本文選題：甘蔗　切入點(diǎn)：SWEET　出處：《福建農(nóng)林大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：甘蔗(Saccharumspp.)是全世界食糖和工業(yè)用糖的主要來(lái)源,也是重要的生物質(zhì)能源材料。甘蔗成熟莖桿的汁液中包含18%左右的蔗糖,而糖分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是糖分在其轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝途徑中最為核心的功能蛋白,了解這些與甘蔗糖分轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的蛋白的功能,對(duì)理解其糖分積累機(jī)制及甘蔗品質(zhì)的分子改良具有重要的意義。SWEET(Sugars Will Eventually be Exported Transporters)是一類新近發(fā)現(xiàn)的廣泛存在于從古細(xì)菌到高等動(dòng)植物基因組中的糖分轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族,該類蛋白在諸如植株發(fā)育、生殖生長(zhǎng)以及植物與致病菌互作等生物學(xué)過(guò)程中發(fā)揮重要作用。本研究利用比較基因組學(xué)鑒定出甘蔗SWEET基因家族成員,構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)揭示其演化關(guān)系,利用轉(zhuǎn)錄組測(cè)序手段分析不同基因的表達(dá)模式,并在異源酵母中驗(yàn)證部分基因的功能,以期為甘蔗的分子育種提供依據(jù)。主要研究結(jié)果如下:(1)以高粱SWEET基因?yàn)閰⒖?通過(guò)比較基因組學(xué)從高覆蓋度的甘蔗割手密(Saccharum spontaneum,Ss)BAC 文庫(kù)中鑒定出 2個(gè)S2 E 基因。這 22個(gè)基因均具有開(kāi)放閱讀框(open reading frames,ORFs)。所有甘蔗SWEET蛋白均含有2個(gè)MtN3/saliva結(jié)構(gòu)域。氨基酸序列比對(duì)發(fā)現(xiàn),不同成員之間相似性在27～95%之間,平均為31%。高粱與甘蔗直系同源SWEET基因?qū)χg的Ka/Ks值均小于1,除了Sb03g003480/SsSWEET4d,其余直系同源基因?qū)Φ腒a/Ks均小于0.5,說(shuō)明SWEET基因受到了較強(qiáng)烈的純化選擇作用。(2)利用雙子葉植物擬南芥、蒺藜苜蓿、楊樹(shù)、葡萄,單子葉植物水稻、玉米、高粱、菠蘿、甘蔗,無(wú)油樟(被子植物基部)以及衣藻(作為外類群)的SWEET蛋白序列構(gòu)建系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù),進(jìn)化樹(shù)主要分為四個(gè)分支。單雙子葉植物中SWEET基因拷貝數(shù)均較無(wú)油樟多,表明SWEET基因家族在單雙子葉植物世系均發(fā)生了擴(kuò)增。進(jìn)化樹(shù)可進(jìn)一步分為10個(gè)雙子葉亞家族(以E開(kāi)頭)和16個(gè)單子葉亞家族(以M開(kāi)頭)。除了 E11-14,其余雙子葉亞家族均含有來(lái)自四種雙子葉植物的SWEET基因,而16個(gè)單子葉亞家族只有5個(gè)包含所有單子葉物種SWEET基因,說(shuō)明這些亞家族的祖先SWEET基因在各自單雙子葉植物祖先中就已經(jīng)存在,且SWEET基因在單子葉植物世系中的演化更多樣。此外,在M2b、M11、M13等單子葉亞家族中,不含有菠蘿的SWEET基因,說(shuō)明這些亞家族的祖先SWEET基因可能起源于鳳梨科從禾本目分化出來(lái)之后,泛禾本植物的ρ全基因組復(fù)制事件之前。由進(jìn)化樹(shù)可知,SsSWEET12、-16a、-16b在單子葉植物祖先中可能就存在。SsSWEET1a/SsSWEET1b、SsSWEET2a/SsSWEET2b 及 SsSWEET3a/SsSWEET3b 這三對(duì)基因可能產(chǎn)生于單子葉植物在鳳梨科從禾本目分離后的復(fù)制事件。SsWEET13a、-13b、-13c和SsSWEET4aW-4b、-4c可能源于黍亞科植物祖先的基因復(fù)制事件。基因結(jié)構(gòu)模型分析可知,被子植物祖先SWEET基因可能具有6個(gè)或者5個(gè)外顯子。而SsSWEET基因的外顯子大小保守,基因長(zhǎng)度的變異主要是由內(nèi)含子的插入或者缺失引起。(3)SWET基因在甘蔗不同生長(zhǎng)時(shí)期的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)譜表明,SWEET1b和SWEET2b在三個(gè)原始種甘蔗苗期和成熟期葉片中高表達(dá);而SWEET4a和SWEET4b在靠近莖尖的莖節(jié)中的表達(dá)量遠(yuǎn)高于葉片。表明前兩者在源組織葉片可能負(fù)責(zé)糖分韌皮部的轉(zhuǎn)載,而后兩者在糖分從源到庫(kù)的中轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)揮作用。SWEET13a、-13b、-13c在苗期葉片高豐度表達(dá);在成熟期的莖節(jié)越靠近根部,表達(dá)水平越高。說(shuō)明這三者可能不僅參與幼苗的發(fā)育,還與甘蔗莖稈成熟有關(guān),影響甘蔗品質(zhì)。甘蔗割手密苗期發(fā)育葉片不同葉段的轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)顯示,在發(fā)育葉片的基部,SWEET基因家族中SWEET4a、SWEET4b以及SWEET11a的表達(dá)占主導(dǎo)地位,暗示這些基因與DNA、細(xì)胞壁合成及細(xì)胞周期調(diào)節(jié)等初生代謝活動(dòng)有關(guān);在源庫(kù)過(guò)渡區(qū),SWEET16b和SWEET1a的高表達(dá)可能影響木質(zhì)素和軟木脂生成以及次級(jí)細(xì)胞壁生物合成等建立光合作用裝置的代謝反應(yīng);而葉尖部SWEET13a的轉(zhuǎn)錄本水平富集,說(shuō)明其與葉片光合作用裝置(包括酶、光系統(tǒng)和葉綠體)的運(yùn)作可能高度相關(guān)。(4)酵母生長(zhǎng)互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)表明:SsSWEET1、SsSWEET4a以及SoSWEET4a、SoSWEET4b(Saccharum offficinarum,So)能夠轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖、果糖及蔗糖;而SsSWEET11a和SoSWEET13a對(duì)葡萄糖、果糖和蔗糖沒(méi)有轉(zhuǎn)運(yùn)活性。(5)鑒定出 AtSWEET1、AtSWWEET2、AtSWEET8、AtSWEET11、AtSWEET12、AtSWEET13的純合T-DNA插入突變體。除ASWEET8(已有文獻(xiàn)報(bào)道其功能)的突變體植株果莢變短外,其余基因的擬南芥突變體表型與野生型基本無(wú)差異,說(shuō)明不同AtSWEET基因之間存在功能冗余。
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【學(xué)位授予單位】：福建農(nóng)林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q943.2;S566.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1568552