一次复制,分别形成MeCWINV2和MeCWINV6, MeCWINV2经过一次串联复制形成MeCWINV5。原始基因进化过程发生了突变,形成液泡转化酶MeVINV1,2,3初始基因,这个基因编码的蛋白的N端添加了一段信号序列使其定位于液泡。MeVINV1,2,3初始基因经过一次复制进化成MeVINV3和MeVINV1,后者再次复制,进化成MeVINV2。木薯中性/碱性转化酶基因由一个原始基因进化而来,原始基因首先进化成若干个初始基因。α1和α2两个亚组各形成一个初始基因：MeNINV6,8和MeNINv1,7。初始基因MeNINV6,8经过一次复制,形成MeNINV6和MeNINV8,后者再次复制形成MeNINV9。初始基因MeNINV1,7经过一次复制,形成MeNINV1和MeNINV7,后者再次复制形成MeNINV10。原始基因进化成β组中MeNINV2,3的初始基因或直接进化成MeNINV4和MeNINV5。MeNINV4经过一次复制,形成nINV1。MeNINV2,3初始基因经过一次复制,进化成MeNINV2和MeNINV3。3、转化酶基因在不同组织器官中的表达分析发现：MeCWINV1主要在叶片、雄花、雌花中表达,MeCWINV2特异在雄花中表达,MeCWINV3主要在叶片和雌花中表达,MeCWINV4主要在块根韧皮部和果中表达,MeCWiNV5主要在雌花和茎中表达,MeCWINV6主要生殖器官中表达,MeVINV1,2在生殖器官(雄花、雌花和果)中表达；MeVINV3主要在叶片和雄花中表达。MeNINV1.4,7主要在茎、雄花和雌花表达；MeNINV6.10主要在叶、茎、雄花和雌花表达；MeNINV2,3.5主要雄花表达；MeNINV8主要在雄花和雌花表达,MeNINV9主要在雌花表达；nINVl主要在块根韧皮部表达。4、在木薯块根淀粉积累过程中,在叶片表达量较高的基因MeCWINV1.3.MeVINV3. MeNINV1,6,10、nINV1;块根韧皮部表达量较高的基因MeCWINV1,3、MeVINV2. MeNINV1、nINV1。块根木质部表达量较高的基因MeCWINVl,3.MeVINV1,2.MeNINV1,6、nINV1.表达分析表明：细胞壁转化酶基因MeCWINV1.3,液泡转化酶基因MeCVINV2,中性碱性转化酶基因MeNINV1,6,10、nINV1在木薯叶片及块根蔗糖代谢中具有重要作用。5、不同品种木薯叶片转化酶的总活性比较发现,9I(低淀粉)叶片中的转化酶活性最高,其次是SC124(高淀粉),SC8(淀粉含量最高)叶片的转化酶活性最低。这表明,叶片的转化酶活性较低有利于块根淀粉的积累。块根韧皮部转化酶总活性比较分析表明,高淀粉木薯品种SC8和SC124块根韧皮部的转化酶活性大小相近,且均高于低淀粉木薯品种9I。这表明,块根韧皮部转化酶的活性较高有利于木薯淀粉的积累。块根中的细胞壁转化酶活性均比液泡转化酶和中性/碱性转化酶活性低,表明质外体途径卸载蔗糖在淀粉累积过程中的作用较低,蔗糖主要通过胞间连丝或蔗糖转运蛋白进入库细胞。6、在块根形成期和块根膨大前期,木薯块根木质部和韧皮部的蔗糖含量均处于较高水平,而叶片的蔗糖含量较低,表明叶片中合成的蔗糖正迅速转运到块根中。块根成熟期后,块根木质部和韧皮部的蔗糖含量降低,而叶片蔗糖含量高,表明这个时期叶片转运至块根的蔗糖减少,淀粉积累速率减慢。在各个时期,块根韧皮部和块根木质部中,葡萄糖和果糖的含量及变化趋势相同,表明块根中蔗糖的降解主要是通过转化酶催化降解。木薯块根韧皮部和块根木质部的葡萄糖和果糖含量在蔗糖最充足的块根膨大期前期(植后135天)仍保持较低的水平,很可能这个时期块根淀粉的快速积累需要消耗大量的葡萄糖和果糖,导致这一时期的块根中的葡萄糖和果糖最低。7、根据木薯转化酶基因表达、亚细胞定位、酶活分析及糖含量分析,转化酶基因家族在木薯叶肉细胞和库细胞参与蔗糖代谢的可能途径：在源器官(叶)的叶绿体中,卡尔文循环固定CO2生成的磷酸丙糖通过磷酸丙糖转运器(TPT)作用进入细胞质中合成蔗糖。蔗糖可以通过蔗糖转运蛋白运输进入液泡、线粒体和叶绿体。位于细胞质的中性/碱性转化酶(nINV1、MeNINV2,3,4)和液泡中的液泡转化酶(MeVINV1,2,3)可将蔗糖分解成己糖,己糖被己糖激酶磷酸化形成磷酸己糖,可重新合成蔗糖,参与蔗糖在叶片中的“无效”碳循环。线粒体中的中性/碱性转化酶(MeNINV1,6,7,10)将蔗糖分解参与ATP的生成。叶绿体中的中性/碱性转化酶(MeNINV1,6,8,9)将蔗糖分解参与叶绿体淀粉的积累。细胞质中的蔗糖合成酶将蔗糖分解成UDPG和果糖,UDPG可参与细胞壁的生物合成。叶片中合成的蔗糖运输出细胞后,细胞壁转化酶(MeCWINV1,3,4,5,6)可在质外体空间将其分解成葡萄糖和果糖。在库器官中,韧皮部运输的蔗糖可通过胞间连丝或蔗糖转运蛋白运输进入库细胞,或者在质外体空间被细胞壁转化酶(MeCWINV1,3,4,5,6)分解成己糖,通过己糖载体运输至库细胞。库细胞中的蔗糖可以通过蔗糖转运蛋白运输进入液泡、线粒体和淀粉体。库细胞液泡内的液泡转化酶(MeVINV1,2,3)、位于细胞质中(nINV1、MeNINV2,3,4)和淀粉体中(MeNINV1,6,8,9)的中性/碱性转化酶将蔗糖分解成己糖,己糖经过己糖激酶磷酸化生成磷酸己糖参与木薯淀粉的合成。线粒体中的中性/碱性转化酶(MeNINV1,6,7,10)将蔗糖分解参与ATP的生成。细胞质中的蔗糖合成酶将蔗糖分解成UDPG和果糖,UDPG可参与细胞壁和淀粉的生物合成。