甘蔗SWEET基因家族的演化与功能分析

发布时间：2018-03-05 03:26

本文选题：甘蔗　切入点：SWEET　出处：《福建农林大学》2017年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：甘蔗(Saccharumspp.)是全世界食糖和工业用糖的主要来源,也是重要的生物质能源材料。甘蔗成熟茎杆的汁液中包含18%左右的蔗糖,而糖分转运蛋白是糖分在其转运和代谢途径中最为核心的功能蛋白,了解这些与甘蔗糖分转运相关的蛋白的功能,对理解其糖分积累机制及甘蔗品质的分子改良具有重要的意义。SWEET(Sugars Will Eventually be Exported Transporters)是一类新近发现的广泛存在于从古细菌到高等动植物基因组中的糖分转运蛋白家族,该类蛋白在诸如植株发育、生殖生长以及植物与致病菌互作等生物学过程中发挥重要作用。本研究利用比较基因组学鉴定出甘蔗SWEET基因家族成员,构建系统进化树揭示其演化关系,利用转录组测序手段分析不同基因的表达模式,并在异源酵母中验证部分基因的功能,以期为甘蔗的分子育种提供依据。主要研究结果如下:(1)以高粱SWEET基因为参考,通过比较基因组学从高覆盖度的甘蔗割手密(Saccharum spontaneum,Ss)BAC 文库中鉴定出 2个S2 E 基因。这 22个基因均具有开放阅读框(open reading frames,ORFs)。所有甘蔗SWEET蛋白均含有2个MtN3/saliva结构域。氨基酸序列比对发现,不同成员之间相似性在27～95%之间,平均为31%。高粱与甘蔗直系同源SWEET基因对之间的Ka/Ks值均小于1,除了Sb03g003480/SsSWEET4d,其余直系同源基因对的Ka/Ks均小于0.5,说明SWEET基因受到了较强烈的纯化选择作用。(2)利用双子叶植物拟南芥、蒺藜苜蓿、杨树、葡萄,单子叶植物水稻、玉米、高粱、菠萝、甘蔗,无油樟(被子植物基部)以及衣藻(作为外类群)的SWEET蛋白序列构建系统进化树,进化树主要分为四个分支。单双子叶植物中SWEET基因拷贝数均较无油樟多,表明SWEET基因家族在单双子叶植物世系均发生了扩增。进化树可进一步分为10个双子叶亚家族(以E开头)和16个单子叶亚家族(以M开头)。除了 E11-14,其余双子叶亚家族均含有来自四种双子叶植物的SWEET基因,而16个单子叶亚家族只有5个包含所有单子叶物种SWEET基因,说明这些亚家族的祖先SWEET基因在各自单双子叶植物祖先中就已经存在,且SWEET基因在单子叶植物世系中的演化更多样。此外,在M2b、M11、M13等单子叶亚家族中,不含有菠萝的SWEET基因,说明这些亚家族的祖先SWEET基因可能起源于凤梨科从禾本目分化出来之后,泛禾本植物的ρ全基因组复制事件之前。由进化树可知,SsSWEET12、-16a、-16b在单子叶植物祖先中可能就存在。SsSWEET1a/SsSWEET1b、SsSWEET2a/SsSWEET2b 及 SsSWEET3a/SsSWEET3b 这三对基因可能产生于单子叶植物在凤梨科从禾本目分离后的复制事件。SsWEET13a、-13b、-13c和SsSWEET4aW-4b、-4c可能源于黍亚科植物祖先的基因复制事件。基因结构模型分析可知,被子植物祖先SWEET基因可能具有6个或者5个外显子。而SsSWEET基因的外显子大小保守,基因长度的变异主要是由内含子的插入或者缺失引起。(3)SWET基因在甘蔗不同生长时期的转录组表达谱表明,SWEET1b和SWEET2b在三个原始种甘蔗苗期和成熟期叶片中高表达;而SWEET4a和SWEET4b在靠近茎尖的茎节中的表达量远高于叶片。表明前两者在源组织叶片可能负责糖分韧皮部的转载,而后两者在糖分从源到库的中转过程中发挥作用。SWEET13a、-13b、-13c在苗期叶片高丰度表达;在成熟期的茎节越靠近根部,表达水平越高。说明这三者可能不仅参与幼苗的发育,还与甘蔗茎秆成熟有关,影响甘蔗品质。甘蔗割手密苗期发育叶片不同叶段的转录组数据显示,在发育叶片的基部,SWEET基因家族中SWEET4a、SWEET4b以及SWEET11a的表达占主导地位,暗示这些基因与DNA、细胞壁合成及细胞周期调节等初生代谢活动有关;在源库过渡区,SWEET16b和SWEET1a的高表达可能影响木质素和软木脂生成以及次级细胞壁生物合成等建立光合作用装置的代谢反应;而叶尖部SWEET13a的转录本水平富集,说明其与叶片光合作用装置(包括酶、光系统和叶绿体)的运作可能高度相关。(4)酵母生长互补实验表明:SsSWEET1、SsSWEET4a以及SoSWEET4a、SoSWEET4b(Saccharum offficinarum,So)能够转运葡萄糖、果糖及蔗糖;而SsSWEET11a和SoSWEET13a对葡萄糖、果糖和蔗糖没有转运活性。(5)鉴定出 AtSWEET1、AtSWWEET2、AtSWEET8、AtSWEET11、AtSWEET12、AtSWEET13的纯合T-DNA插入突变体。除ASWEET8(已有文献报道其功能)的突变体植株果荚变短外,其余基因的拟南芥突变体表型与野生型基本无差异,说明不同AtSWEET基因之间存在功能冗余。
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【学位授予单位】：福建农林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：Q943.2;S566.1

【参考文献】