[00131637]用转录组学和蛋白质组学关联解析甘蔗蔗糖积累的分子调控机制

①课题来源与背景 课题来源为国家自然科学基金地区基金项目。 甘蔗是我国主要的糖料作物,甘蔗糖占我国食糖总产量的90%左右。高糖是甘蔗新品种选育的重要目标,然而甘蔗常规杂交育种周期长,工作量大,通常育成一个品种需要10~12年时间。再者,由于甘蔗遗传背景复杂且遗传基础窄,通过常规育种提高甘蔗糖分的进度非常缓慢。分子育种是现代育种的方向,而新基因的发掘是作物分子育种的基础。转录组学和蛋白质组学关联分析优于单方面分析而被越来越多应用于作物批量基因发掘。通过分子辅助育种可能是甘蔗糖分获得突破的关键途径。 ②研究目的与意义 解析甘蔗蔗糖积累的调控机理,挖掘调控高糖的关键基因,对甘蔗高糖分子辅助育种具有重要意义。而进一步提高甘蔗蔗糖分,进而提高单位面积产糖量,满足我国的食糖需求,对我国食糖安全以及地区经济发展和社会稳定至关重要。 ③主要论点与论据 A. 鉴定调控甘蔗蔗糖积累相关候选基因（蛋白质） 乙烯利是蔗糖积累的重要调控物质。本课题分析了高、中、低糖三个甘蔗基因型乙烯利处理前后的转录组和蛋白质组。转录组测序分析鉴定出约16万个基因,其中8.6万个基因被注释为与碳水化合物代谢、信号传导、定位、转运、水解、生长、催化活性、膜和贮藏相关。在所有基因型和处理组合中约有25000个基因差异表达。基因型比乙烯处理对差异基因表达有显著影响。在低糖基因型中,蔗糖和淀粉代谢基因对乙烯处理更敏感。乙烯利引起许多应激相关转录因子、糖代谢、激素代谢和表观遗传修饰相关基因表达差异。乙烯利刺激库活性增加并促进低糖基因型中蔗糖的积累。通过蛋白质组学分析,共鉴定到 2983个蛋白,经各组比较后共获139个差异蛋白（DEPs）,DEPs主要参与carbon fixation in photosynthetic organisms, Amino sugar and nucleotide sugar metabolism, Photosynthesis, Photosynthesis - antenna proteins,starch and sucrose metabolism pathwa等糖代谢途径,共鉴定出25个与蔗糖代谢密切相关的蛋白质。 B. 构建甘蔗蔗糖积累相关基因分子调控网络 为揭示碳水化合物代谢途径的调控网络,分析了转录因子、调控蛋白和表观遗传因子的表达特性。选择了至少在两个比较组中有相似表达特性的基因作为候选基因。转录因子表现出各种表达特性。不管乙烯利处理与否,c67755g1、c95935g1和c78352g3 在高糖品种中的表达比中糖和低糖品种高,且他们在中糖品种中的表达受乙烯利轻微诱导。c100278g1、c85125g2、c93121g3、c105226g1、c95494g4、c99023g1 和c101031g1在高糖品种中的表达比中糖和低糖品种高,但它们在中糖品种中的表达受乙烯利负控制。参与蔗糖代谢相关途径的的差异蛋白质受乙烯利诱导或由基因型决定。 C. 初步揭示甘蔗蔗糖积累的分子调控机制 综合关联分析表明,乙烯利通过诱导光合系统中天线蛋白的表达来增强光的捕获,并通过诱导光系统Ⅰ蛋白复合体、细胞色素b6/f蛋白复合体和光合电子传递蛋白复合体中相关蛋白的表达来增强光合作用强度。同时诱导光合组织中碳同化途径、氨基糖和核苷糖代谢途径中关键酶的表达,促进碳同化和同化物转化。乙烯利还调节淀粉和蔗糖代谢途径中关键酶的表达。此外,当受乙烯利诱导后,ERFs调控SPSs和SUSs的表达增加蔗糖合成,而ATP酶,转化酶 （主要为CWINV3） 和蔗糖转运蛋白SUTs促进蔗糖的运输,乙烯利通过综合调控这些代谢途径促进了甘蔗最终蔗糖积累。本项目初步绘制出甘蔗蔗糖积累相关基因分子调控网络,部分揭示了甘蔗蔗糖积累的分子调控机制。 ④创见与创新 本课题针对甘蔗是异源多倍非整倍体植物,首次通过转录组学和蛋白质组学等现代分子生物学技术,分离和鉴定甘蔗蔗糖积累关键基因,构建蔗糖积累相关基因分子调控网络,初步揭示甘蔗蔗糖积累的分子调控机制,为进一步通过分子手段创制甘蔗高糖优异种质奠定理论和技术基础。 转录组与蛋白质组关联分析,可获得表达谱的“全景图”,并实现其间的互补和整合,大幅度提高基因和蛋白鉴定数;通过分析同一基因其转录水平与蛋白表达水平量的变化,挖掘蔗糖积累关键基因表达调控机制,部分阐释了甘蔗蔗糖积累的分子调控机制。 ⑤社会经济效益,存在的问题 本课题主要开展基础研究,成果未转化应用。 ⑥历年获奖情况 无。 ⑦成果简介 发表论文6 篇,其中SCI论文3 篇,中文核心期刊2 篇,国际学术会议论文1 篇。 [1]Chen Z-L, Qin C-X, Wang M, Liao F, Liao Q, Liu X-H, Li Y-R, Lakshmanan P,Long M-H, Huang D-L . Ethylene-mediated improvement in sucrose accumulation in ripening sugarcane involves increased sink strength. BMC Plant Biology, 2019, 19: 285. DOI: 10.1186/s12870-019-1882-z。 [2]秦翠鲜, 桂意云, 陈忠良, 汪淼, 廖芬, 李杨瑞, 黄东亮. 植物蔗糖合成酶基因研究进展. 分子植物育种, 2018, 16（12）: 3907-3914。 [3]桂意云, 陈忠良, 秦翠鲜, 汪淼, 刘丽敏, 李杨瑞, 黄东亮. 基于CGE技术的甘蔗SSR-PCR反应体系优化. 南方农业学报, 2016, 47（9）: 1463-1469。 [4]Huang D-L, Qin C-X, Gui Y-Y, Zhao L-H, Chen Z-L, Wang M, Sun Y, Liao Q,Li Y-R, Lakshmanan P. Role of the SPS Gene Families in the Regulation ofSucrose Accumulation in Sugarcane. Sugar Tech, 2017, 19（2）: 117-124。 [5]Huang D-L, Gao Y-J, Gui Y-Y, Chen Z-L, Qin C-X, Wang M, Liao Q, Yang L-T,Li Y-R. Transcriptome of High Sucrose Sugarcane Variety GT35. Sugar Tech,2016, 18（5）: 520-528。 [6]Qin C-X, Chen Z-L, Wang M, Gui Y-Y, Liao F, Liao Q, Li Y-R, Huang D-L. Exploration of Sucrose Accumulation Associated Genes in Sugarcane by RNA Sequencing. Proceedings of 6th IAPSIT International Sugar Conference: IS-2018,PP.328-336。 获授权实用新型专利：2 个。 [1]实用新型专利：一种超净台用组织培养瓶放置架,ZL201820610153.1,发明人：汪淼,黄东亮,廖芬,陈忠良,秦翠鲜,授权日:2018-11-30 [2]实用新型专利：一种外植体消毒用装置,ZL201820610152.7,发明人：汪淼,黄东亮,廖芬,秦翠鲜,陈忠良,授权日:2018-12-18。